電動助力車電機驅(qū)動系統(tǒng)設計開題報告

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- 1 -1．畢業(yè)設計的主要內(nèi)容、重點和難點等研究內(nèi)容電動助力車是以蓄電池、鋰電池等電能作為輔助能源，具有兩個車輪，能實現(xiàn)人力騎行、電動或電助動功能的自行車。它是在普通自行車的基礎上安裝了電機、控制器、電池、轉(zhuǎn)把等操縱部件和顯示儀表系統(tǒng)的機電一體化的個人交通工具。電動助力車具有價格便宜、綠色無污染、噪音低振動小、能源利用率高及能源多樣化等特點，很快被社會所廣泛接納和普及使用。電動助力車的動力多采用直流電機（有刷或無刷）提供，其操控性和可靠性的優(yōu)劣與電機驅(qū)動系統(tǒng)密切相關(guān)。單片機控制的電動助力車電機驅(qū)動系統(tǒng)適用于電動自行車等小功率的工作情況，具有調(diào)速性能好、功率因素高、節(jié)能、體積小、重量輕等優(yōu)點。本課題的研究內(nèi)容是用單片機控制，設計電動助力車驅(qū)動和操縱系統(tǒng)，使用 LCD 對速度進行輸出顯示，并具有調(diào)速功能。本課題的研究內(nèi)容主要有一下幾個方面：（1） 研究電動自行車的工作原理和功能；（2） 研究有關(guān)單片機電動自行車方面的設計；（3） 研究如何設計能實現(xiàn)電動自行車控制的系統(tǒng)；（4） 研究相關(guān)軟、硬件的仿真與調(diào)試；（5） 研究電動自行車電機驅(qū)動系統(tǒng)的硬件。研究重點及難點重點：（1）電動助力車電機驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計，使基本硬件電路能滿足測速要求和調(diào)速要求；（2）選擇合適的測速傳感器,以及設計相應合理的調(diào)速電路，確保檢測系統(tǒng)的精確性；（3）正確設計測速、調(diào)速和顯示的程序,并且設計出操作簡單、工作可靠的操縱界面。- 2 -難點：（1）如何設計控制電路，使之能夠符合單片機采集數(shù)據(jù)要求的同時能夠滿足測速和調(diào)速要求；（2）如何設計單片機程序，使之能根據(jù)收到的傳感器脈沖信號和輪圈周長等數(shù)據(jù)計算出電動車的速度，并輸出給顯示電路；（3）如何選擇合理方案設計硬件電路，使用方便，經(jīng)濟實用。2．準備情況（查閱過的文獻資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設備、實驗條件等）研究概況及發(fā)展趨勢（1）電動助力車研究概況 [1-3]電動助力車核心技術(shù)包括三個方面：電機與傳動、控制器與控制技術(shù)、電池等，涉及電氣、電力電子、控制、機械等多學科。目前，電動自行車所使用的電機一般為直流電機，它具有體積小，效率高，調(diào)速性能優(yōu)良等特點；而電機的結(jié)構(gòu)一般以輪轂式居多。傳統(tǒng)的直流電機內(nèi)部有碳刷和換向器，故稱之為有刷直流電機。它應用技術(shù)成熟，高速范圍寬，構(gòu)成的控制系統(tǒng)簡單，成本相對較低，過載能力強。無刷直流電機內(nèi)部沒電刷和換向器，其轉(zhuǎn)子一般由永磁體構(gòu)成，這樣的永磁無刷直流電機因其轉(zhuǎn)子沒有勵磁損耗，效率較高，得到了廣泛的應用?？刂破魇请妱幼孕熊嚨拇竽X，其主要作用是控制電機轉(zhuǎn)速、提高電機效率以及在一定情況下保護電機和電池。對于直流電機，幾本都是采用 PWM 技術(shù)通過控制電機端電壓來控制電機轉(zhuǎn)速。電池是電動自行車的動力之源，在電動自行車中占有極其重要的地位，電池質(zhì)- 3 -量好壞直接影響電動自行車的行駛里程和使用壽命。目前電動自行車使用的車載電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池等。（2）國內(nèi)的發(fā)展趨勢 [4-7]電機是電動自行車的關(guān)鍵部件。為使電動自行車有良好的使用性能，驅(qū)動電機應具有寬調(diào)速范圍、高轉(zhuǎn)速和足夠大的起動轉(zhuǎn)矩。此外，由于電動自行車的驅(qū)動電機是車載形式運行的，這要求電機體積小、重量輕、效率高、且具有良好的能量回饋性能。一個多世紀以來，電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電機、異步電機和直流電機三種。