本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目汽車(chē)節(jié)能超高速飛輪控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)車(chē)輛工程081班學(xué)號(hào)07047119學(xué)生姓名王雷指導(dǎo)教師王玉新2012年6月18日中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)汽車(chē)節(jié)能超高速飛輪控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要本課題主要通過(guò)研究超高速飛輪的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有控制技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)超高速飛輪的具體工作過(guò)程。在汽車(chē)行駛過(guò)程中，控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制飛輪的能量釋放過(guò)程，制動(dòng)能量的回收過(guò)程；壓力檢測(cè)以及溫度檢測(cè)。主要基于51單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的SPWM調(diào)速控制，真空泵壓力檢測(cè)控制，溫度檢測(cè)控制等具體內(nèi)容，而超高速飛輪工作的整個(gè)控制過(guò)程需要有調(diào)速電路，壓力檢測(cè)電路，和溫度檢測(cè)電路等去實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制，針對(duì)每個(gè)控制過(guò)程編寫(xiě)控制程序，根據(jù)程序結(jié)合仿真軟件實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分的51單片機(jī)仿真過(guò)程。超高速飛輪的控制實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程，利用飛輪釋放能量來(lái)減少汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出和汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中利用飛輪回收制動(dòng)能量，使得汽車(chē)行駛過(guò)程中達(dá)到了節(jié)能減排的目的，所以超高速飛輪在汽車(chē)中的應(yīng)用將是未來(lái)的一個(gè)主要發(fā)展方向。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞超高速飛輪；控制系統(tǒng)；電路；單片機(jī)仿真中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)CONTROLSYSTEMDESIGNOFTHEULTRAHIGHSPEEDFLYWHEELSAVINGENERGYFORACARABSTRACTTHISSUBJECTISMAINLYBYSTUDYINGULTRAHIGHSPEEDFLYWHEELCONTROLSYSTEMDESIGN,ONTHEBASISOFTHEDOMESTICANDFOREIGNEXISTINGCONTROLTECHNOLOGY,REALIZINGTHEWORKINGPROCESSOFULTRAHIGHSPEEDFLYWHEELWHENTHECARISRUNNING,THECONTROLSYSTEMREALIZESTHEPROCESSOFHIGHFREQUENCYDRIVEMOTORTOCONTROLFLYWHEELENERGYRELEASING,THEBRAKEENERGYRECOVERY,PRESSUREDETECTIONANDTEMPERATUREDETECTIONMAINLYBASEDON51SINGLECHIPCONTROLSYSTEMDESIGN,INCLUDINGUHFDRIVEMOTORSPWMSPEEDCONTROL,VACUUMPUMPPRESSURECONTROL,TEMPERATUREDETECTIONCONTROLANDSOON,THEWHOLECONTROLPROCESSOFULTRAHIGHSPEEDFLYWHEELWORKNEEDSSPEEDREGULATIONCIRCUIT,APRESSUREDETECTINGCIRCUIT,ANDATEMPERATUREDETECTIONCIRCUITTOREALIZETHERELATEDCONTROL,FOREACHCONTROLPROCESS,WRITECONTROLPROGRAM,ACCORDINGTOTHEPROCEDURE,COMBININGWITHTHESIMULATIONSOFTWARETOREALIZETHEPROCESSOFEACHPARTOFTHE51CHIPSIMULATIONTHECONTROLOFULTRAHIGHSPEEDFLYWHEELACHIEVESTHEWHOLESYSTEMWORKPROCESS,USINGTHEFLYWHEELENERGYRELEASETOLESSENGINEPOWEROUTPUTANDUSINGTHEFLYWHEELTORECOVERYBRAKEENERGYWHENTHECARISBRAKING,SAVINGENERGYANDDECREASEEMISSIONWHENTHECARISRUNNINGSOTHEULTRAHIGHSPEEDFLYWHEELISAMAJORDEVELOPMENTOFFUTUREINTHEAPPLICATIONOFTHECARKEYWORDSULTRAHIGHSPEEDFLYWHEELCONTROLSYSTEMCIRCUITSINGLECHIPMICROCOMPUTERSIMULATION中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄第1章前言111超高速飛輪的課題目的112超高速變頻飛輪的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀213超高速變頻飛輪的目前存在的問(wèn)題以及如何解決問(wèn)題214超高速變頻飛輪的未來(lái)發(fā)展方向315本文研究的主要內(nèi)容3第2章超高速飛輪控制系統(tǒng)功能421超高速飛輪控制系統(tǒng)的要求422超高速飛輪控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能4221發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能4222超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速6223飛輪釋放能量7224制動(dòng)能量的回收8225真空泵的壓力檢測(cè)10226溫度檢測(cè)1123小結(jié)11第3章控制系統(tǒng)的組成1231電路元器件簡(jiǎn)介及功能12311AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介12312LM7805線性穩(wěn)壓源143137407簡(jiǎn)介14314SA4828簡(jiǎn)介15315TLP250驅(qū)動(dòng)電路15316IGBT功用1632控制系統(tǒng)的PROTEL電路設(shè)計(jì)16321飛輪轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)字顯示電路16322調(diào)速電路17323真空泵壓力檢測(cè)電路18324溫度檢測(cè)電路1933小結(jié)20第4章控制系統(tǒng)仿真2141仿真軟件設(shè)計(jì)21411KEILC51簡(jiǎn)介21412PROTEUS軟件簡(jiǎn)介22413仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程2242PROTEUS仿真結(jié)果2243控制系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)圖2644小結(jié)27第5章結(jié)論2851控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)28中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)52個(gè)人總結(jié)2853超高速飛輪未來(lái)前景29致謝30參考文獻(xiàn)31附錄34附錄A34附錄B37附錄C41附錄D47附錄E50附錄F55中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1第1章前言11超高速飛輪的課題目的隨著世界能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，人們對(duì)汽車(chē)節(jié)能和減排的要求越來(lái)越高，采用儲(chǔ)能飛輪進(jìn)行汽車(chē)功率和能量的調(diào)節(jié)是一種有效的解決辦法。