經典word整理文檔，僅參考，雙擊此處可刪除頁眉頁腳。本資料屬于網絡整理，如有侵權，請聯系刪除，謝謝！電動自行車調速系統的設計目錄摘要………………..…..……..21、引言……….22、系統要求………………….33、總體規劃………………44、電路設計………………….55、主要器件性能及原理…….121234566、程序設計……………3112、結束語…………..…..…35、致謝…………………….…35參考文獻…………………….361江南大學畢業設計論文單片機控制的永磁無刷直流電動機調速系統適用于電動自行車等小功率的工作情況。并能將多余的電能回潰。該系統具有調速性能好、功率因數高、節能、體積小、重量輕等優點。本文從系統要求分析入手，將整個系統分成四個部分，分析和討論了各個部分的電路原理、控制策略、實現方法。詳細討論了系統的各種工況及信號的傳遞情況，并得到了系統各個部分在不同工況的工作狀態。系統各部分的控制電路基于Intel公司的控制芯片8051單片機。根據永磁無刷直流電動機的特性實施脈寬PWM控制，并通過轉速傳感器測量轉速通過八段數碼管動態顯示轉速，通過軟硬件的配合，實現了整個系統的設計要求。關鍵詞：單片機、脈寬調速系統PWM、永磁無刷直流電動機、八段數碼管動態顯示、轉速傳感器aaKeywords:a。2電動自行車調速系統的設計1人類與環境共存和全球經濟的可持續發展使人們迫切希望尋求到一種既能電動車無疑是一種很有希望的方案。現代電動車是融合了電力、電子、機械控制、材料科學以及化工技術等多種動控制系統。電動車的電機驅動系統一般由4電動機、開關磁阻電動機以及永磁無刷電動機等。22.1電動車對電動機的基本要求電動車的運行，與一般的工業應用不同，非常復雜。因此，對驅動系統的要求是很高的。2.1.1電動車用電動機應具有瞬時功率大，過載能力強、過載系數應為(3～4)，加速性能好，使用壽命長的特點。2.1.2電動車用電動機應具有寬廣的調速范圍，包括恒轉矩區和恒功率區。在要求低轉矩時具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。2.1.3電動車用電動機應能夠在車減速時實現再生制動，將能量回收并反饋回的。2.1.4電動車用電動機應在整個運行范圍內，具有高的效率，以提高1次充電的續駛里程。另外還要求電動車用電動機可靠性好，能夠在較惡劣的環境下長期工作，結構簡單適應大批量生產，運行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。2.2鑒于電動車對電動機的基本要求采用永磁無刷直流電動機。2.2.1永磁無刷直流電動機的基本性能。永磁無刷直流電動機是一種高性能的3江南大學畢業設計論文構。加之，它采用永磁體轉子，沒有勵磁損耗：發熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。此外，它的轉速不受機械換向的限制，如果采用機系統相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動車中有著很好的應用前景。2.2.2永磁無刷直流電動機的控制系統。典型的永磁無刷直流電動機是一種準機系統非常適合于運行在恒轉矩區域，一般采用電流滯環控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進一步擴充轉速，永磁無刷直流電動機也可以采用弱磁控中的磁鏈。2.2.3永磁無刷直流電動機的不足。永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。控制，使其不發生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下，操縱復雜，需要一套復雜的控制系統，從而使得永磁無刷直流電動機的驅動系統造價很高。3對于電動自行車控制系統設計主要有三個方面：一、控制電路的設計；二、傳感器選擇以及安放設計；三、顯示電路的設計；四、程序設計。從總的方面來控制核心采用51單片機，控制系統與電路用光耦完全隔離以避免干擾。控制上采用分時復用技術，僅用一塊單片機就實現了信號采集，電機控制和轉速顯示。如圖3-1所示4電動自行車調速系統的設計單片機轉速傳感器圖4光耦隔離。傳感器的電源直接使用24V蓄電池，單片機的電源則通過三端穩壓器78L05將24V電源轉換到5V。4．1電源電路312圖24V直流電源經三端穩牙器74L05輸出即為單片機所要求的+5V中接入電容C、C是用來實現頻率補償的，可防止穩壓器產生高頻自激振蕩并12抑制電路引入的高頻干擾。大容量的C是電解電容，以減小穩壓電源輸出端由3輸入電源引入的低頻干擾。