無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書1第一章引言電動車的發(fā)展史比燃油汽車更長，世界上第一輛機動車就是電動車。后來，由于燃油汽車技術的迅速發(fā)展，而電動車在能源技術和行駛里程的研制上長期未能取得突破，從20世紀20年代初至60年代末，電動車的發(fā)展進入了一個沉寂期。進入70年代以來，由于中東石油危機的爆發(fā)以及人類對自然環(huán)境的日益關注，電動車才再度成為技術發(fā)展的熱點。近幾十年來，主要工業(yè)化國家為電動車的開發(fā)投入了大量的人力和財力，電動車的各項相關技術也取得了重大的進展。盡管電動車在能源和行駛里程的研制方面，至今尚未取得突破性的進展，但是電動車的美好前景仍然激勵著人們鍥而不舍地開發(fā)新型電動車，改善其性能處于世紀之交的今天，能源和環(huán)境對人類的壓力越來越大，要求盡快改善人類生存環(huán)境的呼聲越來越高。為了適應這個發(fā)展趨勢，世界各國的政府、學術界、工業(yè)界正在加大對電動車開發(fā)的投資力度，加快電動車的商品化步伐。雖然目前電動車在能源和行駛里程方面還未能盡如人意，但已足以滿足人們的基本需要。從技術發(fā)展的角度來看，在走過了漫長而艱難的發(fā)展歷程之后，電動車正面臨著重大的技術突破，有望成為21世紀的重要交通工具。現(xiàn)代電動車是融合了電力、電子、機械控制、材料科學以及化工技術等多種高新技術的綜合產(chǎn)品。整體的運行性能、經(jīng)濟性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機驅(qū)動控制系統(tǒng)。電動車的電機驅(qū)動系統(tǒng)一般由4個主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動機及傳感器。目前電動車中使用的電動機一般有直流電動機、感應電動機、開關磁阻電動機以及永磁無刷電動機等。無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書2第二章系統(tǒng)要求2.1電動車對電動機的基本要求電動車的運行，與一般的工業(yè)應用不同，非常復雜。因此，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是很高的。2.1.1電動車用電動機應具有瞬時功率大，過載能力強、過載系數(shù)應為(34)，加速性能好，使用壽命長的特點。2.1.2電動車用電動機應具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。2.1.3電動車用電動機應能夠在車減速時實現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電汽車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機的摩托車上是不能實現(xiàn)的。2.1.4電動車用電動機應在整個運行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高1次充電的續(xù)駛里程。另外還要求電動車用電動機可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結(jié)構簡單適應大批量生產(chǎn)，運行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。2.2鑒于電動車對電動機的基本要求采用永磁無刷直流電動機。2.2.1永磁無刷直流電動機的基本性能。永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結(jié)構。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗：發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉(zhuǎn)運行。永磁無刷直流電動機機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動車中有著很好的應用前景。2.2.2永磁無刷直流電動機的控制系統(tǒng)。典型的永磁無刷直流電動機是一種準解耦矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動機系統(tǒng)非常適合于運行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進一步擴充轉(zhuǎn)速，永磁無刷直流電動機也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實質(zhì)是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。2.2.3永磁無刷直流電動機的不足。永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書3其導磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下，操縱復雜，需要一套復雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機的驅(qū)動系統(tǒng)造價很高。無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書4第三章總體規(guī)劃對于電動自行車控制系統(tǒng)設計主要有三個方面：一、控制電路的設計；二、傳感器選擇以及安放設計；三、顯示電路的設計；四、程序設計。從總的方面來考慮，傳感器的使用應該盡量減少單片機的信號處理量，但是又必須能使車行駛自如?？刂齐娐芬鶕?jù)選用的電機和傳感器來設計，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性?？刂坪诵牟捎?1單片機，控制系統(tǒng)與電路用光耦完全隔離以避免干擾。