第 I 頁(yè) 摘 要 電動(dòng)助力車(chē)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(dòng)助力車(chē)因其廉價(jià)、無(wú)污染、噪音低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，儼然成為人們出行的優(yōu)選。目前的電動(dòng)助力車(chē)大多采用直流電機(jī)作為動(dòng)力，其操作性和可靠性的優(yōu)劣與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)密切相關(guān)。 本課題詳細(xì)介紹了電動(dòng)助力車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理和霍爾傳感器，以及 司的片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)以 片機(jī)控制模塊為核心，由單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)和操縱系統(tǒng)。該系統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)功能齊備、使用方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、工作可靠、檢測(cè)速度快、容易做到實(shí)時(shí)控制轉(zhuǎn)速，并顯示轉(zhuǎn)速。本課題的研究?jī)?nèi)容主要有一下幾個(gè)方面： （ 1） 介紹了電動(dòng)助力車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的相關(guān)技術(shù)，分析利用單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制的基本原理，分析利用傳感器技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法；闡述電動(dòng)助力車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 。 （ 2） 完成系統(tǒng)的硬件電 路的設(shè)計(jì)，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與轉(zhuǎn)速采集電路以及調(diào)速電路的設(shè)計(jì)，單片機(jī)控制模塊的設(shè)計(jì)與顯示電路的設(shè)計(jì)。 （ 3） 編寫(xiě)系統(tǒng)軟件程序并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試。制作硬件樣機(jī)，并進(jìn)行系統(tǒng)性能的分析。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； 電機(jī)驅(qū)動(dòng)； 速； 示；轉(zhuǎn)速測(cè)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn) 狀 . 2 流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向 . 2 章小結(jié) . 3 2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) . 4 流電動(dòng)機(jī) . 4 制技術(shù) . 4 . 4 . 5 流電機(jī) 速的基本原理 . 5 . 5 . 6 . 7 流電機(jī)調(diào)速的 法 . 7 體方案設(shè)計(jì) . 7 章小結(jié) . 8 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 9 片機(jī)最小系統(tǒng) . 9 . 9 . 9 和時(shí)鐘電路 . 11 電電路 . 12 示電路 . 13 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 . 14 . 14 . 16 速測(cè)量模塊 . 18 鍵控制電路 . 19 章小結(jié) . 20 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 21 程序設(shè)計(jì) . 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(guò)程 . 23 件調(diào)試 . 23 章小結(jié) . 24 6 結(jié)論 . 25 致 謝 . 26 參考文獻(xiàn) . 27 附錄一 基于單片機(jī)電動(dòng)助力車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電原理圖 . 28 附錄二 基于單片機(jī)電動(dòng)助力車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) . 29 附錄三 基于單片機(jī)電動(dòng)助力車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) C 語(yǔ)言源程序 . 30 附錄四 元件清單 . 34 第 1 頁(yè) 共 35 頁(yè) 1 緒論 題背景，目的和意義 近年來(lái)，作為一種新型的“綠色”代步工具 電動(dòng)助力車(chē)正逐漸興起。隨著全國(guó)城市地區(qū)面積日益擴(kuò)大，使得人們的出行活動(dòng)區(qū)域更加寬闊，那么使用自行車(chē)作為騎行工具就比較費(fèi)力，尤其是路途較遠(yuǎn)的地方，再加上可能會(huì)遇到頂風(fēng)、爬坡的狀況。由于當(dāng)前我國(guó)居民的收入普遍不高，汽車(chē)普及各個(gè)家庭還不太現(xiàn)實(shí)，況且還有燃料、環(huán)保以及停車(chē)場(chǎng)地等諸多方面因素的制約，汽車(chē)都難以成為大多數(shù)人用得上代步工具。雖然摩托車(chē)現(xiàn)在仍是許多地方比較常見(jiàn)的交通工具，但由于駕駛摩托車(chē)易引發(fā)交通事故和摩托車(chē)尾氣造成的許多城市的環(huán)境污染，所以近幾年來(lái)，一些大中城市都 出臺(tái)了相應(yīng)了交規(guī)法規(guī)來(lái)限制摩托車(chē)的駕駛。伴隨現(xiàn)代文明的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們環(huán)保意識(shí)的提高，不污染環(huán)境、噪音影響小、使用簡(jiǎn)單、速度較為合適的居民交通代步工具 電動(dòng)助力車(chē)，作為一種理想的“綠色”交通工具，為人們出行活動(dòng)帶來(lái)了便利。而且電動(dòng)助力車(chē)集普通自行車(chē)和摩托車(chē)各優(yōu)勢(shì)于一身：輕巧便利、綠色無(wú)污染、噪聲低且價(jià)格相對(duì)便宜，無(wú)疑是解決城市居民日常代步的重要發(fā)展方向。 