单片机控制电动自行车调速系统的毕业论文(附图)

毕 业 论 文 电动自行车调速系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。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;电动机;传感器;蓄电池 Electric Bicycle Speed Control System Design Abstract Author : Chen Yan Tutor : Li Xiuying 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 Intel's 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; pulse speed control system; motor; speed sensor; battery 目 录 1 绪论…………………………………………………………….……………...……1 2 系统要求……………………………………………………….……………...……2 3总体设计……………………………………………………………….…...….……4 4 硬件选择和设计 ……………………………………………...………….…..……5 4.1 MCS-51单片机内部结构 ………………………………………...……………5 4.2 A/D转换芯片……………………………………………………….……….…8 4.3 永磁无刷直流电动机…………………………………………………….……9 4.4 三端式稳压器78LM05………………………………………………...…...…12 4.5 集成转速传感器KMI15-1…………………………………………….…...…15 4.6 译码器……………………………………………………………………...…18 4.7 电动自行车的核心蓄电池…………………………………………...………19 4.8控制器与保护功能 ……………………………………………………………20 5系统电路设计……………………………………………………….…...…...……23 5.1 电源电路………………………………………………………………..…….23 5.2 显示电路……………………………………………………………….……..23 5.3 控制电路…………………………………………………………………...…23 5.4 驱动电路及原理……………………………………………………...…...….24 结论…………………………………………………………………………...…...…28 致谢………………………………………………………………………………..…29 参考文献……………………………………………………………………......……30 附录…………………………………………………………………………......……31 附录A ……………………………………………………………………..……33 附录B………………………………………………………………………...…34 1绪论 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80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。 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 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 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，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总体设计 对于电动自行车控制系统设计主要有四个方面: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: 控制电路 显示部分 直流电动机 驱动 控制系统 程序部分 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。 4 硬件选择和设计 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。 4.1 MCS-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(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: 4.1.1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。 4.1.2 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。 4.1.3 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。 4.1.4 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。 4.1.5 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。 4.1.6 全双工串行口 8051内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。 4.1.7 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。 4.1.8 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。 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。 