原创】电动自行车驱动控制系统_毕业论文设计

1、1、概 述1.1.1电动自行车驱动控制系统设计的意义 31.2研究现状综述 1.1.3研究方法1.1.3.1直流电机调速原理 1.1.3.2直流调速系统实现方式 32、系统总体方案论证 4.2.1系统方案比较与选择4.2.2系统方案描述 4.3、硬件电路的模块设计 5.3.1控制电路设计5.3.2信号处理电路设计 6.3.3驱动电路方案及参数描述73.3.1 IR2110驱动电路中IGBT抗干扰设计 73.3.2 IR2110功率驱动介绍83.3.3 H桥驱动电路原理 .9.3.4 稳压电源设计 1.03.5光电测速电路1.14、系统软件设计1.14.1电动机驱动和速度控制程序设计 124.2

2、PWM调速与测速程序设计 错误！未定义书签。4.2.1 PCA捕获模式错误！未定义书签。4.2.2 PCA脉宽调节模式错误！未定义书签。4.2.3 PWM调制信号接收模块 错误！未定义书签。5、系统调试错误！未定义书签。& 结束语错误！未定义书签。参考文献错误！未定义书签。致 谢错误！未定义书签。附录1原理图错误！未定义书签。附录2 PCB图.错误！未定义书签。附录3程序清单错误！未定义书签。1、定时器程序错误！未定义书签。2、延时程序错误！未定义书签。3、LCD显示程序错误！未定义书签。4、PWM 程序1.45、电动机调速程序错误！未定义书签。6、主程序错误！未定义书签。盐城工学院毕业设计说

3、明书（2013）电动自行车驱动控制系统设计1、概 述1.1研究现状综述20世纪70年代以来，直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。整流器 的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整 流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进1。同时，高集成化、小型化、高 可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。 使直流调速系统的性能指标大幅提 高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、 标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代1。早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的 缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器

4、件较多，使得模拟直流传动系统的 控制精度及可靠性较低2。随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使 用于直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制 手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定 性比模拟直流调速系统大大提高。直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使 直流调速系统进入一个崭新的阶段。采用微处理器控制，使整个调速系统的数字 化程度，智能化程度有很大改观；采用微处理器控制，使调速系统在结构上简单 化，可靠性提高，操作维护变得简捷，电机稳态运行时转速精度等方面达到较高 水平。现阶段，我国还没有自主的全数字化直流调速控制装置生产商，而国

5、外先进的控制器价格昂贵，且技术转让受限，为此研究及更好的使用国外先进的控制器， 吸收国外先进的数字化直流电机调速装置的优点， 具有重要的实际意义和重大的 经济价值。1.2研究方法 1.2.1直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。 不同 励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式：U n 二Cc其中：U电压；F内一励磁绕组本身的电阻；f 每极磁通（Wb）; Cc电势 常数；Cr转矩常量3。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制 法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速 时受到磁极饱和的

6、限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制4，而 电动自行车驱动控制系统设计且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差5。所以在工业生产过程中常用的方 法是电枢控制法。图1-1直流电机的工作原理图电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上，以控制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的目的，这种方法效率低、平滑度差，由于串联 电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。如：由交流电源供电，使用 晶闸管整流器进行相控调压；脉宽调制(PWM调压等等。调压调速

7、法具有平滑度 高，能耗少，精度高等优点。在工业生产中广泛使用其中脉宽调制(PWM应用更为广泛。脉宽调速利用一个固定的频率来控制电源的接通或断开，并通过改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，即改变直流电机电枢上电压的“占空 比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，因此，PWI又被称为“开关驱动装置”。脉冲信号tit *T图1-2电枢电压占空比和平均电压的关系图2盐城工学院毕业设计说明书（2013）根据图1-2，如果电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax占空比为D= t1T，则电机的平均速度为：D*Vmax=V *D可见只要改变占空比D,就可以得到 不同的电机速度，从而达到调速

