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1、电动自行车调速系统的设计电动自行车调速系统的设计- -课程设计课程设计电动自行车调速系统的设计目录 摘要.2 1、引言.2 2、系统要求.3 3、总体规划.4 4、电路设计.5 5、主要器件性能及原理.12 5、1 MCS-51单片机内部结构 .12 5、2 A/D转换芯片.16 5、3 永磁无刷直流电动机.18 5、4 三端式稳压器78L05.21 5、5 集成转速传感器KMI15-1.25 5、6 译码器.29 6、程序设计.31 6、1程序框图.31 6、2部分子程序.32 7、结束语.35 8、致谢.35 参考文献55abstract: The of the single a mach
2、ine control has no to brush the direct current motive adjusts soon the system is applicable to the work circumstance that electricity move small power in etc. in bicycle. Combining can return the superfluous electric power This system possesses the advantage of good experimental characteristic, high
3、 power factor ,energy-saving ,small volume、etc.This paper debates the circuit principle, control method and realization method of into four parts. At the same time, the work condition of every part and the energy transmission direction are discussed .The control circuits of the system are based on I
4、ntel company 2051 The single a machine .The system by cooperating the hardware and software harmoniously, according to the feature of the experimental motor.Key words: The single a machine, vein breadth adjusts soon the system PWM, eight figureses tube development manifestation and turn to spreads t
5、o feel soon machine55电动自行车调速系统的设计 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溃。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。系统各部分的控制电路基于Int el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
6、的 配合，实现了整个系统的设计要求。关键词：单片机、脉宽调速系统PWM、永磁无刷直流电动机、八段数码管动态显 示、转速传感器1 引言人类与环境共存和全球经济的可持续发展使人们迫切希望寻求到一种既能代替 人力又低排放和有效利用资源的交通工具，电动车是一种安全、经济、清洁的绿 色交通工具，不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，因此使用电动 车无疑是一种很有希望的方案。 现代电动车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新 技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控 制系统。电动车的电机驱动系统一般由4个主要部分组成，即控制器、功率变换器 、电动
7、机及传感器。目前电动车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机 、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。2 系统要求2. 1 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，对驱动系统的要求是 很高的。 2.1.1 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，使用寿命长的特点。 2.1.2 电动车用电动机应具有宽广的调速范围，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，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。2.1.3 电动车用电动机应能够在车减速
8、时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池， 使得电汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机的摩托车上是不能实现的。 2.1.4 电动车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里 程。 另外还要求电动车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简 单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。 2.2 鉴于电动车对电动机的基本要求采用永磁无刷直流电动机 。 2.2.1永磁无刷直流电动机的基本性能 。 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
9、绕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 十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效 率，在电动车中有着很好的应用前景。 2.2.2 永磁无刷直流电动机的控制系统 。 典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生 固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一 般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完成。为进一步扩充转速，永磁无 刷直流电动机也可以采用弱磁控
10、制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提 供直轴去磁磁势来削弱定子绕组中的磁链。 2.2.3永磁无刷直流电动机的不足 。 永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动 机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电 流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能， 严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直 流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁 无刷直流电动机的驱动系统造价很高。3 总体规划对于电动自行车控制系统设计主要有三个方面：一、控制电路的设计；二、传感器
11、 选择以及安放设计；三、显示电路的设计；四、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3- 1所示 图 3-14 电路设计控制电路主要有电源电路、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 和传感器电动自行车调速系统的设计 的工作产生干扰，所以，电机
12、驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离。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。 41 电源电路图 4-1-124V直流电源经三端稳牙器74L05输出即为单片机所要求的+5V电源。电路中接 入电容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结，造成调整管be结击穿而损坏 。42 显示电路图4-2-1显示部分采用单片机串
13、口通讯，以节省单片机的端口，单片机通过中断的方式为 显示服务。直流电动机的额定转速为190转每分大约需要三位数码显示。驱动器 采用74LS164串接510欧的限流电阻。43 控制电路图 4-3-1打开系统电源后由电位器控制电动机转速，IN0- IN6线上那一路模拟电压被转换成数字量由ADDA- ADDC线上的地址决定。ADDC0809内部“地址锁存与译码”电路便能把IN0线上 模拟电压送入8位A/D转换器此时，若单片机使STAR线处于高电平，则ADC0809 便开始A/D转换，一旦A/D转换完成，ADC0809一方面把A/D转换后的数字量送入 它的三态输出缓冲器另一方面又使EOC线变为高电平向
14、单片机提出中断请求。 单片机检测和响应该中断请求后就通过使rd非变为低电平而使OE线变高，以便 可以从2-1-2-8引线上取走A/D转换后的数字量。单片机根据 A/D转换后的数字量输出相应的巨型脉冲信号。脉冲信号经74LS245放大后经光 电藕荷控制继电器。44驱动电路及原理 下面主要对驱动电路进行一下介绍：电动自行车使用24V直流电机， 对于这种小功率直流电机的调速方法一般有两种。一种线性型：使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动 的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转 距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。 另一种脉宽调制型：脉
15、宽调速（PULSE WIDE MODULATION PWM）较常用的一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速 范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动 、制动和反转的等优点。因此决定采用PWM方式控制直流电机。永磁式直流电机 脉宽调速原理 永磁式直流电动机电机转速由电枢电压UD决定，电枢电UD越高电机转速越快， 电枢电压UD降为0V，电机就停转。直流电机的具体调速过程是：先让它启动一段 时间，然后切断电源，电动机因惯性而降速转动。在转速降到一定限度时使电动 机再次接通电动机因此而再次加速。不断的给电枢两端送入脉动电压源（即脉动 信号） 就可以使电动机的转速控制在指定的范围内。如图4-4-1所示：脉冲信号： 转速： 图 4-4
