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1、本科毕业设计（论文）题目: 基于单片机的电动自行车设计 姓 名: 学 号：专 业: 自动化 指导教师: 职 称: 教授 日 期: 2010年6月 华科学院摘 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，将整个系统分成五个部分，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LPC933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
2、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。关键词：单片机 PWM 无刷直流电动机 八段数码管动态显示AbstractThe of the single a machine control has no to brush the direct current motive adjusts soon the system is applicable to the work circumstance that electricity move small power in etc. in bicycle. Combining can return th
3、e superfluous electric power This system possesses the advantage of good experimental characteristic, high power factor ,energy-saving ,small volume、etc.This paper debates the circuit principle, control method and realization method of into four parts. At the same time, the work condition of every p
4、art and the energy transmission direction are discussed .The control circuits of the system are based on LPC933 control chip microcontroller .The system by cooperating the hardware and software harmoniously, according to the feature of the experimental motor.Keywords: the single a machine PWM brushl
5、ess dc motor eight figureses tube development manifestation 目 录第1章 引言11.1能源与环境问题11.2“绿色交通工具”的发展状况11.3电动自行车的发展前景展望2第2章 系统功能需求分析52.1设计思路52.2电动自行车工作原理52.3功能分析62.3.1电源电路62.3.2控制电路62.3.3驱动电路62.3.4测速电路72.3.5显示电路72.4电动车对电动机的基本要求7第3章 硬件电路设计93.1电源电路93.1.1电源电路设计93.1.2三端式稳压器78LS0593.2控制电路103.2.1控制电路设计103.2.2单片
6、机113.3驱动电路153.3.1驱动电路设计153.3.2无刷直流电动机163.3.3PWM调速原理183.4测速电路203.4.1测速电路设计203.4.2速度传感器213.5显示电路233.5.1显示电路设计233.5.2八段LED数码显示器24第4章 软件设计274.1主程序设计274.2INT0中断服务设计274.3TO中断服务程序设计28第5章 设计小结29参考文献31致 谢33附录135附录239第1章 引言1.1能源与环境问题二十一世纪是“绿色环保”的世纪，环境保护和能源节约问题成为新世纪最为突出的两大主题。随着工业的发展，城市汽车数量急剧上升，石油资源严重缺乏。研究表明，目前
7、世界石油蕴藏量按照现在的清耗速度仅可供使用50到70年。而石油与国家安全密切相关，该问题己引起各国的极大重视。再从环境角度讲，石油燃烧造成的大气污染曰益严重。在世界环境污染最为严重的十大城市中，我国就占了7个，形势严峻可见一般。汽车排出的CO、HC和微尘颗粒等，会对人类的身体健康造成危害；另外汽车排出的二氧化碳虽然对人体健康无害，但它造成的温室效应破坏大自然的生态平衡，对大气造成严重影响。因此，这两大问题成为了“绿色交通工具”研究开发和推广应用的积极因素。1.2“绿色交通工具”的发展状况1881年8月在巴黎举行的国际电气展览会上，法国特鲁夫展出了世界上第一辆电动交通工具电动三轮车。这是世界电动