近年來(lái)高強(qiáng)度的復(fù)合材料、低功耗磁軸承、先進(jìn)的電力電子控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，使得飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在汽車(chē)上的應(yīng)用成為可能。詳細(xì)介紹了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理和特點(diǎn)，總結(jié)了飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀，指出了車(chē)用高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用存在的關(guān)鍵問(wèn)題，為進(jìn)一步研究提供參考。由于原油儲(chǔ)量的不斷減少和汽車(chē)尾氣排放對(duì)環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，能量?jī)?chǔ)存和再利用技術(shù)已成為一個(gè)世界性問(wèn)題。儲(chǔ)能飛輪具有使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能密度高的優(yōu)點(diǎn)，在儲(chǔ)能量一定的情況下，其質(zhì)量比超級(jí)電容更輕、體積更小，因而更加有利于在汽車(chē)上布置安裝。而FLYBRIDSYSTEMSLLP公司研制的超高速飛輪，飛輪質(zhì)量?jī)H為5KG，極限轉(zhuǎn)速60000RPM,最大功率60KW,最大扭矩130牛米，最大儲(chǔ)能400千焦，系統(tǒng)總重量?jī)H為24KG，廣泛應(yīng)用于F1賽車(chē)1。KERS整體結(jié)構(gòu)如圖11所示。圖11KERS整體結(jié)構(gòu)圖中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)212超高速變頻飛輪的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用比較多。日本已經(jīng)制造出在世界上容量最大的變頻調(diào)速飛輪蓄能發(fā)電系統(tǒng)容量265MVA,電壓1100V,轉(zhuǎn)速510690R/MIN,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量710TMIDDOT；M2。美國(guó)馬里蘭大學(xué)也已研究出用于電力調(diào)峰的24KWH的電磁懸浮飛輪系統(tǒng)。飛輪重1728KG,工作轉(zhuǎn)速范圍11,61046,345RPM,破壞轉(zhuǎn)速為48,784RPM,系統(tǒng)輸出恒壓110240V,全程效率為81。經(jīng)濟(jì)分析表明,運(yùn)行3年時(shí)間可收回全部成本。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在美國(guó)發(fā)展得很成熟,他們制造出一種裝置,在空轉(zhuǎn)時(shí)的能量損耗達(dá)到01每小時(shí)。歐洲的法國(guó)國(guó)家科研中心、德國(guó)的物理高技術(shù)研究所、意大利的SISE均正開(kāi)展高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究。目前國(guó)內(nèi)從事與飛輪研究相關(guān)的單位有清華大學(xué)工程物理系飛輪儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)室、華北電力大學(xué)、北京飛輪儲(chǔ)能柔性研究所由中科院電工所、天津核工業(yè)理化工程研究院等組成、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中國(guó)科大、中科院力學(xué)所、東南大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)等,主要集中在小容量系列，其中，北航針對(duì)航天領(lǐng)域研制的“姿控/儲(chǔ)能兩用磁懸浮飛輪”已獲得2007年國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。華北電力大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院電工研究所、河北省電力局合作,已經(jīng)開(kāi)始就電力系統(tǒng)調(diào)峰用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的課題進(jìn)行研究,預(yù)計(jì)能夠取得可喜的成果。13超高速變頻飛輪的目前存在的問(wèn)題以及如何解決問(wèn)題目前國(guó)內(nèi)外超高速飛輪中有一個(gè)內(nèi)置電機(jī)，它既是電動(dòng)機(jī)也是發(fā)電機(jī)。在充電時(shí)候，作為電動(dòng)機(jī)給飛輪加速，在放電時(shí)候，它又作為發(fā)電機(jī)給外設(shè)供電，此時(shí)飛輪的轉(zhuǎn)速不斷下降；而飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，整個(gè)裝置則以最小損耗運(yùn)行。內(nèi)置電機(jī)它沒(méi)能解決飛輪釋放能量的具體控制過(guò)程，這也是問(wèn)題存在的關(guān)鍵所在。驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速方案具體過(guò)程如下在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)接在CVT的一個(gè)輸入端，利用超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)CVT進(jìn)行調(diào)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化控制了CVT轉(zhuǎn)速的變化快慢，從而解決了飛輪轉(zhuǎn)速變化的控制過(guò)程。而詳細(xì)的控制過(guò)程將在接下來(lái)的章節(jié)進(jìn)行介紹。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)3KERS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示。圖12KERS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖14超高速變頻飛輪的未來(lái)發(fā)展方向由于超高速飛輪的體積和質(zhì)量相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，儲(chǔ)能密度較高，在現(xiàn)有的技術(shù)水平和大眾可以接受的價(jià)格范圍內(nèi)，可以在未來(lái)的汽車(chē)上廣泛應(yīng)用，有效地減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出，同時(shí)既節(jié)能又減排。在當(dāng)前能源短缺的情況下，如果超高速飛輪能夠廣泛應(yīng)用到小型汽車(chē)上，這將大大解決能源短缺問(wèn)題。15本文研究的主要內(nèi)容本文所研究的內(nèi)容是利用超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)SPWM調(diào)速?gòu)亩刂骑w輪轉(zhuǎn)速的變化，實(shí)現(xiàn)飛輪的釋放能量和制動(dòng)能量的回收過(guò)程以及利用發(fā)動(dòng)機(jī)給飛輪儲(chǔ)能。除此之外，飛輪真空腔的真空度也是本文的一個(gè)重點(diǎn)，超高速飛輪在真空環(huán)境下工作，以降低風(fēng)阻損耗，降低飛輪的摩擦升溫效果，所以利用真空泵去實(shí)現(xiàn)真空腔的標(biāo)準(zhǔn)真空度以及真空腔中的壓力檢測(cè)是飛輪工作過(guò)程的主要環(huán)節(jié)。磁懸浮軸承利用磁流體去密封，在高速工作過(guò)程中，磁流體的溫度會(huì)升高，因此，本文主要對(duì)磁流體正常工作狀態(tài)條件下的一個(gè)溫度檢測(cè)。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)4第2章超高速飛輪控制系統(tǒng)功能21超高速飛輪控制系統(tǒng)的要求超高速飛輪的的控制過(guò)程是飛輪工作過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，一套完整的控制系統(tǒng)對(duì)飛輪的工作過(guò)程至關(guān)重要，控制過(guò)程的精確，準(zhǔn)時(shí)決定了飛輪的工作狀態(tài)。而此控制系統(tǒng)主要包括以下內(nèi)容超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速控制，真空泵的壓力檢測(cè)控制，以及磁流體密封軸承處的溫度檢測(cè)控制。對(duì)于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程需要有相關(guān)的程序和設(shè)計(jì)電路以及系統(tǒng)圖。