【正文】 電動(dòng)自行車的調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究畢業(yè)論文第一章 引言電動(dòng)車的發(fā)展史比燃油汽車更長，世界上第一輛機(jī)動(dòng)車就是電動(dòng)車。后來，由于燃油汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，而電動(dòng)車在能源技術(shù)和行駛里程的研制上長期未能取得突破，從20世紀(jì)20年代初至60年代末，電動(dòng)車的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)沉寂期。進(jìn)入70年代以來，由于中東石油危機(jī)的爆發(fā)以及人類對自然環(huán)境的日益關(guān)注，電動(dòng)車才再度成為技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。 近幾十年來，主要工業(yè)化國家為電動(dòng)車的開發(fā)投入了大量的人力和財(cái)力，電動(dòng)車的各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)也取得了重大的進(jìn)展。盡管電動(dòng)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(jìn)展，但是電動(dòng)車的美好前景仍然激勵(lì)著人們鍥而不舍地開發(fā)新型電動(dòng)車，改善其性能處于世紀(jì)之交的今天，能源和環(huán)境對人類的壓力越來越大，要求盡快改善人類生存環(huán)境的呼聲越來越高。為了適應(yīng)這個(gè)發(fā)展趨勢，世界各國的政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界正在加大對電動(dòng)車開發(fā)的投資力度，加快電動(dòng)車的商品化步伐。雖然目前電動(dòng)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(shù)發(fā)展的角度來看，在走過了漫長而艱難的發(fā)展歷程之后，電動(dòng)車正面臨著重大的技術(shù)突破，有望成為21世紀(jì)的重要交通工具。 　現(xiàn)代電動(dòng)車是融合了電力、電子、機(jī)械控制、材料科學(xué)以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。整體的運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。電動(dòng)車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由4個(gè)主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動(dòng)機(jī)及傳感器。目前電動(dòng)車中使用的電動(dòng)機(jī)一般有直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)以及永磁無刷電動(dòng)機(jī)等。第二章 系統(tǒng)要求2.1 電動(dòng)車對電動(dòng)機(jī)的基本要求電動(dòng)車的運(yùn)行，與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，非常復(fù)雜。因此，對驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是很高的。 電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有瞬時(shí)功率大，過載能力強(qiáng)、過載系數(shù)應(yīng)為(3～4)，加速性能好，使用壽命長的特點(diǎn)。　電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運(yùn)行時(shí)具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動(dòng)和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時(shí)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?！‰妱?dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)能夠在車減速時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，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(nèi)燃機(jī)的摩托車上是不能實(shí)現(xiàn)的。 　電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高1次充電的續(xù)駛里程。 另外還要求電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時(shí)噪聲低，使用維修方便，價(jià)格便宜等。 鑒于電動(dòng)車對電動(dòng)機(jī)的基本要求采用永磁無刷直流電動(dòng)機(jī) 　永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種高性能的電動(dòng)機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動(dòng)機(jī)的外特性而沒有刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵(lì)磁損耗：發(fā)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(dòng)機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運(yùn)行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)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(dá)幾十萬轉(zhuǎn)運(yùn)行。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動(dòng)車中有著很好的應(yīng)用前景。 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng) 典型的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種準(zhǔn)解耦矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)非常適合于運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進(jìn)一步擴(kuò)充轉(zhuǎn)速，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實(shí)質(zhì)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(dòng)機(jī)受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)、高溫和過載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能，嚴(yán)重時(shí)還會損壞電動(dòng)機(jī)，在使用中必須嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)在恒功率模式下，操縱復(fù)雜，需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造價(jià)很高。第三章 總體規(guī)劃對于電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有三個(gè)方面：一、控制電路的設(shè)計(jì)；二、傳感器選擇以及安放設(shè)計(jì)；三、顯示電路的設(shè)計(jì)；四、程序設(shè)計(jì)。從總的方面來考慮，傳感器的使用應(yīng)該盡量減少單片機(jī)的信號處理量，但是又必須能使車行駛自如?？刂齐娐芬鶕?jù)選用的電機(jī)和傳感器來設(shè)計(jì)，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性?？刂坪诵牟捎?1單片機(jī)，控制系統(tǒng)與電路用光耦完全隔離以避免干擾?？