電動自行車調速系統(tǒng)的設計

電動自行車調速系統(tǒng)的設計,電動自行車,調速,系統(tǒng),設計 無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書 第一章 引言 電動車的發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)以及人類對自然環(huán)境的日益關注，電動車才再度成為技術發(fā)展的熱點。 近幾十年來，主要工業(yè)化國家為電動車的開發(fā)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(fā)新型電動車，改善其性能 處于世紀之交的今天，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。為了適應這個發(fā)展趨勢，世界各國的政府、學術界、工業(yè)界正在加大對電動車開發(fā)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(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(tǒng)和電機驅動控制系統(tǒng)。電動車的電機驅動系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)應用不同，非常復雜。因此，對驅動系統(tǒng)的要求是很高的。? 2.1.1? 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。? 2.1.2　電動車用電動機應具有寬廣的調速范圍，包括恒轉矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉矩區(qū)，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(qū)，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。 2.1.3　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。? ? 2.1.4　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(xù)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(huán)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。? ? 2.2 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?。 ? 2.2.1永磁無刷直流電動機的基本性能?。 　 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(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(tǒng)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。? 2.2.2?永磁無刷直流電動機的控制系統(tǒng)?。 典型的永磁無刷直流電動機是一種準解耦矢量控制系統(tǒng)，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(tǒng)非常適合于運行在恒轉矩區(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。? ? 2.2.3永磁無刷直流電動機的不足?。? 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(fā)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(fā)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(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機的驅動系統(tǒng)造價很高。 第三章 總體規(guī)劃 對于電動自行車控制系統(tǒng)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(wěn)定性，抗干擾性。控制核心采用51單片機，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3-1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 3-1 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?？紤]到電機的起動電流和制動時比較大，會造成電源電壓不穩(wěn)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(wěn)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(wěn)牙器74L05輸出即為單片機所要求的+5V電源。