图4-1是MCS-51系列单片机的内部结构示意图: 图4-1 MCS-51内部结构示意图 图4-2 PDIP 4.1.9 MCS-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PDIP结构，图4-2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，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。 ?Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。 8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，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，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，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。 8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，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，P-Pin-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/V复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在pd 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: 表4-1 特殊功能寄存器 初始态 特殊功能寄存器 初始态 A 00H B 00H PC 00H SP 07H 4. 2 A/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。 内部逻辑结构，如图4-3所示: 图 4-3 ADC0809内部结构 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。 性参考电源。 ?START:启动A/D转换控制输入，高电平有效。 ?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。 4. 3 永磁无刷直流电动机 4. 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，在电动机内装有位置传感器。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4-4所示: 图 4-4电动机原理图 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-T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，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。 由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。 电动机的转矩正比于绕组平均电流: Tm=KtIav (N?m) 电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度: ELL=Keω (V) 所以电动机绕组中的平均电流为: Iav=(Vm-E为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩: Tm=δ?(VDC?Kt/2Ra),Kt?(Keω/2Ra) Kt、Ke是电动机的结构常数，ω为电动机的角速度(rad/s)，所以，在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。 无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速Vc(max)那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。 当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波的占空比δ就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止;反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，δ减小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电压波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。 由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流;由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右，一般来说，无刷直流电动机的力能指针(ηcosθ)比同容量三相异步电动机高12%-20%。电动机采用无锡市日驰电机有限公司生产的永磁无刷直流电动机 4. 4 三端式稳压器78L05三端式稳压器78L05的工作原理 图 4-5 78L05原理图 电路如图4-5所示，三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。下面对各部分电路作简单介绍。 4.4.1启动电路 在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当输入电压V接通后，这些恒流1 源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因此，必须用启动电路给恒流源的 提供基极电流。启动电路由T、T、D组成。当输入电压V高于稳压BJT T、T4512Z11管D的稳定电压时，有电流通过T、T，使T基极电位上升而导通，同时恒流Z1123 源T、T也工作。T的集电极电流通过D以建立起正常工作电压，当D达到和454Z2Z2D相等的稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完毕。