電動自行車調速系統畢業論文(已修改)

　

【正文】 無錫職業技術學院畢業設計說明書電動自行車調速系統畢業論文第一章 引言電動車的發展史比燃油汽車更長，世界上第一輛機動車就是電動車。后來，由于燃油汽車技術的迅速發展，而電動車在能源技術和行駛里程的研制上長期未能取得突破，從20世紀20年代初至60年代末，電動車的發展進入了一個沉寂期。進入70年代以來，由于中東石油危機的爆發以及人類對自然環境的日益關注，電動車才再度成為技術發展的熱點。 近幾十年來，主要工業化國家為電動車的開發投入了大量的人力和財力，電動車的各項相關技術也取得了重大的進展。盡管電動車在能源和行駛里程的研制方面，至今尚未取得突破性的進展，但是電動車的美好前景仍然激勵著人們鍥而不舍地開發新型電動車，改善其性能處于世紀之交的今天，能源和環境對人類的壓力越來越大，要求盡快改善人類生存環境的呼聲越來越高。為了適應這個發展趨勢，世界各國的政府、學術界、工業界正在加大對電動車開發的投資力度，加快電動車的商品化步伐。雖然目前電動車在能源和行駛里程方面還未能盡如人意，但已足以滿足人們的基本需要。從技術發展的角度來看，在走過了漫長而艱難的發展歷程之后，電動車正面臨著重大的技術突破，有望成為21世紀的重要交通工具。 　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高新技術的綜合產品。整體的運行性能、經濟性等首先取決于電池系統和電機驅動控制系統。電動車的電機驅動系統一般由4個主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動機及傳感器。目前電動車中使用的電動機一般有直流電動機、感應電動機、開關磁阻電動機以及永磁無刷電動機等。第二章 系統要求2.1 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。 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。　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。在恒轉矩區，要求低速運行時具有大轉矩，以滿足起動和爬坡的要求；在恒功率區，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。　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蓄電池，使得電汽車具有最佳能量的利用率，這在內燃機的摩托車上是不能實現的。 　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。 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 　永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結構。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，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉運行。永磁無刷直流電動機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。 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解耦矢量控制系統，由于永磁體只能產生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動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制。弱磁控制的實質是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。 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。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降或發生退磁現象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，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。第三章 總體規劃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。從總的方面來考慮，傳感器的使用應該盡量減少單片機的信號處理量，但是又必須能使車行駛自如。控制電路要根據選用的電機和傳感器來設計，主要考慮穩定性，抗干擾性。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31所示直流電動機單片機顯示部分轉速傳感器控制電路驅動 圖 31電動自行車的基本原理是：由蓄電池提供電能，電動機驅動自行車。第四章 電路設計控制電路主要有電源電路、電機驅動電路、單片機接口電路、顯示電路四個部分。考慮到電機的起動電流和制動時比較大，會造成電源電壓不穩定容易對單片機和傳感器的工作產生干擾，所以，電機驅動電路和單片機以及傳感器電路用光耦隔離。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24V直流電源經三端穩牙器74L05輸出即為單片機所要求的+5V電源。電路中接入電容CC2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抑制電路引入的高頻干擾。大容量的C3是電解電容，以減小穩壓電源輸出端由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C3一個放電通路，防止C3兩端電壓作用于調整管的be結，造成調整管be結擊穿而損壞。圖4114．2 顯示電路顯示部分采用單片機串口通訊，以節省單片機的端口，單片機通過中斷的方式為顯示服務。直流電動機的額定轉速為190轉每分大約需要三位數碼顯示。驅動器采用74LS164串接510歐的限流電阻。《見圖421》4．3 控制電路打開系統電源后由電位器控制電動機轉速，IN0IN6線上那一路模擬電壓被轉換成數字量由ADDAADDC線上的地址決定。ADDC0809內部“地址鎖存與譯碼”電路便能把IN0線上模擬電壓送入8位A/D轉換器此時，若單片機使STAR線處于高電平，則ADC0809便開始A/D轉換，一旦A/D轉換完成，ADC0809一方面把A/D轉換后的數字量送入它的三態輸出緩沖器另一方面又使EOC線變為高電平向單片機提出中斷請求。單片機檢測和響應該中斷請求后就通過使rd非變為低電平而使OE線變高，以便可以從2128引線上取走A/D轉換后的數字量。單片機根據 A/D轉換后的數字量輸出相應的巨型脈沖信號。脈沖信號經74LS245放大后經光電藕荷控制繼電器。《見附圖431》。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。一種線性型：使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅動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（PULSE WIDE MODULATION——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、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉的等優點。因此決定采用PWM方式控制直流電機。永磁式直流電機脈寬調速原理 永磁式直流電動機電機轉速由電樞電壓UD決定，電樞電UD越高電機轉速越快，電樞電壓UD降為0V，電機就停轉。直流電機的具體調速過程是：先讓它啟動一段時間，然后切斷電源，電動機因慣性而降速轉動。在轉速降到一定限度時使電動機再次接通電動機因此而再次加速。不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（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441所示：脈沖信號： t T轉速： VMAX VD VMIN 圖 441VMAX為電動機的最大轉速值。VMIN為電動機的最小轉速值。VD為二者的平均值。VD=D * VMAX 式中D=t/T稱為占空比 D越大VD就越大反之亦然。平均轉速和電樞上的脈沖占空比D之間的關系如442圖：VD（平均速度） 0 1 D（占空比）圖 442由圖可知，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雙向式：在一個脈沖周期內(T=Ta＋Tb)，T1和T3導通的時間為Ta，T2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，TaTb時電機正轉， Ta Tb時電機反轉。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這段時間內不通過反向電流，電機反轉時，Ta內不通過正向電流。其調速原理基本與雙向式相同。單向式與雙向式相比，三極管的開關頻率少一半，比較不容易發生上下三極管導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 445如上圖445左所示為雙向式調速方式下速度與占空比關系曲線，圖315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TTTT4都導通的情況，以至電源短路，燒毀器件。為避免出現這種情況，設計了圖446所示的電路