電路中接入電容C1、C2是用來實現頻率補償的，可防止穩(wěn)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(wěn)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4-1-1 4．2 顯示電路 顯示部分采用單片機串口通訊，以節(jié)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?！兑妶D4-2-1》 4．3 控制電路 打開系統(tǒng)電源后由電位器控制電動機轉速，IN0-IN6線上那一路模擬電壓被轉換成數字量由ADDA-ADDC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(tài)輸出緩沖器另一方面又使EOC線變?yōu)楦唠娖较騿纹瑱C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?yōu)榈碗娖蕉筄E線變高，以便可以從2-1-2-8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?！兑姼綀D4-3-1》。 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(fā)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(yōu)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(yōu)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4-4-1所示： 脈沖信號： t T 轉速： VMAX VD VMIN 圖 4-4-1 VMAX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4-4-2圖： VD（平均速度） 0 0.5 1 D（占空比） 圖 4-4-2 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，Ta>Tb時電機正轉， Ta Tb則電動機正轉。通過改變Ta 、Tb的占空比即可改變轉速。 4.5總電路圖 《見附圖4-5-1》 第五章 主要器件性能及原理 電動車的性能指標一般包括：驅動性能、駕駛性能、車載能源系統(tǒng)性能三部份，其中驅動性能取決于電機功率因素，車載能源系統(tǒng)性能取決于電池的容量，駕駛性能指標主要包括：加速性能、最大爬坡性能、剎車性能及駕駛里程性能等駕駛模式，駕駛性能指標的優(yōu)劣取決于控制系統(tǒng)駕駛模式的技術 5．1 MCS-51單片機內部結構 ?8051是MCS-51系列單片機的典型產品，我們以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解。?8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數據存儲器(RAM)、定時/計數器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數據總線、地址總線和控制總線等三大總線，現在我們分別加以說明： 5.1.1中央處理器 中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是8位數據寬度的處理器，能處理8位二進制數據或代碼，CPU負責控制、指揮和調度整個單元系統(tǒng)協調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 5.1.2 數據存儲器(RAM) 8051內部有128個8位用戶數據存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數據，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數據，所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數據，運算的中間結果或用戶定義的字型表。 5.1.3 程序存儲器(ROM) 8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數據或表格。 5.1.4 ?定時/計數器(ROM) 8051有兩個16位的可編程定時/計數器，以實現定時或計數產生中斷用于控制程序轉向。 5.1.5并行輸入輸出(I/O)口 8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數據的傳輸。 5.1.6?全雙工串行口 ? 8051內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數據傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當同步移位器使用。 ?5.1.7中斷系統(tǒng) ?8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。 ?5.1.8時鐘電路 ? 8051內置最高頻率達12MHz的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。 