电动自行车调速系统设计(毕业设计)

经典word整理文档，仅参考，双击此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！电动自行车调速系统的设计目录摘要………………..…..……..21、引言……….22、系统要求………………….33、总体规划………………44、电路设计………………….55、主要器件性能及原理…….121234566、程序设计……………3112、结束语…………..…..…35、致谢…………………….…35参考文献…………………….361江南大学毕业设计论文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aaKeywords:a。2电动自行车调速系统的设计1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动控制系统。电动车的电机驱动系统一般由4电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。22.1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(3～4)，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时实现再生制动，将能量回收并反馈回的。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3江南大学毕业设计论文构。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。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4电动自行车调速系统的设计单片机转速传感器图4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。4．1电源电路312图24V直流电源经三端稳牙器74L05输出即为单片机所要求的+5V中接入电容C、C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12抑制电路引入的高频干扰。大容量的C是电解电容，以减小稳压电源输出端由3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C一个放电通路，防止C两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结33击穿而损坏。5江南大学毕业设计论文4．2显示电路190采用74LS164串接510欧的限流电阻。4．3控制电路123456783938373635343332P10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07262728110K2C13122122232425262728P20P21P22P23P24P25P26P2771031514T1T04531EA/VP22530PF191816129ref(-)2910113029ref(+)RESETALE/PPSEN+5ADC080974ALS02171630PF80516电动自行车调速系统的设计线8位线处于高电平，则始-8转4．4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。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：脉宽调速（PULSEWIDEMODULATION——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PWM原理永磁式直流电动机电机转速由电枢电压U决定，电枢电U越高电机转速DD越快，电枢电压U降为0VD（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：7江南大学毕业设计论文脉冲信号：tT转速：VVVD图4-4-1为电动机的最大转速值。V为电动机的最小转速值。V为二者的平均值。V=DDVMAXMIND*V式中D=t/T称为占空比D越大V就越大反之亦然。平均转速和电枢上的MAXD脉冲占空比D之间的关系如4-4-2图：VD01D图图可知，平均转速与占空比并非完全的线性关系，但可以近似的看成是线性关系。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8电动自行车调速系统的设计一种双向式在一个脉冲周期内(T=Ta＋Tb)T1和T3导通的时间为TaT2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，Ta>Tb时电机正转，Ta<Tb时电机反转。另一种单向式单向式的电路更双向式相同。不同的是，在电机正转时，Tb这段时间内不通过Ta内不通过正向电流。其调速原理基本与双向式相同。通而造成电源短路的情况,故可靠性有所提高，但控制性能比双向式稍差。外特性、低速性能也不如双向式好。图如上图4-4-53-1-5右为单向式调速方式曲线。综合以上两种方式的优缺点，并考虑到电动自行车对调速精度要求不太高，以及省电，器件损耗等各方面因素，决定采用单向式PWM。考虑到编程时可能会产生使T1、T2、T3、T4都导通的情况，以至电源短路，烧毁器件。由于采用单片机控制电机，如果单片机的电源采用与电机同一电源，虽然经过稳压、滤波，单片机和电机采用两套电源。4N26光耦一般需要2mA以上的驱动电流，由于单74LS245或者接一个三极管增加驱动能力（74LS245的高电平驱动能力为15mA）。光耦的输出再接给达林顿管，考虑到电机的短路电流有2A，故选用TIP132型号的达林顿管（允许通过的最大瞬时9江南大学毕业设计论文电流为8A）。另外在达林顿管的C极和电源的正极之间接一个耐流为2A的二极管，这样在关断电源后，使继电器反相，可以让电机放电，这样停车时车不至于的无谓制动不能将电能回馈给蓄电池。PWMPWM控制就可以实现自行车的功能。脉冲信号工作时TaTTb为高电平通过光耦使三极管导通，继电器各线圈被短路。K1、K3为长闭触点，所以电动机加正向电压。当Tb为底电平时所有继电器得电，常开触点闭合常闭触点打开，K1、K3断开K2K4导通。电动机加反向电压。如果保证Ta>Tb则电动机正转。通过改变Ta、Tb的占空比即可改变转速。55．