由于傳統(tǒng)的直流電動機均采用電刷以及機械方法進行換向，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來了噪聲、火花、無線電干擾以及壽命縮短等弱點，在加上制造成本高及維修困難的缺點，從而大大限制了它的應用范圍。針對上述傳統(tǒng)直流電動機的弊病，早在上世紀 30 年代就有人開始研制已電子換向代替電刷機械換向的直流無刷電動機。經(jīng)過了幾十年的努力，直至上世紀 60年代初終于實現(xiàn)了這一愿望。進入 70 年代晶閘管開始形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品，普通晶閘管不能自關(guān)斷的半控型器件，被成稱為第一代電力電子器件。隨著電力電子技術(shù)理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量和類型方面得到了很大發(fā)展，是電力電子技術(shù)的又一次飛躍。稀土永磁無刷直流電機是近 20 年發(fā)展起來的一類電機，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微機和稀土永磁材料的發(fā)展為無刷直流電機的研究奠定了基礎。近些年來，隨著現(xiàn)代電離電子技術(shù)、控制技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，電機的應用技術(shù)也得到了進一步的發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。許多電動生產(chǎn)廠家都應用了一系列的電動車新技術(shù)，大大增強了自身品牌在市場上的影響，也頗受消費者的關(guān)注。麥科集團電助動車公司研制出智能變頻電機，變頻控制器和變頻高效電機共同組成高效動力系統(tǒng)，充分利用小電流大轉(zhuǎn)矩原理，在其行過程中根據(jù)路況和載重情況及時調(diào)整功率輸出；北京新日電動車研制開發(fā)了雙動力電動車，與普通電動車相比，雙動力電動車擁有兩個動力源，可實現(xiàn)在兩個不同點留下的效能轉(zhuǎn)換，即實現(xiàn)高效動力檔和高速動力檔的轉(zhuǎn)換。進入 21 世紀以來，我國的能源問題，尤其是是有問題，也變得日益嚴重。我國礦物能源儲量比較豐富，但是人均能源資源卻只有世界人均能源資源的二分之一左右。二十多年來，我國經(jīng)濟快速、持續(xù)發(fā)展，其發(fā)展速度與質(zhì)量為世界所矚目。但同時又面臨著有限的化石燃料資源和更高的環(huán)境保護要求的嚴峻挑戰(zhàn)，由此可在交通方面發(fā)展一種綠色可再升的能源已顯得非常重要。電動自行車作為自行車史上具有革命性的交通工具，在給人們生活帶來方便的同時，也對整個社會的荊棘產(chǎn)生- 4 -了積極的影響。物美價廉的電動自行車有著巨大的市場需求。電動自行車在整車設計、驅(qū)動系統(tǒng)、電池管理，尤其是鋰電池、燃料電池等高性能電池的研制方面不斷取得的突破。驅(qū)動系統(tǒng)的可靠新與安全性，促進整車效率，而且可以節(jié)約能源和降低自行車的維護成本，從而推動電動自行車的廣泛應用。主要參考文獻[1] 張炳生 .電動自行車驅(qū)動電機發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 微特電機，1999(1): 38-42[2] 趙輝，孫立志，陸永平 .多功能電動自行車驅(qū)動電路的開發(fā)[J]. 電氣自動化，2000（4）：32-36 [3] 金桂財 .電動自行車驅(qū)動系統(tǒng)仿真研究[D]. 黑龍江：哈爾濱理工大學圖書館, 2009 [4] 陳家新 .單片機在電動車助力控制系統(tǒng)中的應用, 電氣傳動35(11): 35-39, 2005[5] 王幸之 .單片機應用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2000[6] 余永權(quán) .單片機應用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1991[7] 繳瑞山，韓全立主編 .單片機控制技術(shù)及應用[M]. 北京：高等教育出版社，2003[8] 王進野，張紀良 .電機拖動與控制[M]. 天津市：天津大學出版社，2008[9] 譚浩強 .C語言設計教程[M]. 北京：清華大學出版社，2007[10]周潤景等 .