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?051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)計主要有以下四個方面：(1)控制電路的設(shè)計；(2)傳感器選擇以及安放設(shè)計；(3)顯示電路的設(shè)計；(4)程序設(shè)計。

2 調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計
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。