無(wú)刷直流電機(jī)是現(xiàn)在比較廣泛應(yīng)用的作為眾多機(jī)械設(shè)備驅(qū)動(dòng)的電機(jī)，目前市面上的電動(dòng)助力車(chē)大多數(shù)采用這種電機(jī)作為動(dòng)力源。無(wú)刷直流電機(jī)指在電機(jī)結(jié)構(gòu)中不存在機(jī)械電刷及換向器的電機(jī)，它的原理是通過(guò)自身?yè)Q向而不用電刷和換向器。因?yàn)橛兴⒅绷麟姍C(jī)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(duì)周?chē)h(huán)境帶來(lái)了惡劣的影響，而無(wú)刷直流電機(jī)能明顯改善這些缺陷，同時(shí)具備有刷直流電機(jī)很多優(yōu)點(diǎn)。無(wú)刷直流電機(jī)回饋系統(tǒng)簡(jiǎn)易，功率密度足夠大，擁有足夠大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，操作起來(lái)更加人性化； 對(duì)沖擊負(fù)載有更大的承載能力 ， 能多次無(wú)級(jí)迅速起動(dòng) 、 制動(dòng)和反轉(zhuǎn) ； 讓電機(jī)和逆變器能發(fā)揮本身的機(jī)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(huì)有勵(lì)磁損耗， 能適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò) 中 各種不同情況的操作要求 。交流電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)在無(wú)刷直流電機(jī)中得到體現(xiàn) ，如 構(gòu)成比較簡(jiǎn)易、能安全穩(wěn)定地運(yùn)行、定期維修保養(yǎng)便利等。同時(shí)不會(huì)造成因?yàn)閾Q向器和機(jī)械電刷的存在使得有刷直流電機(jī)所帶來(lái)的不良影響，如刺耳噪聲、摩擦電火花、電波擾動(dòng)以及壽命短等，且制造成本不高，電機(jī)維修簡(jiǎn)單方便。 電動(dòng)助力車(chē)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，讓助力車(chē)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(guò)調(diào)節(jié)電樞回路中的電阻大小來(lái)進(jìn)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(shí)代的需求。那么這時(shí)候，以 式控制直流電機(jī)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(shí)間飄移，減少一些不必要的熱量損耗，以及降低噪聲等，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式控制模擬信號(hào)，能大幅降低成本以及功耗。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)事業(yè)的發(fā)展， 第 2 頁(yè) 共 35 頁(yè) 在諸多情況下，都需要用直流電機(jī) 速系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行調(diào)速，而 速系統(tǒng)不用過(guò)多的元器件、系統(tǒng)組成精簡(jiǎn)、操縱隨性、可調(diào)范圍大和使用期限長(zhǎng)等，因此在多個(gè)領(lǐng)域受到了廣泛應(yīng) 用。 流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀 目前直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制電路較為簡(jiǎn)單，操縱簡(jiǎn)便，開(kāi)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(jī) 電動(dòng)機(jī)調(diào)速，這種驅(qū)動(dòng)方法是通過(guò)閘流管，電機(jī)放大器和電磁放大器實(shí)現(xiàn)的，因而在調(diào)速時(shí)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(guò)程不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。然而，在該系統(tǒng)中電力設(shè)備，電子元器件繁多，線(xiàn)路連接太過(guò)繁瑣，致使空間占用過(guò)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(duì)人的身體造成不良影響。 從前幾年開(kāi)始， 動(dòng)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(jī)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(lái)改變的，當(dāng)半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)處于開(kāi)通狀態(tài)時(shí)，直流電壓為高電平；當(dāng)半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)為斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，直流電壓變成低電平。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，利用半導(dǎo)體的特性來(lái)控制直流電壓的輸出就是 術(shù)簡(jiǎn)要應(yīng)用。直流電壓信號(hào)隨著半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間的變化而呈現(xiàn)脈寬或是頻率的形式，以此來(lái)改變并輸出平均直流電壓值。 近代以來(lái)許多有關(guān)直流電機(jī)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(jī)控制有很大趨勢(shì)。在直流電機(jī)控制中，使用單片機(jī)來(lái)發(fā)生 邏輯電路 的控制上有深遠(yuǎn)意義。單片機(jī)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(kāi)發(fā)中編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的難度不高，所以在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，通常選擇單片機(jī)作為微控制器。在 速控制下，有諸多優(yōu)點(diǎn)：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)朝直流電機(jī)控制方向發(fā)展。 