8、的目的7。1.2.2直流调速系统实现方式（1）基于晶闸管作为主电路的调速系统晶闸管的调速系统是采用分离元件设计的调速系统占用的空间大，控制角难于调整，且模拟器件的固有缺陷如：温漂、零漂电压等，导致电机的调速无法达 到满意的结果。晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造 成困难，性能较差，自动化控制程度差，调速过程较为复杂，不利于工业生产和 小功率电路中采用。另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低， 并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。（2）基于PW为主控电路的调速系统与传统的直流调速技术相比较，PWM脉宽调制技术）直流

9、调速系统具有较大 的优越性：主电路线路简单，需要的功率元件少；开关频率高，电流容易连续， 谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽； 系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态， 导通损耗小，装置效率高。基于单片机类由软件来实现PWM在PWMM速系统中占空比D是一个重要参数 在电源电压Uc不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比 D的大小，改变D 的值可以改变电枢端电压的平均值从而达到调速的目的。改变占空比D的值有三种方法：A、定宽调频法：保持t1不变，只改变t，这样使周期（或频率）也随之改变7。（图 1-2）B、调宽调频法：保持t不

10、变，只改变t1，这样使周期（或频率）也随之改变7。（图 1-2）C、定频调宽法：保持周期T（或频率）不变，同时改变t1和t7。（图1-2）前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期（或频率），当控制脉冲的频率与 系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从 而改变直流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式 来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。1.3电动自行车驱动控制系统设计意义现在电气传动的主要方向之一是电机调速系统采用微处理器实现数字化控制，电动自行车驱动控制系统系统通常采用直流调速技术，经过二十几年的发展，已达到一个很高

11、的技术水平。特别是采用了微处理器及其他先进电力电子技术， 使数字式直流调速装置在精度的准确性、控制性能的优良性和抗干扰的性能有很 大的提高和发展，在国内外得到广泛的应用。数字化直流调速装置作为目前最新电动自行车驱动控制系统设计控制水平的传动方式显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断升级换代，为 工程应用和工业生产提供了优越的条件。2、系统总体方案论证2.1系统方案比较与选择 方案一:采用专用PW集成芯片、IR2110功率驱动芯片构成整个系统的核心，现在市 场上已经有很多种型号，如TI公司的TL494芯片，东芝公司的ZSK313芯片等。这 些芯片除了有PW信号发生功能外，还有“死区”调节功能、

12、过流过压保护功能 等。这种专用PW集成芯片可以减轻单片机的负担，工作更可靠，但其价格相对 较高，难于控制工业成本不宜采用。采用MC5单片机、功率集成电路芯片L298构成直流调速装置。L298是 双H高电压大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器、 线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。其驱动电压为46V,直流电流总和为4A。该方案总体上是具有可行性，但是L298的驱动电压和电流较小，不利于 工业生产应用，无法满足工业生产实践中大电压、大电流的直流电机调速。采用STC12C5A60S增强型单片机、IR2110功率驱动芯片构成整个系统的核心 实现对直流电机的调速。STC

13、12C5A60SB有两个定时器T0和T19。通过控制定 时器初值T0和T1，从而可以实现从任意端口输出不同占空比的脉冲波形。STC12C5A60S控制简单，价格廉价，且利用STC12C5A60S构成单片机最小应用系 统，可缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。IR2110是专门的MOSFET 管和IGBT的驱动芯片，带有自举电路和隔离作用，有利于和单片机联机工作，且 IGBT的工作电流可达50A,电压可达1200V10，适合工业生产应用。综合上述三种方案，本设计采用方案三作为整个系统的设计思路。2.2系统构成本系统以STC12C5A60S为控制核心，配以 4键盘和LCD液晶显示屏，通过