基于PROTEUS的電路及單片機設計與仿真[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2010[11]黃惟公. 單片機原理與接口技術(shù) C51版[M] 成都市：四川大學出版社,2011.08[12]沈德金. 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IEEE Transactions on, 2005, 41(2): 522-524.現(xiàn)有設備和實驗條件個人計算機、51 單片機開發(fā)板、示波器、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表，開放實驗室3、實施方案、進度實施計劃及預期提交的畢業(yè)設計資料- 6 -實施方案本課題有三個主要問題需要解決，分別是系統(tǒng)整體設計、系統(tǒng)程序設計和系統(tǒng)實物設計制作。其中，系統(tǒng)整體設計可以通過查閱相關(guān)資料和借鑒工業(yè)成品來解決；軟件程序的設計和實物的制作與調(diào)試可以根據(jù)所學知識進行，對于該過程中所遇到的問題可以通過查閱相關(guān)資料，和同學討論，詢問指導老師，到實驗室進行試驗等手段解決。具體如下：（1）硬件設計本系統(tǒng)包括以下幾部分：以單片機 AT89S51 為核心，周圍電路包括電源電路、控制電路、顯示電路、測速電路、驅(qū)動電路等。AT89S51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8 位微處理器。打開電源后，單片機上電復位后，LCD 顯示車速為 00.0。電機開始轉(zhuǎn)動，A/D 轉(zhuǎn)換器采集的手把處的模擬電壓信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換，單片機里的數(shù)字信號經(jīng)過處理輸出的 PWM 波形，用來驅(qū)動無刷直流電機轉(zhuǎn)動并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。車輪每轉(zhuǎn)一圈，安裝在電機附近的測速電路就向單片機發(fā)出信號，單片機通過計時和計算得出車速，然后通過動態(tài)掃描的方式在數(shù)碼管上顯示出來。圖 1 總體電路框圖- 7 -（2）軟件設計由主程序、A/D 轉(zhuǎn)換中斷服務程序、測速信號采集中斷程序及顯示子程序等部分。主程序框圖如圖 2 所示：- 8 -進度實施計劃第一階段（2015-12-30 至 2016-01-13）：分析畢業(yè)設計題目，閱讀理解任務書內(nèi)容，構(gòu)思設計驅(qū)動系統(tǒng)實施計劃方案。第二階段（2016-01-14 至 2016-03-15）：查閱相關(guān)文獻和資料，了解電動助力車電機驅(qū)動系統(tǒng)原理并畫出原理結(jié)構(gòu)框圖。第三階段（2016-03-16 至 2016-04-15）：確定驅(qū)動系統(tǒng)方案。設計驅(qū)動系統(tǒng)的控制電路、驅(qū)動電路等，畫出原理圖，并設計主程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序和測速程序等。第四階段（2016-04-16 至 2016-05-01）：對原理圖進行仿真。用 protues 對總體電路進行仿真調(diào)試，之后畫 PCB 并進行制板，做出驅(qū)動系統(tǒng)實物。第五階段（2016-05-02 至 2016-05-19）：硬件調(diào)試。調(diào)試驅(qū)動電路、顯示電路等各部分電路，完成最終實物。撰寫和完善畢設論文并提交。預期提交的畢業(yè)設計資料1、撰寫兩萬字以上的畢業(yè)設計說明書（兼附 15 篇以上的參考文獻） ；在畢業(yè)設計說明書中應包括 300～500 個單詞的英文摘要及關(guān)鍵詞；2、完成與課題相關(guān)英文資料的翻譯（約四萬英文字符，附英文全文） ；3、完成糧庫糧情測控系統(tǒng)開發(fā)的研究和實現(xiàn)方案；4、設計出系統(tǒng)的硬件和完成相應軟件程序設計，給出必需的硬件實現(xiàn)原理圖；5、根據(jù)課題任務與要求，完成可供掩飾的功能樣機。指導教師意見- 9 -指導教師（簽字）：2016 年 3 月 1 日開題小組意見開題小組組長（簽字）：2016 年 3 月 1 日 院（系、部）意見- 10 -主管院長（系、部主任）簽字：2016 年 3 月 1 日