流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向 近年來(lái)，電力電子、自動(dòng)控制、微處理器等發(fā)展快速的新型技術(shù)越來(lái)越多應(yīng)用到了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的新要求。 電機(jī)分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。同步電機(jī)調(diào)速有調(diào)極和調(diào)頻兩種，然而它們的缺點(diǎn)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(jī)工作電 第 3 頁(yè) 共 35 頁(yè) 壓限制在很小范圍，只能為單一功率設(shè)備提供動(dòng)力。異步電機(jī)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(duì)三相電壓變流，輸出類(lèi)似正弦波的電壓，是電機(jī)獲得類(lèi)似正弦波變化的電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速 3。變極調(diào)速設(shè)備簡(jiǎn)易、操作難度低，但無(wú)法平滑穩(wěn)定調(diào)速；交流變頻調(diào)速能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但是設(shè)備龐雜，價(jià)格昂貴。 而 動(dòng)方式不會(huì)出現(xiàn)上述調(diào)速方法的缺點(diǎn)，該驅(qū)動(dòng)方式調(diào)速范圍很寬、能趨于線(xiàn)性平滑穩(wěn)定地調(diào)速、調(diào)速響應(yīng)回饋及時(shí)迅速。 采用微處理器能對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)控 ， 可以說(shuō)促進(jìn)了電氣自動(dòng)化發(fā)展 。而且在電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)上有不少的優(yōu)勢(shì)，由于 整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)體積 小、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ，這樣不會(huì)很笨重。而且 可靠性高 、 操作維護(hù)方便 ，便于長(zhǎng)期使用和保養(yǎng)。 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速精度可達(dá) 到較高水平 ，這樣人在騎行的時(shí)候就會(huì)感到十分平穩(wěn)，在普及上有廣闊的市場(chǎng)前景。 章小結(jié) 本章為本文的開(kāi)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的現(xiàn)狀以及直流電機(jī)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(dòng)助力車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yè) 共 35 頁(yè) 2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 流電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)助力車(chē)的動(dòng)力源采用的是直流電機(jī)，是一種能將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。電動(dòng)機(jī)的定子部分用來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，固定機(jī)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(dòng)機(jī)又分為兩類(lèi)：一類(lèi)是有刷直流電動(dòng)機(jī)，另一類(lèi)是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。主要是根據(jù)是否配置有機(jī)械電刷和換向器來(lái)判斷。 以差異的供電方式來(lái)劃分的話(huà)，無(wú)刷直流電機(jī)可分為兩類(lèi)：方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和正弦波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。第一類(lèi)電動(dòng)機(jī)，其反電動(dòng)勢(shì)和供電電流均由矩形波來(lái)提供，正因如此這類(lèi)電動(dòng)機(jī)也被叫做矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)；而第 二類(lèi)電動(dòng)機(jī)，其反電動(dòng)勢(shì)和供電電流這兩種波形都由正弦波來(lái)支持。 最近，隨著微處理器、自動(dòng)化技術(shù)、電力電子等技術(shù)的大力發(fā)展還有高開(kāi)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(jí)、成本更低的新永磁材料的出現(xiàn)，使無(wú)刷電動(dòng)機(jī)處于理想的發(fā)展環(huán)境?，F(xiàn)在，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)已不僅單純地能進(jìn)行電子換向，還包含有刷直流電機(jī)負(fù)載特征。目前無(wú)刷直流電機(jī)已經(jīng)十分成熟，調(diào)速特性經(jīng)過(guò)多年的改良變得很完善，并且無(wú)滑動(dòng)接觸，換向時(shí)不會(huì)產(chǎn)生火花，操作更為安全，使用期限長(zhǎng)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，因而在各個(gè)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(jī)床、機(jī)械重工、醫(yī)療設(shè)備、航天航空、電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域和家用電器等方面都迅速發(fā)展。因而在電動(dòng)助力車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，直流電機(jī)是一種不錯(cuò)的選擇。 制技術(shù) 驅(qū)動(dòng)電路是調(diào)速電路的重要組成部分，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)完成數(shù)字化控制。