电动自行车驱动系统研究毕业论文.doc
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1、摘 要 随着社会文明的发展,科学的进步,人类物质文化生活水平的提高和环保、能源意识的增强,社会呼唤着一种无污染、噪声低、操作简单、速度适中的个人交通代步工具。电动自行车作为一种理想的“绿色”代步工具,为人们带来了福音。考虑到我国目前的国情,电动自行车将迅速得到普及。本课题采用ATMEL公司AVR系列单片机ATmgea16作为控制芯片,兼顾成本与性能要求,做了以下方面的工作:首先,综述了电动自行车和稀土无刷直流电机的国内外的发展状况,基于其应用的特点,对电机的类型、控制策略、功率变换器与控制核心进行了综合的考虑,提出了适合此情况的稀土无刷直流电机驱动系统方案。其次,根据AVR单片机的特点详细设计
2、了系统的控制策略:将电流检测设计成分流电阻间接测流;将调速系统设计为电流、速度双闭环控制,以保证调速的精度和响应速度,并在软件中分别用PI算法来实现;制定了电机“软起动”控制方案;采用了高性能的驱动集成电路IR2130来驱动MOFSET组成的全桥逆变电路;将PWM波的发生及系统保护等功能采用主控芯片集中处理,增加了系统的可靠性。最后,依据控制策略设计了系统软、硬件。关键词:稀土无刷直流电机 AVR 控制系统 PWMAbstractWith the development of social civilization and scientific progress, human material
3、 and cultural living standards and environmental protection, energy, awareness of the community calling for a pollution-free, low noise, simple operation, the speed of personal transportation affordable means of transport- As an ideal green means of transport, electric bicycle brings the gospel- Tak
4、ing into account Chinas current situation, the electric bike will soon be universal.The issue uses AVR MCU ATmgea16 of ATMEL Company as the controller, taking into account of the cost and performance requirements, doing the following work:First reviewing the electric bicycle and rare earth brushless
5、 DC motor development at home and abroad, basing on the characteristics of its application, taking into a comprehensive account the type of motor, control strategy, power converter and the control of the core -A drive system solutions is proposed for this situation rare earth brushless DC motor.Seco
6、ndly, according to the characteristics of AVR microcontroller,I designed the system control strategy detailed: current detection shunt resistor designed to indirectly measure the flow; speed control system designed for current, velocity, double-loop control to ensure the accuracy and speed of respon
7、se speed, and PI was used in the software algorithm to achieve ;developing a motor soft start control scheme ;using high-performance integrated circuit IR2130 driver to drive MOFSET full-bridge inverter circuit comprising; the PWM wave occurrence and system protection features such as centralized co
