電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的研究

摘要：主要研究了電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法、控制策略和電路原理?？刂齐娐坊诳刂菩酒?strong>8051單片機(jī)，通過轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速，通過八段數(shù)碼管動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，并根據(jù)永磁無刷直流電動機(jī)的特性實(shí)施了脈寬PWM控制，在軟硬件的配合下，實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)速系統(tǒng)PWM；單片機(jī)；永磁無刷直流電動機(jī)

    電動自行車是一種健康、環(huán)保、便捷的綠色交通工具，它比較符合中國的實(shí)情，它含有材料科學(xué)、機(jī)械控制、電子等多種技術(shù)。電動車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)一般由傳感器、功率變換器、電動機(jī)、控制器組成。

1 電動自行車調(diào)速系統(tǒng)要求和總體規(guī)劃
1．1 調(diào)速系統(tǒng)對電動機(jī)的基本要求
    電動車所用的電動機(jī)應(yīng)該具有加速性能好、過載能力強(qiáng)、使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，并且具有較大的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)，同時具有最佳利用能量功能。另外還要求電動機(jī)的可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，可以大批量生產(chǎn)，使用維修便捷等優(yōu)點(diǎn)。
1．2 采用永磁無刷直流電動機(jī)
    永磁無刷直流電動機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是具有直流電動機(jī)的外特性而沒有刷的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。它采用的是永磁體轉(zhuǎn)子，會發(fā)熱的電樞繞組裝在外面的定子上，不會產(chǎn)生無線電干擾，運(yùn)行也很可靠，使用和維修簡單方便。與其它系統(tǒng)相比，永磁無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)具有更高的效率和能量密度，在電動車中有很好的應(yīng)用前景。
1．3 調(diào)速系統(tǒng)的總體規(guī)劃
    電動自行車的基本原理是：由蓄電池提供電能，電動機(jī)驅(qū)動自行車。電動自行車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有以下四個方面：(1)控制電路的設(shè)計(jì)；(2)傳感器選擇以及安放設(shè)計(jì)；(3)顯示電路的設(shè)計(jì)；(4)程序設(shè)計(jì)。

2 調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
    控制電路主要有電源電路、電機(jī)驅(qū)動電路、單片機(jī)接口電路、顯示電路四個部分。傳感器的電源直接使用24 V蓄電池，單片機(jī)的電源則通過三端穩(wěn)壓器78L05將24 V電源轉(zhuǎn)換到5 V。
2．1 電源電路、顯示電路和控制電路
    24 V直流電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器74L05輸出即為單片機(jī)所要求的+5 V電源。顯示部分采用單片機(jī)串口通訊，單片機(jī)通過中斷的方式為顯示服務(wù)。打開系統(tǒng)電源后由電位器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，IN0-IN6線上那一路模擬電壓被轉(zhuǎn)換成數(shù)字量由ADDA-ADDC線上的地址決定。
2．2 驅(qū)動電路及原理
    電動自行車使用24 V直流電機(jī)，這種小功率直流電機(jī)一般有兩種調(diào)速方法：一是使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)；二是脈寬調(diào)制型，它有雙向式和單向式兩種。
    考慮到電動自行車對調(diào)速精度和距離控制要求不太高等多方面因素，決定采用單向式開環(huán)PWM控制。

3 調(diào)速系統(tǒng)主要器件性能及原理
    電動車的性能指標(biāo)一般由驅(qū)動性能、駕駛性能、車載能源系統(tǒng)性能這三部分組成。驅(qū)動性能取決于電機(jī)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(biāo)的優(yōu)劣取決于控制系統(tǒng)駕駛模式的技術(shù)。
3．1 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    8051單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時／計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等。8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示：

3．2 永磁無刷直流電動機(jī)的基本工作原理
    無刷直流電動機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，在電動機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器，定子磁場軸線與轉(zhuǎn)子軸線是垂直的。
    由于繞組平均電流和平均電磁轉(zhuǎn)矩成正比：
    Tm=KtIav(N·m)。
    電動機(jī)的角速度和兩相繞組反電勢的差也成正比：
    ELL=Keω(V)。
    所以，平均電流Iav=(Vm-ELL)／2Ra(A)，Vm=δ·VDC。
3．3 三端式穩(wěn)壓器78L05的工作原理
    三端式穩(wěn)壓器由啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護(hù)電路等部分組成，電路如圖2所示。

    在集成穩(wěn)壓器中，常常采用許多恒流源，當(dāng)恒流源難以自行導(dǎo)通時，就用啟動電路給恒流源的BJT T4、T5提供基極電流?；鶞?zhǔn)電壓電路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2組成。T4～T11組成取樣比較放大電路和調(diào)整電路；取樣電路由R12、R13組成。減流式保護(hù)電路的功耗不能超過額定值PCM。

4 電動自行車的保養(yǎng)
    為了延長電動車的壽命，用戶在使用時需要注意以下幾點(diǎn)：
    (1)注意充電的環(huán)境，養(yǎng)成節(jié)電好習(xí)慣。充電時要保持電池和充電器通風(fēng)而且能調(diào)節(jié)溫度，使用時在安全的前提下盡量少剎車。
    (2)保護(hù)好充電器，不隨便更換。盡量讓充電器減少振動，通常不要放在車籃和后蓋箱。
    (3)要及時充電并定期進(jìn)行深放電。用完電要及時充滿，變燈后繼續(xù)充一會兒再用。深放電有利于電池容量的提升。
    (4)消費(fèi)者要利用維修服務(wù)對電池進(jìn)行定期檢查，延長電池壽命。

5 結(jié)束語
    在電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的研究中，為避免在設(shè)計(jì)完成后再去進(jìn)行抗干擾的補(bǔ)救措施，在設(shè)計(jì)時就應(yīng)從抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能這三方面采取措施來提高系統(tǒng)性能。在抗干擾設(shè)計(jì)中，硬件抗干擾是主動措施，而軟件抗干擾是被動措施，采用兩者相結(jié)合的方法，即能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。