脈沖寬度調(diào)制（ 術(shù)與開(kāi)關(guān)功率電路已是電氣傳動(dòng)中的潮流，多年之間，直流電機(jī)以其良好的線(xiàn)性特性，出眾的調(diào)速范圍，低成本等優(yōu)點(diǎn)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(jī)調(diào)速技術(shù)在 在現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛運(yùn)用，在電動(dòng)助力車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中也大多采用 術(shù)。 脈寬調(diào)制的全稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制，英文名稱(chēng)為 稱(chēng) 一種利用微處理器來(lái)完成對(duì)模擬電路控制的一種技術(shù)。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是利用微處理器來(lái)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(xiàng)技術(shù)運(yùn)用簡(jiǎn)單，靈活操作，響應(yīng)敏感，這些特點(diǎn)使得人們?cè)谥绷麟妱?dòng)機(jī)控制中，經(jīng)常使用這門(mén)技術(shù)進(jìn)行調(diào)速。市場(chǎng)上有售賣(mài)的調(diào)速器大多數(shù)利用脈寬調(diào)制（ 理制作的電機(jī)調(diào)速器。 第 5 頁(yè) 共 35 頁(yè) 速器不僅在工業(yè)直流電機(jī)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(jì)算機(jī)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(shí)代發(fā)展的潮流，電動(dòng)助力車(chē)的驅(qū)動(dòng)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(lái)輸出想要的電壓，通過(guò)改變脈沖的周期來(lái)控制其脈沖輸出的頻率。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個(gè)作用能夠配合一致，避開(kāi)中間與之不相關(guān)的直流環(huán)節(jié)，對(duì)加快調(diào)節(jié)的速度和改善動(dòng)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(hào)，因此不 再需要通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換，這樣信號(hào)會(huì)始終維持?jǐn)?shù)字形式，克服模擬信號(hào)中噪聲的影響。相對(duì)于模擬控制， 噪能力更具優(yōu)勢(shì)，這也是在某些通信領(lǐng)域采用 主要原因。簡(jiǎn)而言之， 濟(jì)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(kāi)發(fā)并且在諸多應(yīng)用設(shè)計(jì)中得到運(yùn)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(jī) 速的基本原理 直流電機(jī)的工作原理通過(guò)圖 2示，從圖中我 們可以看出， 電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì) ，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(dòng)轉(zhuǎn)矩；軸上的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 空載轉(zhuǎn)矩 與 n 相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 圖 2直流電機(jī)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(dòng)勢(shì)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(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式為： Ce n (2 第 6 頁(yè) 共 35 頁(yè) 式中， 電動(dòng)勢(shì)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(duì)于一個(gè)已經(jīng)制造好的電機(jī)，有三種調(diào)節(jié)電機(jī)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(wú)極平滑調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。 在 動(dòng)控制的調(diào)速系統(tǒng)中，通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的 “占空比 ”來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 4。也正是因?yàn)槿绱耍?被稱(chēng)為 “開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ”。 圖 2號(hào)的占空比 如圖 2示，假如電機(jī)一直和電源接通時(shí)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為 占空比為D=，則電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速為 m*D,其中 的是電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速； 指電機(jī)在接通電源時(shí)能達(dá)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(jī)不同的平均速度 轉(zhuǎn)速 ， 這樣就實(shí)現(xiàn)到電機(jī)的調(diào)速。但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，平均速度 占空比 D 并非嚴(yán)格的線(xiàn)性關(guān)系。 圖 2占空比與電機(jī)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(xiàn)性（如圖 2的曲線(xiàn)），原因是電樞本身有內(nèi)阻。但是對(duì)于普通直流電機(jī)來(lái)說(shuō)內(nèi)阻都較小，所以在一般非嚴(yán)格要求的應(yīng)用中，在精度要求不高時(shí)可將兩者的關(guān)系近似的看成是線(xiàn)性關(guān)系。 第 7 頁(yè) 共 35 頁(yè) 基于單片機(jī)的電機(jī)調(diào)速由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn) 速系統(tǒng)中 ，當(dāng)電源電壓恒定時(shí)，占空比的大小決定著電機(jī)的電樞端電壓的平均值。