基于单片机的电动自行车调速专业系统设计.doc
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1、基于单片机电动自行车调速系统设计摘要:近年来,随着人们生活改进,摩托车、燃油助力车得到迅速发展,其排放尾气已导致都市空气严重污染,某些都市相继制定法规限制摩托车、燃油助力车使用来保护环境。发展短距离绿色交通工具代替摩托车、燃油助力车成为某些国家经济和社会课题。电动自行车具备“零排放”,是一种比较好短距离绿色交通工具。由于电池问题,限制了电动自行车行驶距离,但可以通过提高系统效率来改进其性能。本课题研制电动自行车用无位置传感器直流无刷永磁电动机来驱动,用PIC16C74单片机作为主控芯片,它不但克服了有刷直流电机噪音、换向火花等缺陷,并且避免了有位置传感器直流无刷电机因位置传感器带来局限性;同步
2、,它减少了制造和使用过程中成本,提高了使用和维护以便性,具备效率高、环保、经济和以便特点以及具备良好运营性能和巨大市场潜力。核心词:电动自行车;位置传感器;直流无刷电动机;单片机控制Based on the SCM system designspeed electric bicyclesAbstract:In the recent years,the motorbike has rapidly developed with the improving of living Chinese People. Because of air pollution of internal combustio
3、n engine the local governments of different cities in China come on a lot of rules of law to restrict the use of combustion engine and then to promote the environment protection. To replace the motorbike with a short green transportation has become some nations economic and social issue.This paper d
4、eals with an electric motor driven bike (EB) and its control stratagem. Without fail,EB 15 very helpful to environment protection. Nevertheless EB has its disadvantages,especially the too weak continuous run distance. Except the battery problem,the efficiency of the whole system 15 also one of the m
5、ost important problems to be solved. A permanent brush-less and sensor-less DC motor and its control set are specially designed for this developed EB.A study on control stratagem and electronic resorts are given in this paper. A microchip PIC16C74 used as CPU and corresponding software developed by
6、author 15 introduced in this control system. The experiments of the prototype show that the performance,including system efficiency,noise,spark,maintenance-free and its cost are obviously improved. It may be expected,that this EB driving system has really huge market potential.Key Words:Motor Bike;P
7、osition Sensor;BLDC Motor;Microcomputer controlled第1章 概述1.1 电动自行车意义及发展状况1.1.1 电动自行车意义人类在进入工业化社会之后,大量使用地球上石油、煤等化石能源,使得空气中二氧化碳和二氧化硫急剧增长,导致了酸雨蔓延和温室效应,特别是二十世纪后期,酸雨大面积扩展,几乎蔓延至所有国家,“厄尔尼诺现象”、“拉尼拉现象”频繁浮现。酸雨导致农作物减产,大片森林死亡;温室效应给工农业生产和人民生活导致损失,无法预计。当前,发展中华人民共和国家空气还在进一步恶化,国内作为世界上最大发展中华人民共和国家,环境问题已经引起党和国家以及人民群众注
