1、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(zhuān)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)的根底上實(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

2、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)局部的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)程中到達(dá)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)主要開(kāi)展方向。關(guān)鍵詞：超高速飛輪；控制系統(tǒng)；電路；單片機(jī)仿真Control system design of the ultra high speed flywheel saving energy for a carABSTRACTThis subject is mainly by

3、studying ultra high speed flywheel control system design, on the basis of the domestic and foreign existing control technology, realizing the working process of ultra high speed flywheel. When the car is running, the control system realizes the process of high frequency drive motor to control flywhe

4、el energy releasing, the brake energy recovery, pressure detection and temperature detection. Mainly based on 51 single chip control system design, Including UHF drive motor SPWM speed control, vacuum pump pressure control, temperature detection control and so on, the whole control process of Ultra

5、high speed flywheel work needs speed regulation circuit, a pressure detecting circuit, and a temperature detection circuit to realize the related control, For each control process, Write control program, according to the procedure, combining with the simulation software to realize the process of eac

6、h part of the 51chip simulation. The control of Ultra high speed flywheel achieves the whole system work process, Using the flywheel energy release to less engine power output and using the flywheel to recovery brake energy when the car is braking, saving energy and decrease emission when the car is

7、 running. So the ultra high speed flywheel is a major development of future in the application of the car.Keywords: Ultra high speed flywheel; Control system; Circuit; Single chip microcomputer simulation目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328079854 第1章 前 言 PAGEREF _Toc328079854 h 1 HYPERLINK l _Toc

8、328079855 1.1 超高速飛輪的課題目的 PAGEREF _Toc328079855 h 1 HYPERLINK l _Toc328079856 超高速變頻飛輪的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc328079856 h 2 HYPERLINK l _Toc328079857 1.3 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 PAGEREF _Toc328079857 h 2 HYPERLINK l _Toc328079858 超高速變頻飛輪的未來(lái)開(kāi)展方向 PAGEREF _Toc328079858 h 3 HYPERLINK l _Toc328079859 1.5 本文研究的主

9、要內(nèi)容 PAGEREF _Toc328079859 h 3 HYPERLINK l _Toc328079860 第2章 超高速飛輪控制系統(tǒng)功能 PAGEREF _Toc328079860 h 4 HYPERLINK l _Toc328079861 超高速飛輪控制系統(tǒng)的要求 PAGEREF _Toc328079861 h 4 HYPERLINK l _Toc328079862 2.2 超高速飛輪控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能 PAGEREF _Toc328079862 h 4 HYPERLINK l _Toc328079863 2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能 PAGEREF _Toc328079863 h 4 HY

10、PERLINK l _Toc328079864 2.2.2 超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速 PAGEREF _Toc328079864 h 6 HYPERLINK l _Toc328079865 2.2.3 飛輪釋放能量 PAGEREF _Toc328079865 h 7 HYPERLINK l _Toc328079866 2.2.4 制動(dòng)能量的回收 PAGEREF _Toc328079866 h 8 HYPERLINK l _Toc328079867 2.2.5 真空泵的壓力檢測(cè) PAGEREF _Toc328079867 h 10 HYPERLINK l _Toc328079868 2.2.6 溫度檢

11、測(cè) PAGEREF _Toc328079868 h 11 HYPERLINK l _Toc328079869 2.3 小結(jié) PAGEREF _Toc328079869 h 11 HYPERLINK l _Toc328079870 第3章 控制系統(tǒng)的組成 PAGEREF _Toc328079870 h 12 HYPERLINK l _Toc328079871 3.1 電路元器件簡(jiǎn)介及功能 PAGEREF _Toc328079871 h 12 HYPERLINK l _Toc328079872 3.1.1 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc328079872 h 12 HYPERL

12、INK l _Toc328079873 LM7805線性穩(wěn)壓源 PAGEREF _Toc328079873 h 14 HYPERLINK l _Toc328079874 3.1.3 7407簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc328079874 h 14 HYPERLINK l _Toc328079875 SA4828簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc328079875 h 15 HYPERLINK l _Toc328079876 3.1.5 TLP250驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF _Toc328079876 h 15 HYPERLINK l _Toc328079877 IGBT功用 PAGEREF _T