所以通過(guò)改變占空比 D 的值可以改變電樞端電壓的平均值，從而達(dá)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(shí)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(shí)，容易引發(fā)振蕩，因此常采用頂寬調(diào)寬法來(lái)改變占空比大小，從而改變直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓 5。采用定頻調(diào)寬方式能讓電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，并且在單片機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生 號(hào)也比較方便。用定時(shí)器作為脈寬控制的定時(shí)方式，產(chǎn)生的脈沖寬度十分精確，誤差在幾個(gè)微秒內(nèi)。 流電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中 法也有至關(guān)重要的作用。 直流電機(jī)的調(diào)速控制有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，開(kāi)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(jī)中要實(shí)現(xiàn) 節(jié)，需要利用位置傳感器輸出的脈沖信號(hào)來(lái)反應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與電機(jī)速度設(shè)定值比較從而得到速度偏差，偏差經(jīng)過(guò) 統(tǒng)傳遞函數(shù)后轉(zhuǎn)化為單片機(jī)輸出 號(hào)，來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電路，達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)速度控制的目的。 體方案設(shè)計(jì) 根據(jù)本課題系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步選定以下兩種設(shè)計(jì)方案。 方案一：采用一塊單片機(jī)做系統(tǒng)主控芯片，輸出 制信號(hào)，控制系統(tǒng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，通過(guò)按鍵來(lái)控制電機(jī)的加、減速，同時(shí)具有轉(zhuǎn)速測(cè)量和 示轉(zhuǎn)速的功能。 方案二：采用兩塊單片機(jī)，其中一塊單獨(dú)作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片，專(zhuān)門(mén)輸出 一塊則作為系統(tǒng)的主控芯片，完成電機(jī)速度的按鍵設(shè)定、轉(zhuǎn)速測(cè)量、 示轉(zhuǎn)速，并向電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提供設(shè)定值和測(cè)量值，設(shè)定 號(hào)來(lái)控制轉(zhuǎn)速。 在上述兩種設(shè)計(jì)方案中，方案一的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)單，控制及時(shí)有效，功能完備， 第 8 頁(yè) 共 35 頁(yè) 使用一塊單片機(jī)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(jì)和應(yīng)用生產(chǎn)中比較具有性?xún)r(jià)比。方案二與方案一相比，硬件增加，在程序的設(shè)計(jì)上相對(duì)復(fù)雜，加大設(shè)計(jì)成本。雖然優(yōu)化了按鍵、顯示以及其它擴(kuò)展功能，但是在能達(dá)成相同的要求下，使用最少的資源更佳。因此通過(guò)比較，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇方案一。 單片機(jī)主控芯片采用那個(gè) 51 系列的 片機(jī)，此單片機(jī)是一款國(guó)產(chǎn)的芯片，低功耗、廉價(jià)、工作性能穩(wěn)定各方面都極具性?xún)r(jià)比， 使用以后可以簡(jiǎn)化電路、簡(jiǎn)化編程、節(jié)約成本，同時(shí)也是在我們學(xué)習(xí)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中常使用的控制芯片。系統(tǒng)框圖如 圖 2示： 圖 2電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)通過(guò)獨(dú)立按鍵向單片機(jī)輸入控制指令，單片機(jī)在軟件控制下，通過(guò)定時(shí)不間斷地給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送占空比受數(shù)字 法控制的 號(hào)，從而控制電機(jī)得電與失電，讓驅(qū)動(dòng)電路完成直流電機(jī)的加速和減速控制。軟件采用 定時(shí)中斷 進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)給單片機(jī)接通電源后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化狀態(tài)。當(dāng)按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，可用加速和減速按鈕，增加或者減小高低電平時(shí)的設(shè)定值，從而獲得不同 占空比的輸出信號(hào) ，進(jìn)而控制直流電機(jī)電壓的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速 的目的。接著利用霍爾傳感器將電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)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(jī)經(jīng)過(guò) 算后改變 沖的占空比，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)控制。 控制程序應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的加減速 ，單片機(jī)不間斷地將 寬調(diào)制占空比傳輸?shù)?晶顯示器，并顯示電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。整個(gè)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。 