8、车史的开端，也是机动车辆史上具有划时代意义的一件大事。而此时，燃油汽车还尚未“出世”，它是在二十世纪初才出现的。但是当时由于电动机、电池等关键技术的发展还很不理想，而且电动车速度慢、价格高，这一切限制了电动车推广的步伐，所以它只在贵族阶层中作为玩物流行了一段时间便被随后出现的相对便宜且有速度优势的燃油汽车所取代。到了1933年，电动车的数量已经将近为零。在随后的几十年间，电动车辆一直处于发展的低谷，而燃油车辆却发展迅猛，几乎占有了所有市场。于是，托着常常尾巴的机动车开始横行于世，为今天的能源危机和环境污染问题埋下了隐患。而人们直到七、八十年代才开始关注这两大问题，才把零污染零排放的电动车辆从新
9、推到了前台。国外的科研机构早在20世纪60年代就开始了新一轮的电动车研究与开发，到现在电动车大致经历了三各阶段：90年代前，电动车的设计主流是单独采用蓄电池供电，发展了高功率密度的新型蓄电池及其充电技术；90年代起人们开始注意到仅仅使用蓄电池，电动车在近期内还难于传统汽车匹敌，从而混合动力车的研究得到了很大的重视。蓄电池与燃油系统的相互配合使用，可以大大减小车辆在市区的废气排放和污染，在长途运行时可使用燃油系统，但它只是电动车发展过程中的过渡产品：1994年Daimler Chrysle公司推出了采用燃料电池的电动车。它是通过氢氧化合反应得到电能，而副产物仅为纯净水(或水和少量的二氧化碳)。尽
10、管燃料电池汽车技术性能目前已经能和内燃机汽车相媲美，但近期内由于价格太高，还难与内燃机汽车竞争。从70年代起，我国电动车辆的研究开发便一直在进行之中，到1993年，已被确定为国家十大重点科技工程，并制定了电动汽车的发展目标。而与汽车相比，灵活方便的中短途个人交通工具，如自行车、助动车和摩托车等，在全球依然占据绝大多数。全世界每天在骑的自行车约为10亿辆，每年有l亿辆新自行车进入市场。实际上，全球的电动车辆工业领域中发展最快的也是电动自行车、电动助动车和电动摩托车等一类小型电动车辆。在经济发达国家，一般家庭除了必备汽车之外，通常还希望配备多辆小型交通工具，供短途交通或休闲娱乐用，这对没有驾驶执照
11、的老人和未成年人尤其具有吸引力。亚洲城市，一般人口众多，交通拥挤，自行车一直是大多数居民的主要交通工具。但随着城市规模与人们日常活动范围的扩大，骑车就较辛苦，特别是遇到恶劣的天气或路况时，就更加费劲。而目前普通居民的购买力有限，小轿车普遍进入家庭还不太可能，况且燃油、环境和场地等多方因素都制约着汽车不可能成为大众化的代步工具；燃油摩托车曾一度成为许多城市比较普及的交通工具，但由于交通安全和环境保护等因素的影响，近年来在许多大中城市已经采取了限制措施。而电动自行车具有摩托车与自行车的综合优势：轻便、无污染、低噪音且价格较为低廉，它无疑将最有希望首先替代传统的交通工具，成为私人交通工具的重要组成部
12、分。这是一个极其巨大的市场，尤其在人口居各大洲首位的亚洲。我国对电动自行车的研究起步于20世纪80年代初期，经历了几次起落，目前在国内大中城市的应用和推广已可见端倪。但是有部分相关技术水平还存在一定问题，市场的孕育还未完全进入良性循环，有待进一步改善。1.3电动自行车的发展前景展望由于电动自行车自身所具有的优点和近几年来行业内技术的不断进步，决定了其将会有较为广阔的市场前景，尤其在中国这个人口大国，更是有它的用武之地。首先，它具有的轻(质量轻，不大于40kg)、低(速度低，不大于20kmh)、廉(售价低廉，2000-3000元)、省(省时省力)、绿(绿色环保)的突出特点，十分符合广大老百姓的需
13、求；其次，技术进步为电动自行车的发展奠定了基础。无论是整车还是零部件的技术水平都有了很大的提高，特别是其核心部件一电池技术得到了突飞猛进的发展，为电动自行车的进一步发展奠定了良好的技术基础并提供强大的技术支持；再次，电动自行车符合可持续发展要求。对城市而言，大气污染物中的42来自汽车、摩托车等内燃机车的废气排放物，严重威胁着人类的健康。而电动自行车具有零排放、低噪声等独特的绿色环保特点，是一种符合可持续要求的交通工具；最后，我国的经济发展是以内需为主要对象的，作为系统工程技术产品的电动自行车自然能够成为拉动内需新的动力之一。发展才是硬道理。电动自行车作为朝阳产业，前景是非常乐观的，应积极探索、
14、加强管理、加快行业技术进步，以保持在国际上的领先地位，以应对加入WTO的挑战。第2章 系统功能需求分析2.1设计思路本设计采用脉宽调制（pwm）配以单片机为中心控制元件的调速系统。利用霍尔传感器实现传统的车把调速。把电压信号通过单片机中的数模转换控制占空比，速度显示利用八段数码管通过单片机输出显示。2.2电动自行车工作原理电动自行车控制系统的硬件电路主要有五个部分：1）电源电路2）控制电路；3）驱动电路；4）测速电路；5）显示电路。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
15、用LPC933单片机，仅用一块单片机就可以实现信号采集，电机控制和转速显示。如图2-1所示。图2-1总体电路方框图其整体工作过程为：打开电源后，单片机上电复位后，数码管显示车速为00.0。电动车开始行进，人通过拧动手把来调节车速时，单片机中的A/D转化器将采集手把处的模拟电压信直接进行A/D转换。单片机里的数字信号经过处理输出相应的PWM波形，用来驱动安装在后轮的无刷直流电机转动并调节其转速。此时，车轮每转一圈，安装在后轮附近的测速电路就向单片机发出信号，单片机通过计时和计算得出车速，然后通过动态扫描的方式在数码管上显示出来。单片机等器件所需要的+3.3V电压由电动车的电源经过电源电路转化而得