D是保護二極管，當輸入端意外短路時，給輸出電容器C一個放電通路，防止C兩端電壓作用于調整管的be結，造成調整管be結33擊穿而損壞。5江南大學畢業設計論文4．2顯示電路190采用74LS164串接510歐的限流電阻。4．3控制電路123456783938373635343332P10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07262728110K2C13122122232425262728P20P21P22P23P24P25P26P2771031514T1T04531EA/VP22530PF191816129ref(-)2910113029ref(+)RESETALE/PPSEN+5ADC080974ALS02171630PF80516電動自行車調速系統的設計線8位線處于高電平，則始-8轉4．4驅動電路及原理下面主要對驅動電路進行一下介紹：電動自行車使用24V直流電機，對于這種小功率直流電機的調速方法一般有兩種。的電路結構和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉距運行時，通過電阻R的電流大，發熱厲害，損耗大。另一種脈寬調制型：脈寬調速（PULSEWIDEMODULATION——PWM）較常用的一種調速方式，這種調速方式有調速特性優良、調整平滑、調速范圍廣、過PWM原理永磁式直流電動機電機轉速由電樞電壓U決定，電樞電U越高電機轉速DD越快，電樞電壓U降為0VD（即脈動信號）就可以使電動機的轉速控制在指定的范圍內。如圖4-4-1所示：7江南大學畢業設計論文脈沖信號：tT轉速：VVVD圖4-4-1為電動機的最大轉速值。V為電動機的最小轉速值。V為二者的平均值。V=DDVMAXMIND*V式中D=t/T稱為占空比D越大V就越大反之亦然。平均轉速和電樞上的MAXD脈沖占空比D之間的關系如4-4-2圖：VD01D圖圖可知，平均轉速與占空比并非完全的線性關系，但可以近似的看成是線性關系。因此電動機的平均轉速VD就可以有占空比D加以控制。PWM調速分為雙向式和單向式兩種8電動自行車調速系統的設計一種雙向式在一個脈沖周期內(T=Ta＋Tb)T1和T3導通的時間為TaT2和T4導通的時間為Tb，這樣在Ta這段時間內，電機通過的是正向電流，在Tb這段時間內為反相電流。當Ta=Tb時電機停轉，Ta>Tb時電機正轉，Ta<Tb時電機反轉。另一種單向式單向式的電路更雙向式相同。不同的是，在電機正轉時，Tb這段時間內不通過Ta內不通過正向電流。其調速原理基本與雙向式相同。通而造成電源短路的情況,故可靠性有所提高，但控制性能比雙向式稍差。外特性、低速性能也不如雙向式好。圖如上圖4-4-53-1-5右為單向式調速方式曲線。綜合以上兩種方式的優缺點，并考慮到電動自行車對調速精度要求不太高，以及省電，器件損耗等各方面因素，決定采用單向式PWM。考慮到編程時可能會產生使T1、T2、T3、T4都導通的情況，以至電源短路，燒毀器件。由于采用單片機控制電機，如果單片機的電源采用與電機同一電源，雖然經過穩壓、濾波，單片機和電機采用兩套電源。4N26光耦一般需要2mA以上的驅動電流，由于單74LS245或者接一個三極管增加驅動能力（74LS245的高電平驅動能力為15mA）。光耦的輸出再接給達林頓管，考慮到電機的短路電流有2A，故選用TIP132型號的達林頓管（允許通過的最大瞬時9江南大學畢業設計論文電流為8A）。另外在達林頓管的C極和電源的正極之間接一個耐流為2A的二極管，這樣在關斷電源后，使繼電器反相，可以讓電機放電，這樣停車時車不至于的無謂制動不能將電能回饋給蓄電池。PWMPWM控制就可以實現自行車的功能。脈沖信號工作時TaTTb為高電平通過光耦使三極管導通，繼電器各線圈被短路。K1、K3為長閉觸點，所以電動機加正向電壓。當Tb為底電平時所有繼電器得電，常開觸點閉合常閉觸點打開，K1、K3斷開K2K4導通。電動機加反向電壓。如果保證Ta>Tb則電動機正轉。通過改變Ta、Tb的占空比即可改變轉速。55．1MCS-51單片機內部結構8051是MCS-51系列單片機的典型產品，我們以這一代表性的機型進行系統的講解。8051(ROM)(RAM)、定時/計數器、并行接口、串行接口和中斷系統等幾大單元及數據總線、地址總線和控制總線等三大總線，現在我們分別加以說明：10電動自行車調速系統的設計5.1.1中央處理器中央處理器(CPU)8位數據寬度的處理器，能處理8位二進制數據或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統協調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。