單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數據存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數據存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(Princeton)結構。INTEL的MCS-51系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續(xù)產品16位的MCS-96系列單片機則采用普林斯頓結構。 ????下圖是MCS-51系列單片機的內部結構示意圖。 5.1.9MCS-51的引腳說明 MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用?，F在我們對這些引腳的功能加以說明： ·Pin20:接地腳。 ·Pin40:正電源腳，正常工作或對片內EPROM燒寫程序時，接+5V電源。 ·Pin18:時鐘XTAL2腳，片內振蕩電路的輸出端。 8051的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。MCS-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線 與P3口線復用?，F在我們對這些引腳的功能加以說明： ·Pin20:接地腳。 ?·Pin40:正電源腳，正常工作或對片內EPROM燒寫程序時，接+5V電源。 ?·Pin19:時鐘XTAL1腳，片內振蕩電路的輸入端。 ??·Pin18:時鐘XTAL2腳，片內振蕩電路的輸出端。 ???? 8051的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。 ·輸入輸出(I/O)引腳： ???? Pin39-Pin32為P0.0-P0.7輸入輸出腳，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳，Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，Pin10-Pin17為P3.0-P3.7輸入輸出腳，這些輸入輸出腳的功能說明將在以下內容闡述。 ·Pin9:RESET/Vpd復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如下表： 特殊功能寄存器 初始態(tài) 特殊功能寄存器 初始態(tài) ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPH 00H TH0 00H 8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見下圖。此外，RESET/Vpd還是一復用腳，Vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內部RAM的數據不丟失。 5. 2 A/D轉換芯片 　ADC0809芯片是最常用的8位模數轉換器。 它的模數轉換原理采用逐次逼進型，芯片由單個＋5V電源供電，可以分時對8路輸入模擬量進行A／D轉換，典型的A／D轉換時間為100微妙左右。在同類型產品中，ADC0809模數轉換器的分辨率、轉換速度和價位都屬于居中位置。 內部邏輯結構，如圖5-2-1所示。 圖 5-2-1 ADC0809內部結構 引腳功能說明： ·D7～D0：8位數字量輸出，A／D轉換結果。 ·IN0～IN7：8路模擬電量輸入，可以是：0～5V或者－5V～＋5V或者－10V～+10V。 ·+VREF：正極性參考電源。 ·－VREF：負極性參考電源。 ·START：啟動A／D轉換控制輸入，高電平有效。 ·CLK：外部輸入的工作時鐘，典型頻率為500KHz。 ·ALE：地址鎖存控制輸入，高電平開啟接收3位地址碼，低電平鎖存地址。 ·CBA：3位地址輸入，其8個地址值分別選中8路輸入模擬量IN0～IN7之一進行模數轉換。C是高位地址，A是最低位地址。 ·OE：數字量輸出使能控制，輸入高有效，輸出A／D轉換結果D7～D0。 ·EOC：模數轉換狀態(tài)輸出。當模數轉換未完成時，EOC輸出低電平；當模數轉換完成時，EOC輸出高電平。EOC輸出信號可以作為中斷請求或者查詢控制。 ·Vcc：芯片工作電源＋5V。 ·GND：芯片接地端。 5．3 永磁無刷直流電動機 5.3.1 稀土永磁無刷直流電動機的基本工作原理??? 無刷直流電動機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。 無刷直流電動機的原理簡圖如圖5-3-1所示 圖 5-3-1 ： 主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-26KHZ調制波的對稱交變矩形波。 