哈尔滨工业大学毕业设计电动自行车调速系统的设计.docx

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哈尔滨工业大学毕业设计电动自行车调速系统的设计

毕业设计

题目

电动自行车调速系统的设计

系别

专业

班级

姓名

学号

指导教师

日期

设计任务书

设计题目

电动自行车调速系统的设计

设计要求：

1实现单片机对电动自行车调速系统的控制，即永磁无刷直流电动机转速的控制；

2要求使用脉宽调速系统；

3单片机选用芯片要合适；

⒋要求有系统电路图、原理图、程序图等。

设计进度要求：

第一周：

找指导老师，确定设计题目；

第二周：

结合题目，查阅相关的资料勾画调速系统基本框架；

第三、四周：

根据有关要求和所查资料的相关内容进行系统设计；

第五、六周：

对所设计的内容进行调试；

第七周：

书写毕业设计论文；

第八周：

准备毕业论文答辩。

指导教师（签名）：

______________

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馈。

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。

系统各个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，实现整个系统的设计要求。

关键词：

单片机，脉宽调速系统，三端式稳压器，永磁无刷直流电动机

目　　录

1概述

1.1电动车的发展史

电动车的发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。

后来，由于燃油汽车技术的迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突破，从20世纪20年代初至60代末，电动车的发展进入了一个沉寂期。

进入70年代以来，由于中东石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点。

近几十年来，主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和财力，电动车的各项相关技术也取得了重大的进展。

尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性的进展，但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改善其性能。

现代电动车的能源系统、电机驱动系统、智能化的能量管理系统、充电系统、车载空调系统和变速系统，电动车的基础设施建设以及未来智能化的交通系统的发展。

根据各类子系统的不同特点.近年来，各种显示高新技术的电动车层出不穷，日新月异。

1.2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。

（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、使用寿命长等特点。

（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。

（3）电动车用电动机能够在减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动车具有最佳能量的利用率，这在内燃机得摩托车上是不能实现得。

（4）电动车用电动机应在整个运行范围内，应具有高得效率，以提高1次充电得续驶里程。

另外，还要求电动车用电动机可靠性好，能够在较恶劣得环境下长期工作，结构简单并适应大批量生产，运行时噪声低，价格便宜等。

1.3永磁无刷直流电动机的基本性能

（1）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的情况下运行。

无刷直流电动机因其无电刷和机械换向器，不需要减速装置，噪声低等优点，被广泛应用于电动自行车中。

（2）永磁无刷直流电动机的控制系统

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的情况下运行。

由于永磁无刷直流电动机具有上述一系列的优点，因而，其用途十分的广泛，特别适合于对性能，体积重量要求很高的场合，如航空航天，电动汽车，精密电子仪器与设备，工业自动化和现代家用电器等领域。

1.4无刷直流电动机在电动自行车上的应用

1．应用特点

无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动自行车，是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。

（1）寿命长、免维护、可靠性高。

在有刷直流电动机中，由于电机转速较高，电刷和换向器磨损较快，一般工作1000小时左右就需更换电刷。

另外其减速齿轮箱的技术难度较大，特别是传动齿轮的润滑问题，是目前有刷方案中比较大的难题。

所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。

因此无刷直流电动机的优势很明显。

（2）效率高、节能。

一般而言，因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱的消耗，以及调速电路损耗，效率通常可高于85%，但考虑到实际设计中的最高性价比，为减少材料消耗，一般设计为76%。

而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗，通常在70%左右。

2．常见故障

无刷直流电动机的常见故障通常从其三个组成部分来检查。

在不清楚故障部位时，首先应该检查电动机本体，其次是位置传感器，最后检查驱动控制电路。

在电动机本体中，可能出现的问题是：

A、电动机绕组接触不良，断线或短路。

会造成电动机不转；电动机在某些位置能够起动，而在某些位置不能起动；电动机运行不平衡。

B、电动机主磁极退磁，会使电动机转矩明显小，而空载转速高、电流大。

在位置传感器上常见问题是霍尔元件损坏、接触不良、位置变化，都会使电动机输出转矩变小，严重时会使得电动机不动或在某一点来回振动。

在驱动控制电路中最容易出现故障的是功率晶体管，即由于长期过载、过电压或短路使功率晶体管损坏。

以上是对无刷电动机的常见故障进行的简单分析，在电动机实际运行时问题会是多种多样的，检查者应注意在没有确切把握情况时，不能随意通电，以免造成电动机的其他器件损坏。

2总体设计

对于电动自行车控制系统设计主要有三个方面:

1．控制电路的设计；

2．传感器选择以及安放设计；

3．显示电路的设计；

4．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2.1所示：

图2.1总体电路图

3电路设计

控制电路主要由电源电路、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，电机机驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离。

3.1电源电路

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。

见图3.1：

图3.1电源电路图

24V直流电源经三端稳压器78L05输出即为单片机所要求的+5V电源。

电路中接入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解结，造成调整管be结击穿而损坏。

3.2显示电路

显示部分见图3.2，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。

我们所设计的采用共阳极连接方式的LED七段显示数码管如图3.3所示。

图3.2显示电路图

图3.3七段显示数码管

静态显示原理：

MCS-51单片机串行口方式0为移位寄存器方式，外接6片74LS164作为6位LED显示器的静态显示接口，把8051的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。

