電動助力車控制器設(shè)計

第1章緒論1.1選題目的背景和意義隨著科技發(fā)展的進步，智能化的應(yīng)用更多的被人們所了解，科技生活是現(xiàn)代主流追求，人們的生活水平和質(zhì)量都到了顯著的提高，從“吃穿住行”等衡量科技社會的展現(xiàn)。就“綠色出行”理念來講，新能源的應(yīng)用減小了由汽車尾氣帶來的環(huán)境危害，提高了人們的環(huán)保意識，助力代步交通工具也成為了現(xiàn)代城市市民出行的快捷方式，針對路程遠、路況不太好，再加上汽車還未真正普及到各個家庭的現(xiàn)象，也因選擇電動助力車出行方式是再好不過的。我國各大城市嚴格規(guī)劃管理制度，制定了一系列城市交通守則，限制了車流量、摩托車騎行、耗能量大等相關(guān)交通工具的使用。由于電動助力車對環(huán)境的危害小，且應(yīng)用范圍廣、容易被人們所接受，所以推廣助力車的使用是最主流的出行方式。目前電動助力車最普遍的驅(qū)動方式是無刷直流電機，有自身條件實現(xiàn)換向，不易產(chǎn)生機械磨損，減小對環(huán)境的污染，而且能夠產(chǎn)生大功率工作狀態(tài)，實現(xiàn)無級調(diào)速以及反轉(zhuǎn)功能，運行比較安全，同時能夠?qū)崿F(xiàn)交流電機的優(yōu)勢，適用于不同的工作環(huán)境，后期檢修也方便。本次設(shè)計利用PWM調(diào)速原理來控制電機的轉(zhuǎn)速，確保電路不發(fā)生飄移現(xiàn)象，減小噪音；通過數(shù)字量結(jié)果控制模擬量信號，縮小損害。相同，在直流電機的應(yīng)用設(shè)計中，采用單片機作為主控制器，結(jié)合PWM調(diào)速控制原理，利用編程軟件使操作更加簡便。1.2國內(nèi)外文獻綜述目前我國已經(jīng)開始使用純電動汽車，逐步代替汽油車，電動汽車主要依靠電池來儲存電量。二次電池包括有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子多種電池。二次電池和內(nèi)燃機相比較而言，在儲存量以及性能和壽命方面都有較大的差異，近期研究成效不高，已有很多單位在研究混動汽車。目前所研究的電動汽車在完成充電后續(xù)航能達到100~300km左右，但必須保證行駛速度保持中速，且對電池也需進行適當(dāng)管理。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，電動汽車最大的缺點是續(xù)航能力差。大多數(shù)行駛公里在50~100km左右。由于蓄電池不能達到要求，一般電動汽車所使用的蓄電池壽命時間在四年左右，不能和燃油車相比。若是電動汽車需保證動力以及壽命長等條件，所花成本會高，使用汽油，最方便，同時也是最普遍的。如今電動汽車一次充滿電時間需要七個小時，這為長途駕駛帶來巨大不便。如今電動汽車內(nèi)使用的電池不能夠大量存儲電量，這會為速度方面地帶來一定的影響。1.3研究的主要內(nèi)容本次主要是針對電動助力車內(nèi)的驅(qū)動原理以及霍爾傳感器進行介紹，其中還介紹了STC單片機性能及特點，重點在設(shè)計單片機模塊，通過單片機來實現(xiàn)電動機驅(qū)動以及操控等。整個系統(tǒng)功能較為齊全，在使用時更加便利，成本低，更能可靠工作，不僅在檢測方面速度快，還能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，本次主要研究表現(xiàn)主要有以下幾點：1.主要介紹了電動助力使用電動機驅(qū)動的技術(shù)，使用單片機來控制電動機這一基本原理，并通過對傳感器技術(shù)來實現(xiàn)測量轉(zhuǎn)速，并敘述電動助力車整體系統(tǒng)方案設(shè)計。2.進行硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計，其中有電動機驅(qū)動電路、通過設(shè)計調(diào)速電路，使用單片機模塊設(shè)計、設(shè)計顯示電路。3.在完成編寫程序軟件后，需要針對每個模塊來調(diào)試。并給出整體調(diào)試圖，再具體進行分析。第2章確定系統(tǒng)設(shè)計方案本次文章中最主要的就是對于控制系統(tǒng)的技術(shù)要求以及電動助力驅(qū)動系統(tǒng)是否能夠及時進行智能控制，實現(xiàn)經(jīng)濟環(huán)保的性能。并且還需和控制方案相結(jié)合，最終確定合理的方案，根據(jù)要求來完成對控制系統(tǒng)的說明。2.1總體方案設(shè)計按照此次設(shè)計所需要實現(xiàn)的功能，以及擬定的相關(guān)設(shè)計要求，嚴格制定了兩套可實現(xiàn)設(shè)計要求功能的方案，如下：方案一：使用單一單片機芯片為此裝置系統(tǒng)的唯一控制芯片，主要實現(xiàn)發(fā)送PWM信號，實現(xiàn)對硬件設(shè)備驅(qū)動電機的控制，同時使用實體按鍵實現(xiàn)對驅(qū)動電機的增速與減速，并且還需要實現(xiàn)使用LCB的顯示功能顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速，具備自動測速功能。