電動自行車控制器的設計畢業論文-文庫吧

【正文】 有構造簡單、運行可靠、易于控制、不產生火花、電磁噪聲低、效率高、轉矩特性優異等優點。其應用從最初的軍事工業，快速向民用行業以及工業自動化領域迅速擴展。與有刷直流電機不同，無刷直流電機的電樞為定子繞組，勵磁繞組被永磁材料所取代。根據流入定子繞組的激勵電流波形的不同來劃分，直流無刷電機可以分為方波直流電機（BLDCM）和正弦波直流電機（PMSM）。BLDCM用電子換相克服了以前直流電機機械換相的缺點，用永磁材料做轉子省去了電刷；而PMSM是用永磁材料代替普通電機轉子中的勵磁繞組，省去了勵磁繞組、滑環和碳刷。在相同的條件下，驅動電路獲得方波相對比較容易，并且控制比較簡單，因此BLDCM的應用要比PMSM廣泛的多。無刷直流電動機的典型應用一般由一臺同步電機、一組轉子位置檢測器和一套受位置檢測器控制的逆變器組成。中小型電機的逆變器一般由晶體管組成；大型電機的逆變器通常采用晶閘管構成，稱為晶閘管電動機。運行時，霍爾位置傳感器獲得電機轉子位置信息，經過處理后輸入控制器進行邏輯綜合，之后控制器輸出PWM波使功率逆變驅動電路中的開關管有序的導通和截止，從而實現電子換流，驅動直流電機可靠穩定運轉。 電動自行車控制器的研究現狀及存在的問題電動車控制器是用來控制電動自行車電機的運行、速度以及其它電子部件的核心器件，它就是電動自行車的大腦，是電動車上最重要的部件。不同車型所對應的控制器因性能不同而各具特點。電動車控制器從結構上可以分兩種：分離式和整體式。電動車控制器的設計應兼顧蓄電池和電機的實際使用情況，合理分配蓄電池、控制器和電機之間的關系，將其作為一個整體系統來設計，這樣才能得到較為匹配的電動車控制器。目前來看，電動自行車控制器的控制系統主要有以下幾類：（1）模擬控制系統：由大量分立元件配合少量集成芯片組成的模擬電路構成；（2）專用控制系統：由控制無刷直流電機的專用高集成度芯片配以外圍功能電路構成；（3）數模混合控制系統以及全數字控制系統：以單片機、高速DSP芯片以及ARM芯片為核心加以外圍功能電路構成[4]。模擬控制系統中的大量分立元件存在著不可消除的參數漂移，而且模擬電路排布復雜、不便于調試，因此電機的可靠性穩定性受到影響，性能難以高效率發揮，在現在的電動車控制器中已經很少采用了。由專用集成電路為核心的控制系統采用無刷直流電機專用控制集成芯片如MC3303MC33035為主要控制器件，這樣可以有效減輕分立元件帶來的參數漂移的危害，而且使控制電路的總體體積減小、可靠性提高，但是這類控制器一旦成型，后續功能往往難以擴展，升級不便。這類控制器在初期的電動車中采用較多。近年來DSP和ARM的迅速發展，也為電機控制核心芯片的選擇開辟了一種新的途徑，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C2xx系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，這些都是由一個以DSP為基礎的核心，并結合電機控制所需的外部功能電路，集成在單一芯片內，使控制器整體體積大大縮小、各部分結構緊湊、易于使用、可靠性提高。較為先進的DSP還可以提供專用的事件管理模塊用于電機控制，這樣一來它在電機矢量控制以及矩陣變換等方面具有顯著的優勢。未來應用DSP作為電動車控制器的主控芯片是一種勢不可擋的趨勢。但是目前來看這些專用集成芯片價格較為昂貴，外圍電路設計復雜造成維修困難，所以在廣大的民用市場難以大規模推廣。由于控制器非常注重成本，而DSP和ARM的控制策略的理論研究還不夠成熟。因此，在一定時期內這類控制器還不會大規模應用于潛力巨大的民用市場。數模混合控制系統和全數字控制系統采用數字電路和單片機組成硬件系統，控制由主要依靠硬件實現偏向由軟件實現，控制比較靈活、功能方便擴展且易實現復雜的控制算法。