22超高速飛輪控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能控制系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能主要分為三部分，第一利用超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)去調(diào)速，控制飛輪轉(zhuǎn)速的變化，從而實(shí)現(xiàn)能量的釋放和回收過(guò)程。第二是對(duì)真空泵的壓力檢測(cè)控制，檢測(cè)飛輪真空腔內(nèi)部的工作壓力是否符合規(guī)定的壓力值。第三是磁流體密封軸承處的溫度檢測(cè)控制。這三個(gè)大的環(huán)節(jié)構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心。其次控制過(guò)程中還應(yīng)該包括利用發(fā)動(dòng)機(jī)給飛輪儲(chǔ)能221發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能首先解決汽車(chē)起步之前飛輪儲(chǔ)存能量，如果利用飛輪內(nèi)置電機(jī)給飛輪加速儲(chǔ)能必然耗費(fèi)較大的電能，經(jīng)濟(jì)上不合算，所以采用發(fā)動(dòng)機(jī)在至少180S時(shí)間內(nèi)給飛輪提供能量。為解決動(dòng)力的傳輸和中斷問(wèn)題，在CVTT和主減速器之間加上一個(gè)可以傳遞大扭矩的萬(wàn)向聯(lián)軸器。在汽車(chē)起步之前，發(fā)動(dòng)機(jī)以某一恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)，電磁離合器和發(fā)動(dòng)機(jī)離合器要保持接合，萬(wàn)向聯(lián)軸器處于斷開(kāi)狀態(tài)，這樣才能將動(dòng)力通過(guò)CVTT差動(dòng)輪系傳遞給飛輪，為飛輪提供能量，此過(guò)程需要控制系統(tǒng)完成。具體控制過(guò)程如下首先發(fā)動(dòng)機(jī)離合器處于結(jié)合狀態(tài)，而電磁離合器結(jié)合是通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)置的獨(dú)立鍵盤(pán)“開(kāi)始”按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)按下“開(kāi)始”時(shí)候，電磁離合器處于結(jié)合狀態(tài)，通過(guò)加速踏板，變速器，分動(dòng)器，CVTT無(wú)極變速器差動(dòng)變速輪系,GGB行星齒輪箱,當(dāng)飛輪達(dá)到極限轉(zhuǎn)速60000RPM時(shí)，電磁離合器通過(guò)預(yù)先存儲(chǔ)在單片機(jī)的程序自動(dòng)進(jìn)行控制斷開(kāi)過(guò)程，飛輪儲(chǔ)能過(guò)程完畢。這樣就實(shí)現(xiàn)了在180S時(shí)間內(nèi)飛輪加速到60000RPM。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)5飛輪儲(chǔ)能整體結(jié)構(gòu)如圖所示。圖21整體模式圖程序流程如圖22所示。程序詳見(jiàn)附錄A。圖22發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能程序流程圖中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)6222超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速由于伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降所以選取安川SGMJV04ADD6E永磁無(wú)刷交流伺服電機(jī)，這種電機(jī)配線更簡(jiǎn)易可靠，在惡劣環(huán)境下可以安心使用等優(yōu)點(diǎn)。安川SGMJV04ADD6E的功率為400W。因?yàn)閷?duì)于超高頻電機(jī)的選取，額定功率不能過(guò)大，一般小于05KW左右。圖23伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線由于永磁無(wú)刷交流電機(jī)轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載而改變，只是根據(jù)外界電網(wǎng)頻率而改變，所以通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度變化而控制飛輪轉(zhuǎn)速的變化的快慢。我們所研究的儲(chǔ)能系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)和飛輪組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)，二者屬于并聯(lián)關(guān)系。超高速飛輪處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)矩很小，所以必須將轉(zhuǎn)矩進(jìn)行放大才能提供給汽車(chē)后軸，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化控制飛輪轉(zhuǎn)速的變化，根據(jù)理論力學(xué)中動(dòng)量矩GJ,倆邊求導(dǎo)后轉(zhuǎn)矩MJ，JE其中，,E分別是角速度，角加速度,飛輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度和能量的變化，根據(jù)此公式可以得出，如果角速度變化越快，即角加速度越大，力矩就越大，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化越快，飛輪在快速降低的同時(shí)釋放的力矩也就越大，具體說(shuō)就是如果飛輪在一次釋放總能35的情況下，飛輪轉(zhuǎn)速變化由中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)760000RPM45000RPM左右時(shí)，如果時(shí)間越短，轉(zhuǎn)矩變化就越大。安川伺服電機(jī)采用雙極性SPWM調(diào)速，雙極性控制則是指在輸出波形的半周期內(nèi)，逆變器同一橋臂中的兩只元件均處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但它們之間的關(guān)系是互補(bǔ)的，即通斷狀態(tài)彼此是相反交替的。這樣輸出波形在任何半周期內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)極性電壓交替的情況，故稱之為雙極性控制，與單極性控制方式相比，載波和控制波都變成了有正、負(fù)半周的交流方式，其輸出矩形波也是任意半周中均出現(xiàn)正負(fù)交替的情況。圖24雙極性雙極性調(diào)速適用于高性能場(chǎng)合，對(duì)于超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速選擇雙極性調(diào)速。所以改變控制信號(hào)UR（FR）的頻率，則輸出電壓的基波頻率亦隨之而改變，這樣就實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻的目的。N60FR/P,FR為電網(wǎng)的頻率，P為磁極對(duì)數(shù)，取1。通過(guò)改變頻率的變化從而也就實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。因?yàn)楦淖僃R，三角載波的頻率UC不變，在雙極性調(diào)速中，輸出波形的頻率必然要改變，從而實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的SPWM調(diào)速。223飛輪釋放能量汽車(chē)在公路起步行走時(shí)，車(chē)速在10S時(shí)間由0加速到到100KM/H，發(fā)動(dòng)機(jī)以恒功率和恒扭矩輸出，通過(guò)飛輪釋放能量來(lái)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出。首先通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)的按鍵使電磁離合器結(jié)合，這時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)和飛輪一起向外輸出動(dòng)力，使得汽車(chē)前進(jìn)，飛輪轉(zhuǎn)速一旦降到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的45000RPM時(shí)，電磁離合器通過(guò)存儲(chǔ)在單片機(jī)里的中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)8程序就會(huì)使其斷開(kāi)，剩余的能量以待以后行進(jìn)時(shí)多次釋放。根據(jù)雙極性調(diào)速，使得外界電網(wǎng)頻率發(fā)生一系列降低改變，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低。