方案二：使用雙芯片控制，即采用兩個單片機芯片實現(xiàn)分別用來控制，其中一個芯片實現(xiàn)與方案一采用芯片一樣的功能，實現(xiàn)發(fā)送PWM信號，實現(xiàn)對硬件設(shè)備驅(qū)動電機的控制，另一個控制芯片為該系統(tǒng)主要的核心控制，用于實現(xiàn)速度控制用的按鍵的參數(shù)設(shè)置以及對電機轉(zhuǎn)動速度的檢測和采用LCB的顯示功能顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速。兩個系統(tǒng)控制方案，很明顯可以看出，相比而言，一方案具備結(jié)構(gòu)簡單、控制方便以及具備相對完善的操作功能和效率，單個控制芯片用于此次設(shè)計能夠滿足正常的控制需要，性價比較高，可以應(yīng)用于生活實際當(dāng)中；而第二個方案，由于增加了一個控制核心，因此在設(shè)定的程序以及配套的硬件都有所增加，成本比方案一增加一倍，盡管可以實現(xiàn)更加細致的控制還可以實現(xiàn)功能的后期拓展，不過對于本次設(shè)計的需要，方案一已經(jīng)足夠?qū)崿F(xiàn)所要達到的功能，綜合比較，確定選擇方案一作為本次設(shè)計的主要思路。本次設(shè)計采用的是51單片機作為控制核心，由于是國內(nèi)自主研發(fā)，具備價格低廉、使用方便、耗電低等優(yōu)點，采用該型號作為本次設(shè)計的控制核心能夠起到降低研發(fā)和制造成本、系統(tǒng)程序編寫簡單等等效果，因此在課程學(xué)習(xí)當(dāng)中也是應(yīng)用比較廣泛的一個單片機型號。圖2-1電機調(diào)速系統(tǒng)框圖對于電動助力控制系統(tǒng)，執(zhí)行相關(guān)指令采用按照輸入式指令，需要設(shè)計按鍵對應(yīng)指令系統(tǒng)，對于直流電動機的工作的通斷電控制實現(xiàn)直流電機實現(xiàn)增速與降速功能需要經(jīng)過控制核心單片機自動的連續(xù)不間斷實現(xiàn)對直流電機的控制核心傳送。對于軟件系統(tǒng)，需要設(shè)計成可以實時中斷功能形式。系統(tǒng)核心接入電源通電后會自動進入初始化。對直流電機進行控制操作首先需要按下系統(tǒng)啟動按鈕后才可以進具體功能的操控，控制按鈕還包括：提速按鈕、降速按鈕，其控制原理是通過實時數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值比較出現(xiàn)的數(shù)據(jù)差距，差距值在通過算法系統(tǒng)采用函授計算出數(shù)據(jù)再通過控制芯片轉(zhuǎn)化成電信號，電信號實現(xiàn)對系統(tǒng)電路的輸入電壓的數(shù)值調(diào)節(jié)，實現(xiàn)直流電機的轉(zhuǎn)速改變。隨后通過霍爾傳感器實現(xiàn)二次信號轉(zhuǎn)換，將信號轉(zhuǎn)換成脈沖頻率，傳送到系統(tǒng)控制核心，最終形成了閉環(huán)電路。采用PID的算法進行轉(zhuǎn)化成電信號，信號形式為PWM，PWM信號控制直流電機的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)中增加了LCD顯示裝置，可以實時直觀的顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值。2.2直流電動機助力車的主要動力來源使用了直流電動機，其功能是把直流電能轉(zhuǎn)變成機械能。當(dāng)電動機的定子會產(chǎn)生磁場，還能起到固定機身益處，直流電源的主要工作是為了能給電樞繞組提供電流，換向器能夠確保電樞電流以及磁場轉(zhuǎn)矩方向不發(fā)生變化。直流電動機可分成有刷直流和無刷直流這兩類，通過是否已經(jīng)安裝機械電刷以及換向器判別。若是按照供電差的方法進行區(qū)別，無刷直流能夠分成方波無刷以及正弦波無刷直流電動機。2.2.1直流電機基本工作原理如圖2-2，直流電機電路圖，其中代號代表電動式、代號代表電流，與運動方向互為正反，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T的工作正方向與電機的轉(zhuǎn)速n一致，轉(zhuǎn)矩T表示的是拖動轉(zhuǎn)矩，電動機轉(zhuǎn)軸所承載的機械負載轉(zhuǎn)矩T2以及當(dāng)電動機無任何負載狀態(tài)下工作產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T0方向相同，但是與電機的轉(zhuǎn)速n方向相反，屬于制動轉(zhuǎn)矩。圖2-2直流電機工作電路圖采用基爾霍夫電壓定律原理，轉(zhuǎn)換得出電樞電壓電動勢平衡方程式：（2-1）該公式中：符號代表電樞回路中的電阻；符號代表外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻直流電機的感應(yīng)電動勢公式為：（2-2）式中，Ce為電動勢常數(shù)，是磁通量。