永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產生相位差120°的U、V、W方波，結合正/反轉信號產生有效的六狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產生T1-T4導通、T1-T6導通、T3-T6導通、T3-T2導通、T5-T2導通、T5-T4導通，也就是說將直流母線電壓依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，這樣轉子每轉過一對N-S極，T1-T6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動60°電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于60°電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產生的磁場軸再前進60°電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動機將產生連續(xù)轉矩，拖動負載作連續(xù)旋轉。正因為無刷直流電動機的換向是自身產生的，而不是由逆變器強制換向的，所以也稱作自控式同步電動機。 無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉子磁場軸線位置，所以不論轉子的起始位置處在何處，電動機在啟動瞬間就會產生足夠大的啟動轉矩，因此轉子上不需另設啟動繞組。 由于定子磁場軸線可視作同轉子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產生的平均電磁轉矩與繞組電流成正比，這正是他勵直流電動機的電流-轉矩特性。 電動機的轉矩正比于繞組平均電流： Tm=KtIav （N·m） 電動機兩相繞組反電勢的差正比于電動機的角速度： ELL=Keω （V） 所以電動機繞組中的平均電流為： Iav=（Vm-ELL）/2Ra （A） 其中，Vm=δ·VDC是加在電動機線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，δ是調制波的占空比，Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動機的電磁轉矩： Tm=δ·（VDC·Kt/2Ra）-Kt·（Keω/2Ra） Kt、Ke是電動機的結構常數，ω為電動機的角速度（rad/s），所以，在一定的ω時，改變占空比δ，就可以線性地改變電動機的電磁轉矩，得到與他勵直流電動機電樞電壓控制相同的控制特性和機械特性。 無刷直流電動機的轉速設定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值為+5V對應的最高轉速：Vc（max）ón max，那么，+5V以下任何電平即對應相當的轉速n，這就實現了變速設定。 當Vc設定以后，無論是負載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當轉速低于指令轉速時，反饋電壓Vfb變小，調制波的占空比δ就會變大，電樞電流變大，使電動機產生的電磁轉矩增大而產生加速度，直到電動機的實際轉速與指令轉速相等為止；反之，如果電動機實際轉速比指令轉速高時，δ減小，Tm減小，發(fā)生減速度，直至實際轉速與指令轉速相等為止?？梢哉f，無刷直流電動機在允許的電壓波動范圍內，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉速與指令轉速相差在1%左右，并可以實現在調速范圍內恒轉矩運行。 由于無刷直流電動機的勵磁來源于永磁體，所以不象異步機那樣需要從電網吸取勵磁電流；由于轉子中無交變磁通，其轉子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機高10%左右，一般來說，無刷直流電動機的力能指針（ηcosθ）比同容量三相異步電動機高12%-20%。電動機采用無錫市日馳電機有限公司生產的永磁無刷直流電動機 型號 額定電壓（V） 額定轉速（r/min) 額定功率（W） 效率（%） SWX006 24 190 140 >74 5．4 三端式穩(wěn)壓器78L05三端式穩(wěn)壓器78L05的工作原理 圖 5-4-1 電路如圖5-4-1所示，三端式穩(wěn)壓器由啟動電路、基準電壓電路、取樣比較放大電路、調整電路和保護電路等部分組成。下面對各部分電路作簡單介紹。 5.4.1啟動電路 在集成穩(wěn)壓器中，常常采用許多恒流源，當輸入電壓V1接通后，這些恒流源難以自行導通，以致輸出電壓較難建立。因此，必須用啟動電路給恒流源的BJT T4、T5提供基極電流。啟動電路由T1、T2、DZ1組成。當輸入電壓V1高于穩(wěn)壓管DZ1的穩(wěn)定電壓時，有電流通過T1、T2，使T3基極電位上升而導通，同時恒流源T4、T5也工作。T4的集電極電流通過DZ2以建立起正常工作電壓，當DZ2達到和DZ1相等的穩(wěn)壓值，整個電路進入正常工作狀態(tài)，電路啟動完畢。與此同時，T2因發(fā)射結電壓為零而截止，切斷了啟動電路與放大電路的聯系，從而保證T2左邊出現的紋波與噪聲不致影響基準電壓源。 5.4.2基準電壓電路 基準電壓電路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2組成，電路中的基準電壓為 ? 式中VZ2為DZ2的穩(wěn)定電壓，VBE為T3、D1、D2發(fā)射結（D1、D2為由發(fā)射結構成的二極管）的正向電壓值。在電路設計和工藝上使具有正溫度系數的R1、R2、DZ2與具有負溫度系數的T3、D1、D2發(fā)射結互相補償，可使基準電壓VREF基本上不隨溫度變化。同時，對穩(wěn)壓管DZ2采用恒流源供電，從而保證基準電壓不受輸入電壓波動的影響。 