刂粕喜捎梅謺r(shí)復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)了信號采集，電機(jī)控制和轉(zhuǎn)速顯示。如圖31所示直流電動(dòng)機(jī)單片機(jī)顯示部分轉(zhuǎn)速傳感器控制電路驅(qū)動(dòng) 圖 31電動(dòng)自行車的基本原理是：由蓄電池提供電能，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)自行車。第四章 電路設(shè)計(jì)控制電路主要有電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)接口電路、顯示電路四個(gè)部分?？紤]到電機(jī)的起動(dòng)電流和制動(dòng)時(shí)比較大，會造成電源電壓不穩(wěn)定容易對單片機(jī)和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)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(jī)的電源則通過三端穩(wěn)壓器78L05將24V電源轉(zhuǎn)換到5V。 4．1 電源電路24V直流電源經(jīng)三端穩(wěn)牙器74L05輸出即為單片機(jī)所要求的+5V電源。電路中接入電容CC2是用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)?，可防止穩(wěn)壓器產(chǎn)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(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端意外短路時(shí)，給輸出電容器C3一個(gè)放電通路，防止C3兩端電壓作用于調(diào)整管的be結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。圖4114．2 顯示電路顯示部分采用單片機(jī)串口通訊，以節(jié)省單片機(jī)的端口，單片機(jī)通過中斷的方式為顯示服務(wù)。直流電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為190轉(zhuǎn)每分大約需要三位數(shù)碼顯示。驅(qū)動(dòng)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(tǒng)電源后由電位器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，IN0IN6線上那一路模擬電壓被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量由ADDAADDC線上的地址決定。ADDC0809內(nèi)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(zhuǎn)換器此時(shí)，若單片機(jī)使STAR線處于高電平，則ADC0809便開始A/D轉(zhuǎn)換，一旦A/D轉(zhuǎn)換完成，ADC0809一方面把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入它的三態(tài)輸出緩沖器另一方面又使EOC線變?yōu)楦唠娖较騿纹瑱C(jī)提出中斷請求。單片機(jī)檢測和響應(yīng)該中斷請求后就通過使rd非變?yōu)榈碗娖蕉筄E線變高，以便可以從2128引線上取走A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。單片機(jī)根據(jù) A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出相應(yīng)的巨型脈沖信號。脈沖信號經(jīng)74LS245放大后經(jīng)光電藕荷控制繼電器?！兑姼綀D431》。4．4驅(qū)動(dòng)電路及原理 下面主要對驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行一下介紹：電動(dòng)自行車使用24V直流電機(jī)， 對于這種小功率直流電機(jī)的調(diào)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(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時(shí)，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。另一種脈寬調(diào)制型：脈寬調(diào)速（PULSE WIDE MODULATION——PWM）較常用的一種調(diào)速方式，這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用PWM方式控制直流電機(jī)。永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速原理 永磁式直流電動(dòng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓UD決定，電樞電UD越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓UD降為0V，電機(jī)就停轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的具體調(diào)速過程是：先讓它啟動(dòng)一段時(shí)間，然后切斷電源，電動(dòng)機(jī)因慣性而降速轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時(shí)使電動(dòng)機(jī)再次接通電動(dòng)機(jī)因此而再次加速。不斷的給電樞兩端送入脈動(dòng)電壓源（即脈動(dòng)信號） 就可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。如圖441所示：脈沖信號： t T轉(zhuǎn)速： VMAX VD VMIN 圖 441VMAX為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值。VMIN為電動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比D之間的關(guān)系如442圖：VD（平均速度） 0 1 D（占空比）圖 442由圖可知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關(guān)系，但可以近似的看成是線性關(guān)系。因此電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速VD就可以有占空比D加以控制。PWM調(diào)速分為雙向式和單向式兩種雙向式：在一個(gè)脈沖周期內(nèi)(T=Ta＋Tb)，T1和T3導(dǎo)通的時(shí)間為Ta，T2和T4導(dǎo)通的時(shí)間為Tb，這樣在Ta這段時(shí)間內(nèi)，電機(jī)通過的是正向電流，在Tb這段時(shí)間內(nèi)為反相電流。當(dāng)Ta=Tb時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，TaTb時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)， Ta Tb時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。單向式：單向式的電路更雙向式相同。不同的是，在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，Tb這段時(shí)間內(nèi)不通過反向電流，電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，Ta內(nèi)不通過正向電流。其調(diào)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(guān)頻率少一半，比較不容易發(fā)生上下三極管導(dǎo)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(diào)速方式下速度與占空比關(guān)系曲線，圖315右為單向式調(diào)速方式曲線。 綜合以上兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并考慮到電動(dòng)自行車對調(diào)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?？紤]到編程時(shí)可能會產(chǎn)生使TTTT4都導(dǎo)通的情況，以至電源短路，燒毀器件。為避免出現(xiàn)這種情況，設(shè)計(jì)了圖446所示的電路