章小結(jié) 本章對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論進(jìn)行了介紹，包括直流電動(dòng)機(jī)與 制技術(shù)，直流電機(jī) 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(jì)方案。 第 9 頁(yè) 共 35 頁(yè) 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件電路是系統(tǒng)的核心，電路設(shè)計(jì)的合理性，工作性能的穩(wěn) 定性，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(méi)有良好硬件電路，即使有再好的軟件程序也無(wú)濟(jì)于事。在本章中，將闡述電動(dòng)助力車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件部分的各個(gè)模塊，主要包括核心控制模塊 片機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，顯示模塊，按鍵控制模塊。 片機(jī)最小系統(tǒng) 所謂的單片機(jī)最小系統(tǒng)就是有單片機(jī)和一些基本的外圍電路所組成的一個(gè)可以工作的單片機(jī)控制系統(tǒng)，也叫做單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)。最小系統(tǒng)的組成包括單片機(jī)，晶振電路和復(fù)位電路。 單片機(jī)（ 稱(chēng)為單片微控制器，其基本結(jié)構(gòu)是將微型計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入接口、輸出接口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等全部集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上。單片機(jī)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，在硬件、指令系統(tǒng)及I/O 能力等方面都有獨(dú)到之處，具有較強(qiáng)而有效的控制能力 7。一塊單片機(jī) 控制芯片就如同一臺(tái)具有一定規(guī)模的微型計(jì)算機(jī)，因此只要在單片機(jī)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(jì)算機(jī)硬件控制系統(tǒng)。單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3示： 圖 3單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 宏晶科技公司生產(chǎn)的一種單時(shí)鐘 /機(jī)器周期的單片機(jī)，作為新一代的 8051 單片機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)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(yè) 共 35 頁(yè) 存 儲(chǔ)空間，支持更大的外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求，工作頻率范圍在 035間，相當(dāng)于普通 8051 的 0420內(nèi)資源有 4 組 I/O 控制端口、 4個(gè) 16 位定時(shí)器、 3 個(gè)時(shí)鐘輸出口、 2 路 出口，看門(mén)狗和外部掉電檢測(cè)電路?？梢栽?電壓范圍內(nèi)正常工作。單片機(jī)功能引腳如圖 3示。 圖 3單片機(jī)功能引腳圖 部分引腳功能說(shuō)明 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向輸入 /輸出口，同時(shí)也是地址 /數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用口，還可作為 入通道。在按鍵檢測(cè)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(lái)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(xiàn)使用 (15)。當(dāng) 作為輸入 /輸出口時(shí)， 一個(gè) 8 位準(zhǔn)雙向口。在顯示電路的設(shè)計(jì)中，可以用 來(lái)作為 制端，對(duì)顯示屏進(jìn)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(jī)軟件程序的燒寫(xiě)就是通過(guò)這兩個(gè)端口來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 作為外部中斷 0，實(shí)現(xiàn)下降邊沿中斷和低電平中斷，在本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速測(cè)量的脈沖通過(guò)該端口來(lái)觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)外部中斷。 供定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0，兩種模式只能二選一不能同時(shí)使用。 部時(shí)鐘電路反向放大器輸入端，接外部晶振的一個(gè)引腳。當(dāng)直接使用外部時(shí)鐘源時(shí)，此引腳是外部時(shí)鐘源的輸入端。 部時(shí)鐘電路反向放大器輸出端 ，接外部晶振的一個(gè)引腳。當(dāng)直接使用外部時(shí)鐘源時(shí)，此引腳可以懸空，此時(shí) 際將 入的時(shí)鐘進(jìn)行輸出。 位引腳。 源正極。 源負(fù)極，接地。 第 11 頁(yè) 共 35 頁(yè) 復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的基本模塊。單片機(jī)復(fù)位方式通常分為兩種情況：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。 假如我們的單片機(jī)在執(zhí)行程序的時(shí)候，突然斷電了，此時(shí)單片機(jī)內(nèi)部有的區(qū)域數(shù)據(jù)會(huì)丟失，有的區(qū)域數(shù)據(jù)可能還沒(méi)丟失，那么我們?cè)俅未蜷_(kāi)設(shè)備的時(shí)候，為了保證單片機(jī)的正常運(yùn)行，所以在上電后，單片機(jī)會(huì)進(jìn)行一 個(gè)內(nèi)部初始化的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可理解為上電復(fù)位。上單復(fù)位保證單片機(jī)每次都從一個(gè)固定的相同狀態(tài)開(kāi)始工作，這個(gè)過(guò)程就像我們電腦開(kāi)機(jī)的過(guò)程一樣。 