電動助力車電機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計【優(yōu)秀畢業(yè)課程設(shè)計】

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第 I 頁 摘 要 電動助力車在當(dāng)前石油資源短缺和環(huán)境污染的加劇的情況下，作為一種理想的 “ 綠色 ” 代步工具，其發(fā)展收到了人們的重視。電動助力車因其廉價、無污染、噪音低、操作簡單等特點，儼然成為人們出行的優(yōu)選。目前的電動助力車大多采用直流電機作為動力，其操作性和可靠性的優(yōu)劣與電機驅(qū)動系統(tǒng)密切相關(guān)。 本課題詳細介紹了電動助力車的電機驅(qū)動原理和霍爾傳感器，以及 司的片機的性能和特點，并設(shè)計以 片機控制模塊為核心，由單片機控制電機驅(qū)動和操縱系統(tǒng)。該系統(tǒng)電機設(shè)計功能齊備、使用方便、經(jīng)濟實用、工作可靠、檢測速度快、容易做到實時控制轉(zhuǎn)速，并顯示轉(zhuǎn)速。本課題的研究內(nèi)容主要有一下幾個方面： （ 1） 介紹了電動助力車電機驅(qū)動的相關(guān)技術(shù)，分析利用單片機對直流電機進行控制的基本原理，分析利用傳感器技術(shù)進行轉(zhuǎn)速測量的方法；闡述電動助力車電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計方案 。 （ 2） 完成系統(tǒng)的硬件電 路的設(shè)計，包括電機驅(qū)動電路與轉(zhuǎn)速采集電路以及調(diào)速電路的設(shè)計，單片機控制模塊的設(shè)計與顯示電路的設(shè)計。 （ 3） 編寫系統(tǒng)軟件程序并對各個模塊進行調(diào)試。制作硬件樣機，并進行系統(tǒng)性能的分析。 關(guān)鍵詞： 單片機； 電機驅(qū)動； 速； 示；轉(zhuǎn)速測量 第 n of as a "of is of so to At C as of as by of is to is of (1) on C by on (2) of 3) a 目錄 目 錄 摘 要 ....................................................................................................................................... I .................................................................................................................................. 緒論 ..................................................................................................................................... 1 題背景，目的和意義 ................................................................................................... 1 流電機驅(qū)動系統(tǒng)的現(xiàn) 狀 ............................................................................................... 2 流電機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展方向 ....................................................................................... 2 章小結(jié) ........................................................................................................................... 3 2 直流電機驅(qū)動系統(tǒng) ......................................................................................................... 4 流電動機 ....................................................................................................................... 4 制技術(shù) ................................................................................................................. 4 ..................................................................................................... 4 ..................................................................................................... 5 流電機 速的基本原理 ................................................................................. 5 ............................................................................................... 5 ..................................................................................................... 