13、oc328079877 h 16 HYPERLINK l _Toc328079878 3.2 控制系統(tǒng)的PROTEL電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc328079878 h 16 HYPERLINK l _Toc328079879 3.2.1 飛輪轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)字顯示電路 PAGEREF _Toc328079879 h 16 HYPERLINK l _Toc328079880 3.2.2 調(diào)速電路 PAGEREF _Toc328079880 h 17 HYPERLINK l _Toc328079881 3.2.3 真空泵壓力檢測(cè)電路 PAGEREF _Toc328079881 h 18 HYP

14、ERLINK l _Toc328079882 3.2.4 溫度檢測(cè)電路 PAGEREF _Toc328079882 h 19 HYPERLINK l _Toc328079883 3.3 小結(jié) PAGEREF _Toc328079883 h 20 HYPERLINK l _Toc328079884 第4章 控制系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc328079884 h 21 HYPERLINK l _Toc328079885 4.1 仿真軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc328079885 h 21 HYPERLINK l _Toc328079886 4.1.1 Keil C51簡(jiǎn)介 PAGERE

15、F _Toc328079886 h 21 HYPERLINK l _Toc328079887 4.1.2 PROTEUS 軟件簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc328079887 h 22 HYPERLINK l _Toc328079888 4.1.3 仿真實(shí)現(xiàn)過(guò)程 PAGEREF _Toc328079888 h 22 HYPERLINK l _Toc328079889 4.2 PROTEUS仿真結(jié)果 PAGEREF _Toc328079889 h 22 HYPERLINK l _Toc328079890 4.3 控制系統(tǒng)流程構(gòu)造圖 PAGEREF _Toc328079890 h 26 HYPER

16、LINK l _Toc328079891 4.4 小結(jié) PAGEREF _Toc328079891 h 27 HYPERLINK l _Toc328079892 第5章 結(jié)論 PAGEREF _Toc328079892 h 28 HYPERLINK l _Toc328079893 5.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié) PAGEREF _Toc328079893 h 28 HYPERLINK l _Toc328079894 5.2 個(gè)人總結(jié) PAGEREF _Toc328079894 h 28 HYPERLINK l _Toc328079895 5.3 超高速飛輪未來(lái)前景 PAGEREF _Toc32807

17、9895 h 29 HYPERLINK l _Toc328079896 致 謝 PAGEREF _Toc328079896 h 30 HYPERLINK l _Toc328079897 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc328079897 h 31 HYPERLINK l _Toc328079898 附 錄 PAGEREF _Toc328079898 h 34 HYPERLINK l _Toc328079899 附錄A PAGEREF _Toc328079899 h 34 HYPERLINK l _Toc328079900 附錄B PAGEREF _Toc328079900 h 37 HYPE

18、RLINK l _Toc328079901 附錄C PAGEREF _Toc328079901 h 41 HYPERLINK l _Toc328079902 附錄D PAGEREF _Toc328079902 h 47 HYPERLINK l _Toc328079903 附錄E PAGEREF _Toc328079903 h 50 HYPERLINK l _Toc328079904 附錄F PAGEREF _Toc328079904 h 55第1章 前 言1.1 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)展汽車(chē)功率和能量的

19、調(diào)節(jié)是一種有效的解決方法。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)的開(kāi)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)的構(gòu)造、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)用開(kāi)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 Flybrid Systems LLP公司研制的超高速飛輪，飛輪質(zhì)量

20、僅為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整體構(gòu)造如圖11所示。圖1-1 KERS整體構(gòu)造圖超高速變頻飛輪的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀美國(guó)、德國(guó)、日本等興旺國(guó)家對(duì)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用比擬多。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26.5MVA ,電壓1100V ,轉(zhuǎn)速510690r/min ,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量710t·；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172.8kg, 工作轉(zhuǎn)速范圍11, 61046, 345rpm, 破