1MCS-51单片机内部结构8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。8051(ROM)(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：10电动自行车调速系统的设计5.1.1中央处理器中央处理器(CPU)8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。5.1.2数据存储器(RAM)8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。5.1.3程序存储器(ROM)8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。5.1.4定时/计数器(ROM)8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。5.1.5并行输入输出(I/O)口8051共有4组8位I/O口(P0、P1P2或P3)，用于对外部数据的传输。5.1.6全双工串行口5.1.7中断系统8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。5.1.8时钟电路8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用11江南大学毕业设计论文的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图。5.1.9MCS-51的引脚说明MCS-51系列单片机中的80318051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正4组8位共32个I/O口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：12电动自行车调速系统的设计Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：Pin20:接地脚。Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。13江南大学毕业设计论文Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。·输入输出(I/O)引脚：Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，这些输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述。·Pin9:RESET/V8051RESETpd引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0RESET0000H地址开始RAM（包括工作寄存器R0-R78051的初始态如下表：特殊功能寄存器ACCPSWDPHSPTH000H00H8051RESET/Vpd还是一复用脚，VRAM的数cc据不丢失。14电动自行车调速系统的设计5.2A/D转换芯片ADC0809芯片是最常用的8位模数转换器。它的模数转换原理采用逐次逼进型，芯片由单个＋5V电源供电，可以分时对8路输入模拟量进行／D转换，典型的／D转换时间为100微妙左右。在同类型产品中，ADC0809模数转换器的分辨率、转换速度和价位都属于居中位置。内部逻辑结构，如图5-2-1所示。图引脚功能说明：²D7～D0：8位数字量输出，／D转换结果。～8路模拟电量输入，可以是：0～5V或者－5V～＋5V或者－10V～+10V。²：正极性参考电源。²－VREF：负极性参考电源。²START：启动／D转换控制输入，高电平有效。²：外部输入的工作时钟，典型频率为500KHz。15江南大学毕业设计论文ALE：地址锁存控制输入，高电平开启接收3位地址码，低电平锁存地址。3位地址输入，其8个地址值分别选中8路输入模拟量～IN7之一进行模数转换。C是高位地址，A是最低位地址。²：数字量输出使能控制，输入高有效，输出／D转换结果D7～D0。²EOC：模数转换状态输出。当模数转换未完成时，EOC输出低电平；当模数转换完成时，EOC输出高电平。EOC输出信号可以作为中断请求或者查询控制。²：芯片工作电源＋5V。²GND：芯片接地端。5．3永磁无刷直流电动机5.3.1稀土永磁无刷直流电动机的基本工作原理无刷直流电动机由电动机子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以制和调整转速；提供保护和显示等等。16电动自行车调速系统的设计主电路是一个典型的电压型交-直-5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120的UVW/°101100110010011，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4A+B-A+C-B+C-C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器UVW按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为自控式同步电动机。无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。17江南大学毕业设计论文电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。5．4三端式稳压器78L05三端式稳压器78L05的工作原理电路如图5-4-1所示，三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。下面对各部分电路作简单介绍5.4.1启动电路V接通后，1流源的BJTT、T提供基极电流。启动电路由T、T、D组成。当输入电压4512Z1V高于稳压管D的稳定电压时，有电流通过T、T，使T基极电位上升而导1Z1123通，同时恒流源T、T也工作。T的集电极电流通过D以建立起正常工作电454Z2压，当D达到和D相等的稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完Z2Z1T2从而保证T左边出现的纹波与噪声不致影响基准电压源。