16、到。这样，只需要用一个电源，就能够满足电动机与各个芯片与器件的供电需求。2.3功能分析2.3.1电源电路主控制器中的各个芯片及数字逻辑器件所的正常工作电压远小于无刷电机的额定电压。为了方便电源的配置和保护控制电路中的元器件，需要设计一个电源电路，使电机的额定电压经过转化后，输出一个所需的3.3V电压，并且其输出电压不随着电源电能的消耗而降低，能够保持稳定的3.3V，以供控制器部分正常运行。这样，电动自行车只需要用一个电源，就能够满足电动机与各个芯片的供电需求。2.3.2控制电路控制电路是人主观调节车速的部分，体现了人对车的控制。手把处安装一个电位器，人转动手把即是在控制此电位器的电压。这个模拟
17、电压作为A/D转换器的输入信号，它决定着单片机输出什么样的驱动信号，决定着电机的转速即电动车的车速。这是控制信号的采集。单片机中的A/D转化后，将这个数字信号处理成为一系列相应占空比的方波信号（即PWM波形）并输出，作为控制驱动电路通断的控制信号，以便调节电机的转速。这是控制信号的输出。2.3.3驱动电路驱动电路的输入为控制信号，输出为电机转速。由于转速的改变需要时间，不能够突变，我们可以通过改变在一小段时间内的平均速度来调节。控制信号是一系列等幅不等宽的方波信号，驱动电路中的开关器件会根据控制信号来进行频繁的开关动作，则驱动电路就会频繁的通和断。控制信号的占空比较大时，驱动电路开通时间长，电
18、机转速就比较高；相反，控制信号的占空比较小时，驱动电路开通时间断，电机转速就比较低。2.3.4测速电路骑车人需要明确车速大小以便对其进行调节。所以，测速电路和显示电路的设计是十分必要的。将转速传感器安装在电机附近，每当电机转一圈，传感器向单片机发出一个脉冲信号。单片机根据收到的脉冲个数和轮圈周长等数据计算出电动车的速度，并输出给显示电路。2.3.5显示电路单片机将计算出的车速用动态扫描数码管的方式显示出来。由于电动自行车最高车速不得超过20km/h，所以显示器用2个八段LED数码管即可。2.4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。
19、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。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。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。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
20、噪声低，使用维修方便，价格便宜等。第3章 硬件电路设计本章对第二章中的各个模块进行了设计，并用prote软件绘制了硬件电路图。整体硬件电路图见附录2。3.1电源电路3.1.1电源电路设计电源电路如图3-1所示,24V直流电源经三端稳压器74LS05的输出即为单片机所要求的+3.3V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是电解电容，以减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C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于二级管的PN结，造成二极管PN结击穿而损坏。图 3-1
21、电源电路3.1.2三端式稳压器78LS05稳压管用于控制板电路的稳压以防止电压过高烧毁电路。在这里78L05的作用是提供+3.3V的工作电压给各个芯片与器件。三端稳压器，主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。在使用时必须注意：(VI)和(Vo)之间的关系，该三端稳压器的固定输出电压是3.3V，而输入电压至少大于7V，这样输入/输出之间有23V及以上的压差。使调整管保证工
22、作在放大区。但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不至于功耗偏大。另外一般在三端稳压器的输入输出端接一个二极管，用来防止输入端短路时,输出端存储的电荷通过稳压器而损坏器件。图3-2 三端稳压器的典型接法图3-2是应用78L05输出固定电压VO的典型电路图。正常工作时，输入、输出电压差应大于23V。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。C3是电解电容，以减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C3一个放电通路，防止C3两端
