電動自行車調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計123

1、自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計任務(wù)書課題：電動自行車調(diào)速控制電路的設(shè)計 姓名：蔡嘉倫 學(xué)號：2012118002目錄概 述.2方案及原理.2總 體 規(guī) 劃.3電 路 設(shè) 計.3參 考 文 獻(xiàn).9概述 單片機(jī)控制的永磁無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)適用于電動自行車等小功率的工作情況。并能將多余的電能回潰。該系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、功率因數(shù)高、節(jié)能、體積小、重量輕等優(yōu)點。本文從系統(tǒng)要求分析入手，將整個系統(tǒng)分成四個部分，分析和討論了各個部分的電路原理、控制策略、實現(xiàn)方法。詳細(xì)討論了系統(tǒng)的各種工況及信號的傳遞情況，并得到了系統(tǒng)各個部分在不同工況的工作狀態(tài)。系統(tǒng)各部分的控制電路基于Intel公司的控制芯片8051單片機(jī)。根據(jù)

2、永磁無刷直流電動機(jī)的特性實施脈寬PWM控制，并通過轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速通過八段數(shù)碼管動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，通過軟硬件的配合，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的設(shè)計要求。方案及原理電動車對電動機(jī)的基本要求  電動車的運行，與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，非常復(fù)雜。因此，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是很高的。    電動車用電動機(jī)應(yīng)具有瞬時功率大，過載能力強(qiáng)、過載系數(shù)應(yīng)為(34)，加速性能好，使用壽命長的特點。    電動車用電動機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能

3、夠高速行駛的要求。 電動車用電動機(jī)應(yīng)能夠在車減速時實現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電汽車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機(jī)的摩托車上是不能實現(xiàn)的。    電動車用電動機(jī)應(yīng)在整個運行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高1次充電的續(xù)駛里程。     另外還要求電動車用電動機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。   鑒于電動車對電動機(jī)的基本要求采用永磁無刷直流電動機(jī) 。   永磁無刷直流電動機(jī)的基本性能 。 永磁無刷直流電動機(jī)是一種

4、高性能的電動機(jī)。它的最大特點就是具有直流電動機(jī)的外特性而沒有刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗：發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)運行。永磁無刷直流電動機(jī)機(jī)系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動車中有著很好的應(yīng)用前景。     永磁無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng) 。 典型的永磁無刷直流電動機(jī)是一種準(zhǔn)解耦矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而

5、永磁無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)非常適合于運行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進(jìn)一步擴(kuò)充轉(zhuǎn)速，永磁無刷直流電動機(jī)也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實質(zhì)是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。 永磁無刷直流電動機(jī)的不足 。 永磁無刷直流電動機(jī)受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機(jī)的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機(jī)的性能，嚴(yán)重時還會損壞電動機(jī)，在使用中必須嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動機(jī)在恒功率模式下，操縱復(fù)雜，需要

6、一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)造價很高。方案及原理對于電動自行車控制系統(tǒng)設(shè)計主要有三個方面：一、控制電路的設(shè)計；二、傳感器選擇以及安放設(shè)計；三、顯示電路的設(shè)計；四、程序設(shè)計。從總的方面來考慮，傳感器的使用應(yīng)該盡量減少單片機(jī)的信號處理量，但是又必須能使車行駛自如?？刂齐娐芬鶕?jù)選用的電機(jī)和傳感器來設(shè)計，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性?？刂坪诵牟捎?1單片機(jī)，控制系統(tǒng)與電路用光耦完全隔離以避免干擾。控制上采用分時復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機(jī)就實現(xiàn)了信號采集，電機(jī)控制和轉(zhuǎn)速顯示。如圖3-1所示直流電動機(jī)單片機(jī)顯示部分轉(zhuǎn)速傳感器控制電路驅(qū)動 圖 3-1電路設(shè)計控制電路主要有電源電路、電

7、機(jī)驅(qū)動電路、單片機(jī)接口電路、顯示電路四個部分?？紤]到電機(jī)的起動電流和制動時比較大，會造成電源電壓不穩(wěn)定容易對單片機(jī)和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機(jī)驅(qū)動電路和單片機(jī)以及傳感器電路用光耦隔離。傳感器的電源直接使用24V蓄電池，單片機(jī)的電源則通過三端穩(wěn)壓器78L05將24V電源轉(zhuǎn)換到5V。 電源電路 圖 4-1-124V直流電源經(jīng)三端穩(wěn)牙器74L05輸出即為單片機(jī)所要求的+5V電源。電路中接入電容C1、C2是用來實現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)?，可防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。大容量的C3是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端意外短路時，給輸出電容器

8、C3一個放電通路，防止C3兩端電壓作用于調(diào)整管的be結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。打開系統(tǒng)電源后由電位器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，IN0-IN6線上那一路模擬電壓被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量由ADDA-ADDC線上的地址決定。ADDC0809內(nèi)部“地址鎖存與譯碼”電路便能把IN0線上模擬電壓送入8位A/D轉(zhuǎn)換器此時，若單片機(jī)使STAR線處于高電平，則ADC0809便開始A/D轉(zhuǎn)換，一旦A/D轉(zhuǎn)換完成，ADC0809一方面把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入它的三態(tài)輸出緩沖器另一方面又使EOC線變?yōu)楦唠娖较騿纹瑱C(jī)提出中斷請求。單片機(jī)檢測和響應(yīng)該中斷請求后就通過使rd非變?yōu)榈碗娖蕉筄E線變高，以便可以從2-1-2-8引線上取走