5.4.3取樣比較放大電路和調整電路。 這部分電路由T4～T11組成，其中T10、T11組成復合調整管；R12、R13組成取樣電路；T7、T8和T6組成帶恒流源的差分式放大電路；T4、T5組成的電流源作為它的有源負載。T9、R9的作用說明如下：如果沒有T9、R9，恒流源管T5的電流IC5=IC8+IB10，當調整管滿載時IB10最大，而IC8最小；而當負載開路時IO=0，IB10也趨于零，這時IC5幾乎全部流入T8，使得IC8的變化范圍大，這對比較放大電路來說是不允許的，為此接入由T9、R9級成的緩沖電路。當IO減小時，IB10減小，IC8增大，待IC8增大到 >0.6V時，則T9導通起分流作用。這樣就減輕了T8的過多負擔使IC8的變化范圍縮小。 5.4.4減流式保護電路 減流式保護電路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4組成，R11為檢流電阻。保護的目的主要是使調整管（主要是T11）能在安全區(qū)以內工作，特別要注意使它的功耗不超過額定值PCM。首先考慮一種簡單的情況。假設圖1中的DZ3、DZ4和R14不存在，R15兩端短路。這時，如果穩(wěn)壓電路工作正常，即PC0.6V時，使T12管導通。由于它的分流作用，減小了T10的基極電流，從而限制了輸出電流。這種簡單限流保護電路的不足之處是只能將輸出電流限制在額定值以內。由于調整管的耗散功率PCM=ICVCE，只有既考慮通過它的電流和它的管壓降VCE值，又使PC（VZ3+ VZ4），則DZ3、DZ4擊穿，導致T12管發(fā)射結承受正向電壓而導通。VBE12的值為 經整理后得 顯然，（VI –VO）越大，即調整管的VCE值越大，則IO越小，從而使調整管的功耗限制在允許范圍內。由于IO的減小，故上述保護稱為減流式保護。 5.4.5過熱保護電路 過熱保護電路電路由DZ2、T3、T14和T13組成。在常溫時，R3上的壓降僅為0.4V左右，T14、T13是截止的，對電路工作沒有影響。當某種原因（過載或環(huán)境溫升）使芯片溫度上升到某一極限值時，R3上的壓降隨DZ2的工作電壓升高而升高，而T14的發(fā)射結電壓VBE14下降，導致T14導通，T13也隨之導通。調整管T10的基極電流IB10被T13分流，輸出電流IO下降，從而達到過熱保護的目的。 電路中R10的作用是給T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一條分流通路，以改善溫度穩(wěn)定性。 值得指出的是：當出現故障時，上述幾種保護電路是互相關聯的。 圖 5-4-2三端穩(wěn)壓器的典型接法 圖5-4-2是應用78L05輸出固定電壓VO的典型電路圖。正常工作時，輸入、輸出電壓差應大于2～3V。電路中接入電容C1、C2是用來實現頻率補償的，可防止穩(wěn)壓器產生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。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。 三端穩(wěn)壓器的參數 參 數 單位 7805 輸出電壓范圍 V 4.8~5.2 最大輸入電壓 V 35 最大輸出電流 A 1.5 △V0(I0變化引起) mV 100(I0=5mA~1.5A) △V0(Vi變化引起) mV 50(Vi=7~25V) △V0(溫度變化引起) mV/℃ ±0.6(I0=500mA) 器件壓降(Vi-V0) V 2~2.5(I0=lA) 偏置電流 mA 6 輸出電阻 mΩ 17 輸出噪聲電壓(10~100kHz) μV 40 5．5 集成轉速傳感器KMI15-1 集成轉速傳感器具有靈敏度高、測量范圍寬、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優(yōu)點，是傳統(tǒng)的分立式轉速傳感器的升級換代產品。下面是KMI15系列磁阻式集成轉速傳感器的工作原理與典型應用。 轉速屬于常規(guī)電測參數。測量轉速時經常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進行非接觸性測量，傳統(tǒng)的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構成的，亦可用耳塞機改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點：第一，靈敏度低，傳感器與轉動齒輪的最大間隙（亦稱磁感應距離）只有零點幾毫米；第二，在測量高速旋轉物體的轉速時，因安裝不牢固或受機械振動，容易與齒輪發(fā)生碰撞，安全性較差；第三，這種傳感器所產生的是幅度很低且變化緩慢的模擬電壓信號，因此，需要經過放大、整形后變成沿口陡直的數字頻率信號，才能送給數字轉速儀或數字頻率計測量轉速，而且外圍電路比較復雜；第四，它無法測量非常低（接近于零）的轉速，因為這時磁阻式傳感器可能檢測不到轉速信號。 目前，轉速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發(fā)展5.5.1?。耍停桑保担毙蛡鞲衅鞯男阅芴攸c ＫＭＩ１５－１芯片內含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和ＩＣ。