外界電網(wǎng)的頻率由83HZ連續(xù)降到50HZ，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速就由由5000RPM到3000RPM。所以飛輪由60000RPM降到45000RPM，,這樣就實(shí)現(xiàn)了飛輪釋放能量的控制過(guò)程。程序流程如圖25所示。程序詳見(jiàn)附錄B。圖25釋放能量程序流程圖224制動(dòng)能量的回收對(duì)于15T的轎車(chē)，設(shè)計(jì)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)與能量回收高速飛輪，在車(chē)速60KM/H時(shí)4S完全制動(dòng)，理論上可以回收90以上的制動(dòng)動(dòng)能；在車(chē)速100KM/H時(shí)，35S內(nèi)完全制動(dòng)時(shí)，能夠回收45的制動(dòng)動(dòng)能。汽車(chē)在60KM/H時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，首先通過(guò)單片機(jī)設(shè)定好的按鍵程序，按“開(kāi)始”鍵，使得電磁離合器結(jié)合，這時(shí)將制動(dòng)踏板快速踏下，汽車(chē)開(kāi)始制動(dòng)，飛輪開(kāi)始回收能量，但是飛輪轉(zhuǎn)速不能超過(guò)60000RPM，一旦達(dá)到這個(gè)數(shù)值，電磁離合器通過(guò)單片機(jī)控制程序就會(huì)斷開(kāi)。這是回收能量的一個(gè)極限情況。而回收能量的快慢要通過(guò)伺服電機(jī)調(diào)速的變中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)9化快慢來(lái)實(shí)現(xiàn)飛輪的轉(zhuǎn)速變化，以實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)急劇回收能量。在60KM/H，驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部的程序?qū)︱?qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行SPWM進(jìn)行調(diào)速，使得外界電網(wǎng)的頻率由50HZ連續(xù)升到67HZ，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速由3000RPM到4000RPM，這時(shí)候飛輪轉(zhuǎn)速由45000RPM增加到53000RPM。汽車(chē)在100KM/H時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，和汽車(chē)在60KM/H時(shí)開(kāi)始制動(dòng)時(shí)候控制過(guò)程是一樣的，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速都是通過(guò)存儲(chǔ)在單片機(jī)調(diào)速程序自動(dòng)改變電網(wǎng)頻率，從而實(shí)現(xiàn)SPWM調(diào)速。但是此時(shí)飛輪回收能量很少，大部分都通過(guò)制動(dòng)時(shí)以熱量的形式散發(fā)掉了。飛輪轉(zhuǎn)速由45000RPM到55000RPM,這時(shí)候電磁離合器就要斷開(kāi)，飛輪回收的能量等待下次汽車(chē)行駛時(shí)候釋放。驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速由3000RPM到4500RPM。程序流程如圖26所示。程序詳見(jiàn)附錄C。圖26制動(dòng)能量回收程序流程圖總之，無(wú)論飛輪釋放能量還是制動(dòng)能量的回收過(guò)程，飛輪轉(zhuǎn)速的變化都是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速的，根據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)里的SPWM調(diào)速程序，在這倆種工況下，外界電網(wǎng)的頻率就會(huì)連續(xù)的改變，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)連續(xù)的改變，這樣就實(shí)現(xiàn)了飛輪能中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)10量的釋放和回收過(guò)程。225真空泵的壓力檢測(cè)主要控制真空飛輪內(nèi)部壓力保持在一定范圍內(nèi)，通過(guò)控制系統(tǒng)檢測(cè)壓力的變化，通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)保證飛輪內(nèi)部一定的真空度，以實(shí)現(xiàn)較少產(chǎn)熱和風(fēng)阻的影響。數(shù)字大氣壓力傳感器將檢測(cè)到數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析，檢測(cè)壓力的變化，如果飛輪腔真空部分壓力不符合正常工作的標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)大氣壓力20KPA時(shí)候，繼電器就會(huì)控制真空泵的電路通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)真空的工作，當(dāng)飛輪內(nèi)部的壓力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)20KPA壓力時(shí)，繼電器就會(huì)斷開(kāi)。程序流程如圖27所示。程序詳見(jiàn)附錄D。圖27壓力檢測(cè)流程圖中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)11226溫度檢測(cè)由于飛輪高速旋轉(zhuǎn)，安裝飛輪軸處的磁流體密封軸承必須要進(jìn)行冷卻，所以需要溫度檢測(cè)。主要通過(guò)DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，將數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)，從而達(dá)到溫度檢測(cè)的目的。程序流程如圖28所示。程序詳見(jiàn)附錄E。圖28溫度檢測(cè)程序流程圖23小結(jié)本章節(jié)主要介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)能過(guò)程，驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速控制飛輪釋放能量和回收能量過(guò)程，以及壓力檢測(cè)控制和溫度檢測(cè)控制。每個(gè)控制都有相關(guān)的程序，并且用流程圖詳細(xì)表達(dá)了具體控制過(guò)程。在控制系統(tǒng)中，除了程序外，還應(yīng)該有相關(guān)的控制電路圖。所以下一章節(jié)將詳細(xì)介紹控制電路的原理與設(shè)計(jì)，以及如何實(shí)現(xiàn)控制。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)12第3章控制系統(tǒng)的組成31電路元器件簡(jiǎn)介及功能311AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KBYTES的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器和128BYTES的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲(chǔ)單元。圖31AT89C51引腳圖并行I/O接口P0口P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)13為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。P2口P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。VCC供電電壓，一般工作電壓為5V。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/PROG當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。PSEN外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。EA/VPP當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2來(lái)自反向振蕩器的輸出。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)14312LM7805線性穩(wěn)壓源三端穩(wěn)壓集成電路LM7805（線性穩(wěn)壓管）輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。