融合上述公式可得電機轉(zhuǎn)速公式為：（2-3）根據(jù)上述公式可知：針對生產(chǎn)出的成品電機，具有三個實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速控制的方式：一、改變驅(qū)動電路的供電電壓、二.將電阻大小更換、三.改變磁通量。在多少情況下，采用方式一是最直接最可靠的方式，具體調(diào)速方式還需要看實際的應(yīng)用環(huán)境和要求。2.2.2直流電機調(diào)速的PID算法目前使用最為廣泛的控制算法是PID，在對電機自動化控制中使用最為頻繁，也是十分重要。對于直流電動機的控制方式分為開閉環(huán)兩種，相比而言，閉環(huán)控制具備更高精度，具備更高穩(wěn)定性，各方面開環(huán)控制都不具備優(yōu)勢，所以在大部分場合直流電機均會采用閉環(huán)控制，本次設(shè)計對直流電機的控制將采用數(shù)字式PID計算，計算形式流程如下圖。圖2-3位置式數(shù)字PID模型使用單片機為控制核心的系統(tǒng)，采用PID的算法進行控制調(diào)節(jié)應(yīng)采用相關(guān)硬件設(shè)備進行輔助，位置傳感器在具體的工作中，通過信號轉(zhuǎn)換傳送脈沖信號，以信號轉(zhuǎn)換的方式表達直流電機實時的轉(zhuǎn)動速度，系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)定了規(guī)定要求的電機旋轉(zhuǎn)速度——標(biāo)準(zhǔn)值，與標(biāo)準(zhǔn)值比較出現(xiàn)的數(shù)據(jù)差距，差距值在通過算法系統(tǒng)采用函授計算出數(shù)據(jù)再通過控制芯片轉(zhuǎn)化成電信號，信號形式為PWM，以此實現(xiàn)對驅(qū)動電路的自動控制，實現(xiàn)功能要求。2.3PWM控制技術(shù)對于電機控制系統(tǒng)中的控速電路是相當(dāng)重要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之一，普遍采用微機實現(xiàn)對電機的數(shù)字化調(diào)控，衍生出來的PWM技術(shù)和開關(guān)式功率電路，長期發(fā)展與改進后的直流電機已經(jīng)不僅僅只是能夠?qū)崿F(xiàn)電子換向功能并且還具備了有刷電機相關(guān)負載特征，調(diào)速穩(wěn)定、操作安全、運作聲低、無換向?qū)е禄鸹ㄒ约澳陀镁S修方便等等特質(zhì)，使其占據(jù)了閉環(huán)位置式和調(diào)速控制電路2/3市場份額，同樣新型電動汽車產(chǎn)業(yè)也大部分采用PWM技術(shù)。

利用微處理器實現(xiàn)對模擬電路的相關(guān)自動化控制技術(shù)（PWM），利用此技術(shù)生產(chǎn)制造出來的PWM調(diào)速器設(shè)備由于其具備較廣的多用性和通用性，現(xiàn)實中大量應(yīng)用于電機調(diào)速、傳送改調(diào)速以及電腦中的電源散熱裝置等等。2.3.1PWM電機調(diào)速原理通過信號轉(zhuǎn)換傳送脈沖信號，以信號轉(zhuǎn)換的方式表達直流電機實時的轉(zhuǎn)動速度，系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)定了規(guī)定要求的電機旋轉(zhuǎn)速度—；—；標(biāo)準(zhǔn)值，與標(biāo)準(zhǔn)值比較出現(xiàn)的數(shù)據(jù)差距，差距值在通過算法系統(tǒng)采用函授計算出數(shù)據(jù)再通過控制芯片轉(zhuǎn)化成電信號，信號形式為PWM，以此實現(xiàn)對驅(qū)動電路的自動控制，實現(xiàn)功能要求。圖2-4PWM信號的占空比如上圖所示，設(shè)定直流電機保持長時間通電狀態(tài)下，直接電機轉(zhuǎn)動速度值為，設(shè)定占空比,電機最高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定數(shù)值；根據(jù)占空比公式可知，只需要將占空比D的數(shù)值改變就可以改變Vd數(shù)值，也就改變了直流電機的轉(zhuǎn)動速度。嚴格意義上，Vd與D之間并不完全算是線性的關(guān)系。圖2-5占空比與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系導(dǎo)致Vd與D之間并不完全算是線性的關(guān)系主要原因是由于電路電樞中存在一定內(nèi)阻，相對而言，存在的內(nèi)阻阻值不大，所以在日常的使用中，可以把Vd與D當(dāng)做就是線性關(guān)系來使用和計算。2.3.2采用PWM控制的電機調(diào)速方法采用單片機作為控制核心的直流電機運動轉(zhuǎn)速控制需要采用軟件方式控制，控制電路系統(tǒng)中，擬定輸入電源電壓穩(wěn)定，保持恒值狀態(tài)下，在直流電機電路的電樞端的電壓值是直接有占空比來控制，只需要將占空比D的數(shù)值改變就可以改變Vd數(shù)值，也就改變了直流電機的轉(zhuǎn)動速度。