它利用ＩＣ來完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉速成正比，電流信號的變化幅度為７ｍＡ～１４ｍＡ。由于其外圍電路比較簡單，因而很容易配二次儀表測量轉速。 ＫＭＩ１５－１器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉動頻率范圍是０～２５ｋＨｚ，而且即使在轉動頻率接近于零時，它也能夠進行測量。傳感器與齒輪的最大磁感應距離為２．９ｍｍ（典型值），由于與齒輪相距較遠，因此使用比較安全。 該傳感器抗干擾能力強，同時具有方向性，它對軸向振動不敏感。另外，芯片內部還有電磁干擾（ＥＭＩ）濾波器、電壓控制器以及恒流源，從而保證了其工作特性不受外界因素的影響。 ＫＭＩ１５－１的體積較小，其最大外形尺寸為８×６×２１ｍｍ，能可靠固定在齒輪附近。 ＫＭＩ１５采用＋１２Ｖ電源供電（典型值），最高不超過１６Ｖ。工作溫度范圍寬達－４０～＋８５℃。 工作原理 ＫＭＩ１５－１型集成轉速傳感器的外形如圖１所示，它的兩個引腳分別為ＵＣ（接＋１２Ｖ電源端）和Ｕ－（方波電流信號輸出端）。為使信號變換器ＩＣ處于較低的環(huán)境溫度中，設計時專門將ＩＣ與傳感元件分開，以改善傳感器的高溫工作性能。 該傳感器的簡化電路如圖２所示。其內部主要包括以下六部分：磁敏電阻傳感器；前置放大器Ａ１；施密特觸發(fā)器；開關控制式電流源；恒流源；電壓控制器。 實際上，該傳感器是由４只磁敏電阻構成的一個橋路，可固定在靠近齒輪的地方，其測量原理如圖３所示。 當齒輪沿Ｙ軸方向轉動時，由于氣隙處的磁力線發(fā)生變化，磁路中的磁阻也隨之改變，從而可在傳感器上產生電信號。此外，該傳感器具有很強的方向性，它對沿Ｙ軸轉動的物體十分敏感，而對沿Ｚ軸方向的振動或抖動量很不敏感。這正是測量轉速所需要的。 工作時，傳感器產生的電信號首先通過ＥＭＩ濾波器濾除高頻電磁干擾，然后經過前置放大器，再利用施密特觸發(fā)器進行整形以獲得控制信號ＵＫ，并將其加到開關控制式電流源的控制端。ＫＭＩ１５－１的輸出電流信號ＩＣＣ是由兩個電流疊加而成的，一個是由恒流源提供的７ｍＡ恒定電流ＩＨ，另一個是由開關控制式電流源輸出的可變電流ＩＫ。它們之間的關系式為： ＩＣＣ＝ＩＨ＋ＩＫ　 當控制信號ＵＫ＝０（低電平）時，該電流源關斷，ＩＫ＝０，ＩＣＣ＝ＩＨ＝７ｍＡ。當ＵＫ＝１（高電平）時，電流源被接通，ＩＫ＝７ｍＡ，從而使得ＩＣＣ＝１４ｍＡ。圖４給出了從Ｕ－端輸出的方波電流信號的波形，其高電平持續(xù)時間為ｔ１，周期為Ｔ。輸出波形的占空比Ｄ＝ｔ１／Ｔ＝５０％±２０％。上升時間和下降時間分別僅為０．５μｓ和０．７μｓ。 ＫＭＩ１５芯片中的電壓控制器實際上是一個并聯調整式穩(wěn)壓器，可用于為傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓ＵＣ。而電阻Ｒ３、穩(wěn)壓管ＶＤＺ和晶體管ＶＴ１則可構成取樣電路，其中ＶＴ１接成射極跟隨器。Ａ２為誤差放大器，ＶＴ２為并聯式調整管。這樣，ＩＨ在經過Ｒ１、Ｒ２分壓后可給Ａ２提供基準電壓ＵＲＥＦ，從而在ＵＣＣ發(fā)生變化時，由Ａ２對取樣電壓與基準電壓進行比較后產生誤差電壓Ｕｒ，同時通過改變ＶＴ２上的電流來使ＵＣ保持不變。 5.5.3 ＫＭＩ１５－１的典型應用 安裝方法ＫＭＩ１５－１應當安裝在轉動齒輪的旁邊。若被測轉動工件上沒有齒輪，亦可在轉盤外緣處鉆一個小孔，套上螺扣，再擰上一個螺桿并用彈簧墊圈壓緊，以防止受震動后松動，并以此代替齒尖獲得轉速標記信號。 5.5.6 典型應用電路 ＫＭＩ１５－１型集成轉速傳感器的典型應用電路如圖５（ａ）所示。工作時，轉速傳感器輸出方波電流信號，從而在負載電阻ＲＬ與負載電容ＣＬ上形成電壓頻率信號ＵＯ（ｆ），并送至二次儀表。通常?。遥蹋剑保保郸?、ＣＬ＝０．１μＦ。需要指出：ＫＭＩ１５－１輸出的是齒輪轉動頻率ｆ（單位是Ｈｚ，即次／ｓ）信號，欲得到轉速ｎ（ｒ／ｍｉｎ），還應將ｆ除以齒輪上的齒數Ｎ，并將時間單位改成分鐘，公式如下： ｎ＝６０ｆ／Ｎ　 圖５（ｂ）所示電路是由二極管ＶＤ、穩(wěn)壓管ＶＤＺ和電容Ｃ１構成的靜電放電（ＥＳＤ）保護電路，該電路可吸收２ｋＶ的ＥＳＤ電壓，因而可對芯片起到保護作用。此外，還需注意，在存放ＫＭＩ１５系列產品時，不要將多個芯片放在一起以防磁化。 5.6 譯碼器 串行移位譯碼器74LS164內部結構圖如下： 74LS164時序圖 74LS164為串行移位譯碼器，它主要由時鐘線控制，時鐘線每來一個上升弦，數據線將把一位數移進去，移八次就進一個字節(jié)，同時在數碼管顯示出來。 譯碼器是實現組合邏輯的功能部件。它的輸入是二進制的代碼，輸出是一組高低電平信號，每輸入一組不同的代碼，只有一個輸出端呈現有效信號。 74LS245芯片是一個八位的總線收發(fā)器，其輸入/輸出引腳分成兩組，其工作原理如下： 　　允許E　 方向控制DIR　 操作 　　低電平　 低電平　　　　 B數據到A總線 　　低電平　 高電平　　　　 A數據到B總線 　　高電平　 懸空　　　　　 隔離 一.程序設計 開始啟動A/D轉換 棧針初始化分配顯示緩沖區(qū) 設置中斷開CPU中斷允許INT0 INT1中斷 掃描鍵盤 未按下 按下 掃描IN0—IN6 掃描IN7 啟動A/D轉換 調用調寬程序 返回 啟動A/D轉換 調用顯示程序 1主程序框圖 2 INT0中斷服務程序 保護現場 讀A/D轉換結果 送至顯示緩沖區(qū) 啟動A/D轉換 恢復現場 返回 3部分子程序 延時子程序：定時功能。 