8、ntrol chip used to increase thesystem reliability.Finally, designing the software and hardware of the system based on the control strategy.Keywords: Rare Earth Brushless-DC-motor AVR Control System PWM目 录第1章 绪 论- 1 -1.1 课题的研究背景与发展状况- 1 -1.2 电动车的发展状况- 2 -1.2.1 电动车的种类- 2 -1.2.2 电动自行车的发展前景- 3 -1.3 电动自行
9、车主要部件的发展状况- 4 -1.3.1 电动自行车电机的发展- 5 -1.3.2 电机控制技术的发展- 6 -1.3.3 电池技术的发展- 7 -第2章 关键部分特性分析- 9 -2.1 稀土永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理- 9 -2.1.1 直流无刷电动机的原理框图- 9 -2.2 电机的运行特性分析- 14 -2.2.1 起动特性- 15 -2.2.2 电动运行特性- 15 -2.2.3 制动特性- 17 -2.2.4 机械特性和调速特性分析- 18 -2.3 控制系统的整体构成- 19 -2.4 位置检测信号处理单元- 21 -2.5 电流检测信号处理单元- 21 -2.6 电机
10、调速方案- 22 -2.7 驱动、逆变电路控制方案- 25 -2.8 故障检测与系统保护- 26 -2.9 核心控制期间的选择- 27 -2.10 本章小结- 28 -第3章 硬件系统概述- 29 -3.1 控制系统组成- 29 -3.1.1 核心为处理器ATmega16- 30 -3.1.2 控制电源电路设计- 32 -3.1.3 信号检测电路设计- 32 -3.1.4 三相全桥逆变电路及其功率驱动的设计- 34 -3.1.5 PWM波的控制单元- 37 -3.1.6 速度给定环节- 39 -3.1.7 电池电压检测单元- 40 -3.2 系统硬件可靠性设计- 40 -3.2.1 电源与集成
11、芯片去耦- 40 -3.2.2 电磁兼容设计- 41 -3.3 本章小结- 41 -第4章 系统软件设计- 42 -4.1 系统软件设计概述- 42 -4.2 主程序的设计- 43 -4.3 各功能模块的设计思想- 45 -4.3.1 位置检测模块- 45 -4.3.2 幻想控制模块- 45 -4.3.3 A/D采样模块- 47 -4.3.4 双闭环控制模块- 48 -4.4 软件的可靠性设计- 51 -4.4.1 采用模块化程序设计方法- 51 -4.4.2 合理安排中断- 51 -4.4.3 程序“跑飞”与“死锁”的解脱- 52 -4.4.4 本章小结- 52 -总 结- 53 -致 谢-
12、 54 -参考文献- 55 -附录1:电动自行车驱动系统原理图- 57 -第1章 绪 论1.1 课题的研究背景与发展状况 二十一世纪是“绿色环保”的世纪,环境保护和能源节约问题已成为新世纪最为突出的两大主题,而汽车行业与这两大主题都息息相关,所以汽车产业无疑要发生新的革命。随着工业化和城市化的推进,汽车废气排放及对石油资源的过度消耗所引发的环境、能源问题也日益严重,已经引起了世界各国的普遍重视。人类面临的最大的环境问题归纳起来有三个方面:大气污染、水资源污染以及生态环境遭受破环。温室气体的大量排放导致全球气温上升,恒河20年后或干枯、图瓦卢50年后沉入海底、马尔代夫沉没进入百年倒计时这并不是预
13、言家有意制造的耸人听闻的无聊预测,而是科学家在考虑温室气体排放后给地球开出的诊断书,气候变化已经使“拯救地球”的行动刻不容缓。2009年在丹麦举办的哥本哈根气候峰会再次呼吁各国一起为减缓全球气候变暖作出努力,我国也在会议上承诺2020年减排目标碳排放下降4045%。 保护人类赖以生存的自然环境,珍惜地球上有限的石油资源是摆在人们面前迫切需要解决的两个重大课题,传统燃油汽车在这两个问题上与人们的愿望正好背道而驰。 研究显示,造成大气污染的气体主要由非甲烷有机物、氧化氮、一氧化碳组成。据统计,在美国地区,43%的非甲烷有机物、57%的氧化氮、82%的一氧化碳都是汽车废气排放产生的,而全世界20%的
14、一氧化碳排放量来源于汽车废气。由此可见,传统汽车废气已成为城市大气污染的一个主要原因。而且汽车废气排放出的氮氧化物与碳氢化合物在紫外线的作用下,易形成高毒性的光化学烟雾,污染我们赖以生存的自然环境,直接危害人体健康,城市空气污染情况日趋严重,控制汽车废气污染已成为环保部门的严峻课题。因此近几十年来,世界各国政府、学术界以及工业界一直努力致力于研究开发和推广使用各种低排放或零排放汽车,以解决空气污染问题。所以,世界上的各个主要汽车生产和使用国纷纷制定了类似的政策或法规,并投入巨资,开发研究新型零排放汽车电动车。1.2 电动车的发展状况近年来,采用各种高新技术的电动车层出不穷,给人们带来了一个明确
15、的信息:我们已经走到了电动车时代的边缘。随着日新月异的技术进步和人们环保意识的不断提高,21世纪必将成为电动车全面发展的世纪。20 世纪70 年代的能源危机和石油短缺使电动汽车重新获得生机。20 世纪70 年代初期,美国、英国、法国、德国、意大利、日本等都开始发展电动汽车。20 世纪70 年代后期,包括中国在内的许多国家和地区的公司,都开始生产电动汽车。但是石油价格在20 世纪70 年代末开始下跌,电动汽车的商业化失去了动力,电动汽车的发展走入低谷。20 世纪80 年代,由于人们日益关注空气质量和温室效应所产生的影响,电动汽车的发展再次获得生机。20 世纪90 年代开始,新一代电动汽车不断涌现