6 ............................................................................... 7 流電機調(diào)速的 法 ............................................................................................ 7 體方案設(shè)計 ................................................................................................................... 7 章小結(jié) ........................................................................................................................... 8 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 .................................................................................................................. 9 片機最小系統(tǒng) ............................................................................................................... 9 ........................................................................................................... 9 .............................................................................................. 9 和時鐘電路 ................................................................................................. 11 電電路 ......................................................................................................................... 12 示電路 ......................................................................................................................... 13 機驅(qū)動電路 ................................................................................................................. 14 .................................................................................................... 14 ..................................................................................................... 16 速測量模塊 ................................................................................................................. 18 鍵控制電路 ................................................................................................................. 19 章小結(jié) ......................................................................................................................... 20 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ................................................................................................................ 21 程序設(shè)計 ..................................................................................................................... 21 法子程序 .............................................................................................................. 21 目錄 示子程序 ............................................................................................................. 22 章小結(jié) ......................................................................................................................... 22 5 硬件制作和調(diào)試 ........................................................................................................... 23 件制作過程 ................................................................................................................. 23 件調(diào)試 ......................................................................................................................... 23 章小結(jié) ......................................................................................................................... 24 6 結(jié)論 .................................................................................................................................. 25 致 謝 .................................................................................................................................... 26 參考文獻 ............................................................................................................................... 27 附錄一 基于單片機電動助力車電機驅(qū)動系統(tǒng)電原理圖 .................................... 28 附錄二 基于單片機電動助力車電機驅(qū)動系統(tǒng) ....................................... 29 附錄三 基于單片機電動助力車電機驅(qū)動系統(tǒng) C 語言源程序 .......................... 30 附錄四 元件清單 ............................................................................................................... 34 第 1 頁 共 35 頁 1 緒論 題背景，目的和意義 近年來，作為一種新型的“綠色”代步工具 —— 電動助力車正逐漸興起。隨著全國城市地區(qū)面積日益擴大，使得人們的出行活動區(qū)域更加寬闊，那么使用自行車作為騎行工具就比較費力，尤其是路途較遠的地方，再加上可能會遇到頂風(fēng)、爬坡的狀況。由于當(dāng)前我國居民的收入普遍不高，汽車普及各個家庭還不太現(xiàn)實，況且還有燃料、環(huán)保以及停車場地等諸多方面因素的制約，汽車都難以成為大多數(shù)人用得上代步工具。雖然摩托車現(xiàn)在仍是許多地方比較常見的交通工具，但由于駕駛摩托車易引發(fā)交通事故和摩托車尾氣造成的許多城市的環(huán)境污染，所以近幾年來，一些大中城市都 出臺了相應(yīng)了交規(guī)法規(guī)來限制摩托車的駕駛。伴隨現(xiàn)代文明的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進步，人們環(huán)保意識的提高，不污染環(huán)境、噪音影響小、使用簡單、速度較為合適的居民交通代步工具 —— 電動助力車，作為一種理想的“綠色”交通工具，為人們出行活動帶來了便利。而且電動助力車集普通自行車和摩托車各優(yōu)勢于一身：輕巧便利、綠色無污染、噪聲低且價格相對便宜，無疑是解決城市居民日常代步的重要發(fā)展方向。 無刷直流電機是現(xiàn)在比較廣泛應(yīng)用的作為眾多機械設(shè)備驅(qū)動的電機，目前市面上的電動助力車大多數(shù)采用這種電機作為動力源。無刷直流電機指在電機結(jié)構(gòu)中不存在機械電刷及換向器的電機，它的原理是通過自身換向而不用電刷和換向器。因為有刷直流電機的電刷產(chǎn)生的環(huán)流而使得電刷摩擦造成損壞，容易產(chǎn)生火花且引發(fā)噪聲，對周圍環(huán)境帶來了惡劣的影響，而無刷直流電機能明顯改善這些缺陷，同時具備有刷直流電機很多優(yōu)點。無刷直流電機回饋系統(tǒng)簡易，功率密度足夠大，擁有足夠大的負載轉(zhuǎn)矩，操作起來更加人性化； 對沖擊負載有更大的承載能力 ， 能多次無級迅速起動 、 制動和反轉(zhuǎn) ； 讓電機和逆變器能發(fā)揮本身的機能，并且調(diào)速性能優(yōu)秀、容量小、慣性力矩小、質(zhì)量低，不會有勵磁損耗， 能適應(yīng)自動化生產(chǎn)過 中 各種不同情況的操作要求 。交流電機的諸多優(yōu)點在無刷直流電機中得到體現(xiàn) ，如 構(gòu)成比較簡易、能安全穩(wěn)定地運行、定期維修保養(yǎng)便利等。同時不會造成因為換向器和機械電刷的存在使得有刷直流電機所帶來的不良影響，如刺耳噪聲、摩擦電火花、電波擾動以及壽命短等，且制造成本不高，電機維修簡單方便。 電動助力車的電機驅(qū)動系統(tǒng)的主要功能是對電機進行調(diào)速控制，讓助力車能獲得穩(wěn)定的速度和方便靈活的控制。隨著現(xiàn)代科 學(xué)技術(shù)的提高，以及制造工藝的要求，通過調(diào)節(jié)電樞回路中的電阻大小來進行調(diào)速、改變電壓高低調(diào)速等技術(shù)已經(jīng)跟不上當(dāng)前時代的需求。那么這時候，以 式控制直流電機調(diào)速的方法由此而生。使用 制技術(shù)后，模擬電路不易隨時間飄移，減少一些不必要的熱量損耗，以及降低噪聲等，實現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號，能大幅降低成本以及功耗。