而改變占空比可以通過：定頻或者調(diào)頻調(diào)寬的方式實現(xiàn)。采用定頻調(diào)寬應(yīng)用最為廣泛，這種方式具備高精確度，可實現(xiàn)高進度電機調(diào)速控制。近年來，隨著科技技術(shù)發(fā)展，電子技術(shù)進步和大量的電子元器件的價格降低和大量普及，市場上也出現(xiàn)了高級材料永磁材料，這就達到了無刷電機發(fā)展的最有利的條件。目前市場上在售的無刷電機已經(jīng)不僅僅只是能夠?qū)崿F(xiàn)電子換向功能并且還具備了有刷電機相關(guān)負載特征，可以說無刷電機技術(shù)已然相當(dāng)成熟，幾十年的不斷進步與發(fā)展，目前的無刷電機具備了：調(diào)速穩(wěn)定、操作安全、運作聲低、無換向?qū)е禄鸹ㄒ约澳陀镁S修方便等等特質(zhì)，成熟的技術(shù)讓無刷電機應(yīng)用在了機加工、軍工業(yè)、醫(yī)療業(yè)、航空業(yè)各大領(lǐng)域，也輔助了這些行業(yè)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)走向成熟。近些年，電動汽車成為了一個新型產(chǎn)業(yè)，也是汽車發(fā)展的變革，其中作為電動汽車，驅(qū)動電機必不可少，因此直流電機成為了汽車驅(qū)動電機可用的類型之一。本章小結(jié)本章首先確定本次系統(tǒng)的設(shè)計方案，其次對電機驅(qū)動系統(tǒng)進行設(shè)計說明，同時采用PID算法進行控制調(diào)節(jié)，最后分析了設(shè)計所使用到的直流電機與PWM調(diào)速控制的相互關(guān)系和影響，說明了PWM電機調(diào)速的原理和方法，應(yīng)采用相關(guān)硬件設(shè)備進行輔助。第3章硬件系統(tǒng)設(shè)計在對設(shè)備進行研發(fā)之前，一定要綜合考慮到是否具有一定的實際以及研究意義，另外，設(shè)備的穩(wěn)定性能以及安全性能還有成本問題也是需要考慮的問題之一。本次設(shè)計的控制系統(tǒng)要代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制系統(tǒng)，并且在研究過程時，新型的方案必須要比過去的完善以及完美，否則就沒有必要重新進行設(shè)計。因此設(shè)計的主要核心就是STC單片機，根據(jù)實際需求進行電動車調(diào)速，實時監(jiān)測具體轉(zhuǎn)速，控制行車過程中速度的快慢，這樣就能更加智能化、省時省力，合理設(shè)計出適合電動助力的控制系統(tǒng)設(shè)計。3.1單片機最小系統(tǒng)根據(jù)已知的單片機最小系統(tǒng)概述，主要包括單片機、晶振電路和復(fù)位電路，控制結(jié)構(gòu)以單片機為主，外接其他設(shè)備電路，由單片機控制設(shè)備進行正常運行。3.1.1確定單片機此次設(shè)計采用的51系列單片機是目前最新的STC12C5A60S2型號，以單時鐘周期運行，能實現(xiàn)高效、低成本、對工作環(huán)境的要求較低，能避免靜電干擾。此單片機性能高于同型號單片機，不僅控制穩(wěn)定，完成效率更高。該型號芯片上擁有8-64k大小的Flash存儲以及集成了1280字節(jié)RAM，并且可以根據(jù)使用的需要，配合安裝拓展型存儲空間，此芯片使用的工作頻率可分布在0至35MHz，實際的工作頻率需要根據(jù)控制電機的運作速度以及功率耗能決定。需要注意的是，該型號芯片為高階芯片，其工作頻率上限雖為35MHz，實際相當(dāng)于普通控制芯片所達到的420MHz,具備多種外部對接端口，并且可以在一定范圍內(nèi)電壓電路中工作，具備良好的穩(wěn)定性能，該型號單片機核心的外部引腳圖如下圖所示。圖3-1單片機功能引腳圖部分引腳功能說明P1.0~P1.7：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向輸入/輸出口，同時也是地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，還可作為ADC輸入通道。在按鍵檢測中，由于內(nèi)部上拉電阻的存在，按鍵電路不用再外接上拉電阻。P1.3和P1.4能作為高速脈沖輸出和脈寬調(diào)制輸出，用來產(chǎn)生可控制的PWM波形，P2.0~P2.7：P2口內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入/輸出口，也可作為高8位地址總線使用(A8~A15)。當(dāng)P2口作為輸入/輸出口時，P2是一個8位準(zhǔn)雙向口。在顯示電路的設(shè)計中，可以用P2口來作為LCD控制端，對顯示屏進行顯示控制操作。P3.0~P3.7：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向輸入/輸出口。P3.0和P3.1能分別作為串口1的數(shù)據(jù)接收端和發(fā)送端，單片機軟件程序的燒寫就是通過這兩個端口來實現(xiàn)的。