電動(dòng)自行車調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)123

1、自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課題：電動(dòng)自行車調(diào)速控制電路的設(shè)計(jì)：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(jì) 3參 考 文 獻(xiàn) .9概述單片機(jī)控制的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)適用于電動(dòng)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(diǎn)。本文從系統(tǒng)要求分析入手，將整個(gè)系統(tǒng)分成四個(gè)部分，分析和討論了各個(gè) 部分的電路原理、控制策略、實(shí)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(gè)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 805

2、1 單片機(jī)。根據(jù)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的特 性實(shí)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(dòng)態(tài)顯示轉(zhuǎn) 速，通過軟硬件的配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。方案及原理電動(dòng)車對電動(dòng)機(jī)的基本要求電動(dòng)車的運(yùn)行，與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，非常復(fù)雜。因此，對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要 很高的。電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有瞬時(shí)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(diǎn)。電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速圍，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(yùn)行時(shí)具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動(dòng)和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求 低轉(zhuǎn)矩時(shí)具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)能夠在車減速時(shí)實(shí)現(xiàn)

3、再生制動(dòng)，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， 這在燃機(jī)的摩托車上是不能實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)在整個(gè)運(yùn)行圍，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(dòng)車用電動(dòng)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(yùn)行時(shí)噪聲低，使用維修方便，價(jià)格便宜等。 鑒于電動(dòng)車對電動(dòng)機(jī)的基本要求采用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本性能 。 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種高性能的 電動(dòng)機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動(dòng)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(lì)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

4、刷直流電動(dòng)機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾， 壽命長，運(yùn)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(yùn)行。 永磁無刷直流電動(dòng)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(dòng)車中有著很好的應(yīng)用前 景。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng) 。 典型的永磁無刷直流電動(dòng)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， 因而永磁無刷直流電動(dòng)機(jī) 系統(tǒng)非常適合于運(yùn)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(dòng)機(jī)也可以采用弱磁控制。 弱磁 控制的實(shí)質(zhì)是使相電流相位角超前，提

5、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(dòng)機(jī)的不足 。永磁無刷直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)的功率圍較小，最大功率僅幾十千瓦。 永磁材 料在受到振動(dòng)、高溫和過載電流作用時(shí)， 其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象， 將降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電動(dòng)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(dòng)機(jī)在恒功率模式下，操縱復(fù)雜， 需要一套復(fù)雜 的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造價(jià)很高。方案及原理 對于電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有三個(gè)方面：一、控制電路的設(shè)計(jì)；二、 傳感器選擇以及安放設(shè)計(jì)；三、顯示電路的設(shè)計(jì)；四、程序

6、設(shè)計(jì)。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(jì)， 主要考慮穩(wěn)定性， 抗干擾性。 控制核心采用 51 單片機(jī)，控制系統(tǒng)與電路用光耦完全隔離以避免干擾?？刂粕?采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)了信號采集，電機(jī)控制和轉(zhuǎn)速顯示。 如圖 3-1 所示控制電路直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器圖 3-1電路設(shè)計(jì)控制電路主要有電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)接口電路、顯示電路四個(gè) 部分。考慮到電機(jī)的起動(dòng)電流和制動(dòng)時(shí)比較大， 會(huì)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(dòng)電路和單片機(jī)以及傳感器

7、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。電源電路書324VVin+5V2i三端穩(wěn)壓器78L05C10.33 叮15V擊穿而損壞。打開系統(tǒng)電源后由電位器控制電動(dòng)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(shí)，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

8、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?0E線變高，以便可以從 2-1-2-8引線上取走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(dòng)電路及原理下面主要對驅(qū)動(dòng)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(dòng) 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(yùn)行時(shí)，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 MODULATION PWM)較常 用的

9、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)速圍廣、過載 能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動(dòng)、 制動(dòng)和反轉(zhuǎn) 的等優(yōu)點(diǎn)。因此決定米用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(dòng)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(dòng)一段時(shí)間，然后切斷電源，電動(dòng)機(jī)因慣性而降速轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時(shí)使電動(dòng)機(jī)再次接通電動(dòng)機(jī)因此而再次加速。不斷的給電樞兩端送入脈動(dòng)電壓源轉(zhuǎn)速:VminVmax(即脈動(dòng)信號) 就可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在指定的圍。如圖4-4-1所示:脈沖

10、信號：TVmax為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值。Vmin為電動(dòng)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)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(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速VD就可以有占空比D加以控制。PWMS速分為雙向式和單向式兩種： 一種雙向式在一個(gè)脈沖周期(T=Ta + Tb), T1和T3導(dǎo)通的時(shí)間為Ta, T2和T4導(dǎo)通的時(shí)間為 Tb,這樣在Ta這段時(shí)間，電機(jī)通過的是正向電流，在 Tb這段時(shí)間為反相電流。 當(dāng)Ta=Tb時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)

11、，Ta>Tb時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，Ta <Tb時(shí)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(shí)，Tb這段時(shí)間不通過反向電流，電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，Ta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(diǎn)，并考慮到電動(dòng)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

12、考慮到編程時(shí)可能會(huì)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(dòng)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(gè)三極管增加驅(qū)動(dòng) 能力（74LS245的高電平驅(qū)動(dòng)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(shí) 電流為8A）。另外在達(dá)林頓管的C極和電源的正極之

13、間接一個(gè)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(shí)車不至于 因?yàn)閼T性滑行太遠(yuǎn)而浪費(fèi)能源。因此時(shí)以關(guān)斷了電源，要將電動(dòng)車停下來而采取 的無謂制動(dòng)不能將電能回饋給蓄電池。考慮到電動(dòng)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)PWMI制，用開環(huán)PWMI制就可以實(shí)現(xiàn)自行車的功脈沖信號TaTb工作時(shí)Ta為高電平，通過光耦驅(qū)動(dòng)復(fù)合管T導(dǎo)通，此時(shí)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(diǎn)，所以電動(dòng)機(jī)加正向電壓。當(dāng) Tb 為底電平時(shí)所有繼電器得電，常開觸點(diǎn)閉合常閉觸點(diǎn)打開，K1、K3斷開K2、K4導(dǎo)通。電動(dòng)機(jī)加反向電壓。如果保證 Ta>Tb則電動(dòng)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) 2003.72 余永權(quán) 小青 林康 編著單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù) 航空航天大學(xué) 1992 年 9 月第 1 版3 王曉明 編著電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制 航空航天大學(xué) 2002 年 5 月4 晶 , 編著 電路設(shè)計(jì)與制版 Protel 99 高級應(yīng)用 人民郵電5 涵芳徐