所以目前這類電動自行車控制器得到廣泛的關注和研究。2. 電動自行車控制器的設計原理及硬件電路 主要元件的選取現在市場上大部分電動車生產廠商采用Motorola公司的MC330xx系列無刷直流電機專用集成控制芯片，該芯片包含了無刷電機控制系統必需的基本控制功能。本設計的主控芯片采用AT89S52單片機，不僅能夠實現專用集成控制芯片MC33035可以實現的所有功能，而且更容易對系統進行后續升級拓展。 控制芯片的選取AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51 產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標準功能：8k字節Flash，256字節RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16 位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止[5]。AT89S52引腳排列如圖1所示。圖1 AT89S52引腳排列 電機的選取異步電機的優點有價格便宜、可靠性高、轉速高、低轉矩波動和不用位置傳感器等，采用矢量控制性能優異而成為電動車用驅動電機的首要選擇。但是異步電機存在較大的銅損，運行效率低，特別是在低速運行時，效率較低。開關磁阻電機結構簡單、效率高，低速運行時仍可提供很大的轉矩，且驅動器設計比較簡單；缺點主要是振動以及噪聲較大。無刷直流電機轉子為永磁體，用定子繞組換相代替機械電刷換相，用霍爾傳感器檢測轉子位置信息。與前兩類電機相比，無刷直流電機的優點有：（1）電機性能好，具有轉矩大的特性。（2）速度調節范圍寬，可以全功率運行在任何轉速下。（3）電機轉換效率高，載荷不影響其效率。（4）過載能力強，制動效果好。（5）電機整體體積小、重量輕。（6）電機采用電子換相，可靠性高。（7）電機控制系統較為簡單。因此無刷直流電機是比較理想的電動車輛驅動部件。無刷直流電機結構如圖2所示。圖2 無刷直流電機結構目前技術較為成熟的驅動方式為全橋式電機驅動，圖3所示為無刷直流電機的驅動電路簡化圖。T1~T6為大功率驅動器件。根據單片機輸出的邏輯信號，T1~T6會順序導通和關斷，從而驅動電機運轉。圖3 無刷直流電機驅動簡化圖在任意時刻無刷直流電機只有兩相導通，第三相懸空。霍爾傳感器位于電機內部，呈120o分布，導通的次序由霍爾傳感器獲取的轉子位置信號決定。電機轉子每轉過60o電角度，逆變器就進行一次換流，定子的狀態就改變一次。以Ha，Hb，Hc表示電機內部的霍爾位置傳感器，電機轉動時霍爾傳感器信號電平、導通的功率開關器件和繞組的導通相之間的關系如表1所示。表1 導通換相關系表Ha Hb Hc導通的MOS管導通相1 1 0T1 T2U→W0 1 0T2 T3V→W0 1 1T3 T4V→U0 0 1T4 T5W→U1 0 1T5 T6W→V1 0 0T6 T1U→V 高壓三相場效應管電機驅動芯片IR2103S在功率變換電路中，根據主電路的結構分布，功率開關器件驅動方式有兩種：直接驅動和隔離驅動。隔離驅動方式需要將驅動模塊、控制模塊和主電路分開，以免引起干擾造成整體電路不穩定。隔離驅動有電磁隔離和光電隔離兩種方式。光電隔離電路占用空間小，構造簡單，但共模抑制能力不強，傳輸速度較慢。電磁隔離方式的隔離元件采用脈沖變壓器，能夠快速響應，共模抑制能力強。但是輸出信號的最大傳輸帶寬受磁飽和特性的限制，信號的頂部不易傳輸，且限制最大占空比在50％以內。同時脈沖變壓器的體積大，加工復雜。IR公司生產的IR2103S驅動器，同時具備光耦隔離和電磁隔離的優點。采用抗干擾C