9、A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。單片機(jī)根據(jù) A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出相應(yīng)的巨型脈沖信號。脈沖信號經(jīng)74LS245放大后經(jīng)光電藕荷控制繼電器。驅(qū)動電路及原理 下面主要對驅(qū)動電路進(jìn)行一下介紹：一種線性型：使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運行時，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。另一種脈寬調(diào)制型：脈寬調(diào)速（PULSE WIDE MODULATIONPWM）較常用的一種調(diào)速方式，這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)的等優(yōu)點。

10、因此決定采用PWM方式控制直流電機(jī)。永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速原理 永磁式直流電動機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓UD決定，電樞電UD越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓UD降為0V，電機(jī)就停轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的具體調(diào)速過程是：先讓它啟動一段時間，然后切斷電源，電動機(jī)因慣性而降速轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時使電動機(jī)再次接通電動機(jī)因此而再次加速。不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（即脈動信號） 就可以使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。如圖4-4-1所示：脈沖信號：tT轉(zhuǎn)速：VMAXVDVMIN 圖 4-4-1 VMAX為電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值。VMIN為電動機(jī)的最小轉(zhuǎn)速值。VD為二者的平均值。VD=D * VMAX 式中D=t/T稱為占

11、空比 D越大VD就越大反之亦然。平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比D之間的關(guān)系如4-4-2圖：VD（平均速度）00.51D（占空比）由圖可知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關(guān)系，但可以近似的看成是線性關(guān)系。因此電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)速VD就可以有占空比D加以控制。PWM調(diào)速分為雙向式和單向式兩種：一種雙向式在一個脈沖周期內(nèi)(T=TaTb)，T1和T3導(dǎo)通的時間為Ta，T2和T4導(dǎo)通的時間為Tb，這樣在Ta這段時間內(nèi)，電機(jī)通過的是正向電流，在Tb這段時間內(nèi)為反相電流。當(dāng)Ta=Tb時電機(jī)停轉(zhuǎn)，Ta>Tb時電機(jī)正轉(zhuǎn)， Ta <Tb時電機(jī)反轉(zhuǎn)。另一種單向式單向式的電路更雙向式相同。不同的是，在電機(jī)正轉(zhuǎn)時

12、，Tb這段時間內(nèi)不通過反向電流，電機(jī)反轉(zhuǎn)時，Ta內(nèi)不通過正向電流。其調(diào)速原理基本與雙向式相同。單向式與雙向式相比，三極管的開關(guān)頻率少一半，比較不容易發(fā)生上下三極管導(dǎo)通而造成電源短路的情況,故可靠性有所提高，但控制性能比雙向式稍差。外特性、低速性能也不如雙向式好。 如上圖4-4-5左所示為雙向式調(diào)速方式下速度與占空比關(guān)系曲線，圖3-1-5右為單向式調(diào)速方式曲線。 綜合以上兩種方式的優(yōu)缺點，并考慮到電動自行車對調(diào)速精度要求不太高，以及省電，器件損耗等各方面因素，決定采用單向式PWM。考慮到編程時可能會產(chǎn)生使T1、T2、T3、T4都導(dǎo)通的情況，以至電源短路，燒毀器件。由于采用單片機(jī)控制電機(jī)，如果單片

13、機(jī)的電源采用與電機(jī)同一電源，雖然經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波，但是單片機(jī)仍然容易受到電機(jī)以及繼電器的干擾，為了避免干擾，采用光電隔離，單片機(jī)和電機(jī)采用兩套電源。4N26光耦一般需要2mA以上的驅(qū)動電流，由于單片機(jī)的輸出電流只有幾百微安，故需要先接74LS245或者接一個三極管增加驅(qū)動能力（74LS245的高電平驅(qū)動能力為15mA）。光耦的輸出再接給達(dá)林頓管，考慮到電機(jī)的短路電流有2A，故選用TIP132型號的達(dá)林頓管（允許通過的最大瞬時電流為8A）。另外在達(dá)林頓管的C極和電源的正極之間接一個耐流為2A的二極管，這樣在關(guān)斷電源后，使繼電器反相，可以讓電機(jī)放電，這樣停車時車不至于因為慣性滑行太遠(yuǎn)而浪費能源。因此

14、時以關(guān)斷了電源，要將電動車停下來而采取的無謂制動不能將電能回饋給蓄電池。考慮到電動自行車對電機(jī)轉(zhuǎn)速，距離控制的要求不高，為了簡化程序和外接電路，所以沒有考慮采用閉環(huán)PWM控制，用開環(huán)PWM控制就可以實現(xiàn)自行車的功能。脈沖信號 Ta Tb工作時Ta為高電平，通過光耦驅(qū)動復(fù)合管T導(dǎo)通，此時Tb為高電平通過光耦使三極管導(dǎo)通，繼電器各線圈被短路。K1、K3為長閉觸點，所以電動機(jī)加正向電壓。當(dāng)Tb為底電平時所有繼電器得電，常開觸點閉合常閉觸點打開，K1、K3 斷開K2、K4導(dǎo)通。電動機(jī)加反向電壓。如果保證Ta>Tb則電動機(jī)正轉(zhuǎn)。通過改變Ta 、Tb的占空比即可改變轉(zhuǎn)速。參考文獻(xiàn)： 1 胡漢才 編著單片機(jī)原理及其接口技術(shù)清華大學(xué)出版社2003.72 余永權(quán) 李小青 陳林康 編著單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)北京航空航天大學(xué)出版社 1992年9月第1版3王曉明 編著電動機(jī)的單片機(jī)控制北京航空航天大學(xué)出版社 2002年5月4 趙晶, 編著 電路設(shè)計與制版Protel 99高級應(yīng)用 人民郵電出版社5 孫涵芳