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1、. . . . 济源职业技术学院 毕 业 设 计题目 电动自行车调速系统的设计 系别 机电系 专业 机电一体化技术班级 学号 指导教师 任艳艳 日期 . . . 设计任务书设计题目电动自行车调速系统的设计设计要求：1 实现单片机对电动自行车调速系统的控制，即永磁无刷直流电动机转速的控制；2 要求使用脉宽调速系统；3 单片机选用芯片要合适； 要求有系统电路图、原理图、程序图等。设计进度要求：第一周：找指导老师，确定设计题目；第二周：结合题目，查阅相关的资料勾画调速系统基本框架；第三、四周：根据有关要求和所查资料的相关容进行系统设计；第五、六周：对所设计的容进行调试；第七周：书写毕业设计论文。 指
2、导教师（签名）：_摘要单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动自行车等小功率的工作情况，并能将多余的电能回馈。该系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。本文从系统要求分析入手，将整个系统分成四个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。系统各个部分的控制电路基于Intel公司的控制芯片8051单片机。根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制，并通过转速传感器测量转速通过八段数码管动态显示转速，通过软硬件的配合，实现整个系统的设计要求。关键词：单片机，脉宽调速系统
3、，三端式稳压器，永磁无刷直流电动机目录摘要II1概述11.1电动车的发展史11.2电动车对电动机的基本要求11.3 永磁无刷直流电动机的基本性能21.4无刷直流电动机在电动自行车上的应用22总体设计43电路设计53.1电源电路53.2显示电路53.3控制电路73.4驱动电路及原理84主要器件性能及原理114.1 8051单片机部结构114.2 A/ D转换芯片134.3永磁无刷直流电动机154.4 三端式稳压器78L05的工作原理184.5集成转速传感器KMI15-1214.6译码器255程序设计265.1主程序框图265.2 INT0中断服务程序275.3部分子程序28结论30致31参考文献
4、321 概 述1.1电动车的发展史电动车的发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。后来，由于燃油汽车技术的迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突破，从20世纪20年代初至60 代末，电动车的发展进入了一个沉寂期。进入70年代以来，由于中东石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点。近几十年来，主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和财力，电动车的各项相关 技术也取得了重大的进展。尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性 的进展，但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改善其性能。 现代电
5、动车的能源系统、电机驱动系统、智能化的能量管理系统、充电系统、车载空调系统和变速系统，电动车的基础设施建设以及未来智能化的交通系统的发展。根据各类子系统的不同特点.近年来，各种显示高新技术的电动车层出不穷，日新月异。1.2电动车对电动机的基本要求电动车的运行与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要很高的。（1）电动车用电动机应具有瞬时功率大、过载能力强、过载系数应为（34），加速性能好、使用寿命长等特点。（2）电动车用电动机应具有宽广的调速围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的
6、路面能够高速行驶的要求。（3）电动车用电动机能够在减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动车具有最佳能量的利用率，这在燃机得摩托车上是不能实现得。（4）电动车用电动机应在整个运行围，应具有高得效率，以提高1次充电得续驶里程。另外，还要求电动车用电动机可靠性好，能够在较恶劣得环境下长期工作，结构简单并适应大批量生产，运行时噪声低，价格便宜等。1.3 永磁无刷直流电动机的基本性能（1）永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗，发热的电枢组又装在外面的定子上，散热容易。因此，永磁无刷直
7、流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转的情况下运行。无刷直流电动机因其无电刷和机械换向器，不需要减速装置，噪声低等优点，被广泛应用于电动自行车中。（2）永磁无刷直流电动机的控制系统永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗，发热的电枢组又装在外面的定子上，散热容易。因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如
8、果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转的情况下运行。由于永磁无刷直流电动机具有上述一系列的优点，因而，其用途十分的广泛，特别适合于对性能，体积重量要求很高的场合，如航空航天，电动汽车，精密电子仪器与设备，工业自动化和现代家用电器等领域。1.4无刷直流电动机在电动自行车上的应用1应用特点 无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动自行车，是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。（1）寿命长、免维护、可靠性高。在有刷直流电动机中，由于电机转速较高，电刷和换向器磨损较快，一般工作1000小时左右就需更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度较大，特别是传动齿轮的润滑问题，是目前有刷
9、方案中比较大的难题。所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。因此无刷直流电动机的优势很明显。（2）效率高、节能。一般而言，因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱的消耗，以及调速电路损耗，效率通常可高于85%，但考虑到实际设计中的最高性价比，为减少材料消耗，一般设计为76%。而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗，通常在70%左右。 2常见故障 无刷直流电动机的常见故障通常从其三个组成部分来检查。在不清楚故障部位时，首先应该检查电动机本体，其次是位置传感器，最后检查驱动控制电路。在电动机本体中，可能出现的问题是：A、电动机绕组接触不良，断线或短路。会造成电动机不转
10、；电动机在某些位置能够起动，而在某些位置不能起动；电动机运行不平衡。B、电动机主磁极退磁，会使电动机转矩明显小，而空载转速高、电流大。在位置传感器上常见问题是霍尔元件损坏、接触不良、位置变化，都会使电动机输出转矩变小，严重时会使得电动机不动或在某一点来回振动。在驱动控制电路中最容易出现故障的是功率晶体管，即由于长期过载、过电压或短路使功率晶体管损坏。以上是对无刷电动机的常见故障进行的简单分析，在电动机实际运行时问题会是多种多样的，检查者应注意在没有确切把握情况时，不能随意通电，以免造成电动机的其他器件损坏。 2总体设计对于电动自行车控制系统设计主要有三个方面:1控制电路的设计；2传感器选择以及
11、安放设计；3显示电路的设计；4程序设计。从总的方面来考虑，传感器的使用应该尽量减少单片机的信号处理量，但是又必须能使车行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。控制核心采用51单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集，电机控制和转速显示。如图2.1所示：图2.1总体电路图3 电路设计控制电路主要由电源电路、电机驱动电路、单片机接口电路、显示电路四个部分。考虑到电机的起动电流和制动时比较大，会造成电源电压不稳定容易对单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机机驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离 。
12、3.1电源电路传感器的电源直接使用24V蓄电池，单片机的电源则通过三端稳压器78L05将24V电源转换到5V。见图3.1：图3.1电源电路图24V直流电源经三端稳压器78L05输出即为单片机所要求的+5V电源。电路中接入C1、C2是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。大容量的C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be解结，造成调整管be结击穿而损坏。3.2显示电路显示部分见图3.2，采用单片机串口通讯，以节省单片机的端口，单片机通过中断的
13、方式为显示服务。我们所设计的采用共阳极连接方式的LED七段显示数码管如图3.3所示。图3.2显示电路图图3.3七段显示数码管动态显示原理：1. 位码控制如送位码01H时，从左数第一位显示，送位码02H，第二位显示，依次类推。见表3.1所示表3.1位显码位显P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0位码10000000101H20000001002H30000010004H40000100008H50010000020H60001000010H71000000080H80100000040H2. 段码控制如送段码73H时，显示P以此类推，如表3.2所示：表3.2段码表显示P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0位码hgfedcbap0111001173H-1000000080H10000011003H2100110119BH31000111