14、STC12C5A60S内部PCAt数器对主干驱动电路进行速度采集，并通过 AD专换进行 速度显示。同时将STC12C5A60S产生的PWI信号经过逻辑延迟电路后加载到以 IR2110为驱动核心，IGBT构成的H桥主干驱动电路上实现对直流电机的控制和调 速。框图如下图2-14盐城工学院毕业设计说明书(2013)3、驱动控制系统硬件电路设计3.1控制电路本系统采用STC12C5A60S控制输出数据，产生PWM信号，送到驱动电路, 驱动直流电机，直流电机通过测速电路，将速度数据通过PCA送回单片机，在LCD液晶显示屏上显示占空比和电机转速的变化，并依据按键电路下达的指令 对数据进行处理，实现对电机速

15、度和转向的控制，达到直流电机调速的目的。图3-1控制电路框图STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗和超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成 MAX810专用复位电路，2路PWM，8 路高速10位AD转换(250KS)，适用于电机控制，强干扰场合。STC12C5A60SS列单片机有2路可编程计数器阵列PCAPW，即卩P1.3与P1.4 口电动自行车驱动控制系统设计（通过AUXR寄存器可以设置PCAPW从P1 口切换到P4口）。PCA含有一个特殊的16 位定时器，有2个16位的捕获比较模

16、块与之相连。每个模块可编程工作在4种模式下：上升下降沿捕获、软件定时器、高速输 出或可调制脉冲输出。本课题用到两个模式，即捕获模式和脉宽调节模式（ pw）当PCAS块用于 捕获时，其保存各个模块的16位捕捉计数值，用于电机测速，捕捉电机转动时产 生的电信号频率；当PCAS块用于pw模式时，可以控制输出的占空比，从而对电 机进行调速控制。3.2信号处理电路PWM作为速度信号,和方向信号Dir（P1.2） 起要经过信号处理电路,产生4路 满足功率驱动电路要求的时序信号。为了避免驱动电路短路，信号处理电路要对 输出时序有互锁保护功能，功率驱动电路实现弱电控制强电的功能。电机速度信号PW和方向信号Di

17、r,通过如图3-3所示电路,产生IR2110所需的 控制信号HIN1、HIN2、LIN1、LIN2。Dir经与非门产生相反信号DIRX,由与门74LS08 和与非门74LS00将PWI和 Dir或DIRX进行逻辑运算,实现输出信号互锁保护,使 HIN1和LIN2不能同时为高,HIN2和LIN2不能同时为高。Dir=1时，电机正转；Dir1=0 时,电机反转。图3-1信号处理电路逻辑运算结果如下：HIN1=PWM1Dir LIN1= PWM 1 Dir 16盐城工学院毕业设计说明书（2013）HIN2=PWM1 Dir1 LIN2= PWM1 Dir13.3驱动电路方案及参数描述功率驱动部分采用

18、2片IR2110驱动4片IRF3205构成H桥控制电路（如图3-2所 示）0 IR2110驱动IGBT构成的H桥电路的特点显著，具有调速性能好，调速频带 宽，可以工作在1100 kHz范围内工作12。所要求的控制信号简单，只需要加 入PW信号即可。IR2110设计保护电路性能良好，安全性高，无控制信号时，电 机处于刹车状态，可用于很多工业领域。在本设计中（图 3-2 ），IR2110的自举电 容采用了两个不同大小的电容并联使用。在频率为 20 kHz左右的工作状态下，可 选用1.0卩F和0.1卩F电容并联。并联高频小电容可吸收高频毛刺干扰电压。电路中为了防止Q1 Q3导通时高电压串入Vcc端损

19、坏芯片，在设计采用快恢复二极管 IN4148,其快速恢复时间为500ns13可有效地隔断高压信号串入IR2110。由于 VB高于VS电压的最大值为20V,为了避免VBS电压，电路中增加了 10V稳压二极管 D2、D3控制VB端电压在12V左右防止VB过压。由于密勒效应的作用，在开通与关断时，集电极与栅极间电容上的充放电电 流很容易在栅极上产生干扰14。针对这中现象，本设计在输出驱动电路中的功 率管栅极限流电阻R6 R7 R8 R9上反向并联了二极管D4 D5 D6 D7。为了避 免马达的反电动势的危害，需要在晶体管两端接二极管，因为马达线圈在电路开 闭瞬间产生的反向电动势通过会高过电源，这样对

