電動(dòng)自行車(chē)調速系統的研究

摘要：主要研究了電動(dòng)自行車(chē)調速系統的實(shí)現方法、控制策略和電路原理?？刂齐娐坊诳刂菩酒?051單片機，通過(guò)轉速傳感器測量轉速，通過(guò)八段數碼管動(dòng)態(tài)顯示轉速，并根據永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機的特性實(shí)施了脈寬PWM控制，在軟硬件的配合下，實(shí)現了整個(gè)系統的設計要求。
關(guān)鍵詞：脈寬調速系統PWM；單片機；永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機

電動(dòng)自行車(chē)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)、機械控制、電子等多種技術(shù)。電動(dòng)車(chē)的電機驅動(dòng)系統一般由傳感器、功率變換器、電動(dòng)機、控制器組成。

1 電動(dòng)自行車(chē)調速系統要求和總體規劃
1．1 調速系統對電動(dòng)機的基本要求
電動(dòng)車(chē)所用的電動(dòng)機應該具有加速性能好、過(guò)載能力強、使用壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)，并且具有較大的調速范圍，包括恒轉矩區和恒功率區，同時(shí)具有最佳利用能量功能。另外還要求電動(dòng)機的可靠性高，結構簡(jiǎn)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(wú)刷直流電動(dòng)機
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機的最大優(yōu)點(diǎn)是具有直流電動(dòng)機的外特性而沒(méi)有刷的機械接觸結構。它采用的是永磁體轉子，會(huì )發(fā)熱的電樞繞組裝在外面的定子上，不會(huì )產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)電干擾，運行也很可靠，使用和維修簡(jiǎn)單方便。與其它系統相比，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機系統具有更高的效率和能量密度，在電動(dòng)車(chē)中有很好的應用前景。
1．3 調速系統的總體規劃
電動(dòng)自行車(chē)的基本原理是：由蓄電池提供電能，電動(dòng)機驅動(dòng)自行車(chē)。電動(dòng)自行車(chē)控制系統設計主要有以下四個(gè)方面：(1)控制電路的設計；(2)傳感器選擇以及安放設計；(3)顯示電路的設計；(4)程序設計。

2 調速系統電路設計
控制電路主要有電源電路、電機驅動(dòng)電路、單片機接口電路、顯示電路四個(gè)部分。傳感器的電源直接使用24 V蓄電池，單片機的電源則通過(guò)三端穩壓器78L05將24 V電源轉換到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)三端穩壓器74L05輸出即為單片機所要求的+5 V電源。顯示部分采用單片機串口通訊，單片機通過(guò)中斷的方式為顯示服務(wù)。打開(kāi)系統電源后由電位器控制電動(dòng)機轉速，IN0-IN6線(xiàn)上那一路模擬電壓被轉換成數字量由ADDA-ADDC線(xiàn)上的地址決定。
2．2 驅動(dòng)電路及原理
電動(dòng)自行車(chē)使用24 V直流電機，這種小功率直流電機一般有兩種調速方法：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；二是脈寬調制型，它有雙向式和單向式兩種。
考慮到電動(dòng)自行車(chē)對調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(kāi)環(huán)PWM控制。

3 調速系統主要器件性能及原理
電動(dòng)車(chē)的性能指標一般由驅動(dòng)性能、駕駛性能、車(chē)載能源系統性能這三部分組成。驅動(dòng)性能取決于電機功率因素，車(chē)載能源系統性能取決于電池的容量，駕駛性能指標的優(yōu)劣取決于控制系統駕駛模式的技術(shù)。
3．1 MCS-51單片機內部結構
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(shí)／計數器、并行接口、串行接口和中斷系統等。8051內部結構如圖1所示：

3．2 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機的基本工作原理
無(wú)刷直流電動(dòng)機由電動(dòng)機主體和驅動(dòng)器組成，電動(dòng)機的轉子上粘有已充磁的永磁體，在電動(dòng)機內裝有位置傳感器，定子磁場(chǎng)軸線(xiàn)與轉子軸線(xiàn)是垂直的。
由于繞組平均電流和平均電磁轉矩成正比：
Tm=KtIav(N·m)。
電動(dòng)機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。