PWM子程序：用于控制馬達轉速。89C51芯片沒有PWM輸出功能，需要通過編程實現。為了在輸出PWM波時，單片機仍能執(zhí)行其他程序，可以利用單片機內部的定時器溢出中斷來實現。占空比占用一個字節(jié)的RAM，占空比D=N/256。（脈寬調速是使用單片機內部中斷產生周期約為8ms的方波，通過改變高電平的寬度來進行改變電機的轉速） 利用單片機輸出PWM信號.實現了從0%——100%線性可調。? 源碼如下： ?;單片機串口通信+PWM輸出程序 ?;在P1.3輸出調寬信號。 ?;定時器0工作在方式3，TL0為調寬值，TH0為脈沖頻率。 ?;定義：TH0=30H?，TL0=31H ?;TH0DAT?EQU?30H??;脈沖頻率 ?;TL0DAT?EQU?31H??;脈沖寬度 ??ORG?0000H ???AJMP?START ???ORG?000BH ???AJMP?PWM_TUN?;調寬子程序 ???ORG?001BH ???AJMP?PWM?????;脈頻率子程序 START:CLR?P1.3 ??????MOV?TCON,#00H ??????MOV?TMOD,#03H??;T0工作在方式3定時。 ??????MOV?TH0,#56????;200uS?頻率為50KHz ??????MOV?TL0,#186???;70uS?脈沖寬度為35%?用示波儀實測相合。 ?????SETB?TR1 ?????SETB?TR0 ?????SETB?ET0 ?????SETB?ET1 ?????SETB?EA ?????AJMP?MAIN1 MAIN1: ??????...... ;======================================== ?;PWM子程序 ?;定時值通過串口接收，在P1.0輸出調寬信號。 ?;定時器0工作在方式3，TL0為調寬值，TH0為脈沖頻率。 ?;定義：TH0=30H?，TL0=31H ?;程序入口PWM，輸入：TH0DAT、TH0DAT ??PWM:?????????????????;TH0使用T1的中斷標志。本段為脈沖頻率。 ????????MOV?TCON,#00H ??????CLR?ET0?????????;暫停中斷以仿干擾? ?????SETB?P1.3? ??????MOV?TMOD,#03H ??????MOV?TH0,#56??????;12MHz晶振時PWM為50KHz，脈寬35%. ??????MOV?TL0,#186 ?????SETB?TR1 ?????SETB?TR0 ?????SETB?ET0 ?????SETB?EA ?????RETI????? ;?-------------------------------???? ??PWM_TUN: ?????CLR?P1.3? ?????CLR?TF0???;脈寬結束，輸出低電平。 ?????CLR?TR0???;同時關TL0中斷。 ???????????????RETI?? END 5．7電動自行車的核心蓄電池 1電動車的電池的性能 為什么天冷性能差天熱性能好？ 蓄電池的充放電過程是一個電化學的反應過程，是受溫度影響的，以25度為標準溫度，放電過程中，每下降一度，電池容量幾乎下降百分之一，充電過程更明顯，所以在冬天，盡量放在溫暖的環(huán)境中充電（當然也不是溫度越高越好，溫度過高會影響電池壽命，甚至發(fā)生危險），以便充電飽滿。電動車電池的充電基本都是三段式充電，第一階段是恒定電流充電，第二階段是恒壓充電，第三階段是浮充充電，第一、二階段時，充電器顯示紅燈，隨著電池趨于飽和，充電電流越來越小，當電流小于設計值后，充電器指示燈有紅色變?yōu)榫G色，繼而轉為第三階段，2小時后即認為充滿，此過程是由電子元件完成，并非雙金屬片 2電動車的電池原理是什么 電池的內部一般是22～28％的稀硫酸。電池正放的時候電解液可以淹沒極板并且還剩下一點空間如果把電池橫放的話會有一部分電極板暴露在空氣中，這對電池的極板非常不利，而且一般的電池的觀察孔或者電池的頂部都有排氣口與外界相通，所以電池橫放電解液很容易流出。蓄電池是電池中的一種，它的作用是能把有限的電能儲存起來，在合適的地方使用。它的工作原理就是把化學能轉化為電能。 它用填滿海綿狀鉛的鉛板作負極，填滿二氧化鉛的鉛板作正極，并用22～28％的稀硫酸作電解質。在充電時，電能轉化為化學能，放電時化學能又轉化為電能。電池在放電時，金屬鉛是負極，發(fā)生氧化反應，被氧化為硫酸鉛；二氧化鉛是正極，發(fā)生還原反應，被還原為硫酸鉛。電池在用直流電充電時，兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源后，它又恢復到放電前的狀態(tài)，組成化學電池。鉛蓄電池是能反復充電、放電的電池，叫做二次電池。它的電壓是2V，通常把三個鉛蓄電池串聯起來使用，電壓是6V。汽車上用的是6個鉛蓄電池串聯成12V的電池組。鉛蓄電池在使用一段時間后要補充硫酸，使電解質保持含有22～28％的稀硫酸。 放電時,電極反應為:PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO4 + 2H2O 負極反應: Pb + SO42- - 2e- = PbSO4 總反應: PbO2 + Pb + 2H2SO4 === 2PbSO4 + 2H2O (向右反應是放電,向左反應是充電) 蓄電池的應用十分廣泛，可用于UPS，電動車，滑板車，汽車，風能太陽能系統(tǒng)，安全報警等等方面。 