當(dāng)單片機(jī)在運(yùn)行程序時(shí)，如果遭受外部的意外干擾而導(dǎo)致程序死機(jī)，或者出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，長(zhǎng)時(shí)間失去響應(yīng)，我們可以通過(guò)按下復(fù)位按鍵，讓程序重新初始化重新運(yùn)行，這個(gè)過(guò)程就叫做手動(dòng)復(fù)位，如同電腦的重啟鍵一樣。手動(dòng)復(fù)位就是使用按鍵讓復(fù)位電路接通來(lái)獲得低電平，以此來(lái)使系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。在實(shí)驗(yàn)編程中，調(diào)試時(shí)可能要頻繁使用手動(dòng)復(fù)位，因此在該最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用手動(dòng)復(fù)位電路，如圖 3示。 圖 3手動(dòng)復(fù)位電路 晶體振蕩器，簡(jiǎn)稱(chēng)晶振。它的作用是為單片機(jī)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)內(nèi)部所有的工作都是以這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)為步調(diào)基準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行工作的，所以要讓晶振有規(guī)律的運(yùn)行，避免程序運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的誤差。單片機(jī)有 兩個(gè)晶振引腳 一個(gè)12M 的晶振連接，為了幫助晶振順利起振，在時(shí)鐘電路中并聯(lián)了兩個(gè) 30陶瓷電容，消除干擾實(shí)現(xiàn)濾波并維持振蕩信號(hào)的穩(wěn)定。時(shí)鐘電路如圖 3示。 圖 3時(shí)鐘電路 單片機(jī)，時(shí)鐘電路和復(fù)位電路構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)的三要素，也就是說(shuō)，一塊單片機(jī)只要具 備了這三條件，就可以運(yùn)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(jī)的外部設(shè)備，即外設(shè)。利用單片機(jī)最小系統(tǒng)我們可以通過(guò)單 第 12 頁(yè) 共 35 頁(yè) 片機(jī)編程來(lái)控制各種外部設(shè)備。 電電路 在系統(tǒng)中單片機(jī)、 驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)這一要求，就要設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電路，通過(guò)穩(wěn)壓芯片對(duì)整流后的電壓進(jìn)行降壓和穩(wěn)壓處理，來(lái)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(guò)四個(gè)過(guò)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(dòng)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(duì)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(fù)載和電路參數(shù)的變化而改變。 在本電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，直流電機(jī)采用的是 12電，顯示方式則選用 晶顯示屏，為了使系統(tǒng)能正常可靠的工作，所以穩(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(dá)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(guò)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(jī)供電，之后并聯(lián)的兩個(gè)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(guò)濾波高頻整流的 12V 直流電，在經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓集成芯片 行穩(wěn)壓后輸出 5V 的直流電，供整個(gè)系統(tǒng)包括 示屏，單片機(jī)以及驅(qū)動(dòng)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(yè) 共 35 頁(yè) 示電路 本系統(tǒng)采用 晶顯示屏來(lái)顯示電機(jī)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(tuán)，在大規(guī)模的集成電路中可以直接驅(qū)動(dòng)。目前的個(gè)人電腦、數(shù)字相機(jī)、移動(dòng)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(jiǎn)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(diǎn)陣液晶顯示模塊比較，不需要復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，顯示程序的編寫(xiě)更為簡(jiǎn)化，價(jià)格也更為便宜。 表 3主要引腳接口說(shuō)明表 引腳號(hào) 引腳名稱(chēng) 引腳說(shuō)明 引腳號(hào) 引腳名稱(chēng) 引腳說(shuō)明 1 源地 6 能信號(hào) 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(fù)極 常用的 晶顯示屏型號(hào)有 1602顯示容量為 16× 2 個(gè)字符，該顯示器比較容易控制，電路設(shè)計(jì)也簡(jiǎn)單，能顯示字符，但屏幕小不能顯示漢字； 顯示容量為 128× 64 個(gè)字符，該顯示器功率低，驅(qū)動(dòng)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(shí)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(mǎn)足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shuō)明如表 3示。 圖 3口電路圖 接口電路圖如圖所示。 整個(gè)系統(tǒng)電路的顯示部分，單片機(jī)通過(guò) 口來(lái)實(shí)現(xiàn)與 通信，單片機(jī)的 別與 控制端 連，以此來(lái)控制 顯示。單片機(jī)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(kāi)啟背光燈，假如低于 5V 則可能會(huì)使 示背光