电动自行车调速系统的设计

1第一章引言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年代末，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，改善其性能处于世纪之交的今天，能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发的投资力度，加快电动车的商品化步伐。虽然目前电动车在能源和行驶里程方面还未能尽如人意，但已足以满足人们的基本需要。从技术发展的角度来看，在走过了漫长而艰难的发展历程之后，电动车正面临着重大的技术突破，有望成为21世纪的重要交通工具。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。第二章系统要求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，这在内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范围较小，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，3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。第三章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4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电动自行车的基本原理是：由蓄电池提供电能，电动机驱动自行车。第四章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。传感器的直流电动机单片机显示部分转速传感器控制电路驱动5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。图4-1-14．2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。《见图4-2-1》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内部“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。《见附图4-3-1》。4．4驱动电路及原理下面主要对驱动电路进行一下介绍：Vin3GND2+5V1三端稳压器78L05C10.33μFC20.33μFC310μF24V5V6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范围内。如图4-4-1所示：脉冲信号：tT转速：VMAXVDVMIN图4-4-1VMAX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）700.51D（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双向式：在一个脉冲周期内(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，TaTb时电机正转，TaTb时电机反转。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这段时间内不通过反向电流，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。8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。为避免出现这种情况，设计了图4-4-6所示的电路图4-4-6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的流向，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。2mA2mAK2ONK1OFFK4ONK3OFFA-+24V140WTIP132D6V24V9013NPN1K1K1K9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TaTb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TaTb则电动机正转。通过改变Ta、Tb的占空比即可改变转速。4.5总电路图《见附图4-5-1》第五章主要器件性能及原理电动车的性能指标一般包括：驱动性能、驾驶性能、车载能源系统性能三部份，其中驱动性能取决于电机功率因素，车载能源系统性能取决于电池的容量，驾驶性能指标主要包括：加速性能、最大爬坡性能、刹车性能及驾驶里程性能等驾驶模式，驾驶性能指标的优劣取决于控制系统驾驶模式的技术5．1MCS-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单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器