电动自行车调速系统设计毕业设计.docx
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电动自行车调速系统设计毕业设计
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、1MCS-51单片机部结构…………………………………………….…12
5、2A/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…………………………………………………….…35
参考文献…………………………………………………..….36
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
abstract
Theofthesingleamachinecontrolhasnotobrushthedirectcurrentmotiveadjustssoonthesystemisapplicabletotheworkcircumstancethatelectricitymovesmallpowerinetc.inbicycle.biningcanreturnthesuperfluouselectricpowerThissystempossessestheadvantageofgoodexperimentalcharacteristic,highpowerfactor,energy-saving,smallvolume、etc.
Thispaperdebatesthecircuitprinciple,controlmethodandrealizationmethodofintofourparts.Atthesametime,theworkconditionofeverypartandtheenergytransmissiondirectionarediscussed.ThecontrolcircuitsofthesystemarebasedonIntelpany2051Thesingleamachine.Thesystembycooperatingthehardwareandsoftwareharmoniously,accordingtothefeatureoftheexperimentalmotor.
Keywords:
Thesingleamachine,veinbreadthadjustssoonthesystemPWM,eightfiguresestubedevelopmentmanifestationandturntospreadstofeelsoonmachine。
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围,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3-1
4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5V。
4.1电源电路
图4-1-1
24V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。
4.2显示电路
显示部分采用单片机串口通讯,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。
4.3控制电路
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。
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。
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围。
如图4-4-1所示:
脉冲信号:
t
T
转速:
VMAX
VD
VMIN
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为二者的平均值。
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)
图4-4-2
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
一种双向式在一个脉冲周期(T=Ta+Tb),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,电机通过的是正向电流,在Tb这段时间为反相电流。
当Ta=Tb时电机停转,Ta>Tb时电机正转,Ta 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这段时间不通过反向电流,电机反转时,Ta不通过正向电流。 其调速原理基本与双向式相同。 单向式与双向式相比,三极管的开关频率少一半,比较不容易发生上下三极管导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4-4-5电路 如上图4-4-5左所示为双向式调速方式下速度与占空比关系曲线,图3-1-5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,但是单片机仍然容易受到电机以及继电器的干扰,为了避免干扰,采用光电隔离,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,由于单片机的输出电流只有几百微安,故需要先接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因为惯性滑行太远而浪费能源。 因此时以关断了电源,要将电动车停下来而采取的无谓制动不能将电能回馈给蓄电池。 考虑到电动自行车对电机转速,距离控制的要求不高,为了简化程序和外接电路,所以没有考虑采用闭环PWM控制,用开环PWM控制就可以实现自行车的功能。 脉冲信号Ta Tb 工作时Ta为高电平,通过光耦驱动复合管T导通,此时Tb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K2、K4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。 5主要器件性能及原理 5.1MCS-51单片机部结构 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单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(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: 5.1.1中央处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,是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部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,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、P1、P2或P3),用于对外部数据的传输。 5.1.6 全双工串行口 8051置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用。 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。 单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛(Harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构,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系列单片机的部结构示意图。 5.1.9MCS-51的引脚说明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,外置石英振荡器的时钟线两根,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: Pin40: 正电源脚,正常工作或对片EPROM烧写程序时,接+5V电源。 Pin19: 时钟XTAL1脚,片振荡电路的输入端。 Pin18: 时钟XTAL2脚,片振荡电路的输出端。 8051的时钟有两种方式,一种是片时钟振荡方式,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,外置石英振荡器的时钟线两根,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EPROM烧写程序时,接+5V电源。 Pin19: 时钟XTAL1脚,片振荡电路的输入端。 Pin18: 时钟XTAL2脚,片振荡电路的输出端。 8051的时钟有两种方式,一种是片时钟振荡方式,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容阐述。 ·Pin9: RESET/Vpd复位信号复用脚,当8051通电,时钟电路开始工作,在RESET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“0”。 RESET由高电平下降为低电平后,系统即从0000H地址开始执行程序。 然而,初始复位不改变RAM(包括工作寄存器R0-R7)的状态,8051的初始态如下表: 特殊功能寄存器 初始态 特殊功能寄存器 初始态 ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPH 00H TH0 00H 8051的复位方式可以是自动复位,也可以是手动复位,见下图。 此外,RESET/Vpd还是一复用脚,Vcc掉电其间,此脚可接上备用电源,以保证单片机部RAM的数据不丢失。 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A/D转换,典型的A/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。 部逻辑结构,如图5-2-1所示。 图5-2-1ADC0809部结构 引脚功能说明: ·D7~D0: 8位数字量输出,A/D转换结果。 ·IN0~IN7: 8路模拟电量输入,可以是: 0~5V或者-5V~+5V或者-10V~+10V。 ·+VREF: 正极性参考电源。 ·-VREF: 负极性参考电源。 ·START: 启动A/D转换控制输入,高电平有效。 ·CLK: 外部输入的工作时钟,典型频率为500KHz。 ·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。 ·CBA: 3位地址输入,其8个地址值分别选中8路输入模拟量IN0~IN7之一进行模数转换。 C是高位地址,A是最低位地址。 ·OE: 数字量输出使能控制,输入高有效,输出A/D转换结果D7~D0。 ·EOC: 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。 ·Vcc: 芯片工作电源+5V。 ·GND: 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主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。 动机的定子绕组多做成三相对称星形接法,同三相异步电动机十分相似。 电动机的转子上粘有已充磁的永磁体,为了检测电动机转子的极性,在电动机装有位置传感器。 驱动器由功率电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,以控制电动机的启动、停止和制动;接受位置传感器信号和正反转信号,用来控制逆变桥各功率管的通断,产生连续转矩;接受速度指令和速度反馈信号,用来控制和调整转速;提供保护和显示等等。 无刷直流电动机的原理简图如图5-3-1所示: 主电路是一个典型的电压型交-直-交电路,逆变器提供等幅等频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U、V、W方波,结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号: 101、100、110、010、011、001,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-T4导通,也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、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U、V、W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。 正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的,而不是由逆变器强制换向的,所以也称作自控式同步电动机。 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前转子磁场轴线位置,所以不论转子的
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