16、,1997 年10 月底问世的混合动力电动汽车普锐斯prius,是世界上最早实现批量生产的电动汽车。06 年4 月,普锐斯全球销量已经突破50 万辆,并于今年上半年突破60 万辆。1.2.1 电动车的种类电动车分类电动车按类型分可分为:电动自行车(如图1-1),电动摩托车(如图1-2),电动汽车(如图1-3)。图1-1 电动自行车 图1-2 电动摩托车图1-3 电动汽车1.2.2 电动自行车的发展前景 从70年代起,我国电动车辆的研究开发便一直在进行之中,到1993年,已被确定为国家十大重点科技工程,并制定了电动汽车的发展目标。而与汽车相比,灵活方便的中短途个人交通工具,如自行车、助动车和摩托
17、车等,在全球依然占据绝大多数。我国对电动自行车的研究起步于20世纪80年代初期,经历了几次起落,目前在国内大中城市的应用和推广已可见端倪。但是有部分相关技术水平还存在一定问题,市场的孕育还未完全进入良性循环,有待进一步改善。据统计,1998年全国电动自行车的拥有量为五万多辆,发展到2000年全国电动自行车的拥有量已达十几万辆,尤其近一年来,电动自行车的发展速度迅速。以北京为例,2001年1月,据不完全统计,北京市的电动自行车不到2万辆,而到了6月份已有5万多辆电动自行车在北京的大街小巷穿行。在笔者调查的某一路段,一个小时经过的电动自行车就近30辆。据北京一家电动自行车销售中心反馈的信息显示:该
18、销售中心每天电动自行车的销售量可达100辆,到了周末日平均销售量可达200辆,而这样的销售中心在北京有好几十家。那么,照这样的发展速度,可以预见近年内电动自行车将在北京的自行车王国中扮演重要角色。我国电动自行车产量迅速增长,具体数据见表1-1。表1-1 我国近几年电动自行车产量统计年份产量(万辆)比上一年增长(%)19985-4-71200015-4193200158100200216017620034001502004675-768-91.3 电动自行车主要部件的发展状况电动自行车,是指以蓄电池作为辅助能源,具有两个车轮,能实现人力骑行、电动或电助动功能的特种自行车。根据国家标准对设计最高时
19、速、空车质量、外形尺寸的相关规定,电动自行车归属非机动车管理范畴,应同时具备以下5个特征:必须具备脚踏行驶功能,蓄电池只作为辅助能源;必须具备两个车轮;设计车速不大于20公里/小时;整车重量不大于40公斤;轮胎宽度(胎内)不大于54毫米。电动自行车的型号以TD(特种自行车种类的电动自行车类)冠号。它虽然具有普通自行车的外表特征(甚至具有摩托车的外表特征),但是主要的是,它是在普通自行车的基础上,安装了电机、控制器、蓄电池、转把闸把等操纵部件和显示仪表系统的机电一体化的个人交通工具。1.3.1 电动自行车电机的发展电机是电动自行车的关键部件,一辆电动自行车的电机基本决定了这辆车的性能和档次。为使
20、电动自行车有良好的使用性能,驱动电机应具有宽调速范围、高转速和足够大的起动转矩。此外,由于电动自行车的驱动电机是车载形式运行的,这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有较好的能量回馈性能。目前车辆驱动用的电动机类型大致有以下几类, 分别为直流电机、交流异步电机和开关磁阻电机。在电动自行车上,考虑到效率,功率密度等因素,目前主要采用直流电动机。根据电机的换向方式,直流电机可分为机械换向的有刷直流电机和电子换向的无刷直流电机。永磁有刷直流电动机是发展历史最悠久的电机,它的制造水平早已达到了成熟阶段,且具有较高的运行可靠性、良好的调速性能、较大的过载能力和简单的控制方法,因而在早期被广泛采用。但是直
21、流机的体积和重量都较大,噪音也大,它采用电刷和换向器进行电流换相,会产生电火花,而且碳刷容易磨损、损坏,增大维护、维修难度、增加使用成本。在工业中大量应用的交流异步电机虽然结构简单,却有着调速精度不高的问题,交流同步电机也存在着控制复杂的缺点。从电机本身的价格来说,无刷直流电机由于没有电刷和换向器,成本应低于有刷直流电机,无刷机控制器由于使用的功率管要多于有刷结构,故成本价格应相差不多。由于无刷电机用一套电子换向电路,取代了电刷和换向器,因而从根本上克服了有刷电机噪声大,工作可靠性差等缺点。过去无刷直流电机主要应用于军事领域,随着新材料的应用和电子元器件的发展,无刷直流电机已大规模用于工业,商
22、业和家电导领域,节能、静音和免维护使其应用领域越来越宽。从结构来说,应用于电动自行车的无刷直流电机有两种,一种是放在中轴的带齿轮减速的高速内转子无刷直流电机,另一种是直接安装于轮毅的直接驱动的无刷直流电机,从综合性能来说,前者的重量可以较轻,效率可以略高,而后者可靠性、噪声和价格指标要优于前者。稀土永磁无刷直流电机是近20年发展起来的一类电机,由于电力电子技术,微电子技术,微机和稀土永磁材料的发展为无刷直流电机的研究奠定了基础。目前无刷直流电机的发展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合,显示出广泛的应用前景和强大的生命力。与其它电机相比它
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