控制上采用分時復用技術，僅用一塊單片機就實現(xiàn)了信號采集，電機控制和轉(zhuǎn)速顯示。如圖3-1所示圖3-1電動自行車的基本原理是：由蓄電池提供電能，電動機驅(qū)動自行車。直流電動機單片機顯示部分轉(zhuǎn)速傳感器控制電路驅(qū)動無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書5第四章電路設計控制電路主要有電源電路、電機驅(qū)動電路、單片機接口電路、顯示電路四個部分。考慮到電機的起動電流和制動時比較大，會造成電源電壓不穩(wěn)定容易對單片機和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機驅(qū)動電路和單片機以及傳感器電路用光耦隔離。傳感器的電源直接使用24V蓄電池，單片機的電源則通過三端穩(wěn)壓器78L05將24V電源轉(zhuǎn)換到5V。41電源電路24V直流電源經(jīng)三端穩(wěn)牙器74L05輸出即為單片機所要求的+5V電源。電路中接入電容C1、C2是用來實現(xiàn)頻率補償?shù)?，可防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。大容量的C3是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D是保護二極管，當輸入端意外短路時，給輸出電容器C3一個放電通路，防止C3兩端電壓作用于調(diào)整管的be結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。圖4-1-142顯示電路顯示部分采用單片機串口通訊，以節(jié)省單片機的端口，單片機通過中斷的方式為顯示服務。直流電動機的額定轉(zhuǎn)速為190轉(zhuǎn)每分大約需要三位數(shù)碼顯示。驅(qū)動器采用74LS164串接510歐的限流電阻。見圖4-2-143控制電路打開系統(tǒng)電源后由電位器控制電動機轉(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。ADDC0809內(nèi)部“地址鎖存與譯碼”電路便能把IN0線上模擬電壓送入8位A/D轉(zhuǎn)換器此時，若單片機使STAR線處于高電平，則ADC0809便開始A/D轉(zhuǎn)換，一旦A/D轉(zhuǎn)換完成，ADC0809一方面把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入它的三態(tài)輸出緩沖器另一方面又使EOC線變?yōu)楦唠娖较騿纹瑱C提出中斷請求。單片機檢測和Vin3GND2+5V1三端穩(wěn)壓器78L05C10.33FC20.33FC310F24V5V無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書6響應該中斷請求后就通過使rd非變?yōu)榈碗娖蕉筄E線變高，以便可以從2-1-2-8引線上取走A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。單片機根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出相應的巨型脈沖信號。脈沖信號經(jīng)74LS245放大后經(jīng)光電藕荷控制繼電器。見附圖4-3-1。44驅(qū)動電路及原理下面主要對驅(qū)動電路進行一下介紹：電動自行車使用24V直流電機，對于這種小功率直流電機的調(diào)速方法一般有兩種。一種線性型：使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運行時，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。另一種脈寬調(diào)制型：脈寬調(diào)速（PULSEWIDEMODULATIONPWM）較常用的一種調(diào)速方式，這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)的等優(yōu)點。因此決定采用PWM方式控制直流電機。永磁式直流電機脈寬調(diào)速原理永磁式直流電動機電機轉(zhuǎn)速由電樞電壓UD決定，電樞電UD越高電機轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓UD降為0V，電機就停轉(zhuǎn)。直流電機的具體調(diào)速過程是：先讓它啟動一段時間，然后切斷電源，電動機因慣性而降速轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時使電動機再次接通電動機因此而再次加速。不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（即脈動信號）就可以使電動機的轉(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。如圖4-4-1所示：脈沖信號：tT轉(zhuǎn)速：VMAXVDVMIN圖4-4-1無錫職業(yè)技術學院畢業(yè)設計說明書7VMAX為電動機的最大轉(zhuǎn)速值。VMIN為電動機的最小轉(zhuǎn)速值。VD為二者的平均值。VD=D*VMAX式中D=t/T稱為占空比D越大VD就越大反之亦然。平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比D之間的關系如4-4-2圖：VD（平均速度）00.51D（占空比）圖4-4-2由圖可知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關系，但可以近似的看成是線性關系。因此電動機的平均轉(zhuǎn)速VD就可以有占空比D加以控制。PWM調(diào)速分為雙向式和單向式兩種雙向式：在一個脈沖周期內(nèi)(T=TaTb)，T1和T3導通的時間為Ta，T2和T4導通的時間為Tb，這樣在Ta這段時間內(nèi)，電機通過的是正向電流，在Tb這段時間內(nèi)為