P3.2能作為外部中斷0，實現(xiàn)下降邊沿中斷和低電平中斷，在本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速測量的脈沖通過該端口來觸發(fā)，實現(xiàn)外部中斷。P3.4提供定時器/計數(shù)器0，兩種模式只能二選一不能同時使用。XTAL1：內(nèi)部時鐘電路反向放大器輸入端，接外部晶振的一個引腳。當(dāng)直接使用外部時鐘源時，此引腳是外部時鐘源的輸入端。XTAL2：內(nèi)部時鐘電路反向放大器輸出端，接外部晶振的一個引腳。當(dāng)直接使用外部時鐘源時，此引腳可以懸空，此時XTAL2實際將XTAL1輸入的時鐘進行輸出。RST：復(fù)位引腳。VCC：電源正極。GND：電源負極，接地。3.1.2復(fù)位電路和時鐘電路單片機連接外部最常見以模塊化形式區(qū)分系統(tǒng)電路，其中最小狀態(tài)是復(fù)位電路（上電復(fù)位和手動復(fù)位）和時鐘電路（晶振）。若正常工作狀態(tài)下，單片機進行程序控制，電源隨機切斷，主要控制元件單片機局部數(shù)據(jù)會遺失，局部仍保留一定的數(shù)據(jù)，待電源連接，重新開啟設(shè)備運行，此時的單片機會自主實現(xiàn)內(nèi)部初始化，將局部殘留數(shù)據(jù)回歸原始狀態(tài)，而這類現(xiàn)狀即是上電復(fù)位功能。此功能相當(dāng)于小型的電腦，上電復(fù)位就好比人重啟電腦，將每一次重新啟動的起點保持同一個起點。若正常工作狀態(tài)中，單片機受到來自外界的干擾，很容易就會停止工作，亦或是無法進行完整程序的運行，由人工控制外接復(fù)位按鈕模塊，令單片機正在運行的程序?qū)崿F(xiàn)初始化，此時即是人工實現(xiàn)復(fù)位，又叫手動復(fù)位。此動作的原理由復(fù)位按鈕實現(xiàn)單片機降低電頻工作，電頻降低為系統(tǒng)復(fù)位創(chuàng)造有利條件，常規(guī)實驗狀態(tài)下，對程序的運行可經(jīng)常采用手動復(fù)位，所以，此次設(shè)計中在兩種復(fù)位功能中選擇手動復(fù)位，更符合要求。見下圖3-2。圖3-2手動復(fù)位電路圖單片機是以時鐘信號的步調(diào)基準(zhǔn)完成控制的，而晶體振蕩器是為了單片機在工作狀態(tài)中能夠?qū)崿F(xiàn)正常的運行，可避免單片機在走程序的狀態(tài)下出差錯。此次設(shè)計選擇的單片機，設(shè)有兩個晶振引腳XTAL1和XTAL2，中間通過12M串聯(lián)，即是為了能更有效實現(xiàn)起振，左右兩側(cè)都連接陶瓷電容，消除干擾實現(xiàn)濾波并維持振蕩信號的穩(wěn)定。時鐘電路如圖3-3所示。圖3-3時鐘電路圖單片機，時鐘電路和復(fù)位電路構(gòu)成了單片機最小系統(tǒng)的三要素，也就是說，一塊單片機只要具備了這三條件，就可以運行下載的程序了。其它的比如液晶、數(shù)碼管、按鍵傳感器等設(shè)備都屬于單片機的外部設(shè)備，即外設(shè)。利用單片機最小系統(tǒng)我們可以通過單片機編程來控制各種外部設(shè)備。3.2電機驅(qū)動電路在整個電動助力系統(tǒng)中最為主要的是驅(qū)動電路。電路設(shè)計情況會導(dǎo)致驅(qū)動性能發(fā)生變化，造成調(diào)速功能無法正常使用，因此重點部分就是電機驅(qū)動設(shè)計。電機驅(qū)動系統(tǒng)必備條件是：轉(zhuǎn)矩高且可調(diào)范圍廣，具有一定可靠性能。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，會因為電源功率而受到一定印象概念股，在驅(qū)動效率方面需高些。主控制系統(tǒng)是用來實現(xiàn)對脈沖信號的控制。在經(jīng)過特殊處理后，脈沖信號可控制住直流電動機。3.2.1電機驅(qū)動模塊針對電動機設(shè)計，使用最多的為直流電動驅(qū)動，其中還有永磁型、伺服型以及步進電機三類。其中數(shù)直流電性能高，能簡單控制，在使用直流電源是更能實現(xiàn)需求，其中驅(qū)動是必須使用芯片。常見芯片有L298，MC33886，ML4428等多種類型。本次設(shè)計使用了L298驅(qū)動芯片，也是最常見的一種，不用進行其余硬件電路。以下是針對這類芯片以及相應(yīng)的設(shè)計做出相關(guān)介紹。（1）L298驅(qū)動芯片該芯片一共有四條邏輯通道，能直接驅(qū)動二相以及四相電動機，其中具備兩個H形狀雙橋高電流、電壓的驅(qū)動器。下圖是芯片的原理圖。圖3-4L298的內(nèi)部原理圖該芯片能夠接受到像TTL信號?？沈?qū)動電壓范圍最大是46V，可持續(xù)電流2A，最大能夠達到3A，功率高達25W，只能應(yīng)用于中小型電動機，可以使用單片機輸入輸出口來輸出，該芯片組成的相關(guān)電路更加簡單，使用更便捷，散熱性能更好。（2）L298引腳符號及功能該芯片總共我15個引腳，其中SENSA和SEBSB都是H型電流反饋腳，該引腳基本不會用到，只用接地就能工作，ENA和ENB用于驅(qū)動端，主要工作用于輸入PWM信號，能夠和單片機輸出輸出連接，IN1、IN2、IN3、IN4這四個控制端，需要有相對的輸入邏輯信號。