与此同时，TZ12因发射结电压为零而截止，切断了启动电路与放大电路的联系，从而保证T左2边出现的纹波与噪声不致影响基准电压源。 4.4.2基准电压电路 基准电压电路由T、D、T、R、R及D、D组成，电路中的基准电压4Z231312 为: V=[(V,3V)/( R+ R+ R)]×R+2R REFZ2BE1231BE式中V为D的稳定电压，V为T、D、D发射结(D、D为由发射结构成的BE312Z2Z212 二极管)的正向电压值。在电路设计和工艺上使具有正温度系数的R、R、D12Z2与具有负温度系数的T、D、D发射结互相补偿，可使基准电压V基本上不312REF随温度变化。同时，对稳压管D采用恒流源供电，从而保证基准电压不受输入Z2 电压波动的影响。 4.4.3取样比较放大电路和调整电路 这部分电路由T,T组成，其中T、T组成复合调整管;R、R组成取41110111213样电路;T、T和T组成带恒流源的差分式的电流I=I+I，当调整管满载786C5C8B10时I最大，而I最小;而当负载开路时I=0，I也趋于零，这时I几乎全B10C8OB10C5部流入T，使得I的变化范围大，这对比较放大电路来说是不允许的，为此接8C8 入由T、R级成的缓冲电路。当I减小时，I减小，I增大，待I增大到V>0.6V99OB10C8C8R9时，则T导通起分流作用。这样就减轻了T的过多负担使I的变化范围缩小。 98C84.4.4减流式保护电路 减流式保护电路由T、R、R、R和D、D组成，R为检流电阻。保Z412111514Z311护的目的主要是使调整管(主要是T)能在安全区以内工作，特别要注意使它11 的功耗不超过额定值P。首先考虑一种简单的情况。假设图1中的D、DCMZ3Z4和R不存在，R两端短路。这时，如果稳压电路工作正常，即P0.6V时，使T管导通。由于它的分流11O(CL)CMI1112 作用，减小了T的基极电流，从而限制了输出电流。这种简单限流保护电路的10 不足之处是只能将输出电流限制在额定值以内。由于调整管的耗散功率P=IV，只有既考虑通过它的电流和它的管压降V值，又使P(V+ V)，则D、D击穿，IO11OZ3Z4Z3Z4导致T管发射结承受正向电压而导通。 12 显然，(V–V)越大，即调整管的V值越大，则I越小，从而使调整管CEI OO 的功耗限制在允许范围内。由于I的减小，故上述保护称为减流式保护。 O 4.4.5过热保护电路 过热保护电路电路由D、T、T和T组成。在常温时，R上的压降仅为Z23141330.4V左右，T、T是截止的，对电路工作没有影响。当某种原因(过载或环境1413 温升)使芯片温度上升到某一极限值时，R上的压降随D的工作电压升高而升3Z2高，而T的发射结电压V下降，导致T导通，T也随之导通。调整管T14BE14141310的基极电流I被T分流，输出电流I下降，从而达到过热保护的目的。 B1013O 电路中R的作用是给T管的I和T管的I一条分流通路，以改1010CEO1011CBO11善温度稳定性。 值得指出的是:当出现故障时，上述几种保护电路是互相关联的。 图 4-6三端稳压器的典型接法 图4-6是应用78L05输出固定电压V的典型电路图。正常工作时，输入、O 输出电压差应大于2,3V。电路中接入电容C、C是用来实现频率补偿的，可12 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。C是电解电容，以减3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C一个放电通路，防止C两端电压作用于调整管的be33 结，造成调整管be结击穿而损坏。 图4-7 KMI15-1型集成转速传感器的外形图 4.5集成转速传感器KMI15-1 集成转速传感器具有灵敏度高、测量范围宽、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，是传统的分立式转速传感器的升级换代产品。下面是KMI15-1系列磁阻式集成转速传感器的工作原理与典型应用。 转速属于常规电测参数。测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，传统的磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成的，亦可用耳塞机改装而成。但这种传感器存在一些缺点:第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮的最大间隙(亦称磁感应距离)只有零点几毫米;第二，在测量高速旋转物体的转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差;第三，这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟电压信号，因此，需要经过放大、整形后变成沿口陡直的数字频率信号，才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速，而且外围电路比较复杂;第四，它无法测量非常低(接近于零)的转速，因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号。 图4-8 传感器简化电路 图4-9测量原理 4.5.1 KMI15-1型传感器的性能特点 目前，转速传感器正朝着高灵敏度、高可靠性和全集成化的方向发展KMI15-1芯片内含高性能磁钢、磁敏电阻传感器和I。它利用I来完成信号变CC换功能，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为7mA,14mA。由于其外围电路比较简单，因而很容易配二次仪表测量转速。 KMI15-1器件的测量范围宽，灵敏度高，它的齿轮转动频率范围是0-25kHz，而且即使在转动频率接近于零时，它也能够进行测量。传感器与齿轮的最大磁感应距离为2.9mm(典型值)，由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。 该传感器抗干扰能力强，同时具有方向性，它对轴向振动不敏感。