20、晶体管和电路会有很大的影响甚至烧毁零件。图3-2 驱动电路3.3.1 IR2110驱动电路中IGBT抗干扰设计对于任何CMO器件，使这些二极管正向导通或反向击穿都会引起寄生的可 控晶闸管（SCR）锁定，锁定的最终后果难以预料，有可能暂时错误地工作到完全 损坏器件。若在“理想的自举”电路中，Vcc由一个零阻抗电源供电，并通过一个理想的二极管给Vb供电。负过冲电压将引起自举电容过充电。电动自行车驱动控制系统设计R2LI0芯片25V图3-3 IR2110部分寄生二极管示意图IGBT（ Insulated GateBipolar Transistor ）是电压驱动型器件，由于是容 性输入阻抗，故要求驱

21、动电路提供一条小阻抗通路， 将栅极电压限制在一定安全 数字内17 o如果电路的负载为感性负载，则在功率管开关瞬间、电源短路以及 过电流关断时，didt将比较大，功率管就会产生过冲电压，从而使VS端电压低于 CO端o实际上，该电压是不能低于-4V，超出该极限电压就会引起高端通道工作 的不稳定。3.3.2 IR2110功率驱动介绍（1） IR2110内部结构原理图及管脚说明IR2110是IR公司生产的高压,高速的功率MOSFET18 IGBT专用驱动芯片， 具有独立的高、低端输出双通道。门电压需求在1020V范围，悬浮通道用于驱动 MOSFE的高压端电压可以达到500V18。- p-_ rzL=I

22、 丄”111*111 111 * 11 I I曲晶第禺融LEVEL SHIFTV iV LEVEL smuftetec-tT 1_ PULSEj FILTERPULSE GENFunctional Block DiagramR彳 VteI 2* COMuwDETECTDELAY图3-3 IR2110 内部结构图图3-3中引脚10（ HIN）及引脚12 （LIN ）双列直插式封装，分别驱动逆变桥 中同桥臂上下两个功率MO器件的输入驱动信号输入端，当输入脉冲形成部分的 两路输出，范围为（Uss -0.5V）（ UCc +0.5），图3-3中Uss和UCc分别为引脚 13（Vss ）及引脚8（V c

23、c）的电压值。引脚11（SD端为保护电路信号输入端。当该引脚为高电平时，IR2110的输出被封锁，输出端HO（7脚）、LC（ 1脚）恒为 低电平。而当该脚为低电平时，输出跟随输入变化。用于故障（过电压、过电流） 保护电路。引脚6（ VB）及引脚3（ Vcc）分别为上下通道互锁输出级电源输入端。用于 8盐城工学院毕业设计说明书（2013）接输出级电源正极，且通过一个较高品质的电容接引脚2。引脚3还通过一个高反 压快速恢复二极管与引脚6相连。（2）IR2110的自举电路在驱动电路设计中，IR2110的自举电路可以有效的保护IGBT。IR2110自举电 路的结果原理图如图3-4所示：11-图3-4

24、IR2110自举电路原理图2S图3-4中C1及VD1分别为自举电容和快速恢复二极管，C2为VC啲滤波电容。当S1在关断期间，C1已经充满电，即VCC=VC。在VM开通，VM关断期间,VC1通 过电阻Rg1与S1的栅射极间电容Cg倣电。在VM关断，VM开通期间，S1栅电荷经 Rg1和VM快速释放。在经过死区时间后，S2开通VC（经过VD1 S2给C1充电。这就 是IR2110的自举电路原理。如果自举电容C选取的过大，可能使S2关断时电容两端还没有达到要求的电 压，而电容选择较小则会导致电容存储的能量不够维持栅源电压在S1导通时间内为一定值。在选择自举电容C1最好选择非电解电容，电容应尽可能的靠近

