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1、基于单片机的电动自行车调速系统设计摘要：近年来，随着人们生活的改善，摩托车、燃油助力车得到迅速发展，其排放的尾气已造成城市空气严重污染，一些城市相继制定法规限制摩托车、燃油助力车的使用来保护环境。发展短距离的绿色交通工具替代摩托车、燃油助力车成为一些国家的经济和社会课题。电动自行车具有“零排放” ，是一种比较好的短距离绿色交通工具。由于电池问题，限制了电动自行车的行驶距离，但可以通过提高系统的效率来改善其性能。本课题研制的电动自行车用无位置传感器直流无刷永磁电动机来驱动，用PIC16C74 单片机作为主控芯片，它不仅克服了有刷直流电机的噪音、换向火花等缺点，而且避免了有位置传感器直流无刷电机因
2、位置传感器带来的不足；同时，它降低了制造和使用过程中的成本，提高了使用和维护的方便性，具有效率高、环保、经济和方便的特点以及具有良好运行性能和巨大的市场潜力。关键词：电动自行车；位置传感器；直流无刷电动机；单片机控制第 1 章 概述1.1 电动自行车的意义及发展状况1.1.1 电动自行车的意义人类在进入工业化社会之后，大量使用地球上石油、煤等化石能源，使得空气中的二氧化碳和二氧化硫急剧增加，造成了酸雨蔓延和温室效应，特别是二十世纪后期，酸雨大面积扩展，几乎蔓延至所有国家， “厄尔尼诺现象” 、 “拉尼拉现象”频繁出现。酸雨造成农作物减产，大片森林死亡；温室效应给工农业生产和人民生活造成的损失，
3、无法估量。目前，发展中国家的空气还在进一步恶化，我国作为世界上最大的发展中国家，环境问题已经引起党和国家以及人民群众重视。研究表明，造成大气污染的主要气体有非甲烷有机物、氧化氮和一氧化碳等气体。具统计，在美国城区的大气中，43%的非甲烷有机物、57%氧化氮和 82%一氧化碳都是由燃油机动车废气排放产生的，而全世界 20%的一氧化碳排放量来源于燃油机动车的废气。由此可见，燃油机动车的废气己成为城市大气污染的一个主要来源。燃油机动车废气中的氮氧化物在太阳紫外线的照射下，容易形成高毒性的光化学烟雾，再加上机动车的噪音，严重污染着我们赖以生存的自然环境，直接危害着我们的身体健康。因此，在大城市，燃油机
4、动车的废气和噪音已成为倍受关注的公害之一。随着我国改革开放的深入，人民的生活水平日益提高，在家用轿车还没有普及的情况下，摩托车和燃油助动车得以广泛使用，这给我国城市的环境问题带来很大压力，例如在上海市，1995 年中心城区内机动车的一氧化碳、非甲烷有机物和氧化氮排污负荷分别占该区域内相应的排放总量的 76%、93%和 44%；一些城市如上海、广州、合肥、济南等，己相继出台政策法规，停止或限量核发摩托车和燃油助动车的牌照。因此，研制生产出一种无污染、低噪音的交通工具来替代摩托车和燃油助动车，已是时代的需要。电动自行车正是在这样的呼唤下，逐步走进人们的生活中。电动自行车与摩托车、燃油助动车相比较，
5、它具有突出的优点： （1）无污染电动自行车是以蓄电池发出的电能作为驱动能源，以电动机作为动力，运行过程中没有废气排放；因此和摩托车、燃油助动车相比，没有污染。（2）低噪音、振动小电动自行车是由电动机驱动的，电动机在运行中产生的噪音比较小，运行比较平稳。而摩托车、燃油助动车是由燃油发动机驱动，其汽缸产生的噪音比较大，由于受到体积限制，其发电机的缸数较少，运行时不够平稳，振动较大。（3）最高时速 20 公里，行驶安全摩托车、燃油助动车的速度快，在机动车道上行驶，事故率较高；而电动自行车，国家强制性规定（国标 GB 17761-1999）其速度不能超过 20km/h，并且电动自行车一般不能在机动车道