另外，芯片内部还有电磁干扰滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素的影响。 KMI15-1的体积较小，其最大外形尺寸为8×6×21mm，能可靠固定在齿轮附近。 KMI15-1采用，12V电源供电(典型值)，最高不超过16V。工作温度范围宽达,40,，85?。 4.5.2 KMI15-1工作原理 KMI15-1型集成转速传感器的外形如图4-7所示，它的两个引脚分别为UC(接，12V电源端)和U(方波电流信号输出端)。为使信号变换器I处于较,C低的环境温度中，设计时专门将I与传感元件分开，以改善传感器的高温工作C 性能。 该传感器的简化电路如图4-8所示。其内部主要包括以下六部分:磁敏电阻传感器;前置放大器A;施密特触发器;开关控制式电流源;恒流源;电压控1 制器。 实际上，该传感器是由4只磁敏电阻构成的一个桥路，可固定在靠近齿轮的地方，其测量原理如图4-9所示。 当齿轮沿Y轴方向转动时，由于气隙处的磁力线发生变化，磁路中的磁阻也随之改变，从而可在传感器上产生电信号。此外，该传感器具有很强的方向性，它对沿Y轴转动的物体十分敏感，而对沿Z轴方向的振动或抖动量很不敏感。这正是测量转速所需要的。 工作时，传感器产生的电信号首先通过EMI滤波器滤除高频电磁干扰，然后经过前置放大器，再利用施密特触发器进行整形以获得控制信号U，并将其加K到开关控制式电流源的控制端。KMI15-1的输出电流信号I是由两个电流叠加CC而成的，一个是由恒流源提供的7mA恒定电流I，另一个是由开关控制式电流源H 输出的可变电流I。它们之间的关系式为:I,I，I KCCHK 当控制信号U,0(低电平)时，该电流源关断，I,0，I,I,7mA。KKCCH当U,1(高电平)时，电流源被接通，I,7mA，从而使得I,14mA。图4-10KKCC给出了从U端输出的方波电流信号的波形，其高电平持续周期为T。输出波形的, 占空比D,t/T,50%?20%。上升时间和下降时间分别仅为0.5U和0.7U。 1SS 图4-10 从U端输出的方波电流信号的波形 , 图4-11 KMI15-1的典型应用电路 KMI15-1芯片中的电压控制器实际上是一个并联调整式稳压器，可用于为传感器提供稳定的工作电压U。而电阻R、稳压管VD和晶体管VT则可构成取ZC31样电路，其中VT接成射极跟随器。A为误差放大器，VT为并联式调整管。这212 样，I在经过R、R分压后可给A提供基准电压U，从而在U发生变化时，2H12REFCC由A对取样电压与基准电压进行比较后产生误差电压Ur，同时通过改变VT上22 的电流来使U保持不变。 C 4.5.3 KMI15-1的典型应用 安装方法KMI15-1应当安装在转动齿轮的旁边。若被测转动工件上没有齿轮，亦可在转盘外缘处钻一个小孔，套上螺扣，再拧上一个螺杆并用弹簧垫圈压紧，以防止受震动后松动，并以此代替齿尖获得转速标记信号。 4.5.6 典型应用电路 KMI15-1型集成转速传感器的典型应用电路如图4-11(a)所示。工作时，转速传感器输出方波电流信号，从而在负载电阻R与负载电容C上形成电压频率LL 信号U(,)，并送至二次仪表。通常取R,115Ω、C,0.1μF。需要指出:OLL KMI15-1输出的是齿轮转动频率f(单位是Hz，即次/s)信号，欲得到转速,(r/min)，还应将f除以齿轮上的齿数N，并将时间单位改成分钟，公式如下: ,,60f/N (公式5-1) 图4-11(b)所示电路是由二极管VD、稳压管VD和电容C构成的静电放电Z1 (ESD)保护电路，该电路可吸收2KV的ESD电压，因而可对芯片起到保护作用。此外，还需注意，品时，不要将多个芯片放在一起以防磁化。 4.6 译码器 图4-12 74LS164时序图 如图4-12所示，74LS164为串行移位译码器，它主要由时钟线控制，时钟线每来一个上升弦，数据线将把一位数移进去，移八次就进一个字节，同时在数码管显示出来。译码器是实现组合逻辑的功能部件。它的输入是二进制的代码，输出是一组高低电平信号，每输入一组不同的代码，只有一个输出端呈现有效信号。 74LS245芯片是一个八位的总线收发器，其输入/输出引脚分成两组，其工作原理如下: 允许E 方向控制DIR 操作 低电平 低电平 B数据到A总线 低电平 高电平 A数据到B总线 高电平 悬空 隔离 4.7电动自行车的核心蓄电池 4.7.1电动车的电池的性能 为什么天冷性能差天热性能好, 蓄电池的充放电过程是一个电化学的反应过程，是受温度影响的，以25度为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 温度，放电过程中，每下降一度，电池容量几乎下降百分之一，充电过程更明显，所以在冬天，尽量放在温暖的环境中充电(当然也不是温度越高越好，温度过高会影响电池寿命，甚至发生危险)，以便充电饱满。电动车电池的充电基本都是三段式充电，第一阶段是恒定电流充电，第二阶段是恒压充电，第三阶段是浮充充电，第一、二阶段时，充电器显示红灯，随着电池趋于饱和，充电电 流越来越小，当电流小于设计值后，充电器指示灯有红色变为绿色，继而转为第三阶段，2小时后即认为充满，此过程是由电子元件完成，并非双金属片 4.7.2电动车的电池原理是什么 电池的内部一般是22,28,的稀硫酸。电池正放的时候电解液可以淹没极板并且还剩下一点空间如果把电池横放的话会有一部分电极板暴露在空气中，这对电池的极板非常不利，而且一般的电池的观察孔或者电池的顶部都有排气口与外界相通，所以电池横放电解液很容易流出。蓄电池是电池中的一种，它的作用是能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。它的工作原理就是把化学能转化为电能。 它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用22,28,的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅;二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。它的电压是2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。