21、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)分析說(shuō)明, 運(yùn)行3 年時(shí)間可收回全部本錢(qián)。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在美國(guó)開(kāi)展得很成熟,他們制造出一種裝置,在空轉(zhuǎn)時(shí)的能量損耗到達(dá)0. 1 %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，

22、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)創(chuàng)造一等獎(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)場(chǎng)就電力系統(tǒng)調(diào)峰用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的課題進(jìn)展研究, 預(yù)計(jì)能夠取得可喜的成果。 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)裝置那么以最小損耗運(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：在此構(gòu)造的根底上進(jìn)展改

23、良，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)展調(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)展介紹。KERS系統(tǒng)構(gòu)造如圖12所示。圖1-2 KERS系統(tǒng)構(gòu)造圖超高速變頻飛輪的未來(lái)開(kāi)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)水平和群眾可以承受的價(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。 1.5 本文研究的主要內(nèi)容本文所研究的內(nèi)容是利

24、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)。第2章 超高速飛輪控制系統(tǒng)功能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

25、準(zhǔn)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。 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)的功能主要分為三局部，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 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

26、用飛輪內(nèi)置電機(jī)給飛輪加速儲(chǔ)能必然消耗較大的電能，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)場(chǎng)按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)按下“開(kāi)場(chǎng)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)

27、變速輪系),GGB(行星齒輪箱),當(dāng)飛輪到達(dá)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)展控制斷開(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。飛輪儲(chǔ)能整體構(gòu)造如下圖。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2-2 發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能程序流程圖 超高頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速04ADD6E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，

28、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)展放大才能提供應(yīng)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G=J, 倆邊求導(dǎo)后轉(zhuǎn)矩M=J，J=E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6

29、0000rpm45000rpm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，雙極性控制那么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(chēng)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2-4 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)Urfr的頻率，那么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)

30、頻的目的。n=60fr/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)楦淖僨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。 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)里的程序就會(huì)使其斷開(kāi)，剩余的能量以待以后行進(jìn)時(shí)屢次釋

31、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2-5 釋放能量程序流程圖 制動(dòng)能量的回收對(duì)于1.5t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)，3.5s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)場(chǎng)制動(dòng)，首先通過(guò)單片機(jī)設(shè)定好的按鍵程序，按“

32、開(kāi)場(chǎng)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)場(chǎng)制動(dòng)，飛輪開(kāi)場(chǎng)回收能量，但是飛輪轉(zhuǎn)速不能超過(guò)60000rpm，一旦到達(dá)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)電時(shí)機(jī)根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部的程序?qū)︱?qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)展SPWM進(jìn)展調(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)場(chǎng)制動(dòng)，和汽車(chē)在60km/h時(shí)開(kāi)場(chǎng)制動(dòng)時(shí)候控制過(guò)

33、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，大局部都通過(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2-6 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)展調(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

34、實(shí)現(xiàn)了飛輪能量的釋放和回收過(guò)程。 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，如果飛輪腔真空局部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)部的壓力到達(dá)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2-7 壓力檢測(cè)流程圖 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)展冷卻，所以需要溫度檢測(cè)。

35、主要通過(guò)DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)展檢測(cè)，將數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)，從而到達(dá)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2-8 溫度檢測(cè)程序流程圖2.3 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。第3章 控制系統(tǒng)的組成 電路元器件簡(jiǎn)介及功能3.1.1 AT89C51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

36、位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes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3-1 AT89C51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 HYPERLINK t _parent 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)展校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此

37、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)展存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在

38、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)展讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能存放器的內(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

39、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。如想制止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制止，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)，那么在

40、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。 LM7805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

41、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，可以提供應(yīng)單片機(jī)。圖3-2 LM7805電路圖 7407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3-3 7407邏輯圖1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。 SA4828簡(jiǎn)介SA4828是英國(guó)MITEL公司研制出的一種專(zhuān)門(mén)用于三相SPWM信號(hào)發(fā)生和控制的集成電路芯片。圖3-4 SA4828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