7805系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是36V，最低輸入電壓比輸出電壓高34V還要考慮輸出與輸入間壓差帶來(lái)的功率損耗，所以一般輸入為915V之間。由于汽車(chē)電源是12V直流電源，所以不需要整流。只需要在LM7805的輸入端1和輸出端3加上濾波電容即可。這樣輸出端輸出的就是5V電壓了，可以提供給單片機(jī)。圖32LM7805電路圖3137407簡(jiǎn)介7407是集電極開(kāi)路六正相高壓驅(qū)動(dòng)器，用于共陰極驅(qū)動(dòng)發(fā)光二級(jí)管。圖337407邏輯圖中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)151進(jìn)2出，3進(jìn)4出，5進(jìn)6出，9進(jìn)8出，11進(jìn)10出，13進(jìn)12出，7接地，14接高電平。314SA4828簡(jiǎn)介SA4828是英國(guó)MITEL公司研制出的一種專門(mén)用于三相SPWM信號(hào)發(fā)生和控制的集成電路芯片。圖34SA4828引腳圖（1）與單片機(jī)的接口信號(hào)ADOAD7、WR、RD、ALE可直接與地址/數(shù)據(jù)復(fù)用的單片機(jī)相連。此時(shí)，總線選擇信號(hào)MUX接5V，地址/數(shù)據(jù)引腳RS不用。（2）輸入信CS片選信號(hào)，CLK時(shí)鐘信號(hào)，RESET復(fù)位信號(hào)，SETTRIP關(guān)斷信號(hào)，高電平時(shí)可快速關(guān)斷全部SPWM信號(hào)。（3）輸出信號(hào)RT、YT、BY控制三相逆變橋的三個(gè)上橋臂的開(kāi)關(guān)管。RB、YB、BB控制三相逆變橋的三個(gè)下橋臂的開(kāi)關(guān)管。ZPPR輸出調(diào)制波的頻率，WSS輸出采樣波形。TRIP封鎖狀態(tài)，SETTRIP有效時(shí)，該引腳為低電平表明輸出已被封鎖，可接LED指示燈。315TLP250驅(qū)動(dòng)電路SA4828輸出的6路控制信號(hào)是TTL電平的，它不能直接驅(qū)動(dòng)IPM中的6個(gè)IGBT。必須使用TLP250驅(qū)動(dòng)IGBT。圖35TLP250驅(qū)動(dòng)電路A1K5186352TLP2中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)16316IGBT功用IGBT是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件，其輸入極為MOSFET，輸出極為PNP晶體管，它融和了這兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，既具有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型器件飽和壓降低而容量大的優(yōu)點(diǎn)，其頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十KHZ頻率范圍內(nèi)，在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在較高頻率的大、中功率應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位。因此在調(diào)速電路選擇IGBT作為控制開(kāi)關(guān)。32控制系統(tǒng)的PROTEL電路設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)主要以AT89C51作為控制核心，LM7805線性穩(wěn)壓源，7407，SA4828，TLP250驅(qū)動(dòng)電路等作為電路的主要組成部分。本控制系統(tǒng)一共使用四塊AT89C51芯片，芯片之間通過(guò)串口連接實(shí)現(xiàn)同步工作。第一塊芯片是用來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示飛輪傳感器數(shù)字變化，第二塊是用來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速功能，第三塊是用來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)的控制過(guò)程，第四塊是用來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)的控制過(guò)程。以下將詳細(xì)分開(kāi)介紹各控制電路。321飛輪轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)字顯示電路在此電路中，主要包括微控制器AT89C51，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，獨(dú)立鍵盤(pán)，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，7407驅(qū)動(dòng)部分，繼電器驅(qū)動(dòng)電磁離合器，數(shù)碼管，以及上拉電阻。AT89C51是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)采集霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)據(jù)，然后在數(shù)碼管上顯示，由于單片機(jī)的引腳驅(qū)動(dòng)能力較弱，所以要利用驅(qū)動(dòng)部分7407和上拉電阻提高驅(qū)動(dòng)能力，在整個(gè)控制系統(tǒng)中電磁離合器的接合與通斷就是通過(guò)自動(dòng)開(kāi)關(guān)繼電器驅(qū)動(dòng)的。復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是單片機(jī)的最小系統(tǒng)，保證單片機(jī)正常工作。獨(dú)立鍵盤(pán)是控制電磁離合器接合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的過(guò)程。在超高速飛輪工作的過(guò)程中，無(wú)論是發(fā)動(dòng)機(jī)給飛輪儲(chǔ)能，還是飛輪釋放能量和制動(dòng)能量的回收過(guò)程，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器都會(huì)將數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，然后通過(guò)電路在數(shù)碼管上動(dòng)態(tài)顯示。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)17如果飛輪達(dá)到極限轉(zhuǎn)速60000RPM，單片機(jī)輸出低電平使得繼電器斷開(kāi)從而實(shí)現(xiàn)電磁離合器的斷開(kāi)。數(shù)字顯示電路如圖36所示。圖36數(shù)字顯示電路以上就是電路各部分的主要功能以及工作過(guò)程各部分功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。其中數(shù)碼管動(dòng)態(tài)仿真在下一章介紹。322調(diào)速電路在調(diào)速電路中主要包括微控制器主要包括微控制器AT89C51，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，SA4828芯片，TLP250驅(qū)動(dòng)電路，三相PWM變頻器，而三相PWM變頻器主要有整流電路，濾波電路，逆變電路。微控制器AT89C51是整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的核心，復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是單片機(jī)的最小系統(tǒng)，SA4828芯片用于三相SPWM信號(hào)發(fā)生和控制，由于SA4828芯片驅(qū)動(dòng)能力較弱，不能直接驅(qū)動(dòng)IGBT，所以選擇TLP250驅(qū)動(dòng)IGBT。在三相PWM變頻器中，整流電路是經(jīng)過(guò)三相整流橋全波整流成直流，濾波電路是將整流后的直流變成更加平滑的直流，而逆變電路是把直流電逆變成頻率可調(diào)的三相交流電，所以最終實(shí)現(xiàn)了變頻的目的。在超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)程中，存儲(chǔ)在單片機(jī)的程序把頻率信號(hào)寫(xiě)入到SA4828控制寄存器，然后啟動(dòng)SA4828，從RT到BB六個(gè)引腳就會(huì)輸出相應(yīng)頻率的SPWM控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，分別控制功率開(kāi)關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通和截止，最后在三個(gè)輸出端產(chǎn)生對(duì)中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)18稱的三相SPWM電壓，最終驅(qū)動(dòng)超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)速電路如圖37所示。