5.1.2數據存儲器(RAM)8051內部有128個8位用戶數據存儲單元和128個專戶只能訪問，而不能用于存放用戶數據，所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數據，運算的中間結果或用戶定義的字型表。5.1.3程序存儲器(ROM)8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數據或表格。5.1.4定時/計數器(ROM)8051有兩個16位的可編程定時/計數器，以實現定時或計數產生中斷用于控制程序轉向。5.1.5并行輸入輸出(I/O)口8051共有4組8位I/O口(P0、P1P2或P3)，用于對外部數據的傳輸。5.1.6全雙工串行口5.1.7中斷系統8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數8051內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優先級別選擇。5.1.8時鐘電路8051內置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-51系列單片機采用11江南大學畢業設計論文的是哈佛結構的形式，而后續產品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結構。下圖是MCS-51系列單片機的內部結構示意圖。5.1.9MCS-51的引腳說明MCS-51系列單片機中的80318051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正4組8位共32個I/O口線與P3口線復用。現在我們對這些引腳的功能加以說明：12電動自行車調速系統的設計Pin40:正電源腳，正常工作或對片內EPROM燒寫程序時，接+5V電源。Pin19:時鐘XTAL1腳，片內振蕩電路的輸入端。Pin18:時鐘XTAL2腳，片內振蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用。現在我們對這些引腳的功能加以說明：Pin20:接地腳。Pin40:正電源腳，正常工作或對片內EPROM燒寫程序時，接+5V電源。Pin19:時鐘XTAL1腳，片內振蕩電路的輸入端。13江南大學畢業設計論文Pin18:時鐘XTAL2腳，片內振蕩電路的輸出端。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。·輸入輸出(I/O)引腳：Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳，Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳，這些輸入輸出腳的功能說明將在以下內容闡述。·Pin9:RESET/V8051RESETpd引腳上出現24個時鐘周期以上的高電平，系統即初始復位。初始化后，程序計數器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0RESET0000H地址開始RAM（包括工作寄存器R0-R78051的初始態如下表：特殊功能寄存器ACCPSWDPHSPTH000H00H8051RESET/Vpd還是一復用腳，VRAM的數cc據不丟失。14電動自行車調速系統的設計5.2A/D轉換芯片ADC0809芯片是最常用的8位模數轉換器。它的模數轉換原理采用逐次逼進型，芯片由單個＋5V電源供電，可以分時對8路輸入模擬量進行／D轉換，典型的／D轉換時間為100微妙左右。在同類型產品中，ADC0809模數轉換器的分辨率、轉換速度和價位都屬于居中位置。內部邏輯結構，如圖5-2-1所示。圖引腳功能說明：2D7～D0：8位數字量輸出，／D轉換結果。～8路模擬電量輸入，可以是：0～5V或者－5V～＋5V或者－10V～+10V。2：正極性參考電源。2－VREF：負極性參考電源。2START：啟動／D轉換控制輸入，高電平有效。2：外部輸入的工作時鐘，典型頻率為500KHz。15江南大學畢業設計論文ALE：地址鎖存控制輸入，高電平開啟接收3位地址碼，低電平鎖存地址。3位地址輸入，其8個地址值分別選中8路輸入模擬量～IN7之一進行模數轉換。C是高位地址，A是最低位地址。2：數字量輸出使能控制，輸入高有效，輸出／D轉換結果D7～D0。2EOC：模數轉換狀態輸出。