6、上行驶，因此相比之下安全很多。（4）效率高摩托车、燃油助动车的效率一般只有 30%左右，而电动自行车的效率可以达到 70%以上。（5）结构简单、轻便，易维护、维修电动自行车一般是有蓄电池、控制板、电机和车身组成；蓄电池用的是免维护的，电机的故障率较低，基本上不要维护，控制板由于现代的电力电子技术比较成熟，损坏率也比较低，另外电动自行车没有机械传动结构，体积小、重量轻，因此相比摩托车、燃油助动车来说，其日常的维护、维修量少得多。正是由于以上原因，电动自行车逐渐受到人们的欢迎。1.1.2 电动自行车的发展状况为了解决燃油车对环境造成的严重污染和缓解日益突出的能源危机，许多国家都在寻找替代燃油机车的
7、交通工具。相继开发了以天然气、甲醇为燃料的交通工具，相比之下，电动车以零污染、高效率、低噪音的特点被认为是真正的“绿色”交通工具，而电动汽车受到机电、电池的限制，批量进入市场还有一定的难度，电动自行车却得到迅速的发展。1、自从 1993 年雅马哈公司的 PAS（能量辅助系统）进入市场以来，电动自行车在日本己经成为短距离用交通工具的主流。日本本土 1996 年电动自行车的销售量在 20万辆以上，1998 年 6、7 两个月日本共生产电动自行车 29432 辆，据报道日本电动自行车的需求量在 750 万辆，而且每年以 5%10%速度递增，其中还有一半需进口。相继之下，不少公司如本田、三菱、五十铃等
8、 50 多家公司参与电动自行车、电动助力车的研究开发，共生产出 48 个品种规格。日本的电动自行车的驱动系统多为永磁无刷电机，工作电压为 24V 或 36V，功率在 180W250W 之间；蓄电池一般以镍铬或镍氢为主，容量在 5 10Ah 之间，充电一次行驶里程约 2540Km；车速低于 24Km/h。美国的电动自行车年需求量在 1500 万辆左右，每年以 5%10%速度递增大部分靠进口；美国克莱斯勒汽车公司的一款电动自行车年销售量在 5 万量以上，而尤尼克公司于 1998 年 6 月推出的一款电动自行车，年销售目标在 1000 万辆。美国 ZAP（Zero Air Pollution）公司生
9、产的电动自行车是采用摩擦轮驱动方式，其主要特点是安装方便，可以直接改装普通自行车，下坡或进行锻炼时，驱动电机可作为发电机向蓄电池充电，从而延长行驶里程和蓄电池的使用寿命，节约能源。欧盟许多国家对电动自行车的年需求在量 1000 万辆左右。德国的 MSG 公司、DIAMANT 公司、SAGHS 公司、英国的 ASGHBAGH 公司、奥地利的 VEIECKRO 公司、SCHACHANER 公司生产的电动自行车己投入市场，销路很好，致使德国奔驰、法国标致等大公司也把目标投入到电动自行车这一产品上来。2、我国电动自行车在 7080 年代经历了几次大起大落之后，到 90 年代初又再度形成热点，顺应了 2
10、0 世纪世界环保的潮流。从 1996 年的“上海国际自行车展览会”到 1997 年在浙江上虞召开的“全国电动自行车信息交流会”的短短的一年里，国内开发厂家从 20 多家一跃发展到 100 多家。许多地方如上海、天津、江苏、四川等省市都将电动自行车产业列入“九五”重点发展品种。电动自行车充分运用当今新技术、新材料，尤其采用集成电路、电子元器件，提高了电动自行车控制器的质量，使其可靠性、安全性、灵活性得到了提高。中国是一个自行车王国，据报道全国自行车拥有量为 4.5 亿。随着我国城市化进程加快，用电动自行车替代摩托车、燃油助动车和自行车，一方面可以缓解城市中大气污染问题，另一方面也可以提高人们的生
11、活节奏，因此电动自行车的社会需求市场巨大，据专家预测，本世纪初，我国电动自行车年需求量将达到 100 万辆以上。目前，我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为 24V、36V 或 48V，功率在 150W400W 之间；蓄电池一般用的是免维护铅酸蓄电池，容量为 12Ah，充电时间在 38 小时左右，充电一次行驶里程约 50Km 左右；车速低于 20Km/h，爬坡能力在 4 度上下；车型有普通型和豪华型，车重约 35Kg，载重量约 75Kg，百公里耗电量 1Kwh 左右。1.2 本课题的主要任务由于电动自行车的诸多优点，市场需求量大，因此电动自行车在