隨著我國經(jīng)濟和生產(chǎn)事業(yè)的發(fā)展， 第 2 頁 共 35 頁 在諸多情況下，都需要用直流電機 速系統(tǒng)來進行調(diào)速，而 速系統(tǒng)不用過多的元器件、系統(tǒng)組成精簡、操縱隨性、可調(diào)范圍大和使用期限長等，因此在多個領(lǐng)域受到了廣泛應(yīng) 用。 流電機驅(qū)動系統(tǒng)的現(xiàn)狀 目前直流電機驅(qū)動的方法主要有以下幾種：第一：在早期的調(diào)速系統(tǒng)中，一般選擇的供電方式為直流電壓，改變電樞回路的阻值來調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速。這種控制電路較為簡單，操縱簡便，開發(fā)和制造難度不高。然而這種方法調(diào)速精確性較低，轉(zhuǎn)速控制偏差較大。第二：發(fā)電機 —— 電動機調(diào)速，這種驅(qū)動方法是通過閘流管，電機放大器和電磁放大器實現(xiàn)的，因而在調(diào)速時有良好的性能，不存在初期調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速不精確以及調(diào)速過程不穩(wěn)定的缺點。然而，在該系統(tǒng)中電力設(shè)備，電子元器件繁多，線路連接太過繁瑣，致使空間占用過大，增加成本。第三：汞漿變流器為核心的調(diào)速系統(tǒng)，該方式能顯著提升調(diào)速性能，而且調(diào)速精確性高，響應(yīng)迅速。但這種調(diào)速方式也并不完美，由于該系統(tǒng)是基于汞漿變流器的，所以變流器中含有的汞極易揮發(fā)對人的身體造成不良影響。 從前幾年開始， 動控制技術(shù)作為新型的控制技術(shù)發(fā)展迅猛，使直流電機的控制技術(shù)在應(yīng)用上有更廣闊的前景。在半導(dǎo)體中直流電壓是可以隨其通斷來改變的，當(dāng)半導(dǎo)體的開關(guān)處于開通狀態(tài)時，直流電壓為高電平；當(dāng)半導(dǎo)體的開關(guān)為斷開狀態(tài)時，直流電壓變成低電平。簡單來說，利用半導(dǎo)體的特性來控制直流電壓的輸出就是 術(shù)簡要應(yīng)用。直流電壓信號隨著半導(dǎo)體開關(guān)的通斷時間的變化而呈現(xiàn)脈寬或是頻率的形式，以此來改變并輸出平均直流電壓值。 近代以來許多有關(guān)直流電機控制的各種技術(shù)發(fā)展日益成熟，在微處理器的選擇上具有重大意義，采用單片機控制有很大趨勢。在直流電機控制中，使用單片機來發(fā)生 邏輯電路 的控制上有深遠意義。單片機體積和重量都很小，比較容易操控而且成本也十分低廉，而且在程序開發(fā)中編程語言實現(xiàn)的難度不高，所以在直流電機調(diào)速系統(tǒng)中，通常選擇單片機作為微控制器。在 速控制下，有諸多優(yōu)點：直流電機驅(qū)動系統(tǒng)能源消耗顯著降低，工作性能穩(wěn)定效率明顯，因此更多的研究的熱點朝直流電機控制方向發(fā)展。 流電機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展方向 近年來，電力電子、自動控制、微處理器等發(fā)展快速的新型技術(shù)越來越多應(yīng)用到了直流電機驅(qū)動技術(shù)中去。精度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、成本低、能耗小等成為直流電機驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的新要求。 電機分為同步電機和異步電機。同步電機調(diào)速有調(diào)極和調(diào)頻兩種，然而它們的缺點也尤為突出：調(diào)極方式調(diào)速不平滑，調(diào)速不夠穩(wěn)定；調(diào)頻方式調(diào)速范圍小，電機工作電 第 3 頁 共 35 頁 壓限制在很小范圍，只能為單一功率設(shè)備提供動力。異步電機調(diào)速有變極調(diào)速和交流變頻調(diào)速兩種。交流變頻調(diào)速是利用晶閘管對三相電壓變流，輸出類似正弦波的電壓，是電機獲得類似正弦波變化的電壓，從而實現(xiàn)調(diào)速 [3]。變極調(diào)速設(shè)備簡易、操作難度低，但無法平滑穩(wěn)定調(diào)速；交流變頻調(diào)速能實現(xiàn)平滑調(diào)速，但是設(shè)備龐雜，價格昂貴。 而 動方式不會出現(xiàn)上述調(diào)速方法的缺點，該驅(qū)動方式調(diào)速范圍很寬、能趨于線性平滑穩(wěn)定地調(diào)速、調(diào)速響應(yīng)回饋及時迅速。 采用微處理器能對電動機驅(qū)動系統(tǒng)進行自我調(diào)控 ， 可以說促進了電氣自動化發(fā)展 。而且在電動自行車市場經(jīng)濟上有不少的優(yōu)勢，由于 整個調(diào)速系統(tǒng)體積 小、 結(jié)構(gòu)簡單 ，這樣不會很笨重。而且 可靠性高 、 操作維護方便 ，便于長期使用和保養(yǎng)。 電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達 到較高水平 ，這樣人在騎行的時候就會感到十分平穩(wěn)，在普及上有廣闊的市場前景。 章小結(jié) 本章為本文的開篇總括描述，主要介紹了本課題的背景、目的以及意義，介紹了直流電機調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及直流電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展方向。闡述了利用 速技術(shù)作為電動助力車電機驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速控制手段的優(yōu)越性。為下文的具體研究做了充分的鋪墊。 第 4 頁 共 35 頁 2 直流電機驅(qū)動系統(tǒng) 流電動機 電動助力車的動力源采用的是直流電機，是一種能將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的轉(zhuǎn)動裝置。