圖37調(diào)速電路根據(jù)程序中所設(shè)定的可變頻率，就會(huì)將信號(hào)寫(xiě)入SA4828控制寄存器，在SA4828的RT到BB六個(gè)引腳就會(huì)連續(xù)輸出可變頻率的SPWM控制信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)IGBT，IGBT就會(huì)以較高的頻率連續(xù)導(dǎo)通和截止，這樣在三相電壓的輸出端就會(huì)使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照程序中的頻率設(shè)定連續(xù)的使轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，這樣就真正的實(shí)現(xiàn)了超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的連續(xù)調(diào)速，從而滿足了控制系統(tǒng)的要求。323真空泵壓力檢測(cè)電路在壓力檢測(cè)電路中，主控制核心仍是AT89C51，其次復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，7407驅(qū)動(dòng)部分，MS5561C大氣壓力傳感器，以及繼電器驅(qū)動(dòng)電路。在壓力檢測(cè)電路中，大氣壓力傳感器將數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，在數(shù)碼管上顯示壓力數(shù)值，單片機(jī)經(jīng)過(guò)分析與存儲(chǔ)在單片機(jī)程序里的真空腔標(biāo)準(zhǔn)壓力數(shù)值進(jìn)行比較，如果不符合，單片機(jī)控制繼電器接合實(shí)現(xiàn)真空泵的工作，直到達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓力值繼電器就會(huì)斷開(kāi)，這就是整個(gè)電路的工作原理。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)19壓力檢測(cè)電路如圖38所示。圖38壓力檢測(cè)電路324溫度檢測(cè)電路在溫度檢測(cè)電路中，主控制核心仍然為AT89C51，其次復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，7407驅(qū)動(dòng)部分，數(shù)字溫度傳感器DS18B20。溫度檢測(cè)電路如圖39所示。圖39溫度檢測(cè)電路中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)20在超高速飛輪工作過(guò)程中，磁懸浮軸承采用磁流體密封，磁流體溫度一般不高于105，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中磁流體的溫度會(huì)升高，所以要進(jìn)行溫度檢測(cè)。數(shù)字溫度傳感器將溫度信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)分析和處理，將溫度信號(hào)在數(shù)碼管上顯示，這樣就可以看到磁流體此時(shí)的工作溫度了。如果溫度過(guò)高就要進(jìn)行冷卻。33小結(jié)本章主要介紹了電路元器件的功能，電路設(shè)計(jì)原理，以及數(shù)碼管顯示電路，調(diào)速電路，壓力檢測(cè)電路，溫度檢測(cè)電路所實(shí)現(xiàn)的功能，每一部分都詳細(xì)介紹了電路的具體工作過(guò)程，在接下來(lái)的章節(jié)主要介紹電路仿真的結(jié)果。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)21第4章控制系統(tǒng)仿真41仿真軟件設(shè)計(jì)411KEILC51簡(jiǎn)介KEILC51是美國(guó)KEILSOFTWARE公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。KEIL提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（UVISION）將這些部分組合在一起。運(yùn)行KEIL軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語(yǔ)言編程，那么KEIL幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。圖41KEIL軟件程序編譯窗口本設(shè)計(jì)中的所有程序都是經(jīng)過(guò)KEILC51軟件編譯，然后調(diào)試。在調(diào)試窗口查找錯(cuò)誤和警告，根據(jù)軟件本身的功能特點(diǎn)，找到相關(guān)錯(cuò)誤的位置，然后進(jìn)行改正，繼續(xù)編譯、調(diào)試，直到程序沒(méi)有錯(cuò)誤為止。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)22412PROTEUS軟件簡(jiǎn)介PROTEUS軟件是英國(guó)LABCENTERELECTRONICS公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛(ài)好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。PROTEUS是世界上著名的EDA工具仿真軟件，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了CORTEX和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、KEIL和MPLAB等多種編譯器。413仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程第一步在KEIL中將編寫(xiě)好C語(yǔ)言程序，然后編譯當(dāng)前文件，創(chuàng)建HEX目標(biāo)文件，重建所有目標(biāo)文件。第二步在PROTEUS中選擇元器件繪制好原理圖（復(fù)位電路和時(shí)鐘電路等一些電路元件可以省略）。第三步將創(chuàng)建HEX目標(biāo)文件通過(guò)PROTEUS下載到其中，然后運(yùn)行，這時(shí)候就可以看到原理圖的動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程。42PROTEUS仿真結(jié)果在圖42仿真電路中，發(fā)光二極管燈滅代表電磁離合器斷開(kāi)，發(fā)動(dòng)機(jī)給飛輪加速到60000RPM，儲(chǔ)能過(guò)程結(jié)束。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)23圖42發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能過(guò)程仿真在圖43中發(fā)光二級(jí)管綠燈亮起過(guò)程模擬飛輪釋放能量電磁離合器結(jié)合的過(guò)程。圖43飛輪釋放能量過(guò)程中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)24在圖44發(fā)光二極管燈滅時(shí)候代表飛輪釋放能量結(jié)束，電磁離合器斷開(kāi)。圖44飛輪釋放能量結(jié)束在圖45中發(fā)光二級(jí)管黃燈亮起過(guò)程模擬繼電器接合，真空泵正在工作。圖45真空泵工作過(guò)程中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)25在圖46中發(fā)光二級(jí)管滅代表真空泵工作結(jié)束，繼電器斷開(kāi)的過(guò)程。圖46真空泵工作結(jié)束圖47溫度檢測(cè)仿真圖在溫度仿真電路中，數(shù)碼管顯示的就是溫度傳感器DS18B20檢測(cè)的磁流體工作溫度的模擬過(guò)程。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)2643控制系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)圖在系統(tǒng)圖包括了發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能過(guò)程，飛輪釋放能兩和制動(dòng)能量的回收過(guò)程，驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速，壓力檢測(cè)，以及溫度檢測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖48所示。