用于實現(xiàn)負載控制。VSS用于對于電動機控制，能直接控制邏輯電源。工作時，電壓在4.5~7V之間，使用驅(qū)動模塊電壓是5V，VS是驅(qū)動電源，為了電動機提供動力。可以和12V電壓相接，GND能夠接地，主要作用是散熱，以下圖是芯片的引腳圖。圖3-5L298引腳圖（3）L298的邏輯功能如表3-1所示為L298芯片的邏輯功能表，IN1、IN2為輸入端口ENA為使能端，由表可知，不管輸入端為什么狀態(tài)，使能端為“0”時，電機都處于“停止”狀態(tài)；使能端為“1”時，IN1為PWM信號，IN2為“0”時，電機正轉(zhuǎn)，為“1”時，電機反轉(zhuǎn)。L298芯片控制電機調(diào)壓的啟停，以PWM信號來改變電機運轉(zhuǎn)速度。表3-1L298邏輯功能表IN1IN2ENA電機狀態(tài)XX0停止101順時針011逆時針000停止111停止（4）驅(qū)動電路接線L298驅(qū)動電路接線圖為VCC5V和+12V電源驅(qū)動，分別接入邏輯電源和動力電源；J1為驅(qū)動使能端，確保1電機處在ENB和ENA狀態(tài)；J5接電機正極端；J7接電機負極端；IN1、IN2實現(xiàn)電機調(diào)速功能，IN1為PWM脈沖信號、IN2為“0”時，電機正轉(zhuǎn)運行。當(dāng)電機加速運轉(zhuǎn)時，PWM脈沖信號占空比增加；當(dāng)電機減速運轉(zhuǎn)時，PWM脈沖信號占空比縮??；為防止電機發(fā)生反向電流，驅(qū)動電路在設(shè)計過程中加入八個續(xù)流二極管，可避免燒毀元器件現(xiàn)象；為使直流電更加流程，在可電源電路中接入電容過濾電源中的高頻交流電。圖3-6L298驅(qū)動電路圖3.2.2光電隔離保護電路如圖3-7所示為光電隔離保護電路圖，IN1~IN4接到光電耦合器的輸出端，J4、J6接到光電耦合器的輸入端。當(dāng)單片機發(fā)送PWM脈沖信號到J6的2管腳時，光敏三極管接收不到光線，則輸出端為“1”；若輸入為“0”時，光敏三極管接收到光線，輸出端保持在“0”狀態(tài)，利用光電耦合器減小電路的干擾，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全保護。加入4個LED燈用來顯示輸出狀態(tài)（亮為“0”、滅為“1”）。為實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制，由單片機發(fā)出的PWM脈沖信號，通過光電耦合器將脈沖信號發(fā)送到電機的輸入端以此實現(xiàn)控制；還有一種方法是通過操作按鈕實現(xiàn)對電機的調(diào)速，通常為加速和減速控制，由此PWM脈沖也隨之改變，所以電機的轉(zhuǎn)速也會改變。本次設(shè)計所采用的光電耦合器型號為PC817，作用是將電能轉(zhuǎn)換為光能再轉(zhuǎn)換為電能，使保護電路更加穩(wěn)定。采用光電耦合器達到光電隔離和信號傳輸?shù)哪康?，同時還具備抗干擾、緩沖脈沖信號等作用，其本身不會對電機驅(qū)動電路造成干擾，由于響應(yīng)延時時間短，故不會對驅(qū)動電路中的信號傳輸及控制。圖3-7光電隔離保護電路圖在整個電動助力系統(tǒng)中，電機驅(qū)動占功率的主體部分，因此電機電路和控制電路之間易產(chǎn)生較大干擾，會干擾其他信號的傳送，所以提高抗干擾能力及其重要。本次設(shè)計選擇光電隔離方法看有效避免這一問題，通過光電隔離避免電路之間的互相影響，利用隔開各元器件之間的距離方式來達到隔離干擾源的方法，實現(xiàn)抗干擾目的。3.3供電電路在系統(tǒng)中單片機、LCD和驅(qū)動芯片等由于工作電壓很小，而且需要直流供電，所以不能直接接220V的工頻交流電，所以在供電單元中，要將220V交流電變成系統(tǒng)所想獲得的低壓直流電，并且穩(wěn)定輸出。要實現(xiàn)這一要求，就要設(shè)計直流穩(wěn)壓電路，通過穩(wěn)壓芯片對整流后的電壓進行降壓和穩(wěn)壓處理，來獲得所需要的直流電。直流穩(wěn)壓電路是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電壓輸出的電路，它的工作需要經(jīng)過四個過程才能完成：變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓。其中，整流電路是利用單導(dǎo)向的電氣元件如二極管，把50Hz的正弦交流電轉(zhuǎn)變成脈動的直流電。濾波電路可以將整流部分中輸出電壓的交流部分加以濾掉，通常使用對電路中交流電有阻礙作用的元件，如電容。穩(wěn)壓電路是利用穩(wěn)壓芯片使輸出的穩(wěn)定直流電壓，不隨交流電網(wǎng)電壓，負載和電路參數(shù)的變化而改變。在本電機驅(qū)動系統(tǒng)中，直流電機采用的是12VDC供電，顯示方式則選用LCD液晶顯示屏，為了使系統(tǒng)能正?？煽康墓ぷ?，所以穩(wěn)定輸出的電壓為12VDC和5VDC。