23、电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏。3.2控制电路3.2.1控制电路设计控制电路选用LPC933作为控制器，内部存在A/D转换器，可与外部+5V电压连接。选通ADCO通道(P1.7)作为电压输入接口,晶振采用外部12MHZ晶振。电路图如图3-3所示。图3-3 控制电路3.2.2单片机(1)主控制器的选择LPC933单片机是一款单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。LPC933采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期。6倍于标准80C51器件。LPC933集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目、电路板面积
24、以及系统的成本。LPC933单片机是一个基于80C51内核的高速 低功率单片机，主要集成了字节方式的IC总线接口、UART通信接口、A/D转换器、ISPIAP在线编程等一系列有特色的功能部件。所以本设计中选用了LPC933单片机。(2)单片机介绍Lpc933单片机作为主控制器所做的工作为：接收经过A/D转化的控制信号、将控制信号转化为PWM方波并输出、检测速度传感器送来的脉冲信号、计算自行车车速并输出给显示电路、检测车速。下面就所用到的功能对单片机进行介绍（1） 单片机的内部结构a.A/D转换器P89LPC933器件有一个A/D。每个A/D转换器包含4个结果寄存器。六种操作模式，分别有固定通道
25、，单次转换模式固定通道，连续转换模式自动扫描，单次转换模式自动扫描，连续转换模式双通道，连续转换模式单步模式，本实验选固定通道，单次转换模式。根据需要本实验选择单个输入通道进行转换。执行单次转换并将转换结果存放到所选输入通道对应的结果寄存器中b.触发启动模式定时器触 发启动定时器0溢出时启动一次A/D转换。一旦转换过程被启动，其它的定时器0触发操作均无效，直至转换过程结束。 立即启动 编程为该模式将立即启动一次转换。立即启动模式适用于所有A/D工作模式。边沿触发 由P1.4脚的上升或下降沿来启动A/D转换。一旦转换过程被启动，其它的边沿触发操作均无效，直至转换过程结束。边沿触发启动模式适用于所
26、有A/D工作模式。c.比较单元该单元有以下特性：16位定时器，并可在溢出时重装16位值4个比较/PWM输出，可选择极性对称/非对称PWM选择7个中断（1个溢出、2个捕获和4个比较）使用同一个中断向量，通过映像寄存器进行安全的16位读写。2路捕获输入，带有事件计数器和数字噪声滤波器d.输出比较四个输出比较通道A,B,C和D分别通过4个16位寄存器OCRAH:OCRAL,OCRBH:OCRBL, OCRCH:OCRCL和OCRDH:OCRDL进行控制。每个输出比较通道在进行操作之前都必须使能。设置捕获比较x控制寄存器CCCRx(x=A,B,C,D)中的OCMx1:0位可使能不同的输出比较类型。当使
27、能一个比较通道时，用户必须将相应的I/O口设置为所需要的输出类型（注：作为比较通道输出时，管脚P2.6,P1.6,P1.7,P2.1必须置为1）。当TH2:TL2的内容和OCRxH:OCRxL相匹配时，TIFR2中的定时器输出比较中断标志TOCFx置位。该位的置位发生在出现比较的下一个CCUCLK周期。如果EA和定时器输出比较中断使能位TOCIE2x（位于TICR2寄存器中）以及IEN1中的ECCU位都已置位，程序计数器将指向相应的中断。用户可通过软件写入“0”将其手动清零。CCCRx中的两个位，输出比较x模式位OCMx1和OCMx0对匹配发生时所采取的动作进行选择。即使中断被禁止，所使能的比
28、较动作仍然会发生。为了产生比较输出，比较值必须在CCU 定时器的计数范围之内。当比较通道使能时，I/O口（必须配置为输出）将会连接到一个由比较逻辑控制的内部锁存。该锁存的值在复位后为0，可通过激活一个强制的比较来改变。强制比较的产生是通过置位CCCRx中的强制比较x输出位FCOx实现的。当OCMx1/OCMx0对I/O口进行设置后，向FCOx位写入1将使相应的I/O口产生一个跳变，但不会产生中断。在基本定时器操作模式中，读取FCOx位总是为0（注：该位在PWM模式中有不同的功能）。当输出比较管脚使能，连接到比较锁存时，比较管脚的状态保持不变，直到发生比较事件或强制比较为止。e.PWM操作PWM
29、操作有两种主要的模式：对称和非对称。这两种定时器工作模式通过向TMOD21:TMOD20写入10H或11H进行选择。在非对称PWM 操作中，CCU 定时器按照递减计数模式操作，与TDIR2 的设定无关。该情况下，TDIR2 的值读出总是为1。在对称模式中，定时器交替递增/递减计数并且TDIR2的值无效。该模式与基本定时器操作的主要区别在于比较模块的操作。该模块在PWM模式中用于PWM波形的产生。表52所示为PWM模式中比较管脚的状态。用户必须将输出比较管脚配置为输出状态以使能PWM输出。与基本定时器操作一样，当PWM（比较）管脚连接到比较逻辑时，它们的逻辑状态保持不变。但是，有一点不同：由于F
30、CO位用于保持停止的值，因此只有比较事件才能改变管脚的状态。(2)P89LPC932单片机特性同一时钟频率下，其速度为标准80C51器件的6倍。只需要较低的时钟频率即 可达到同样的性能，这样无疑降低了功耗和EMI；操作电压范围为2.43.6V。I/O口可承受5V(可上拉或驱动到5.5V)；256字节RAM数据存储器。512字节附加片内RAM；2个16位定时/计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出或作为PWM输出；捕获/比较单元(CCU)提供PWM，输入捕获和输出比较功能；2个模拟比较器。可选择输入和参考源；增强型UART。具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测、自动地址识别和通用