電動機的定子部分用來產(chǎn)生磁場，固定機身的作用，直流電源向電樞的繞組提供電流，換向器使電樞電流和電磁形成的轉(zhuǎn)矩方向維持不變。直流電動機又分為兩類：一類是有刷直流電動機，另一類是無刷直流電動機。主要是根據(jù)是否配置有機械電刷和換向器來判斷。 以差異的供電方式來劃分的話，無刷直流電機可分為兩類：方波無刷直流電動機和正弦波無刷直流電動機。第一類電動機，其反電動勢和供電電流均由矩形波來提供，正因如此這類電動機也被叫做矩形波永磁同步電動機；而第 二類電動機，其反電動勢和供電電流這兩種波形都由正弦波來支持。 最近，隨著微處理器、自動化技術(shù)、電力電子等技術(shù)的大力發(fā)展還有高開關(guān)頻率、大功率低功耗的電力電子元器件的普及，和高磁能級、成本更低的新永磁材料的出現(xiàn)，使無刷電動機處于理想的發(fā)展環(huán)境?，F(xiàn)在，無刷直流電動機已不僅單純地能進行電子換向，還包含有刷直流電機負載特征。目前無刷直流電機已經(jīng)十分成熟，調(diào)速特性經(jīng)過多年的改良變得很完善，并且無滑動接觸，換向時不會產(chǎn)生火花，操作更為安全，使用期限長噪聲低等優(yōu)點，因而在各個相關(guān)領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。不僅是應(yīng)用在最初的 軍事工業(yè)上，在現(xiàn)代中的數(shù)控機床、機械重工、醫(yī)療設(shè)備、航天航空、電動汽車、工業(yè)自動化領(lǐng)域和家用電器等方面都迅速發(fā)展。因而在電動助力車的驅(qū)動系統(tǒng)中，直流電機是一種不錯的選擇。 制技術(shù) 驅(qū)動電路是調(diào)速電路的重要組成部分，電機調(diào)速系統(tǒng)采用微機完成數(shù)字化控制。脈沖寬度調(diào)制（ 術(shù)與開關(guān)功率電路已是電氣傳動中的潮流，多年之間，直流電機以其良好的線性特性，出眾的調(diào)速范圍，低成本等優(yōu)點成為絕大部分調(diào)速控制系統(tǒng)和閉環(huán)位置式系統(tǒng)的優(yōu)先選用。因此，基于 直流電機調(diào)速技術(shù)在 在現(xiàn)代電氣傳動系統(tǒng)中被廣泛運用，在電動助力車的驅(qū)動系統(tǒng)中也大多采用 術(shù)。 脈寬調(diào)制的全稱為脈沖寬度調(diào)制，英文名稱為 稱 一種利用微處理器來完成對模擬電路控制的一種技術(shù)。簡單的說，就是利用微處理器來調(diào)整一系列脈沖的寬度，輸出的波形是人們想要的形狀和幅值。這項技術(shù)運用簡單，靈活操作，響應(yīng)敏感，這些特點使得人們在直流電動機控制中，經(jīng)常使用這門技術(shù)進行調(diào)速。市場上有售賣的調(diào)速器大多數(shù)利用脈寬調(diào)制（ 理制作的電機調(diào)速器。 第 5 頁 共 35 頁 速器不僅在工業(yè)直流電機調(diào) 速、工業(yè)傳送帶調(diào)速上十分普遍，在生活應(yīng)用中如燈光照明調(diào)節(jié)、計算機電源散熱、直流電扇等也得到了廣泛的應(yīng)用。由于 寬調(diào)制廣泛的適用性，為了適應(yīng)時代發(fā)展的潮流，電動助力車的驅(qū)動系統(tǒng)同樣也采用 寬調(diào)制，就是靠調(diào)節(jié)脈沖的寬度來輸出想要的電壓，通過改變脈沖的周期來控制其脈沖輸出的頻率。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個作用能夠配合一致，避開中間與之不相關(guān)的直流環(huán)節(jié)，對加快調(diào)節(jié)的速度和改善動態(tài)性能方面有重要意義。脈寬調(diào)制的好處是從微處理器到受控制的系統(tǒng)全為數(shù)字式信號，因此不 再需要通過 A/D 轉(zhuǎn)換，這樣信號會始終維持數(shù)字形式，克服模擬信號中噪聲的影響。相對于模擬控制， 噪能力更具優(yōu)勢，這也是在某些通信領(lǐng)域采用 主要原因。簡而言之， 濟性已得到足夠體現(xiàn)，不需要占用太多空間而且能明顯降低噪聲的影響，是一種值得開發(fā)并且在諸多應(yīng)用設(shè)計中得到運用的技術(shù)。 由于使用恒定直流電源提供電力就可以輸出等幅的脈沖，因此可用不可控整流器取代相控整流器，有效改善功率因數(shù)。 流電機 速的基本原理 直流電機的工作原理通過圖 2示，從圖中我 們可以看出， 電機的電樞電動勢 ，其正方向與 樞電流的方向相反 ；電磁轉(zhuǎn)矩 T 的正方向與轉(zhuǎn)速 n 的方向相同，是拖動轉(zhuǎn)矩；軸上的機械負載轉(zhuǎn)矩 空載轉(zhuǎn)矩 與 n 相反，是制動轉(zhuǎn)矩。 圖 2直流電機的工作原理 根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得出電樞電壓電動勢平衡方程式 (2 ()U E a R a R c? ? ? (2式中， 電樞回路電阻； 外接在電樞回路中的調(diào)節(jié)電阻。 直流電機的感應(yīng)電動勢公式為： Ce n? (2 第 6 頁 共 35 頁 式中， 電動勢常數(shù)， ? 是磁通量。 由式 (2式 (2： U - I a ( R a + R c )n= (2由式 (2以看出，對于一個已經(jīng)制造好的電機，有三種調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的方法：調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U；改變磁通量 ? ；改變電樞回路外接電阻 一定范圍內(nèi)無極平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。 在 動控制的調(diào)速系統(tǒng)中，通過改變直流電機電樞上電壓的 “占空比 ”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機的轉(zhuǎn)速 [4]。也正是因為如此， 被稱為 “開關(guān)驅(qū)動裝置 ”。 