25.4.2基准电压电路基准电压电路由T、D、T、RR及DD组成，电4Z231312路中的基准电压为18电动自行车调速系统的设计式中V为D的稳定电压，V为T、DD发射结（D、D为由发射Z2Z2BE31212结构成的二极管）的正向电压值。在电路设计和工艺上使具有正温度系数的R、1R、D与具有负温度系数的T、D、D发射结互相补偿，可使基准电压V2Z2312REF基本上不随温度变化。同时，对稳压管D采用恒流源供电，从而保证基准电压Z2不受输入电压波动的影响。5.4.3取样比较放大电路和调整电路。这部分电路由T～TTT4111011组成复合调整管；R、R组成取样电路；T、T和T组成带恒流源的差分式1213786放大电路；T、T组成的电流源作为它的有源负载。T、R的作用说明如下：4599如果没有T、R，恒流源管T的电流I=I+I，当调整管满载时I最大，995C5C8B10B10而I最小；而当负载开路时II也趋于零，这时I几乎全部流入T，使C8OB10C58得I的变化范围大，这对比较放大电路来说是不允许的，为此接入由T、RC899级成的缓冲电路。当III增大，待I增大到>0.6V时，OB10C8C8则T导通起分流作用。这样就减轻了T的过多负担使I的变化范围缩小。98C85.4.4减流式保护电路减流式保护电路由TRRR和DD组成，12111514Z3Z4RT1111特别要注意使它的功耗不超过额定值P。首先考虑一种简单的情况。假设图1CM中的D、D和RR两端短路。这时，如果稳压电路工作正常，即Z3Z41415P<P并且输出电流IR的电流使=IR<0.6VTCCMO11O1112截止。当输出电流急剧增加，例如输出端短路时，输出电流超过极限值（O(CL)=P/V=0.6V/R）时，即当>0.6V时，使T管导通。由于它的分CMI1112流作用，减小了T的基极电流，从而限制了输出电流。这种简单限流保护电路10的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以内。由于调整管的耗散功率P=IV，只有既考虑通过它的电流和它的管压降V值，又使P<P，才能CMCCECECCM全面地进行保护。图1中D、D和RR所构成的支路就是为实现上述保Z3Z41415护目的而设置的。电路中如果（V–IR–V）（V+V），则D、DIO11OZ3Z4Z3Z4击穿，导致T管发射结承受正向电压而导通。V的值为12BE1219江南大学毕业设计论文经整理后得V–V）越大，即调整管的V值越大，则I越小，从而使调整IOCEO管的功耗限制在允许范围内。由于I的减小，故上述保护称为减流式保护。O5.4.5过热保护电路过热保护电路电路由DTT和TZ231413R上的压降仅为0.4V左右，T、T是截止的，对电路工作没有影响。当某种31413原因（过载或环境温升）使芯片温度上升到某一极限值时，R上的压降随D3Z2的工作电压升高而升高，而T的发射结电压V下降，导致TT也14BE141413随之导通。调整管T的基极电流I被T分流，输出电流I下降，从而达到10B1013O过热保护的目的。电路中R的作用是给T管的I和T管的I一条分流通路，以改1010CEO1011CBO11善温度稳定性。值得指出的是：当出现故障时，上述几种保护电路是互相关联的。图5-4-2三端稳压器的典型接法图5-4-2是应用78L05输出固定电压VO输出电压差应大于2～3V。电路中接入电容C、C是用来实现频率补偿的，可12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。C是电解电容，以3减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。DCC两端电压作用于调整管的be33结，造成调整管be结击穿而损坏。三端稳压器的参数20电动自行车调速系统的设计参数VVA℃V6521江南大学毕业设计论文×６×22电动自行车调速系统的设计4.5.2工作原理KMI15-1个引脚分别为Ｕ12V善传感器的高温工作性能。其内部主要包括以下六部分：磁敏电阻传感器；前置放大器A1；施密特触发器；开关控制式电流源；恒流源；电压控制器。实际上，该传感器是由4只磁敏电阻构成的一个桥路，可固定在靠近齿轮的地方。当齿轮沿Ｙ轴方向转动时，由于气隙处的磁力线发生变化，磁路中的磁阻正是测量转速所需要的。工作时，传感器产生的电信号首先通过ＥＭＩ滤波器滤除高频电磁干扰，然加到开关控制式电流源的控制端。KMI15-1的输出电流信号ＩCC是由两个电流叠7ｍA恒定电流ＩH流源输出的可变电流1K。它们之间的关系式为：ＩCC＝1H＋1K当控制信号UK＝01Ｈ＝7ｍA。当KK＝1（高电平）时，电流源被接通，ＩＫ＝7ｍA，从而使得ＩCC＝14ｍA。23江南大学毕业设计论文图4期为Ｔ。输出波形的占空比Ｄ＝t1／T＝50％±20％。上升时间和下降时间分别仅为0.5μｓ和0.7μｓ。KMI15芯片中的电压控制器实际上是一个并联调整式稳压器，可用于为传感器提供稳定的工作电压ＵＣ。而电阻Ｒ3、稳压管ＶＤＺ和晶体管ＶＴ1则可构成取样电路，其中ＶＴ1接成射极跟随器。Ａ2为误差放大器，ＶＴ2为并联式调整管。这样，ＩＨ在经过Ｒ1、Ｒ2分压后可给Ａ2提供基准电压ＵREF，从而在UCC2对取样电压与基准电压进行比较后产生误差电压Ｕｒ，同时通过改变ＶＴ2上的电流来使ＵＣ保持不变。5.5.3KMI15－1的典型应用安装方法KMI15-1应当安装在转动齿轮的旁边。若信号。4、6译码器74LS164为串行移位译码器，它主要由时钟线控制，时钟线每来一个上升弦，数据线将把一位数移进去，移八次就进一个字节，同时在数码管显示出来。高低电平信号，每输入一组不同的代码，只有一个输出端呈现有效信号。EBAAB24电动自行车调速系统的设计5.程序设计开始5.1主程序框图0扫描25江南大学毕业设计论文5.2INT0中断服务程序5.3部分子程序延时子程序：定时功能。PWM子程序：用于控制马达转速。89C51芯片没有PWM输出功能，需要通过编程实现。为了在输出PWM定时器溢出中断来实现。占空比占用一个字节的RAM，占空比D=N/256。（脉宽调速是使用单片机内部中断产生周期约为8ms进行改变电机的转速）利用单片机输出PWM信号.实现了从0%——100%线性可调。源码如下：;单片机串口通信+PWM输出程序26电动自行车调速系统的设计;在P1.3输出调宽信号。;定时器0工作在方式3，TL0为调宽值，TH0为脉冲频率。;定义：TH0=30H，TL0=31H;TH0DATEQU30H;脉冲频率;TL0DATEQU31H;脉冲宽度ORG0000HAJMPSTARTORG000BHAJMPPWM