圖48系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能首先按下鍵盤(pán)按鍵，單片機(jī)給高電平時(shí)電磁離合器接合，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)離合器，傳動(dòng)裝置給飛輪加速，達(dá)到60000RPM時(shí)候，單片機(jī)給低電平電磁離合器斷開(kāi)，飛輪儲(chǔ)能完成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速釋放能量按下獨(dú)立鍵盤(pán)按鍵，單片機(jī)給高電平電磁離合器接合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)SPWM調(diào)速，通過(guò)單片機(jī)里的程序，啟動(dòng)SA4828，經(jīng)TLP250驅(qū)動(dòng)電路，控制PWM變頻器中的IGBT開(kāi)關(guān)的通斷，頻率改變，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)下降，飛輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)對(duì)應(yīng)著下降，降到到55000RPM,單片機(jī)給低電平，電磁離合器斷開(kāi)，能量釋放結(jié)束。驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速回收能量按下獨(dú)立鍵盤(pán)按鍵，單片機(jī)給高電平電磁離合器接合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)SPWM調(diào)速，通過(guò)單片機(jī)里的程序，啟動(dòng)SA4828，經(jīng)TLP250驅(qū)動(dòng)電路，控制PWM變頻器中的IGBT開(kāi)關(guān)的通斷，頻率改變，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，飛中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)27輪的轉(zhuǎn)速也會(huì)對(duì)應(yīng)著上升，由45000RPM升到55000RPM,單片機(jī)給低電平電磁離合器斷開(kāi)，回收能量結(jié)束。真空泵壓力檢測(cè)壓力傳感器給單片機(jī)送入壓力數(shù)值，如果和程序中的飛輪真空腔的標(biāo)準(zhǔn)壓力不符合，單片機(jī)給繼電器高電平，繼電器接合，真空泵開(kāi)始工作，直到檢測(cè)的壓力數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)壓力一致，單片機(jī)給繼電器低電平，電磁離合器斷開(kāi)，壓力檢測(cè)控制結(jié)束。溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)是利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)磁流體密封處的溫度檢測(cè)，DS18B20將溫度信號(hào)送入單片機(jī)，這樣就可以看到磁流體工作的當(dāng)前的溫度了。44小結(jié)本章主要介紹了使用KEIL軟件和PROTEUS軟件仿真的過(guò)程，針對(duì)每個(gè)仿真過(guò)程詳細(xì)介紹了所實(shí)現(xiàn)的功能，包括飛輪轉(zhuǎn)速的變化仿真，壓力檢測(cè)，溫度檢測(cè)等的仿真。最后通過(guò)系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)圖對(duì)整個(gè)控制過(guò)程再一次詳細(xì)介紹了控制系統(tǒng)的工作過(guò)程，使得控制過(guò)程簡(jiǎn)單明了。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)28第5章結(jié)論51控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)是超高速飛輪整體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，通過(guò)控制系統(tǒng)可以具體控制飛輪的工作過(guò)程，包括汽車(chē)在行駛時(shí)飛輪釋放能量和回收能量等過(guò)程，解決了汽車(chē)在水平城市公路走走停停發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率過(guò)大的問(wèn)題，飛輪釋放能量使得汽車(chē)前進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出減小，汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程，飛輪回收制動(dòng)能量，減少能量的損失。本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先確定需要控制的部分，然后有一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，在整體結(jié)構(gòu)中包含了每一部分子控制，每一部分子控制通過(guò)程序和電路去實(shí)現(xiàn)控制，最后通過(guò)簡(jiǎn)單的仿真模擬控制過(guò)程。此控制系統(tǒng)還很不完善，仍需要較大的提高。一套完整的控制系統(tǒng)對(duì)超高速飛輪的工作過(guò)程至關(guān)重要，每一部分的精確控制也是控制系統(tǒng)的重點(diǎn)。目前超高速飛輪在國(guó)內(nèi)外的研究很廣泛，如果在控制系統(tǒng)方面能夠做到更加完美，這將是未來(lái)超高速飛輪的一個(gè)重點(diǎn)的發(fā)展。本課題所研究的超高速飛輪控制系統(tǒng)，主要針對(duì)城市路面的小型汽車(chē)，它們?cè)诜比A擁擠的道路上走走停停，能夠在汽車(chē)行駛過(guò)程中控制飛輪在一定時(shí)間內(nèi)釋放能量和制動(dòng)能量的回收。如果飛輪控制系統(tǒng)完善的話，在節(jié)能減排方面將會(huì)有更大的提高。從節(jié)約能源的角度來(lái)看，超高速飛輪的發(fā)展將是未來(lái)汽車(chē)節(jié)能化小型化的一個(gè)主要發(fā)展方向。52個(gè)人總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是汽車(chē)節(jié)能超高速飛輪控制系統(tǒng)，在該設(shè)計(jì)中主要包括控制理論，機(jī)電一體化，機(jī)械參數(shù)控制，單片微機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，51單片機(jī)及其C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)實(shí)例，PROTEL99SE電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型范例，零起步輕松學(xué)PROTEL99SE電路設(shè)計(jì)，基于PROTEUS的51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真，單片機(jī)原理及應(yīng)用基于PROTEUS與KEILC等多門(mén)學(xué)科，在近四個(gè)月的學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)過(guò)程中，使我對(duì)控制系統(tǒng)有了很深的了解，讓我對(duì)一些非專業(yè)課程有了初步的學(xué)習(xí)，為以后從事機(jī)電系統(tǒng)行業(yè)也打下了基礎(chǔ)。在本次設(shè)計(jì)中讓我更加深入的了解到機(jī)械和控制相互結(jié)合的重要性，先進(jìn)的機(jī)械技術(shù)離不開(kāi)精確的控制，它們是相輔相成的，雖然本次學(xué)到了很多新的知識(shí)，但中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)29是還是缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S過(guò)程，有待于進(jìn)步的提高，希望在以后的工作中能夠在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面不斷的提高自己，學(xué)到更多的控制知識(shí)。53超高速飛輪未來(lái)前景飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是當(dāng)前一個(gè)主要發(fā)展方向，由于飛輪相對(duì)尺寸小，重量輕，儲(chǔ)能密度大，使用壽命長(zhǎng)，低損耗，低維護(hù)，工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。所以在很多方面都有廣泛的應(yīng)用，例如飛輪電池應(yīng)用于太空領(lǐng)域，交通運(yùn)輸，不間斷電源，軍用戰(zhàn)斗車(chē)輛等方面。目前最新的飛輪儲(chǔ)能就是在飛輪混合動(dòng)力方面，例如F1賽車(chē)上的KERS動(dòng)能回收系統(tǒng)，飛輪質(zhì)量?jī)H為5千克，系統(tǒng)總重為24千克，系統(tǒng)體積13升，最大儲(chǔ)能400千焦。