圖 2號的占空比 如圖 2示，假如電機一直和電源接通時，電機的最高轉(zhuǎn)速為 占空比為D=，則電機的平均轉(zhuǎn)速為 m*D,其中 的是電機的平均轉(zhuǎn)速； 指電機在接通電源時能達到的最大速度； D= 是指占空比。 由上述公式可知，當(dāng)我們改變占空比 D=，就能獲得電機不同的平均速度 轉(zhuǎn)速 ， 這樣就實現(xiàn)到電機的調(diào)速。但嚴格來說，平均速度 占空比 D 并非嚴格的線性關(guān)系。 圖 2占空比與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系 由圖 2以看出，轉(zhuǎn)速與占空比 D 的關(guān)系并非完整的線性（如圖 2的曲線），原因是電樞本身有內(nèi)阻。但是對于普通直流電機來說內(nèi)阻都較小，所以在一般非嚴格要求的應(yīng)用中，在精度要求不高時可將兩者的關(guān)系近似的看成是線性關(guān)系。 第 7 頁 共 35 頁 基于單片機的電機調(diào)速由軟件來實現(xiàn) 速系統(tǒng)中 ，當(dāng)電源電壓恒定時，占空比的大小決定著電機的電樞端電壓的平均值。所以通過改變占空比 D 的值可以改變電樞端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的。改變占空比的值有三種方法：定頻調(diào)寬、調(diào)寬調(diào)頻、定頻調(diào)寬。 前兩種方法在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期（或頻率），當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，容易引發(fā)振蕩，因此常采用頂寬調(diào)寬法來改變占空比大小，從而改變直流電動機電樞兩端電壓 [5]。采用定頻調(diào)寬方式能讓電動機穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，并且在單片機上用軟件實現(xiàn)產(chǎn)生 號也比較方便。用定時器作為脈寬控制的定時方式，產(chǎn)生的脈沖寬度十分精確，誤差在幾個微秒內(nèi)。 流電機調(diào)速的 法 典算法被廣泛應(yīng)用 在工業(yè)控制領(lǐng)域中，在直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)中 法也有至關(guān)重要的作用。 直流電機的調(diào)速控制有開環(huán)和閉環(huán)控制，開環(huán)控制控制精度不高，穩(wěn)定性不足；與之相比，閉環(huán)控制性能大大提高，靜差率更小，調(diào)速范圍更寬。本系統(tǒng)采用位 置式數(shù)字 法，其模型如圖 2示。 圖 2位置式數(shù)字 型 在單片機中要實現(xiàn) 節(jié)，需要利用位置傳感器輸出的脈沖信號來反應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速，與電機速度設(shè)定值比較從而得到速度偏差，偏差經(jīng)過 統(tǒng)傳遞函數(shù)后轉(zhuǎn)化為單片機輸出 號，來控制驅(qū)動電路，達到對電動機速度控制的目的。 體方案設(shè)計 根據(jù)本課題系統(tǒng)設(shè)計的功能的要求，初步選定以下兩種設(shè)計方案。 方案一：采用一塊單片機做系統(tǒng)主控芯片，輸出 制信號，控制系統(tǒng)電機的驅(qū)動，通過按鍵來控制電機的加、減速，同時具有轉(zhuǎn)速測量和 示轉(zhuǎn)速的功能。 方案二：采用兩塊單片機，其中一塊單獨作為電機驅(qū)動控制芯片，專門輸出 一塊則作為系統(tǒng)的主控芯片，完成電機速度的按鍵設(shè)定、轉(zhuǎn)速測量、 示轉(zhuǎn)速，并向電機驅(qū)動控制系統(tǒng)提供設(shè)定值和測量值，設(shè)定 號來控制轉(zhuǎn)速。 在上述兩種設(shè)計方案中，方案一的優(yōu)點是系統(tǒng)硬件簡單，控制及時有效，功能完備， 第 8 頁 共 35 頁 使用一塊單片機足以完成處理程序的任務(wù)，處理難 度不大。而且在資源有限的情況下能節(jié)約成本，在日常設(shè)計和應(yīng)用生產(chǎn)中比較具有性價比。方案二與方案一相比，硬件增加，在程序的設(shè)計上相對復(fù)雜，加大設(shè)計成本。雖然優(yōu)化了按鍵、顯示以及其它擴展功能，但是在能達成相同的要求下，使用最少的資源更佳。因此通過比較，本系統(tǒng)設(shè)計選擇方案一。 單片機主控芯片采用那個 51 系列的 片機，此單片機是一款國產(chǎn)的芯片，低功耗、廉價、工作性能穩(wěn)定各方面都極具性價比， 使用以后可以簡化電路、簡化編程、節(jié)約成本，同時也是在我們學(xué)習(xí)的單片機課程設(shè)計中常使用的控制芯片。系統(tǒng)框圖如 圖 2示： 圖 2電機調(diào)速系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)通過獨立按鍵向單片機輸入控制指令，單片機在軟件控制下，通過定時不間斷地給電機驅(qū)動芯片發(fā)送占空比受數(shù)字 法控制的 號，從而控制電機得電與失電，讓驅(qū)動電路完成直流電機的加速和減速控制。軟件采用 定時中斷 進行設(shè)計。當(dāng)給單片機接通電源后，系統(tǒng)進入初始化狀態(tài)。當(dāng)按動啟動按鈕后，可用加速和減速按鈕，增加或者減小高低電平時的設(shè)定值，從而獲得不同 占空比的輸出信號 ，進而控制直流電機電壓的大小，達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速 的目的。接著利用霍爾傳感器將電機的轉(zhuǎn)速信號變成脈沖頻率 的形式發(fā)送到主控芯片中，構(gòu)成閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)，單片機經(jīng)過 算后改變 沖的占空比，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速實時控制。 