8、重。研究表白,导致大气污染重要气体有非甲烷有机物、氧化氮和一氧化碳等气体。具记录,在美国城区大气中,43%非甲烷有机物、57%氧化氮和82%一氧化碳都是由燃油机动车废气排放产生,而全世界20%一氧化碳排放量来源于燃油机动车废气。由此可见,燃油机动车废气己成为都市大气污染一种重要来源。燃油机动车废气中氮氧化物在太阳紫外线照射下,容易形成高毒性光化学烟雾,再加上机动车噪音,严重污染着咱们赖以生存自然环境,直接危害着咱们身体健康。因而,在大都市,燃油机动车废气和噪音已成为倍受关注公害之一。随着国内改革开放进一步,人民生活水平日益提高,在家用轿车还没有普及状况下,摩托车和燃油助动车得以广泛使用,这给国
9、内都市环境问题带来很大压力,例如在上海市,1995年中心城区内机动车一氧化碳、非甲烷有机物和氧化氮排污负荷分别占该区域内相应排放总量76%、93%和44%;某些都市如上海、广州、合肥、济南等,己相继出台政策法规,停止或限量核发摩托车和燃油助动车牌照。因而,研制生产出一种无污染、低噪音交通工具来代替摩托车和燃油助动车,已是时代需要。电动自行车正是在这样呼唤下,逐渐走进人们生活中。电动自行车与摩托车、燃油助动车相比较,它具备突出长处: (1)无污染电动自行车是以蓄电池发出电能作为驱动能源,以电动机作为动力,运营过程中没有废气排放;因而和摩托车、燃油助动车相比,没有污染。(2)低噪音、振动小电动自行
10、车是由电动机驱动,电动机在运营中产生噪音比较小,运营比较平稳。而摩托车、燃油助动车是由燃油发动机驱动,其汽缸产生噪音比较大,由于受到体积限制,其发电机缸数较少,运营时不够平稳,振动较大。(3)最高时速20公里,行驶安全摩托车、燃油助动车速度快,在机动车道上行驶,事故率较高;而电动自行车,国家强制性规定(国标GB 17761-1999)其速度不能超过20km/h,并且电动自行车普通不能在机动车道上行驶,因而相比之下安全诸多。(4)效率高摩托车、燃油助动车效率普通只有30%左右,而电动自行车效率可以达到70%以上。(5)构造简朴、轻便,易维护、维修电动自行车普通是有蓄电池、控制板、电机和车身构成;
11、蓄电池用是免维护,电机故障率较低,基本上不要维护,控制板由于当代电力电子技术比较成熟,损坏率也比较低,此外电动自行车没有机械传动构造,体积小、重量轻,因而相比摩托车、燃油助动车来说,其寻常维护、维修量少得多。正是由于以上因素,电动自行车逐渐受到人们欢迎。1.1.2 电动自行车发展状况为理解决燃油车对环境导致严重污染和缓和日益突出能源危机,许多国家都在寻找代替燃油机车交通工具。相继开发了以天然气、甲醇为燃料交通工具,相比之下,电动车以零污染、高效率、低噪音特点被以为是真正“绿色”交通工具,而电动汽车受到机电、电池限制,批量进入市场尚有一定难度,电动自行车却得到迅速发展。1、自从1993年雅马哈公
12、司PAS(能量辅助系统)进入市场以来,电动自行车在日本己经成为短距离用交通工具主流。日本本土1996年电动自行车销售量在20万辆以上,1998年6、7两个月日本共生产电动自行车29432辆,据报道日本电动自行车需求量在750万辆,并且每年以5%10%速度递增,其中尚有一半需进口。相继之下,不少公司如本田、三菱、五十铃等50多家公司参加电动自行车、电动助力车研究开发,共生产出48个品种规格。日本电动自行车驱动系统多为永磁无刷电机,工作电压为24V或36V,功率在180W250W之间;蓄电池普通以镍铬或镍氢为主,容量在5 10Ah之间,充电一次行驶里程约2540Km;车速低于24Km/h。美国电动
13、自行车年需求量在1500万辆左右,每年以5%10%速度递增大某些靠进口;美国克莱斯勒汽车公司一款电动自行车年销售量在5万量以上,而尤尼克公司于1998年6月推出一款电动自行车,年销售目的在1000万辆。美国ZAP(Zero Air Pollution)公司生产电动自行车是采用摩擦轮驱动方式,其重要特点是安装以便,可以直接改装普通自行车,下坡或进行锻炼时,驱动电机可作为发电机向蓄电池充电,从而延长行驶里程和蓄电池使用寿命,节约能源。欧盟许多国家对电动自行车年需求在量1000万辆左右。德国MSG公司、DIAMANT公司、SAGHS公司、英国ASGHBAGH公司、奥地利VEIECKRO公司、SCHA
14、CHANER公司生产电动自行车己投入市场,销路较好,致使德国奔驰、法国标致等大公司也把目的投入到电动自行车这一产品上来。2、国内电动自行车在7080年代经历了几次大起大落之后,到90年代初又再度形成热点,顺应了20世纪世界环保潮流。从1996年“上海国际自行车展览会”到1997年在浙江上虞召开“全国电动自行车信息交流会”短短一年里,国内开发厂家从20多家一跃发展到100多家。许多地方如上海、天津、江苏、四川等省市都将电动自行车产业列入“九五”重点发展品种。电动自行车充分运用当今新技术、新材料,特别采用集成电路、电子元器件,提高了电动自行车控制器质量,使其可靠性、安全性、灵活性得到了提高。中华人