當模數轉換未完成時，EOC輸出低電平；當模數轉換完成時，EOC輸出高電平。EOC輸出信號可以作為中斷請求或者查詢控制。2：芯片工作電源＋5V。2GND：芯片接地端。5．3永磁無刷直流電動機5.3.1稀土永磁無刷直流電動機的基本工作原理無刷直流電動機由電動機子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以制和調整轉速；提供保護和顯示等等。16電動自行車調速系統的設計主電路是一個典型的電壓型交-直-5-26KHZ調制波的對稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產生相位差120的UVW/°101100110010011，通過邏輯組件處理產生T1-T4導通、T1-T6導通、T3-T6導通、T3-T2導通、T5-T2導通、T5-T4A+B-A+C-B+C-C+A-、C+B-上，這樣轉子每轉過一對N-S極，T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態的依次導通。每種狀態下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動60°電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于60°電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器UVW按約定產生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產生的磁場軸再前進60°電角度，如此循環，無刷直流電動機將產生連續轉矩，拖動負載作連續旋轉。正因為自控式同步電動機。無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超會產生足夠大的啟動轉矩，因此轉子上不需另設啟動繞組。17江南大學畢業設計論文電磁轉矩與繞組電流成正比，這正是他勵直流電動機的電流-轉矩特性。5．4三端式穩壓器78L05三端式穩壓器78L05的工作原理電路如圖5-4-1所示，三端式穩壓器由啟動電路、基準電壓電路、取樣比較放大電路、調整電路和保護電路等部分組成。下面對各部分電路作簡單介紹5.4.1啟動電路V接通后，1流源的BJTT、T提供基極電流。啟動電路由T、T、D組成。當輸入電壓4512Z1V高于穩壓管D的穩定電壓時，有電流通過T、T，使T基極電位上升而導1Z1123通，同時恒流源T、T也工作。T的集電極電流通過D以建立起正常工作電454Z2壓，當D達到和D相等的穩壓值，整個電路進入正常工作狀態，電路啟動完Z2Z1T2從而保證T左邊出現的紋波與噪聲不致影響基準電壓源。25.4.2基準電壓電路基準電壓電路由T、D、T、RR及DD組成，電4Z231312路中的基準電壓為18電動自行車調速系統的設計式中V為D的穩定電壓，V為T、DD發射結（D、D為由發射Z2Z2BE31212結構成的二極管）的正向電壓值。在電路設計和工藝上使具有正溫度系數的R、1R、D與具有負溫度系數的T、D、D發射結互相補償，可使基準電壓V2Z2312REF基本上不隨溫度變化。同時，對穩壓管D采用恒流源供電，從而保證基準電壓Z2不受輸入電壓波動的影響。5.4.3取樣比較放大電路和調整電路。這部分電路由T～TTT4111011組成復合調整管；R、R組成取樣電路；T、T和T組成帶恒流源的差分式1213786放大電路；T、T組成的電流源作為它的有源負載。T、R的作用說明如下：4599如果沒有T、R，恒流源管T的電流I=I+I，當調整管滿載時I最大，995C5C8B10B10而I最小；而當負載開路時II也趨于零，這時I幾乎全部流入T，使C8OB10C58得I的變化范圍大，這對比較放大電路來說是不允許的，為此接入由T、RC899級成的緩沖電路。當III增大，待I增大到>0.6V時，OB10C8C8則T導通起分流作用。這樣就減輕了T的過多負擔使I的變化范圍縮小。98C85.4.4減流式保護電路減流式保護電路由TRRR和DD組成，12111514Z3Z4RT1111特別要注意使它的功耗不超過額定值P。首先考慮一種簡單的情況。假設圖1CM中的D、D和RR兩端短路。這時，如果穩壓電路工作正常，即Z3Z41415P<P并且輸出電流IR的電流使=IR<0.6VTCCMO11O1112截止。當輸出電流急劇增加，例如輸出端短路時，輸出電流超過極限值（O(CL)=P/V=0.6V/R）時，即當>0.6V時，使T管導通。由于它的分CMI1112流作用，減小了T的基極電流，從而限制了輸出電流。