控制程序應(yīng)用于電動機的加減速 ，單片機不間斷地將 寬調(diào)制占空比傳輸?shù)?晶顯示器，并顯示電機當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。整個系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。 章小結(jié) 本章對直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論進行了介紹，包括直流電動機與 制技術(shù)，直流電機 速的基本原理，分析了采用 制的調(diào)速方法，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。 第 9 頁 共 35 頁 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 硬件電路是系統(tǒng)的核心，電路設(shè)計的合理性，工作性能的穩(wěn) 定性，是整個系統(tǒng)設(shè)計的主要關(guān)鍵，這關(guān)乎系統(tǒng)的硬件部分能否穩(wěn)定安全地工作。倘若沒有良好硬件電路，即使有再好的軟件程序也無濟于事。在本章中，將闡述電動助力車電機驅(qū)動系統(tǒng)的硬件部分的各個模塊，主要包括核心控制模塊 片機，電機驅(qū)動模塊，顯示模塊，按鍵控制模塊。 片機最小系統(tǒng) 所謂的單片機最小系統(tǒng)就是有單片機和一些基本的外圍電路所組成的一個可以工作的單片機控制系統(tǒng)，也叫做單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)。最小系統(tǒng)的組成包括單片機，晶振電路和復(fù)位電路。 單片機（ 稱為單片微控制器，其基本結(jié)構(gòu)是將微型計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器、輸入接口、輸出接口、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等全部集成在一個半導(dǎo)體芯片上。單片機結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，在硬件、指令系統(tǒng)及I/O 能力等方面都有獨到之處，具有較強而有效的控制能力 [7]。一塊單片機 控制芯片就如同一臺具有一定規(guī)模的微型計算機，因此只要在單片機外圍加上必要的器件，內(nèi)部結(jié)合適當(dāng)?shù)能浖?，就可以以?gòu)成完整的計算機硬件控制系統(tǒng)。單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3示： 圖 3單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 宏晶科技公司生產(chǎn)的一種單時鐘 /機器周期的單片機，作為新一代的 8051 單片機，其優(yōu)點是處理速度快、低功耗、可抗靜電干擾。指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的 8051，但是速度更快。 上集成 1280字節(jié) 84 第 10 頁 共 35 頁 存 儲空間，支持更大的外部存儲擴展。根據(jù)不同的運行速度和功耗的要求，工作頻率范圍在 0~35間，相當(dāng)于普通 8051 的 0~420內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、 4個 16 位定時器、 3 個時鐘輸出口、 2 路 出口，看門狗和外部掉電檢測電路?？梢栽? 電壓范圍內(nèi)正常工作。單片機功能引腳如圖 3示。 圖 3單片機功能引腳圖 部分引腳功能說明 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向輸入 /輸出口，同時也是地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，還可作為 入通道。在按鍵檢測中，由于內(nèi)部上拉電阻的存在，按鍵電路不用再外接上拉電阻。 作為高速脈沖輸出和脈寬調(diào)制輸出，用來產(chǎn)生可控制的 形， 內(nèi)部有上拉電阻，既可作為輸入 /輸出口，也可作為高 8 位地址總線使用 (15)。當(dāng) 作為輸入 /輸出口時， 一個 8 位準(zhǔn)雙向口。在顯示電路的設(shè)計中，可以用 來作為 制端，對顯示屏進行顯示控制操作。 是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向輸入 /輸出口。 分別作為串口 1 的數(shù)據(jù)接收端和發(fā)送端，單片機軟件程序的燒寫就是通過這兩個端口來實現(xiàn)的。 作為外部中斷 0，實現(xiàn)下降邊沿中斷和低電平中斷，在本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速測量的脈沖通過該端口來觸發(fā)，實現(xiàn)外部中斷。 供定時器 /計數(shù)器 0，兩種模式只能二選一不能同時使用。 部時鐘電路反向放大器輸入端，接外部晶振的一個引腳。當(dāng)直接使用外部時鐘源時，此引腳是外部時鐘源的輸入端。 部時鐘電路反向放大器輸出端 ，接外部晶振的一個引腳。當(dāng)直接使用外部時鐘源時，此引腳可以懸空，此時 際將 入的時鐘進行輸出。 位引腳。 源正極。 源負極，接地。 第 11 頁 共 35 頁 復(fù)位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行狀態(tài)的基本模塊。單片機復(fù)位方式通常分為兩種情況：上電復(fù)位和手動復(fù)位。 假如我們的單片機在執(zhí)行程序的時候，突然斷電了，此時單片機內(nèi)部有的區(qū)域數(shù)據(jù)會丟失，有的區(qū)域數(shù)據(jù)可能還沒丟失，那么我們再次打開設(shè)備的時候，為了保證單片機的正常運行，所以在上電后，單片機會進行一 個內(nèi)部初始化的過程，這個過程可理解為上電復(fù)位。上單復(fù)位保證單片機每次都從一個固定的相同狀態(tài)開始工作，這個過程就像我們電腦開機的過程一樣。 