從以上數(shù)據(jù)可以看出，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)更趨向小型化，緊湊化，高效化等特點(diǎn)，如果能在汽車(chē)上廣泛應(yīng)用，將會(huì)為世界能源短缺方面解決一個(gè)大的問(wèn)題。中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)30致謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)首先感謝我的導(dǎo)師王玉新老師精心的指導(dǎo)，讓我在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中學(xué)到了很多知識(shí)，受益匪淺，老師治學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度讓我非常敬佩，每次老師細(xì)心的指導(dǎo)都給了我大的學(xué)習(xí)信心，雖然在設(shè)計(jì)中遇到了很多困難，不過(guò)每次經(jīng)過(guò)老師的悉心教導(dǎo)，一些問(wèn)題都迎刃而解了，這次設(shè)計(jì)也為以后工作奠定了基礎(chǔ)，給了我們一個(gè)自己獨(dú)立解決問(wèn)題的空間，在這里再次感謝我的導(dǎo)師王玉新老師的栽培，謝謝您讓我學(xué)到了很多。同時(shí)在這里也要感謝那些在學(xué)習(xí)上幫助過(guò)我的同學(xué)，有了你們的幫助，我在學(xué)習(xí)上的一些困難很快就解決了，謝謝你們?cè)谖矣龅嚼щy時(shí)候幫助我，大學(xué)四年，同學(xué)間的友情永遠(yuǎn)是真的，希望你們?cè)谖磥?lái)的道路上越走越好。最后，感謝我的父母，是他們培養(yǎng)了我，給了我接受高等教育的機(jī)會(huì)，讓我在高等學(xué)府不僅學(xué)會(huì)了知識(shí)，更學(xué)會(huì)了如何和群體相處，在今后的學(xué)習(xí)工作中一定努力向上，不辜負(fù)父母的寄托，報(bào)答父母的養(yǎng)育之恩中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)31參考文獻(xiàn)1文少波，蔣書(shū)運(yùn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在汽車(chē)中的應(yīng)用研究東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院J南京211189,南京工程學(xué)院車(chē)輛工程系，南京211167）2張建成飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其運(yùn)行控制技術(shù)研究D保定華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文，200143劉懷喜，馬潤(rùn)香，張恒飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用J能源技術(shù)，2003，24110134湯雙清，楊家軍，廖道訓(xùn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究綜述J三峽大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2002，24178825楊志軼飛輪電池儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究D合肥合肥工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文，20021126何瑞金飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)及能量回饋技術(shù)的研究D東華大學(xué)碩士學(xué)位論文，20041147張世亮車(chē)輛制動(dòng)能量回收裝置的研究J機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，1999，28422238何仁，孫龍林，吳明汽車(chē)新型儲(chǔ)能動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能機(jī)理J長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22367719田惠儒公共汽車(chē)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)J城市公共交通，20004212210王美麗，林榮會(huì)汽車(chē)制動(dòng)能量的回收利用J青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1993，14480一8311孫龍林，何仁最小化混合動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的初步探討J江蘇理工大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2001，222141712凌永成于京諾主編汽車(chē)電子控制技術(shù)M中國(guó)林業(yè)出版社，20060813楊鳳山交流永磁同步伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的研究J北方工業(yè)大學(xué)20040614戴仙金51單片機(jī)及其C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)實(shí)例M北京清華大學(xué)出版社，2008215萬(wàn)福君單片機(jī)原理系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用M第2版合肥中國(guó)科技大學(xué)出版社，20018中國(guó)石油大學(xué)（華東）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)3216譚浩強(qiáng)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)第2版M北京北京航空航天大學(xué)出版社，200517槐創(chuàng)鋒PROTEL99SE電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與典型范例M電子工業(yè)出版社,200818蔡杏山等零起步輕松學(xué)PROTEL99SE電路設(shè)計(jì)M人民郵電出版社,20070119侯玉寶基于PROTEUS的51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真M電子工業(yè)出版社,20080920孟祥蓮，高洪志單片機(jī)原理及應(yīng)用基于PROTEUS與KEILCM哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,20100821SMITHM，JOHNSAPPLICATIONSPECIFICINTEGRATEDCIRCUITSADDISONWESLEYRGENEVAWHO，199822ZHANGJ,CHENZ,CAIL,ETALFLYWHEELENERGYSTORAGESYSTEMDESIGNFORDISTRIBUTEDNETWORKCIEEEPES2000WINTERMEETING,2327JANUARY2000,SINGAPORE23ZHANGJ,CHENZ,CAIL,ETALFLYWHEELENERGYSTORAGESYSTEMDESIGNFORDISTRIBUTEDNETWORKCIEEEPES2000WINTERMEETING,2327JANUARY2000,SINGAPORE24RIZOULISD,BURLJ,ANDBEARDJ,2001,“CONTROLSTRATEGIESFORASERIESPARALLELHYBRIDELECTRICVEHICLE,”P(pán)ROCEEDINGSOFSAE2001WORLDCONGRESS,MARCH2001,DETROIT,MICHIGAN25ENDOH,ITOM,ANDOZEKIT,2003,“DEVELOPMENTOFTOYOTASTRANSAXLEFORMINIVANHYBRIDVEHICLES,”JSAEREV,JAPANESESOCIETYOFAUTOMOTIVEENGINEERS,241,PP10911626LINCC,FILIPIZ,WANGY,LOUCAL,PENGH,ASSANISD,ANDSTEINJ,2001,“INTEGRATED,FEEDFORARDHYBRIDELECTRICVEHICLESIMULATIONINSIMULINKANDITSUSEFORPOWERMANAGEMENTSTUDIES,”P(pán)ROCEEDINGSOFSAE2001WORLDCONGRESS,MARCH2001DETROIT,MICHIGAN27JEOUNGH,CHOIJHIGHEFFICIENCYENERGYCONVERSIONANDDRIVERSOFFESSYSTEMUSINGHIGHTEMPERATURESUPERCONDUCTIVEMAGNETICBEARINGSCIEEEPES2000WINTERMEETING,2327J