31、的中断功能；400kHz字节方式I2C通信端口；8个键盘中断输入，另加2路外部中断输入；4个中断优先级；低电平复位。使用片内上电复位时不需要外接元件。复位计数器和复位干扰抑制电路可防止虚假和不完全的复位。另外还提供软件复位功能；低电压复位(掉电检测)可在电源故障时使系统安全关闭。该功能也可配置为一个中断；可配置的片内振荡器及其频率范围和RC振荡器选项(通过用户可编程Flash配置位选择)。选择RC振荡器时不需要外接振荡器件。振荡器选项支持的频率范围为20KHz12MHz。可选择RC振荡器选项并且其频率可进行很好的调节；可编程I/O口输出模式：准双向口，开漏输出，推挽和仅为输入功能；端口“输入模
32、式匹配”检测。当P0口管脚的值与一个可编程的模式匹配或者不匹配时，可产生一个中断。施密特触发端口输入；所有口线均有20mA的LED驱动能力。但整个芯片有一个最大值的限制(见DC特性)；可控制口线输出转换速度以降低EMI，输出最小转换时间约为10ns；最少23个I/O口(28脚封装)，选择片内振荡和片内复位时可多达26个I/O口；当选择片内振荡及复位时，LPC932只需连接电源和地；串行Flash编程可实现简单的在线编程。2个Flash保密位可防止程序被读出；Flash程序存储器可实现在应用中编程。这允许在程序运行时改变代码；空闲和两种不同的掉电节电模式。提供从掉电模式中唤醒功能(低电平中断输入
33、唤醒)。3.3驱动电路3.3.1驱动电路设计驱动电路如图3-5所示。图3-5驱动电路图通过逻辑组件CMOS处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成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
34、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。3.3.2无刷直流电动机(1)无刷直流电动机的选择电机是电动自行车的心脏，是关键部件，电机要适应频繁起动，频繁变速又考虑到薄形安装特点，目前大都采用盘式结构，同时为了适应道路使用和环境特点，电机通常设计成全封闭结构形式，具有可靠防护性能。从当前市场上销售的电动自行车看主要是用直流永磁印制绕组电机和直流无刷电机，印制绕组电机关键是印制转子的制造工艺，而且需引进部分设备如转子片叠好后外圆点和内孔点的氩弧焊点焊机。一旦转子工艺突破，该电机的批量生产即不成问题了。直流无刷电机存在质量可靠性问
35、题，控制器较复杂成本较高，这些问题一旦解决推广使用则更广。总之上述二种电机用于电动自行车是较为理想的。鉴于电动车对电动机的基本要求，本设计采用永磁无刷直流电动机。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既有一般直流电机良好的调速起动性能，又具有寿命长，没有换向火花，没有无线电干扰，运行可靠，维修简便及噪声低等优点。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
36、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）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。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的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受
37、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。(2)无刷直流电机的结构及工作原理 无刷直流电动机由电动机，转子位置传感器和位置传感器组成，它的原理框图如下3-6图所示，图中直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。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
38、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。图3-6无刷直流电动机的原理框图 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
39、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。在一定的时，改变占空比，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V的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速，那么+5V以下任何电平即对应相当的转速现了变定。当V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