74LS164为TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。

其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。

T（第8脚）为时钟输入端，可连接到串行口的TXD端。

每一个时钟信号的上升沿加到T端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74LS164中。

R（第9脚）为复位端，当R=0时，移位寄存器各位复0，只有当R=1时，时钟脉冲才起作用。

Q1…Q8（第3-6和10-13引脚）并行输出端分别接LED显示器的hg···a各段对应的引脚上。

段码控制：

如送段码73H时，显示P以此类推，如表3.1所示：

表3.1段码表

显示

P0.7

P0.6

P0.5

P0.4

P0.3

P0.2

P0.1

P0.0

位码

h

g

f

e

d

c

b

a

p

0

1

1

1

0

0

1

1

73H

-

1

0

0

0

0

0

0

0

80H

1

0

0

0

0

0

1

1

0

03H

2

1

0

0

1

1

0

1

1

9BH

3

1

0

0

0

1

1

1

1

8FH

4

1

0

1

1

0

1

1

0

B6H

5

1

0

1

0

1

1

0

1

ADH

6

1

0

1

1

1

1

0

1

BDH

7

0

0

0

0

0

1

1

1

07H

8

1

0

1

1

1

1

1

1

BFH

9

1

0

1

0

1

1

1

1

AFH

0

0

0

1

1

1

1

1

1

3FH

e

1

0

1

1

1

1

0

1

B9H

n

0

0

1

0

0

0

1

1

23H

d

1

0

0

1

1

1

1

0

9EH

暗

0

0

0

0

0

0

0

0

00H

直流电动机的额定转速为190转/分大约需要三位数码管显示。

驱动器采用74LS164串接510Ω的限流电阻。

3.3控制电路

图3.4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”电路便把IN0线上模拟电压送入8位A/D转换器。

此时，若单片机使STRA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转换后的数字量输出相应的巨型脉冲信号。

脉冲信号经74LS254放大后经光电耦合控制继电器。

3.4驱动电路及原理

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。

一种是线性型：

使用功率三级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，特别是低速大转矩运行时，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，电枢电压UD越高电机转速越快，电枢电压UD降为0V，电机就就停转。

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范围内。

如图3.5所示：

图3.5脉冲信号图

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*max式中D=t/Tc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之间关系如图3.6所示：

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。

图3.6VD/D关系图

PWM调速分为双向式和单向式两种：

双向式：

在一个脉冲周期内（T=Ta+Tb）,T1和T3导通时间为Ta,T2和T4导通时间为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电机正转，Ta

单向式：

单向式的电路和双向式相同，同的是在电机正转时，Tb这段时间内不通过反相电流；电机反转时，Ta内不通过正向电流。

其调速原理基本与双向相同，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、低速性也不如双向式好。

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，以致电源短路，烧毁器件。

为了避免出现这种情况，设计了图3.7所示的电路:

此电路只用一个三极管控制电路的通断，用四个继电器控制电流流向，从而控制电机的转向。

这样无论如何，都不会出现因编程原因而造成电源短路的情况。

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毫安，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

图3.7电源电路

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，这样停时车不至于因为惯性滑行太远而浪费能源。

因此，切断电源后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控制和就可以实现自行车的功能。

图3.8脉冲信号波形图

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、K2为常闭触点，所以电动机加正向电压。

当Tb为低电平电压时所有继电器得电，常开触点闭合常闭触点断开，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。

4主要器件性能及原理

4.18051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：

（1）中央处理器（CPU）

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。

（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

（3）程序存存储器（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。

（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）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。

（6）全双工串行口

（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

（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。

8051的引脚说明：

8051引脚如图4.1所示：

图4.18051引脚图

Pin20:

接地脚。

Pin40:

正电源脚，正常工作或对片内EPROM读写程序时，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。

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/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的初始态如表4.1所示:

表4.18051初始状态

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

DPL

00H

TL0

00H

IP

xxx00000B

TH1

00H

IE

0xx00000B

TL1

00H

TMOD

00H

TCON

00H

SCON

xxxxxxxxB

SBUF

00H

P0-P3

1111111B

PCON

0xxxxxxxB

Pin30:

ALE/

当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。

更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。

如果单片机是EPROM，在编程其间，

将用于输入编程脉冲。

Pin29:

当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，CPU读入并执行。

Pin31:

EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。

如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。

4.2A/D转换芯片

（1）内部结构

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近型，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微秒左右。

在同类产品中，ADC0809模数转换器的分辨率、转换速度和价位都居首位。

ADC0809的内部逻辑结构，如图4.2：

图4.2ADC0809的内部逻辑结构

由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。

多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。

三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。

（2）引脚结构

图4.3ADC0809引脚结构图

IN0－IN7：

8条模拟量输入通道

ADC0809对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

地址输入和控制线：

4条

 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。

当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。

A，B和C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟量输入。

通道选择表如表4.2所示：

表4.2通道选择表

C

B

A

选择的通道

0

0

0

IN0

0

0

1

IN1

0

1

0

IN2

0

1

1

IN3

1

0

0

IN4

1

1

1

IN5

1

1

0

IN6

1

1

1

IN7

数字量输出及控制线：

11条

 ST为转换启动信号。

当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。

EOC为转换结束信号。

当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。

OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。

OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。

D7－D0为数字量输出线。

CLK为时钟输入信号线。

因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。

4.3永磁无刷直流电动机

1．无刷直流电动机的结构特点

无刷直流电动机（BLDCM）由电动机本体和驱动器构成，是一种典型的机电一体化产品。

定子绕组做成三相对称星行接法，同三相异步电动机十分相似。

电动机转子由钕铁硼永磁材料构成。

在定转子形成的气隙中产生N-S级相间的方波磁场，所以也把这种电动机称为“方波电动机”。

为了使电动机绕组准确换向，在电动机内装有位置传感器，作为转子极性的位置信号。

驱动器组成：

作为控制中枢的单片子；作为电子换向的由IGBT或MOSFET构