12、未来的发展潜力比较大；但是目前市场上的电动自行车还或多或少存在一些不够完善的地方。使用有刷直流电动机容易解决电压的换向问题，但是噪音大，而且碳刷容易磨损、损坏，增大维护、维修难度、增加使用成本；使用位置传感器，容易解决直流无刷电机换向时，转子的位置检测，但是增大了电机的设计、制造、安装的难度和电机的体积，也增加成本。因此，本课题主要任务是利用现代电力电子技术来解决无位置传感器无刷直流电机换向问题，从而解决电动自行车控制、驱动中不完善的地方，同时设计出方便用户使用的电动自行车运行参数显示和防盗系统。本论文主要内容包括：l、根据直流无刷电机的原理，利用美国 Microchip 公司生产的芯片 PI
13、C16C74A 做为主控芯片，检测直流无刷电机运转时产生的反电势来确定转子的位置，从而确定换向点和换向时刻。2、利用液晶技术，设计出电动自行车的运行过程中的参数显示系统。3、实验、计算、分析结果得出结论。第 2 章 电动自行车的研究2.1 直流无刷电机原理简介2.1.1 直流无刷电机的发展直流无刷电机是在直流有刷电机的基础上发展起来的。由于直流有刷电机的换向器和电刷在电机高速运行时容易产生火花，引起火灾、爆炸等事故，因此许多环境限制了直流有刷电机的应用。随着科学技术的发展，开关型晶体管的研制成功，为直流电机的发展带来生机。经过不断的研究和实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来替代直流
14、有刷电机的机械换向装置。六十年代初出现了用霍尔元件传感器的直流无刷电机，七十年代初出现了比霍尔元件传感器灵敏度高许多倍的磁敏二极管换流的直流无刷电机。随着人们的不断努力，又发现了不用位置传感器，而依靠电机绕组在运转时产生的反电势来获得位置信号实现换向的直流无刷电机。通常把这种利用检测绕组反电势获得位置信号的直流无刷电机称为反电势法无刷直流电机或直流无刷无位置传感器电机。由于直流无刷电机具有没有换向火花，抗干扰性强，运行可靠，维护简便，使用寿命长等优点，使其得以广泛应用于家庭、办公、工业、军事、航空航天等领域。2.1.2 直流无刷电机的运行原理一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作
15、用是在电动机 气隙中建立磁场，其电枢绕组通电后产生电枢反应磁场，由电力电子逆变器供给电枢绕组的电流并不是正弦波，而是 120的方波，因而三相合成磁动势不是恒速旋转的，而是跳跃式的步进磁动势，它和恒速旋转的转子磁动势产生献转矩除了平均转矩之外，还有脉动分量。由于电力电子逆变器的换向作用，使得这两个磁场的方向在电动机运动的过程中始终保持一定的角度，从而产生最大平均转矩而驱动电动机不停地运转，与直流有刷电动机不同，直流无刷电动机的电枢转一圈，定子绕组只换相 6 次，每个极下换相三次，相当于只有三个换向片的直流电动机。图 2-1 逆变器主电路电子换向逆变器主电路如图 2-1 所示，AA、BB、CC代表
16、直流无刷电动机的三相定子绕组，采用 Y 型连结，逆变器为两两通电方式，120导电型。首先假设转子处于图 2-2(a)的位置，若此时使 V3、V4 导通，则电流从 B 端流入，A 端流出，定子磁动势为 Fa，如图-2(a)示，在 Fa 的作用下，转子将顺时针旋转，转到图 2-2(b)的位置时，图 2-2 无刷直流电动机的运行原理图如果使 V4、V5 导通，则电流由 C 端流入，A 端流出，定子磁动势为 Fb，在 Fb 的作用下，转子将继续顺时针旋转，依次类推，如果每隔 60电角度顺序使 V5 和 V6、V1和 V6、V1 和 V2、V3 和 V2 两两导通，即可使定子磁动势分别如图 2-2(c)、图 2-2(d)、图 2-2(e)、图 2-2(f)所示，从而形成旋转磁动势，在这个磁动势的作用下，转子也会随之旋转，如果使开关管反复按上述规律导通，即可