汽车上用的是6个铅蓄电池串联成12V的电池组。铅蓄电池在使用一段时间后要补充硫酸，使电解质保持含有22,28,的稀硫酸。 + -2放电时,电极反应为:PbO + 4H+ SO + 2e- = PbSO + 2HO 4422 - 2负极反应: Pb + SO 4 蓄电池的应用十分广泛，可用于UPS，电动车，滑板车，汽车，风能太阳能系统，安全报警等等方面。 铅酸蓄电池产品主要有下列几种，其用途分布如下: 起动型蓄电池:主要用于汽车、摩托车、拖拉机、柴油机等起动和照明; 固定型蓄电池:主要用于通讯、发电厂、计算机系统作为保护、自动控制的备用电源; 牵引型蓄电池:主要用于各种蓄电池车、叉车、铲车等动力电源; 铁路用蓄电池:主要用于铁路内燃机车、电力机车、客车起动、照明之动力; 储能用蓄电池:主要用于风力、太阳能等发电用电能储 4.8控制器与保护功能 车用电机控制器近年来的发展速度之快，使人难以想象，操作上越来越“傻瓜”化，而显示则越来越复杂化。比如，车速的控制已经发展到“巡航锁定”;驱动方面，有的同时具有电动性能和助力功能，如果转换到助力状态，借助链条张力测力器，或中轴扭力传感器，只要用脚踏动脚蹬，便可执行助力或确定助力的大小。这期本刊开始给您讲述控制器的知识，让您对控制器有一个更全面的了解。 4.8.1控制器与保护功能 1、控制器简介 简略地讲控制器是由周边器件和主芯片(或单片机)组成。周边器件是一些功能器件，如执行、采样等，它们是电阻、传感器、桥式开关电路，以及辅助单片机或专用集成电路完成控制过程的器件;单片机也称微控制器，是在一块集成片上把存贮器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、通过方波控制功率管的的导通时间以控制电机转速的驱动电路、输入输出端口等集成在一起，而构成的计算机片。这就是电动自行车的智能控制器。它是以“傻瓜”面目出现的高技术产品。 控制器的设计品质、特性、所采用的微处理器的功能、功率开关器件电路及周边器件布局等，直接关系到整车的性能和运行状态，也影响控制器本身性能和效率。不同品质的控制器，用在同一辆车上，配用同一组相同充放电状态的电池，有时也会在续驶能力上显示出较大差别。 2、控制器的型式 目前，电动自行车所采用的控制器电路原理基本相同或接近。有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的PWM控制方法调速，只是选用驱动电路、集成电路、开关电路功率晶体管和某些相关功能上的差别。元器件和电路上的差异，构成了控制器性能上的不大相同。控制器从结构上分两种，我们把它称为分离式和整体式。 ?分离式 所谓分离，是指控制器主体和显示部分分离(图4-22、图4-23)。后者安装在车把上，控制器主体则隐藏在车体包厢或电动箱内，不露在外面。这种方式使控制器与电源、电机间连线距离缩短，车体外观显得简洁。 ?一体式 控制部分与显示部分合为一体，装在一个精致的专用塑料盒子里。盒子安装在车把的正中，盒子的面板上开有数量不等的小孔，孔径4-5mm，外敷透明防水膜。孔内相应位置设有发光二极管以指示车速、电源和电池剩余电量。 3、控制器的保护功能 保护功能是对控制器中换相功率管、电源免过放电，以及电动机在运行中，因某种故障或误操作而导致的可能引起的损伤等故障出现时，电路根据反馈信号采取的保护措施。电动自行车基本的保护功能和扩展功能如下: ?制动断电 电动自行车车把上两个钳形制动手把均安装有接点开关。当制动时，开关被推押闭合或被断开，而改变了原来的开关状态。这个变化形成信号传送到控制电路中，电路根据预设程序发出指令，立即切断基极驱动电流，使功率截止，停止供电。因而，既保护了功率管本身，又保护了电动机，也防止了电源的浪费。 ?欠压保护 这里指的是电源的电压。当放电最后阶段，在负载状态下，电源电压已经接近“放电终止电压”，控制器面板(或仪表显示盘)即显示电量不足，引起骑行者的注意， 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 自己的行程。当电源电压已经达到放终时，电压取样电阻将分流信息馈入比较器，保护电路即按预先设定的程序发出指令，切断电流以保护电子器件和电源。 ?过流保护 电流超限对电机和电路一系列元器件都可能造成损伤，甚至烧毁，这是绝对应当避免的。控制电路中，必须具备这种过电流的保护功能，在过流时经过一定的延时即切断电流。 ?过载保护 过载保护和过电流保护是相同的，载重超限必然引起电流超限。电动自行车说明书上都特别注明载重能力，但有的骑行者或未注意这一点，或抱着试一下的心理故意超载。如果没有这种保护功能，不一定在哪个环节上引起损伤，但首当其冲的就是开关功率管，只要无刷控制器功率管烧毁一只，变成两相供电后电动机运转即变得无力，骑行者立即可以感觉到脉动异常;若继续骑行，接着就烧毁第2个、第3个功率管。有两相功率管不工作，电动机即停止运行，有刷电机则失去控制功能。因此，由过载引起的过电流是很危险的。但只要有过电流保护，载重超限后电路自动切断电源，因超载而引起的一系列后果都可以避免。 ?欠速保护 仍然属于过流保护范畴，是为不具备0速起步功能的无刷控制系统而设置。 ?限速保护 是助力型电动自行车独有的设计控制程序。车速超过某一预定值时，电路停止供电不予助力。对电动型电动自行车而言，统一规定车速为20km/h，车用电动机在设计时，额定转速就已经设定好了，控制电路也已经设好。电动自行车只能在不超过这个速度状态下运行。 控制器的位置不会影响到性能，主要视设计者的意图。但有几项原则:?在运行操作允许时;?在整体布置允许时;?在线路布设要求时;?在配套设施要求时。 5 系统电路设计 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。 5.1 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C、C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12 制电路引入的高频干扰。大容量的C是电解电容，以减小稳压电源输出端由输3 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C一个放电通路，防止C两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿33 而损坏。