在電路中要用到LM7812和LM7805這兩種穩(wěn)壓芯片，輸出電流最大能達到1.5A，滿足系統(tǒng)要求。圖3-8供電單元電路圖圖3-8為供電單元電路圖。220V交流電經(jīng)過變壓器變壓轉(zhuǎn)化成15V交流電，15V交流電在經(jīng)由整流橋整流后變成脈動直流，之后經(jīng)濾波電容C3濾波形成直流電，供電電路中的由12V的三端穩(wěn)壓集成電路LM7812進行穩(wěn)壓后輸出12V的直流電，為直流電機供電，之后并聯(lián)的兩個電容是為了提高電源質(zhì)量再次濾波。輸出端接二極管IN5819，該二極管高頻性能好，耐壓值高，用作高頻整流。經(jīng)過濾波高頻整流的12V直流電，在經(jīng)過三端穩(wěn)壓集成芯片LM7805進行穩(wěn)壓后輸出5V的直流電，供整個系統(tǒng)包括LCD顯示屏，單片機以及驅(qū)動芯片等用電，再次濾波后輸出穩(wěn)定的5V直流電。最后串接的發(fā)光二極管用作電源指示燈，電源插頭通電后二極管發(fā)光，顯示已上電。3.4LCD顯示電路本系統(tǒng)采用LCD液晶顯示屏來顯示電機的轉(zhuǎn)速，目標(biāo)轉(zhuǎn)速和占空比。液晶顯示器具有厚度很薄，能顯示彩色的文字團，在大規(guī)模的集成電路中可以直接驅(qū)動。目前的個人電腦、數(shù)字相機、移動通信工具等眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用著。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，調(diào)節(jié)電壓能控制顯示屏顯示范圍，通電就能顯示，這樣既能顯示圖形又能顯示字符和漢字。而且顯示屏的接口方式靈活且簡單，指令操作方便，電壓要求不高而且功耗低。和相似功能的點陣液晶顯示模塊比較，不需要復(fù)雜的電路設(shè)計，顯示程序的編寫更為簡化，價格也更為便宜。常用的LCD液晶顯示屏型號有LCD1602和LCD12864。1602LCD的顯示容量為16×2個字符，該顯示器比較容易控制，電路設(shè)計也簡單，能顯示字符，但屏幕小不能顯示漢字；LCD12864的顯示容量為128×64個字符，該顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件不是很復(fù)雜，而且顯示屏幕夠大，能顯示字符和漢字。根據(jù)系統(tǒng)的顯示要求，要同時顯示轉(zhuǎn)速，目標(biāo)轉(zhuǎn)速和占空比，需要顯示包括漢字以及較多參數(shù)，顯然LCD1602的顯示容量不能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求，因此選用顯示容量更大且能顯示字符的12864LCD作為顯示模塊。圖3-9LCD12864接口電路圖LCD12864的接口電路圖如圖所示。LCD12864是整個系統(tǒng)電路的顯示部分，單片機通過P2端口來實現(xiàn)與LCD12864的通信，單片機的P2.0、P2.1、P2.2分別與LCD的控制端CS、SID、CLK相連，以此來控制LCD12864的顯示。單片機與LCD12864的接口電路如圖3-6所示。其中LCD12864的2引腳是電源引腳，接5V電壓。19引腳為背光源正極，上電后開啟背光燈，假如低于5V則可能會使LCD顯示背光亮度偏暗。17引腳為復(fù)位端（低電平有效），而且模塊的內(nèi)部有上電復(fù)位電路，在本顯示模塊中不需要經(jīng)常復(fù)位，所以可將該引腳接高電平。15引腳采用串口通信方式，由于該引腳為低電平有效所以此處接地。使用串口通信能減少連線，簡化電路，節(jié)省端口。3引腳是LCD的對比度調(diào)整，通過改變此引腳的電壓高低，能改變對比度，所以在此處外接一個10K的電位器來調(diào)節(jié)該引腳的電壓值，以此來調(diào)整顯示屏的亮度。3.5轉(zhuǎn)速測量模塊轉(zhuǎn)速測量模塊主要針對的是電機的運轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)功率的測量，為實現(xiàn)準(zhǔn)確的定位和達到一定的控制要求，因此設(shè)置轉(zhuǎn)速測量模塊。目前多數(shù)轉(zhuǎn)速測量功能應(yīng)用在轉(zhuǎn)軸、電機、運轉(zhuǎn)裝置等設(shè)備上，為達到在運轉(zhuǎn)瞬間得出轉(zhuǎn)速，通過精準(zhǔn)的結(jié)算實時測量運轉(zhuǎn)速度，以此達到電機調(diào)速功能。本次電動助力系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速模塊設(shè)計采用閉環(huán)系統(tǒng)控制，實時采集轉(zhuǎn)速數(shù)值，通過利用實時轉(zhuǎn)速與設(shè)置轉(zhuǎn)速之間的偏差值進行對比計算。利用單片機實現(xiàn)電機測速是最為直接的測速方法，通常利用PWM脈沖法和實現(xiàn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C處理器中，利用編程C語言達到計數(shù)目的，從而實現(xiàn)由計算方式得出電機轉(zhuǎn)速。