电动自行车调速系统的设计.zip

毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 200 8 年 2 月 19 日 毕业设计题目电动自行车调速系统的设计 指导教师俞云强职称讲师 专业名称机电一体化技术班级机电 50532 学生姓名徐帅学号5020053233 设计要求 1.完成资料翻译一份（3000 字以上） 2.完成毕业设计调研报告一份； 3.完成电动自行车调速系统的相关设计； 4.完成相关程序设计； 5.完成毕业设计说明书一份； 6.完成相关图纸。 序号内容时间安排 1外文资料翻译 2008.2.19 至 2008.2.29 2搜集相关资料并调研，完 成调研报告 2008.2.29 至 2008.3.6 3进行硬件电路的设计及相 关部件的设计，并完成相 关程序的编写，编写说明 书，绘制相关图纸。 2008.3.7 至 2008.4.1 4整理毕业设计说明书并定 稿，准备答辩 2008.4.2 至 2008.4.10 完成毕业课题的 计划安排 5答辩2008.4.11 答辩提交资料 外文资料翻译，毕业设计调研报告， 毕业设计说明书，相关图纸。 计划答辩时间2008.4.11 无锡职业技术学院机电技术学院无锡职业技术学院机电技术学院 2008 年年 2 月月 19 日日 分类号 密级 无无锡锡职职业业技技术术学学院院 毕毕业业设设计计说说明明书书 题题 目目： 电动自行车调速系统的设计 英文并列题目：英文并列题目： Electric Bicycle Speed Control System Design 学生姓名 : 徐帅 专 业 : 机电一体化技术 指导教师 : 俞云强 职 称: 讲 师 毕业设计说明书提交日期 2008.4.11 地址：无锡职业技术学院 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。本文主要是 让更多的人正确的认识电动自行车和对电动自行车的主要器件的保养，便与 延长电动自行车的寿命。 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，蓄电池 Abstract SCM control of permanent magnet brushless DC motor speed control system applicable to electric bicycles, and other low-power work. Redundant power and can return to collapse. The system has good speed performance, high power factor, energy saving, small size, light weight, and other advantages. This paper analyzes the requirements from the system, the whole system will be divided into four parts, analysis and discussion of the various parts of the circuit of the control strategy, implementation method. Discussed in detail the status of the various systems and signal transduction, and have the system in different parts of the state the status of the work. Part of the system control circuit based on Intels 8051 chip microcontroller. According to the permanent magnet brushless DC motor control of the PWM pulse width, speed sensor and passed through eighth speed digital dynamic display of speed, through hardware and software support, for the entire system design requirements. This paper is designed to allow more people to the correct understanding of electric bicycles, and electric bicycles on the main device maintenance, and would extend the life of electric bicycles. Key words: SCM, PWM pulse speed control system, permanent magnet brushless DC motor, the eighth of digital dynamic display, speed sensor, battery 无锡职业技术学院毕业设计说明书 1 第一章第一章 引言引言 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。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 2 第二章第二章 系统要求系统要求 2.2. 1 1 电动车对电动机的基本要求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(34)，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。 2.22.2 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 无锡职业技术学院毕业设计说明书 3 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，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。 无锡职业技术学院毕业设计说明书 4 第三章第三章 总体规划总体规划 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 图图 3-13-1 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。 直流电动机 单片机 显示部分 转速传感器 控制电路 驱动 无锡职业技术学院毕业设计说明书 5 第四章第四章 电路设计电路设计 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 41 1 电源电路电源电路 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