如图5-1所示: 图5-1 稳压电路 5.2 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。 5.3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 -1-8为低电平而使OE线变高，以便可以从2-2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。 5.4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(PULSE WIDE MODULATION——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U决定，电枢电U越高电机转速越快，电枢电压U降为0V，DDD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5-2所示: 脉冲信号: t T 转速: VMAX V D VMIN 图5-2 波形图 V为电动机的最大转速值。V为电动机的最小转速值。V为二者的平MAXMIND均值。V=D* V 式中D=t/T称为占空比 D越大V就越大反之亦然。平均DMAXD 转速和电枢上的脉冲占空比D之间的关系如图5-3所示: V(平均速度) D 0 0.5 1 D (占空比) 图5-3 平均速度与占空比线性关系 由图5-3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，Ta>Tb时电机正转，TaTb则电动机正转。通过改变Ta 、Tb的占空比即可改变转速。 结论 电动自行车调速系统，是为了广大人民的方便而设计的。 系统优点: 1、抗干扰能力强，软件抗干扰是被动措施，而硬件抗干扰是主动措施，只要认真分析系统所处环境的干扰来源以及传播途径，采用两者相结合的方法，就能保证系统长期稳定可靠地运行。 2、行驶零排放，不污染大气。 3、价格2000—3000元，百公里耗电仅1度左右，老百姓能够接受。 4、一次充电能行30—50公里，能解决城市骑车上班族的需要，有较大的市 场需求。 5、车速不高，每小时20公里左右(特别是轻蹬轻踩的智能型电动自行车)， 不会对其他人力自行车和行人构成威胁和安全问题。 6、所用零配件大多与自行车通用，容易修理。 7、用户白天使用，夜晚充电，有利于电力部门均衡负荷。 8、电动自行车的大量上市和争取出口，能够生成新的产业和新的经济增长 点。 系统的不足: 人们从表面上看，电动自行车行驶时是零排放的。其实在发电过程中，要大量燃烧燃油或煤炭，产生大量二氧化碳破坏臭氧层，使地球温度升高，增加自然灾害的发生。短距离出行最好步行，中远距离可以骑自行车，较远距离应多选择乘坐公交车。切记，地球只有一个，生命只有一次，我呼吁大家:保护我们的地球，珍爱自己的生命，请选择更环保、更健康的出行方式。 致谢 在论文即将完成之际，我的心情无法平静。 首先应感谢的就是我的指导老师李秀英老师。从开始选题到论文的顺利完 得到了李老师的精心指导。李老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。其严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，与无微不至、感人至深的人文关怀，令人如沐春风，倍感温馨。同时感谢其他同学给我的帮助，感谢图书馆给我们提供了丰富的参考资料。 在文章写作过程中，同学们从头至尾的支持和鼓励，也是我无法忘却的。愿我的感激之情化作一道虔诚的祝福:愿老师和同学合家欢乐，一生平安。 参考文献 [1] 胡汉才 单片机原理及其接口技术[M] 清华大学出版社2003.7 [2] 余永权 李小青 陈林康 单片机应用系统的功率接口技术[M] 北京航空航天大学出版社 1992年9月第1版 [3] 沙占友 薛树琦 范世奇 KMI15系列集成转速传感器的原理与应用[M] 河北科技大学信息科学与工程学院出版社 [4] 王晓明 电动机的单片机控制[M] 北京航空航天大学出版社 2002年5月 [5] 赵晶 电路设计与制版Protel 99高级应用[M] 人民邮电出版社 [6] 孙涵芳 徐爱卿 MCS-51/96系列单片机原理及应用[M] 北京航空航天大学出版社 [7] 吴金戍 沈庆阳 郭庭吉 8051单片机实践与应用[M] 清华大学出版社 [8] 钱真彦 苏稚英 走迷宫机器人——控制系统的设计[J] 上海交通大学出版社 附录 附录A 程序设计 1、主程序框图 开始 栈针初始化分配显示缓冲 设置中断开CPU中断允许INT0 扫描键盘 未按下 按下 扫描INT —INT 扫描INT 067转换 启动A/D转 保护现场 宽程序 显示 读A/D转换结果 返回 送至显示缓冲区 2 、INT0中断服务程序 启动A/D转换 恢复现场 返回 3、部分子程序 ORG 0000H AJMP START ORG 000BH AJMP PWM_TUN 调宽子程序 ORG 001BH AJMP PWM 脉频率子程序 START:CLR P1.3 MOV TCON,#00H MOV TMOD,#03H T0工作在方式3定时 MOV TH0,#56 200uS 频,#186;70uS 脉冲宽度为35% 用示波仪 实测相合 SETB TR1 SETB TR0 SETB ET0 SETB ET1 SETB EA AJMP MAIN1 MAIN1: ------------------------------- PWM子程序 MOV TCON,#00H CLR ET0 暂停中断以仿干扰 SETB P1.3 MOV TMOD,#03H MOV TH0,#56 12MHz晶振时PWM为50KHz，脉宽35% MOV TL0,#186 SETB TR SETB ET0 SETB EA RETI ------------------------------- PWM_TUN: CLR P1.3 CLR TF0 脉宽结束，输出低电平 CLR TR0 同时关TL0中断 RETI END 附录B 调速系统的控制线路图