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1、自动控制系统课程设计任务书课题：电动自行车调速控制电路的设计 姓名：蔡嘉伦 学号：目录概 述.2方案及原理.2总 体 规 划.3电 路 设 计.3参 考 文 献.9概述 单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统合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。本文从系统规定分析入手，将整个系统提成四个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。具体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Intel公司的控制芯片8051单片机。根据永磁无刷直流电动机的
2、特性实行脉宽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，实现了整个系统的设计规定。方案及原理电动车对电动机的基本规定 电动车的运营，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的规定是很高的。 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。 电动车用电动机应具有宽广的调速范围，涉及恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，规定低速运营时具有大转矩，以满足起动和爬坡的规定；在恒功率区，规定低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面可以高速行驶的规定。 电动车用电动机应可以在车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄
3、电池，使得电汽车具有最佳能量的运用率，这在内燃机的摩托车上是不能实现的。 电动车用电动机应在整个运营范围内，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程。 此外还规定电动车用电动机可靠性好，可以在较恶劣的环境下长期工作，结构简朴适应大批量生产，运营时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。 鉴于电动车对电动机的基本规定采用永磁无刷直流电动机。 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
4、电干扰，寿命长，运营可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，假如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营。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。 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营在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完毕。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。 永磁无刷直流电动机的局限性
5、。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，其导磁性能也许会下降或发生退磁现象，将减少永磁电动机的性能，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。方案及原理对于电动自行车控制系统设计重要有三个方面：一、控制电路的设计；二、传感器选择以及安放设计；三、显示电路的设计；四、程序设计。从总的方面来考虑，传感器的使用应当尽量减少单片机的信号解决量，但是又必须能使车行驶
6、自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，重要考虑稳定性，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所示直流电动机单片机显示部分转速传感器控制电路驱动 图 3-1电路设计控制电路重要有电源电路、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，会导致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5
7、V。 电源电路 图 4-1-124V直流电源经三端稳牙器74L05输出即为单片机所规定的+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克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，导致调整管be结击穿而损坏。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/
8、D转换器此时，若单片机使STAR线处在高电平，则ADC0809便开始A/D转换，一旦A/D转换完毕，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线变为高电平向单片机提出中断请求。单片机检测和响应当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。驱动电路及原理 下面重要对驱动电路进行一下介绍：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朴，成本低，加速
9、能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运营时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。另一种脉宽调制型：脉宽调速（PULSE WIDE MODULATIONPWM）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
10、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：tT转速：VMAXVDVMIN 图 4-4-1 VMAX为电动机的最大转速值。VMIN为电动机的最小转速值。VD为两者的平均值。VD=D * VMAX 式中D=t/T称为占空比 D越大VD就越大反之亦然。平均转速和电枢上的脉冲占空比D之间的关系如4-4-2图：VD（平均速度）00.51D（占空比）由图可知，平均转速与占空比并非完全的线性关系，但可以近似的当作是线性关系。因此电动机的平均转速VD就可以有占空比D加以控制。PWM调速分为双向式和单向式两种
11、：一种双向式在一个脉冲周期内(T=TaTb)，T1和T3导通的时间为Ta，T2和T4导通的时间为Tb，这样在Ta这段时间内，电机通过的是正向电流，在Tb这段时间内为反相电流。当Ta=Tb时电机停转，TaTb时电机正转， Ta Tb则电动机正转。通过改变Ta 、Tb的占空比即可改变转速。参考文献： 1 胡汉才 编著单片机原理及其接口技术清华大学出版社2023.72 余永权 李小青 陈林康 编著单片机应用系统的功率接口技术北京航空航天大学出版社 1992年9月第1版3王晓明 编著电动机的单片机控制北京航空航天大学出版社 2023年5月4 赵晶, 编著 电路设计与制版Protel 99高级应用 人民邮电出版社5 孙涵芳 徐爱卿，MCS-51/96系列单片机原理及应用（修订版） 北京航空航天大学出版社6 吴金戍 沈庆阳 郭庭吉