40、等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，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，并可在调范围内恒转矩运行。3.3.3 PWM调速原理电动自行车使用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 MODULATIONP
41、WM）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。（1） 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UD决定，电枢电UD越高电机转速越快，电枢电压UD降为0V，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3-7所示： Vmax为电动
42、机的最大转速值。Vmin为电动机的最小转速值。VD为二者的平均值。VD=D * Vmax式中D=t/T称为占空比 D越大VD就越大反之亦然。图3-7电机转速范围平均转速和电枢上的脉冲占空比D之间的关系如3-8图知，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：1）一种双向式 图3-8平均转速与占空比的关系在一个脉冲周期内(T=TaTb)，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，TaT
43、b时电机正转， Ta Tb时电机反转。2） 另一种单向式单向式的电路更双向式相同。不同的是，在电机正转时，Tb这段时间内不通过反向电流，电机反转时，Ta内不通过正向电流。其调速原理基本与双向式相同。单向式与双向式相比，三极管的开关频率少一半，比较不容易发生上下三极管导通而造成电源短路的情况,故可靠性有所提高，但控制性能比双向式稍差。外特性、低速性能也不如双向式好。（a）双向式调速（b）单项式调速图3-9 速度与占空比关系曲线如上图3-9（a）所示为双向式调速方式下速度与占空比关系曲线，图3-9（b）为单向式调速方式曲线。考虑到电动自行车对电机转速，距离控制的要求不高，为了简化程序和外接电路，所
44、以没有考虑采用闭环PWM控制，用开环PWM控制就可以实现自行车的功能。(2)脉冲宽度调制的优点PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设
45、计应用中使用的有效技术。3.4测速电路3.4.1测速电路设计测速电路如图3-10所示。当检测到到信号时，输出一个高电平三极管导通，中断引脚接地，产生中断，定时器停止计时，进行速度处理。（V=S/T）图3-10 测速电路把三个小磁铁平均分布在被测的转动的车轮边缘，固定好，小磁铁与霍尔传感器的相对位置在车轮转动过程中发生变化，当小磁铁转动到霍尔传感器附近时，传感器的输出端Vout产生一个低电平，将此低电平接到单片机的T0/P2.6引脚。编程决定当单片机被第一个信号触发中断后，T0计数一次，并且立刻启动定时器T1计时。而当车轮转动一圈后使得第一个小磁铁再次靠近霍尔传感器，传感器把第四个霍尔信号发到单
46、片机上的T0/ P2.6引脚，停止计时。这时候单片机记录下定时器所计数的时间，这个时间就是车轮转动一周的时间，用这个时间除以轮圈周长就得出了电动车的速度。3.4.2速度传感器（1）霍尔传感器A3144的选择当前市场上的大多数电动车都采用霍尔传感器来测速，常见的为A3144。霍尔传感器A3144的结构如图3-11所示。图3-11 A3144结构框图它的优点有：自动化或工业应用中稳定性好；工作电压为4.5V24V，不需提供准确工作电压；集电极输出25mA电流，兼容数字逻辑；具有反向保护电池功能；触发电压小，可用永磁体；外形小，重量轻，易于安装，使用方便；抗外磁场干扰能力强。缺点是容易损坏。目前，霍
47、尔传感器技术是未来电动自行车发展的方向，也是一个有待突破的瓶颈。（2）霍尔传感器介绍霍尔传感器是根据霍尔效应制作的传感器。根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形小巧，使用方便，如图3-12所示，是其中一种型号的外形图。图3-12霍尔传感器如3-13所示，在非磁性材料的圆盘边上粘一块磁钢，霍尔传感器放在靠近圆盘边缘处，圆盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数（计数器），若接入频率计，便可测出转速。图3-13霍尔传感器测转速或转数如果把开关型霍尔传感器按预定位置有规律地布置在轨道上，当装在运动车辆上的永磁体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。3.5显示电路3.5.1显示电路设计显示部分采用两个八段数码管直接与单片机LPC933口连接，利用两个PNP最为位选