當(dāng)單片機在運行程序時，如果遭受外部的意外干擾而導(dǎo)致程序死機，或者出現(xiàn)程序跑飛的時候，長時間失去響應(yīng)，我們可以通過按下復(fù)位按鍵，讓程序重新初始化重新運行，這個過程就叫做手動復(fù)位，如同電腦的重啟鍵一樣。手動復(fù)位就是使用按鍵讓復(fù)位電路接通來獲得低電平，以此來使系統(tǒng)進行復(fù)位。在實驗編程中，調(diào)試時可能要頻繁使用手動復(fù)位，因此在該最小系統(tǒng)設(shè)計中采用手動復(fù)位電路，如圖 3示。 圖 3手動復(fù)位電路 晶體振蕩器，簡稱晶振。它的作用是為單片機系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時鐘信號，單片機內(nèi)部所有的工作都是以這個時鐘信號為步調(diào)基準(zhǔn)來進行工作的，所以要讓晶振有規(guī)律的運行，避免程序運行時可能會出現(xiàn)的誤差。單片機有 兩個晶振引腳 一個12M 的晶振連接，為了幫助晶振順利起振，在時鐘電路中并聯(lián)了兩個 30陶瓷電容，消除干擾實現(xiàn)濾波并維持振蕩信號的穩(wěn)定。時鐘電路如圖 3示。 圖 3時鐘電路 單片機，時鐘電路和復(fù)位電路構(gòu)成了單片機最小系統(tǒng)的三要素，也就是說，一塊單片機只要具 備了這三條件，就可以運行下載的程序了。其它的比如液晶、數(shù)碼管、按鍵傳感器等設(shè)備都屬于單片機的外部設(shè)備，即外設(shè)。利用單片機最小系統(tǒng)我們可以通過單 第 12 頁 共 35 頁 片機編程來控制各種外部設(shè)備。 電電路 在系統(tǒng)中單片機、 驅(qū)動芯片等由于工作電壓很小，而且需要直流供電，所以不能直接接 220V 的工頻交流電，所以在供電單元中，要將 220V 交流電變成系統(tǒng)所想獲得的低壓直流電，并且穩(wěn)定輸出。要實現(xiàn)這一要求，就要設(shè)計直流穩(wěn)壓電路，通過穩(wěn)壓芯片對整流后的電壓進行降壓和穩(wěn)壓處理，來獲得所需要的直流電。 直流穩(wěn)壓電路是一種將 220V 工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電壓輸出的電路，它的工作需要經(jīng)過四個過程才能完成：變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓。其中，整流電路是利用單導(dǎo)向的電氣元件如二極管，把 50正弦交流電轉(zhuǎn)變成脈動的直流電。濾波電路可以將整流部分中輸出電壓的交流部分加以濾掉，通常使用對電路中交流電有阻礙作用的元件，如電容。穩(wěn)壓電路是利用穩(wěn)壓芯片使輸出的穩(wěn)定直流電壓，不隨交流電網(wǎng)電壓，負載和電路參數(shù)的變化而改變。 在本電機驅(qū)動系統(tǒng)中，直流電機采用的是 12電，顯示方式則選用 晶顯示屏，為了使系統(tǒng)能正?？煽康墓ぷ鳎苑€(wěn)定輸出的電壓為 12 5電路中要用到 兩種穩(wěn)壓芯片，輸出電流最大能達到 足系統(tǒng)要求。 圖 3供電單元電路圖 圖 3供電單元電路圖。 220V 交流電經(jīng)過變壓器變壓轉(zhuǎn)化成 15V 交流電， 15后經(jīng)濾波電容 波形成直流電，供電電路中的由 12V 的三端穩(wěn)壓集成電路 行穩(wěn)壓后輸出 12V 的直流電，為直流電機供電，之后并聯(lián)的兩個電容是為了提高電源質(zhì)量再次濾波。輸出端接二極管 二極管高頻性能好，耐壓值高，用作高頻整流。經(jīng)過濾波高頻整流的 12V 直流電，在經(jīng)過三端穩(wěn)壓集成芯片 行穩(wěn)壓后輸出 5V 的直流電，供整個系統(tǒng)包括 示屏，單片機以及驅(qū)動芯片等用電 ，再次濾波后輸出穩(wěn)定的 5V 直流電。最后串接的發(fā)光二極管用作電源指示燈，電源插頭通電后二極管發(fā)光，顯示已上電。 第 13 頁 共 35 頁 示電路 本系統(tǒng)采用 晶顯示屏來顯示電機的轉(zhuǎn)速，目標(biāo)轉(zhuǎn)速和占空比。 液晶顯示器具有厚度很薄，能顯示彩色的文字團，在大規(guī)模的集成電路中可以直接驅(qū)動。目前的個人電腦、數(shù)字相機、移動通信工具等眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用著。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，調(diào)節(jié)電壓能控制顯示屏顯示范圍，通電就能顯示，這樣既能顯示圖形又能顯示字符和漢字。而且顯示屏的接口方式靈活且簡單，指令操作方便，電壓要求不高而且功耗低。和相似功能的點陣液晶顯示模塊比較，不需要復(fù)雜的電路設(shè)計，顯示程序的編寫更為簡化，價格也更為便宜。 表 3主要引腳接口說明表 引腳號 引腳名稱 引腳說明 引腳號 引腳名稱 引腳說明 1 源地 6 能信號 2 源正 15 口方式 3 比度調(diào)整 17 /位端 4 組片選端 19 A 背光源正極 5 行數(shù)據(jù)輸入端 20 K 背光源負極 常用的 晶顯示屏型號有 1602顯示容量為 16× 2 個字符，該顯示器比較容易控制，電路設(shè)計也簡單，能顯示字符，但屏幕小不能顯示漢字； 顯示容量為 128× 64 個字符，該顯示器功率低，驅(qū)動方法和硬件不是很復(fù)雜，而且顯示屏幕夠大，能顯示字符和漢字。根據(jù)系統(tǒng)的顯示要求，要同時顯示轉(zhuǎn)速，目標(biāo)轉(zhuǎn)速和占空比，需要顯示包括漢字以及較多參數(shù)，顯然 顯示容量不能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求，因此選用顯示容量更大且能顯示字符的 12864為顯示模塊。 主要引腳接口說明如表 3示。 圖 3口電路圖 接口電路圖如圖所示。 整個系統(tǒng)電路的顯示部分，單片機通過 口來實現(xiàn)與 通信，單片機的 別與 控制端 連，以此來控制 顯示。單片機與 接口電路如圖 3示。其中 2 引腳是電源引腳，接 5V 電壓。 19 引腳為背光源正極，上電后開啟背光燈，假如低于 5V 則可能會使 示背光