由此可見數(shù)據(jù)采集在電機測速工作中的重要性，模擬設(shè)計過程中，通過對轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)速電機進行測速，并顯示出電機轉(zhuǎn)速數(shù)值。參考資料了解到用于測速的傳感器有光電、磁電、霍爾等，本次轉(zhuǎn)速測量模塊選擇霍爾傳感器進行測量，主要用于對開關(guān)信號的檢測和傳輸。采用霍爾傳感器進行轉(zhuǎn)速測量的優(yōu)點是可達到精準(zhǔn)采集值、適用能力強、工作范圍廣、價格合理等，但由于自身特性，較長時間工作會影響磁性感應(yīng)能力，降低磁性，會對脈沖采集造成影響。圖3-10霍爾傳感器轉(zhuǎn)速測量原理圖如圖3-10所示為霍爾傳感器的工作原理圖，有圖可知霍爾傳感器主要由磁芯、霍爾元件、AMP器件構(gòu)成，通過流入的周邊電流進入霍爾元件，運轉(zhuǎn)之后副邊補償線圈得電通過AMP后得出副邊補償電流，之后得出測量輸出，磁芯每旋轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器就輸出一個脈沖。將霍爾開關(guān)焊接在有磁柵和磁敏檢測電路的PCB板上，磁柵內(nèi)部有多個磁鋼，只要將磁柵固定在電機的尾軸上，通過霍爾傳感器感應(yīng)可以獲得脈沖信號。磁柵每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器就產(chǎn)生脈沖信號，信號輸出端就會將這些脈沖信號輸出。之后脈沖輸送到單片機內(nèi)，經(jīng)過軟件處理后計算出電機的轉(zhuǎn)速并顯示到LCD液晶顯示屏。3.6按鍵控制電路根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)速要求，只需要控制電動機的加速和減速，所以需要用到的按鍵不多，一共有兩個按鍵，分別對驅(qū)動電機進行加速和減速操作。因此，這里選擇獨立按鍵的方式，按鍵的一端和地相連，另一端與單片機的I/O相連。按鍵各自獨立，不會彼此影響輸入狀態(tài)。按鍵是否按下是根據(jù)I/O口的電平狀態(tài)來判斷的，按鍵按下時I/O處于低電平，單片機會判斷有按鍵按下，從而執(zhí)行鍵盤掃描子程序，執(zhí)行相關(guān)的操作。程序會一直對按鍵進行實時掃描。圖3-11按鍵控制電路圖控制電路如圖3-11所示，圖中按鍵S2為減速鍵，按鍵S3為加速鍵，分別與單片機的P1.2和P1.1相連。P1口內(nèi)部有上拉電阻，此時按鍵不必外加上拉電阻。本章小結(jié)本章首先介紹了單片機最小系統(tǒng)的構(gòu)成，闡述STC12C5A60S2單片機管腳的作用，其次分析了系統(tǒng)各電路、模塊（包括供電、LCD顯示、電機驅(qū)動轉(zhuǎn)速測量以及按鍵電路）的功能和作用，最后完成本次電動助力系統(tǒng)的整體硬件部分設(shè)計。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計通過對控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及選型，給出了硬件控制電路的連接，總結(jié)出系統(tǒng)設(shè)計思路，并利用Protecus仿真軟件完成仿真效果圖的創(chuàng)建。以下對電動助力車控制系統(tǒng)的軟件進行設(shè)計，給出主程序、相應(yīng)子程序的工作流程圖，結(jié)合程序源代碼（見附錄5）得出系統(tǒng)的具體控制過程。本次電動助力車控制系統(tǒng)的程序選擇Keil4軟件進行C語言編寫。4.1主程序本次電動助力車的控制系統(tǒng)部分的主程序主要是由中斷程序以及對子程序調(diào)用配合完成的，首先系統(tǒng)啟動之前對運行環(huán)境進行初始化處理；之后設(shè)定轉(zhuǎn)速值，由按鈕進行掃描，按下按鈕后重新設(shè)定轉(zhuǎn)速值；之后檢測轉(zhuǎn)子位置傳感器得到脈沖，當(dāng)脈沖下邊沿觸發(fā)時中斷INT0，同時T0開始計數(shù)；之后計算電機轉(zhuǎn)速，由PID子程序計算轉(zhuǎn)速和偏差值，作為PWM輸出對應(yīng)的占空比，則可保持電機的轉(zhuǎn)速，以增加控制準(zhǔn)確度。圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖4.2PID子程序為確保電機達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)利用PID程序使PWM占空比處于穩(wěn)定狀態(tài)。在進行電機轉(zhuǎn)速檢測后，為實現(xiàn)響應(yīng)速度的增加，通過與設(shè)定轉(zhuǎn)速值進行比較所得的偏差值再進行比例放大處理，還可以縮小誤差，若比例增益超出范圍值時，則會發(fā)生振蕩現(xiàn)象。后期為穩(wěn)定誤差值，將誤差值通過累積計算積分項處理，積分項會隨