這種簡單限流保護電路10的不足之處是只能將輸出電流限制在額定值以內。由于調整管的耗散功率P=IV，只有既考慮通過它的電流和它的管壓降V值，又使P<P，才能CMCCECECCM全面地進行保護。圖1中D、D和RR所構成的支路就是為實現上述保Z3Z41415護目的而設置的。電路中如果（V–IR–V）（V+V），則D、DIO11OZ3Z4Z3Z4擊穿，導致T管發射結承受正向電壓而導通。V的值為12BE1219江南大學畢業設計論文經整理后得V–V）越大，即調整管的V值越大，則I越小，從而使調整IOCEO管的功耗限制在允許范圍內。由于I的減小，故上述保護稱為減流式保護。O5.4.5過熱保護電路過熱保護電路電路由DTT和TZ231413R上的壓降僅為0.4V左右，T、T是截止的，對電路工作沒有影響。當某種31413原因（過載或環境溫升）使芯片溫度上升到某一極限值時，R上的壓降隨D3Z2的工作電壓升高而升高，而T的發射結電壓V下降，導致TT也14BE141413隨之導通。調整管T的基極電流I被T分流，輸出電流I下降，從而達到10B1013O過熱保護的目的。電路中R的作用是給T管的I和T管的I一條分流通路，以改1010CEO1011CBO11善溫度穩定性。值得指出的是：當出現故障時，上述幾種保護電路是互相關聯的。圖5-4-2三端穩壓器的典型接法圖5-4-2是應用78L05輸出固定電壓VO輸出電壓差應大于2～3V。電路中接入電容C、C是用來實現頻率補償的，可12防止穩壓器產生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。C是電解電容，以3減小穩壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。DCC兩端電壓作用于調整管的be33結，造成調整管be結擊穿而損壞。三端穩壓器的參數20電動自行車調速系統的設計參數VVA℃V6521江南大學畢業設計論文×６×22電動自行車調速系統的設計4.5.2工作原理KMI15-1個引腳分別為Ｕ12V善傳感器的高溫工作性能。其內部主要包括以下六部分：磁敏電阻傳感器；前置放大器A1；施密特觸發器；開關控制式電流源；恒流源；電壓控制器。實際上，該傳感器是由4只磁敏電阻構成的一個橋路，可固定在靠近齒輪的地方。當齒輪沿Ｙ軸方向轉動時，由于氣隙處的磁力線發生變化，磁路中的磁阻正是測量轉速所需要的。工作時，傳感器產生的電信號首先通過ＥＭＩ濾波器濾除高頻電磁干擾，然加到開關控制式電流源的控制端。KMI15-1的輸出電流信號ＩCC是由兩個電流疊7ｍA恒定電流ＩH流源輸出的可變電流1K。它們之間的關系式為：ＩCC＝1H＋1K當控制信號UK＝01Ｈ＝7ｍA。當KK＝1（高電平）時，電流源被接通，ＩＫ＝7ｍA，從而使得ＩCC＝14ｍA。23江南大學畢業設計論文圖4期為Ｔ。輸出波形的占空比Ｄ＝t1／T＝50％±20％。上升時間和下降時間分別僅為0.5μｓ和0.7μｓ。KMI15芯片中的電壓控制器實際上是一個并聯調整式穩壓器，可用于為傳感器提供穩定的工作電壓ＵＣ。而電阻Ｒ3、穩壓管ＶＤＺ和晶體管ＶＴ1則可構成取樣電路，其中ＶＴ1接成射極跟隨器。Ａ2為誤差放大器，ＶＴ2為并聯式調整管。這樣，ＩＨ在經過Ｒ1、Ｒ2分壓后可給Ａ2提供基準電壓ＵREF，從而在UCC2對取樣電壓與基準電壓進行比較后產生誤差電壓Ｕｒ，同時通過改變ＶＴ2上的電流來使ＵＣ保持不變。5.5.3KMI15－1的典型應用安裝方法KMI15-1應當安裝在轉動齒輪的旁邊。若信號。4、6譯碼器74LS164為串行移位譯碼器，它主要由時鐘線控制，時鐘線每來一個上升弦，數據線將把一位數移進去，移八次就進一個字節，同時在數碼管顯示出來。高低電平信號，每輸入一組不同的代碼，只有一個輸出端呈現有效信號。EBAAB24電動自行車調速系統的設計5.程序設計開始5.1主程序框圖0掃描25江南大學畢業設計論文5.2INT0中斷服務程序5.3部分子程序延時子程序：定時功能。PWM子程序：用于控制馬達轉速。89C51芯片沒有PWM輸出功能，需要通過編程實現。為了在輸出PWM定時器溢出中斷來實現。占空比占用一個字節的RAM，占空比D=N/256。（脈寬調速是使用單片機內部中斷產生周期約為8ms進行改變電機的轉速）利用單片機輸出PWM信號.實現了從0%——100%線性可調。源碼如下：;單片機串口通信+PWM輸出程序26電動自行車調速系統的設計;在P1.3輸出調寬信號。;定時器0工作在方式3，TL0為調寬值，TH0為脈沖頻率。;定義：TH0=30H，TL0=31H;TH0DATEQU30H;脈沖頻率;TL0DATEQU31H;脈沖寬度ORG0000HAJMPSTARTORG000BHAJMPPWM