25、芯片。 一般情况下为保证自举电容将栅源电压持续一段时间，选电容为其最小值的15倍左右。综合考虑在设计驱动电路时采用 1uf的电容为IR2110的自举电容。3.3.3 H桥驱动电路原理自举电路输出端电源 VC（是12V,输人信号端电源VD是5V,C7、C8是自举电 容,D1、D2是二极管，C9、C1（是滤波电容，Q2、Q3 Q4 Q5是场效应晶体管当 Q2、Q5导通时,电机正转；当Q3 Q4导通时,电机反转；当Q4 Q5导通时,电机 两极与地短接，电机刹车制动。根据自举原理，上桥Q2的导通必须要以下桥Q4的导通为前提，给自举电容 充电。理论上,Q2是不能实现占空比导通的,只能达到97%Q5始终导

26、通,接通不 同占空比u可实现电机正转调速。当Q2导通时,电机全速正转；Q4导通时,电机 两端都接地，电机刹车。同理，Q4的不同占空比可实现电机反转调速。电动自行车驱动控制系统设计图3-2 H桥驱动电路3.4稳压电源因为系统需要的不同电压值较多，且由于电机在正常工作时对电源的干扰很 大，如果只用一组电源难以防止干扰，为此在设计时采用了两组可调的稳压电源 为系统控制单元和驱动单元单独供电。在设计时首先考虑到使用三端可调稳压集成芯片 LM7805和LM7905 LM7805 系列稳压器输出连续可调的正电压，LM790系列稳压器输出连可调的负电压，可 调范围为1.2V37V,最大输出电流为1.5A。稳

27、压器内部含有过流、过热保护电路， 具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调 整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。再利用 LM7805 LM7905 三端稳压芯片即可形成一个1.2V18V可调和5V固定输出的稳压电源。具体设计电 路图如下（图3-3）当220V交流电压经过变压器转换成双18V勺交流电压，利用B2 整流桥实现整流后，利用了 3300uf大电容C1、C2整流，因为大容量电解电容有一 定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、 输出端常并入103瓷介质小容量电容C3 C4用来抵消电感效应，抑制高频干扰， 利用LM31

28、7 LM337!压器实现18V和-18V可调，最后在经过470uf电解电容C7、C8 滤波后给LM7805 LM790稳压后再通过C9 C10滤波后输出5V直流固定电压。10盐城工学院毕业设计说明书（2013）图3-3稳压电源电路3.5光电测速电路本光电测速模块的设计主要采用型号为 H42B眦电传感器。模块的工作原理 如下，当码盘上的缝隙转到光电传感器所在的位置光敏晶体管接收到光线而导 通，此时原理图中a点输出为低电平0,当圆孔缝隙离开光电传感器所在的位置光 敏晶体管因接收不到光线而截止，此时a点输出为高电平1。图中LM35彌电阻R4 R5组成电压比较器，起滤波整形的作用。经过LM358的电压

29、信号通过PC知送至单片机进行频率测量。图3-5光电测速模块原理图4、系统软件设计系统程序为一个主程序（包括若干功能模块），中断子程序，以及若干个子 程序，共计三大部分构成。按照任务的定义，每个功能模块都能完成某一明确的 任务，实现具体的某个功能，如测量、计算、显示、键盘扫描、输出控制等。本电动自行车驱动控制系统设计124-1系统总体流程图设计的总程序设计流程图及其部分主要子程序流程图如图图4-1系统主体流程图4.1电动机驱动和速度控制程序设计#i nclude reg51.dan pianji200808l0-846. t; void Write_com(uchar a)*写指令到LCD*while(busy();判断 LCD!否忙碌 rs=0;rw=0;ep=0;LCD_data=a;ep=1;盐城工学院毕业设计说明书（2013）Delay5ms(); ep=0;*写显示数据至H lcd *void Write_dat(uchar d)while(busy();判断 LCD!否忙碌 rs=1;rw=0;ep=0;LCD_data=d;ep=1;Delay5ms(); ep=0; void lcdn it(void)*LCD初始化