42、/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)，SET TRIP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)，SET TRIP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。 TLP250驅(qū)動(dòng)電路Amp1k5 25V10V86 ,7352TLP2500 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3

43、-5 TLP250驅(qū)動(dòng)電路 IGBT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 HYPERLINK t _blank 頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz HYPERLINK t _blank 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)。3.2 控制系統(tǒng)的PROTEL電路設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的

44、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局部。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。 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)局部，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)

45、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)局部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。如果飛輪到達(dá)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3-

46、6 數(shù)字顯示電路以上就是電路各局部的主要功能以及工作過(guò)程各局部功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。其中數(shù)碼管動(dòng)態(tài)仿真在下一章介紹。 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

47、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控制存放器，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)稱(chēng)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3-7 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控制存放器，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)IG

48、BT，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。 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)局部，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)展比擬，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，直到到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)壓力值繼電器就會(huì)斷開(kāi)，這就是

49、整個(gè)電路的工作原理。壓力檢測(cè)電路如圖38所示。圖3-8 壓力檢測(cè)電路 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)局部，數(shù)字溫度傳感器DS18B20。溫度檢測(cè)電路如圖39所示。圖3-9 溫度檢測(cè)電路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)展溫度檢測(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)展冷卻。3.3 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)

50、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，每一局部都詳細(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。第4章 控制系統(tǒng)仿真 仿真軟件設(shè)計(jì) Keil C51簡(jiǎn)介Keil C51是 HYPERLINK t _blank 美國(guó)Keil Software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、構(gòu)造性、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將這些局部組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98

51、、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4-1 Keil 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)Keil C51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)展改正，繼續(xù)編譯、調(diào)試，直到程序沒(méi)有錯(cuò)誤為止。 PROTEUS 軟件簡(jiǎn)介Proteus HYPERLINK t _blank 軟件是英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA HYPERLINK t _bl

52、ank 工具軟件該軟件 HYPERLINK t _blank 中國(guó)總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)。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( HYPERLINK t _blank 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

53、支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2021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 HYPERLINK t _blank 編譯器。 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)立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)立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)

54、態(tài)模擬過(guò)程。4.2 PROTEUS仿真結(jié)果在圖4-2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)程完畢。圖4-2 發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能過(guò)程仿真在圖4-3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4-3 飛輪釋放能量過(guò)程在圖4-4發(fā)光二極管燈滅時(shí)候代表飛輪釋放能量完畢，電磁離合器斷開(kāi)。圖4-4 飛輪釋放能量完畢在圖4-5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4-5 真空泵工作過(guò)程在圖4-6中發(fā)光二級(jí)管滅代表真空泵工作完畢，繼電器斷開(kāi)的過(guò)程。圖4-6 真空泵工作完畢圖4-7 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

55、溫度傳感器DS18B20檢測(cè)的磁流體工作溫度的模擬過(guò)程。4.3 控制系統(tǒng)流程構(gòu)造圖在系統(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)構(gòu)造如圖48所示。圖4-8 系統(tǒng)構(gòu)造圖發(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，到達(dá)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)場(chǎng)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

56、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)，能量釋放完畢。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)場(chǎng)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)，回收能量完畢。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)

57、場(chǎng)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)控制完畢。溫度檢測(cè)：溫度檢測(cè)是利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)展檢測(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。4.4 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)流程構(gòu)造圖對(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。第5章 結(jié)論5.1 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

58、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局部，然后有一個(gè)整體構(gòu)造，在整體構(gòu)造中包含了每一局部子控制，每一局部子控制通過(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，每一局部的準(zhǔn)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

59、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)的開(kāi)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，超高速飛輪的開(kāi)展將是未來(lái)汽車(chē)節(jié)能化小型化的一個(gè)主要開(kāi)展方向。 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，Protel 99 SE電路設(shè)計(jì)根底與典型范例，零起步輕松學(xué)Protel

60、 99 SE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Keil C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(zhuān)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)也打下了根底。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)準(zhǔn)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)。 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)主要開(kāi)展方向，由于飛輪相對(duì)尺寸小，重