15、民共和国是一种自行车王国,据报道全国自行车拥有量为4.5亿。随着国内都市化进程加快,用电动自行车代替摩托车、燃油助动车和自行车,一方面可以缓和都市中大气污染问题,另一方面也可以提高人们生活节奏,因而电动自行车社会需求市场巨大,据专家预测,本世纪初,国内电动自行车年需求量将达到100万辆以上。当前,国内市场上国产电动自行车品种规格较多,驱动多数用有刷或无刷轮式直流电机,工作电压为24V、36V或48V,功率在150W400W之间;蓄电池普通用是免维护铅酸蓄电池,容量为12Ah,充电时间在38小时左右,充电一次行驶里程约50Km左右;车速低于20Km/h,爬坡能力在4度上下;车型有普通型和豪华型,
16、车重约35Kg,载重量约75Kg,百公里耗电量1Kwh左右。1.2 本课题重要任务由于电动自行车诸多长处,市场需求量大,因而电动自行车在将来发展潜力比较大;但是当前市场上电动自行车还或多或少存在某些不够完善地方。使用有刷直流电动机容易解决电压换向问题,但是噪音大,并且碳刷容易磨损、损坏,增大维护、维修难度、增长使用成本;使用位置传感器,容易解决直流无刷电机换向时,转子位置检测,但是增大了电机设计、制造、安装难度和电机体积,也增长成本。因而,本课题重要任务是运用当代电力电子技术来解决无位置传感器无刷直流电机换向问题,从而解决电动自行车控制、驱动中不完善地方,同步设计出以便顾客使用电动自行车运营参
17、数显示和防盗系统。本论文重要内容涉及:l、依照直流无刷电机原理,运用美国Microchip公司生产芯片PIC16C74A做为主控芯片,检测直流无刷电机运转时产生反电势来拟定转子位置,从而拟定换向点和换向时刻。2、运用液晶技术,设计出电动自行车运营过程中参数显示系统。3、实验、计算、分析成果得出结论。 第2章 电动自行车研究2.1 直流无刷电机原理简介2.1.1 直流无刷电机发展直流无刷电机是在直流有刷电机基本上发展起来。由于直流有刷电机换向器和电刷在电机高速运营时容易产生火花,引起火灾、爆炸等事故,因而许多环境限制了直流有刷电机应用。随着科学技术发展,开关型晶体管研制成功,为直流电机发展带来生
18、机。通过不断研究和实践,人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来代替直流有刷电机机械换向装置。六十年代初浮现了用霍尔元件传感器直流无刷电机,七十年代初浮现了比霍尔元件传感器敏捷度高许多倍磁敏二极管换流直流无刷电机。随着人们不断努力,又发现了不用位置传感器,而依托电机绕组在运转时产生反电势来获得位置信号实现换向直流无刷电机。普通把这种运用检测绕组反电势获得位置信号直流无刷电机称为反电势法无刷直流电机或直流无刷无位置传感器电机。由于直流无刷电机具备无换向火花,抗干扰性强,运营可靠,维护简便,使用寿命长等长处,使其得以广泛应用于家庭、办公、工业、军事、航空航天等领域。2.1.2 直流无刷电机运营原
19、理普通永磁式直流电动机定子由永久磁钢构成,其重要作用是在电动机 气隙中建立磁场,其电枢绕组通电后产生电枢反映磁场,由电力电子逆变器供应电枢绕组电流并不是正弦波,而是120方波,因而三相合成磁动势不是恒速旋转,而是跳跃式步进磁动势,它和恒速旋转转子磁动势产生献转矩除了平均转矩之外,尚有脉动分量。由于电力电子逆变器换向作用,使得这两个磁场方向在电动机运动过程中始终保持一定角度,从而产生最大平均转矩而驱动电动机不断地运转,与直流有刷电动机不同,直流无刷电动机电枢转一圈,定子绕组只换相6次,每个极下换相三次,相称于只有三个换向片直流电动机。图2-1 逆变器主电路电子换向逆变器主电路如图2-1所示,AA
20、、BB、CC代表直流无刷电动机三相定子绕组,采用Y型连结,逆变器为两两通电方式,120导电型。一方面假设转子处在图2-2(a)位置,若此时使V3、V4导通,则电流从B端流入,A端流出,定子磁动势为Fa,如图-2(a)示,在Fa作用下,转子将顺时针旋转,转到图2-2(b)位置时,图2-2 无刷直流电动机运营原理图如果使V4、V5导通,则电流由C端流入,A端流出,定子磁动势为Fb,在Fb作用下,转子将继续顺时针旋转,依次类推,如果每隔60电角度顺序使V5和V6、V1和V6、V1和V2、V3和V2两两导通,即可使定子磁动势分别如图2-2(c)、图2-2(d)、图2-2(e)、图2-2(f)所示,从而
21、形成旋转磁动势,在这个磁动势作用下,转子也会随之旋转,如果使开关管重复按上述规律导通,即可使转子持续旋转下去,且定子磁动势总是超前于转子磁极轴线角度60120之间。其各相绕组导通示意图如图2-3所示。图2-3 各相绕组导通示意图由上述分析可见,要使直流无刷电动机对的换相运营,必要懂得图2-2所示六个转子核心位置,六个转子核心位置即相应着直流无刷电动机反电动势过零点后30(电角度)处。如果是有位置传感器直流无刷电动机,则可以通过传感器来直接获得转子六个转子核心位置信息,如果是无位置传感器无刷直流电动机,则需要通过直流无刷电动机三相定子绕组反电势直接或间接获得转子位置信息。2.2 电动自行车驱动电
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