鉛酸蓄電池產品主要有下列幾種，其用途分布如下： 起動型蓄電池：主要用于汽車、摩托車、拖拉機、柴油機等起動和照明； 固定型蓄電池：主要用于通訊、發(fā)電廠、計算機系統(tǒng)作為保護、自動控制的備用電源； 牽引型蓄電池：主要用于各種蓄電池車、叉車、鏟車等動力電源； 鐵路用蓄電池：主要用于鐵路內燃機車、電力機車、客車起動、照明之動力； 儲能用蓄電池：主要用于風力、太陽能等發(fā)電用電能儲 5.8控制器與保護功能 車用電機控制器近年來的發(fā)展速度之快，使人難以想象，操作上越來越“傻瓜”化，而顯示則越來越復雜化。比如，車速的控制已經發(fā)展到“巡航鎖定”；驅動方面，有的同時具有電動性能和助力功能，如果轉換到助力狀態(tài)，借助鏈條張力測力器，或中軸扭力傳感器，只要用腳踏動腳蹬，便可執(zhí)行助力或確定助力的大小。這期本刊開始給您講述控制器的知識，讓您對控制器有一個更全面的了解。 一、控制器與保護功能 （一） 控制器簡介 簡略地講控制器是由周邊器件和主芯片（或單片機）組成。周邊器件是一些功能器件，如執(zhí)行、采樣等，它們是電阻、傳感器、橋式開關電路，以及輔助單片機或專用集成電路完成控制過程的器件；單片機也稱微控制器，是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號語言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調制功能電路以及能使開關電路功率管導通或截止、通過方波控制功率管的的導通時間以控制電機轉速的驅動電路、輸入輸出端口等集成在一起，而構成的計算機片。這就是電動自行車的智能控制器。它是以“傻瓜”面目出現的高技術產品。 控制器的設計品質、特性、所采用的微處理器的功能、功率開關器件電路及周邊器件布局等，直接關系到整車的性能和運行狀態(tài)，也影響控制器本身性能和效率。不同品質的控制器，用在同一輛車上，配用同一組相同充放電狀態(tài)的電池，有時也會在續(xù)駛能力上顯示出較大差別。 （二） 控制器的型式 目前，電動自行車所采用的控制器電路原理基本相同或接近。 有刷和無刷直流電機大都采用脈寬調制的PWM控制方法調速，只是選用驅動電路、集成電路、開關電路功率晶體管和某些相關功能上的差別。元器件和電路上的差異，構成了控制器性能上的不大相同?？刂破鲝慕Y構上分兩種，我們把它稱為分離式和整體式。 1、分離式 所謂分離，是指控制器主體和顯示部分分離（圖4-22、圖4-23）。后者安裝在車把上，控制器主體則隱藏在車體包廂或電動箱內，不露在外面。這種方式使控制器與電源、電機間連線距離縮短，車體外觀顯得簡潔。 2、一體式 控制部分與顯示部分合為一體，裝在一個精致的專用塑料盒子里。盒子安裝在車把的正中，盒子的面板上開有數量不等的小孔，孔徑4~5mm，外敷透明防水膜?？變认鄳恢迷O有發(fā)光二極管以指示車速、電源和電池剩余電量。 （三）控制器的保護功能 保護功能是對控制器中換相功率管、電源免過放電，以及電動機在運行中，因某種故障或誤操作而導致的可能引起的損傷等故障出現時，電路根據反饋信號采取的保護措施。電動自行車基本的保護功能和擴展功能如下： 1、制動斷電 電動自行車車把上兩個鉗形制動手把均安裝有接點開關。當制動時，開關被推押閉合或被斷開，而改變了原來的開關狀態(tài)。這個變化形成信號傳送到控制電路中，電路根據預設程序發(fā)出指令，立即切斷基極驅動電流，使功率截止，停止供電。因而，既保護了功率管本身，又保護了電動機，也防止了電源的浪費。 2、欠壓保護 這里指的是電源的電壓。當放電最后階段，在負載狀態(tài)下，電源電壓已經接近“放電終止電壓”，控制器面板（或儀表顯示盤）即顯示電量不足，引起騎行者的注意，計劃自己的行程。當電源電壓已經達到放終時，電壓取樣電阻將分流信息饋入比較器，保護電路即按預先設定的程序發(fā)出指令，切斷電流以保護電子器件和電源。 3、過流保護 電流超限對電機和電路一系列元器件都可能造成損傷，甚至燒毀，這是絕對應當避免的。控制電路中，必須具備這種過電流的保護功能，在過流時經過一定的延時即切斷電流。 4、過載保護 過載保護和過電流保護是相同的，載重超限必然引起電流超限。電動自行車說明書上都特別注明載重能力，但有的騎行者或未注意這一點，或抱著試一下的心理故意超載。如果沒有這種保護功能，不一定在哪個環(huán)節(jié)上引起損傷，但首當其沖的就是開關功率管，只要無刷控制器功率管燒毀一只，變成兩相供電后電動機運轉即變得無力，騎行者立即可以感覺到脈動異常；若繼續(xù)騎行，接著就燒毀第2個、第3個功率管。有兩相功率管不工作，電動機即停止運行，有刷電機則失去控制功能。因此，由過載引起的過電流是很危險的。但只要有過電流保護，載重超限后電路自動切斷電源，因超載而引起的一系列后果都可以避免。 5、欠速保護 仍然屬于過流保護范疇，是為不具備0速起步功能的無刷控制系統(tǒng)而設置。 6、限速保護 是助力型電動自行車獨有的設計控制程序。車速超過某一預定值時，電路停止供電不予助力。對電動型電動自行車而言，統(tǒng)一規(guī)定車速為20km/h，車用電動機在設計時，額定轉速就已經設定好了，控制電路也已經設好。電動自行車只能在不超過這個速度狀態(tài)下運行。 控制器的位置不會影響到性能，主要視設計者的意圖。但有幾項原則：（1）在運行操作允許時；（2）在整體布置允許時；（3）在線路布設要求時；（4）在配套設施要求時。 第六章 電動自行車的維修