电动助力车电机驱动系统设计开题报告

- 1 -1毕业设计的主要内容、重点和难点等研究内容电动助力车是以蓄电池、锂电池等电能作为辅助能源，具有两个车轮，能实现人力骑行、电动或电助动功能的自行车。它是在普通自行车的基础上安装了电机、控制器、电池、转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。电动助力车具有价格便宜、绿色无污染、噪音低振动小、能源利用率高及能源多样化等特点，很快被社会所广泛接纳和普及使用。电动助力车的动力多采用直流电机（有刷或无刷）提供，其操控性和可靠性的优劣与电机驱动系统密切相关。单片机控制的电动助力车电机驱动系统适用于电动自行车等小功率的工作情况，具有调速性能好、功率因素高、节能、体积小、重量轻等优点。本课题的研究内容是用单片机控制，设计电动助力车驱动和操纵系统，使用 LCD 对速度进行输出显示，并具有调速功能。本课题的研究内容主要有一下几个方面：（1） 研究电动自行车的工作原理和功能；（2） 研究有关单片机电动自行车方面的设计；（3） 研究如何设计能实现电动自行车控制的系统；（4） 研究相关软、硬件的仿真与调试；（5） 研究电动自行车电机驱动系统的硬件。研究重点及难点重点：（1）电动助力车电机驱动系统的硬件设计，使基本硬件电路能满足测速要求和调速要求；（2）选择合适的测速传感器,以及设计相应合理的调速电路，确保检测系统的精确性；（3）正确设计测速、调速和显示的程序,并且设计出操作简单、工作可靠的操纵界面。- 2 -难点：（1）如何设计控制电路，使之能够符合单片机采集数据要求的同时能够满足测速和调速要求；（2）如何设计单片机程序，使之能根据收到的传感器脉冲信号和轮圈周长等数据计算出电动车的速度，并输出给显示电路；（3）如何选择合理方案设计硬件电路，使用方便，经济实用。2准备情况（查阅过的文献资料及调研情况、现有设备、实验条件等）研究概况及发展趋势（1）电动助力车研究概况 1-3电动助力车核心技术包括三个方面：电机与传动、控制器与控制技术、电池等，涉及电气、电力电子、控制、机械等多学科。目前，电动自行车所使用的电机一般为直流电机，它具有体积小，效率高，调速性能优良等特点；而电机的结构一般以轮毂式居多。传统的直流电机内部有碳刷和换向器，故称之为有刷直流电机。它应用技术成熟，高速范围宽，构成的控制系统简单，成本相对较低，过载能力强。无刷直流电机内部没电刷和换向器，其转子一般由永磁体构成，这样的永磁无刷直流电机因其转子没有励磁损耗，效率较高，得到了广泛的应用。控制器是电动自行车的大脑，其主要作用是控制电机转速、提高电机效率以及在一定情况下保护电机和电池。对于直流电机，几本都是采用 PWM 技术通过控制电机端电压来控制电机转速。电池是电动自行车的动力之源，在电动自行车中占有极其重要的地位，电池质- 3 -量好坏直接影响电动自行车的行驶里程和使用寿命。目前电动自行车使用的车载电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池等。（2）国内的发展趋势 4-7电机是电动自行车的关键部件。为使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、且具有良好的能量回馈性能。一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电机、异步电机和直流电机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以及机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命缩短等弱点，在加上制造成本高及维修困难的缺点，从而大大限制了它的应用范围。针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪 30 年代就有人开始研制已电子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪 60年代初终于实现了这一愿望。进入 70 年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被成称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃。稀土永磁无刷直流电机是近 20 年发展起来的一类电机，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。近些年来，随着现代电离电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。许多电动生产厂家都应用了一系列的电动车新技术，大大增强了自身品牌在市场上的影响，也颇受消费者的关注。麦科集团电助动车公司研制出智能变频电机，变频控制器和变频高效电机共同组成高效动力系统，充分利用小电流大转矩原理，在其行过程中根据路况和载重情况及时调整功率输出；北京新日电动车研制开发了双动力电动车，与普通电动车相比，双动力电动车拥有两个动力源，可实现在两个不同点留下的效能转换，即实现高效动力档和高速动力档的转换。进入 21 世纪以来，我国的能源问题，尤其是是有问题，也变得日益严重。我国矿物能源储量比较丰富，但是人均能源资源却只有世界人均能源资源的二分之一左右。二十多年来，我国经济快速、持续发展，其发展速度与质量为世界所瞩目。但同时又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战，由此可在交通方面发展一种绿色可再升的能源已显得非常重要。电动自行车作为自行车史上具有革命性的交通工具，在给人们生活带来方便的同时，也对整个社会的荆棘产生- 4 -了积极的影响。物美价廉的电动自行车有着巨大的市场需求。电动自行车在整车设计、驱动系统、电池管理，尤其是锂电池、燃料电池等高性能电池的研制方面不断取得的突破。驱动系统的可靠新与安全性，促进整车效率，而且可以节约能源和降低自行车的维护成本，从而推动电动自行车的广泛应用。主要参考文献1 张炳生 .电动自行车驱动电机发展现状J. 微特电机，1999(1): 38-422 赵辉，孙立志，陆永平 .多功能电动自行车驱动电路的开发J. 电气自动化，2000（4）：32-36 3 金桂财 .电动自行车驱动系统仿真研究D. 黑龙江：哈尔滨理工大学图书馆, 2009 4 陈家新 .单片机在电动车助力控制系统中的应用, 电气传动35(11): 35-39, 20055 王幸之 .单片机应用系统的抗干扰技术M. 北京：北京航空航天大学出版社，20006 余永权 .单片机应用系统的功率接口技术M. 北京：北京航空航天大学出版社，19917 缴瑞山，韩全立主编 .单片机控制技术及应用M. 北京：高等教育出版社，20038 王进野，张纪良 .电机拖动与控制M. 天津市：天津大学出版社，20089 谭浩强 .C语言设计教程M. 北京：清华大学出版社，200710周润景等 .基于PROTEUS的电路及单片机设计与仿真M. 北京：北京航空航天大学出版社，201011黄惟公. 单片机原理与接口技术 C51版M 成都市：四川大学出版社,2011.0812沈德金. MCS-51系列单片机接口电路与应用程序设计 M 北京：北京航空航天大学出版社，199913胡伟，季晓衡编著.单片机C程序设计及应用实例M 北京：人民邮电出版社，200314 Sun J., Chen J.X. .Design of m sequence generator based on protuesC. 2010 Proc. Intl. Conf. on Computer, Mechatronics, Control & Electronic Engineering (CMCE 2010), 24-26 Aug. 2010,pp126-12815PING Z. Magnetizationg Analysis of the Brushless DC Motor Used for Hybid Electric - 5 -VehicleJ. IEEE Transactions on, 2005, 41(2): 522-524.现有设备和实验条件个人计算机、51 单片机开发板、示波器、直流稳压电源、数字万用表，开放实验室3、实施方案、进度实施计划及预期提交的毕业设计资料- 6 -实施方案本课题有三个主要问题需要解决，分别是系统整体设计、系统程序设计和系统实物设计制作。其中，系统整体设计可以通过查阅相关资料和借鉴工业成品来解决；软件程序的设计和实物的制作与调试可以根据所学知识进行，对于该过程中所遇到的问题可以通过查阅相关资料，和同学讨论，询问指导老师，到实验室进行试验等手段解决。具体如下：（1）硬件设计本系统包括以下几部分：以单片机 AT89S51 为核心，周围电路包括电源电路、控制电路、显示电路、测速电路、驱动电路等。AT89S51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8 位微处理器。打开电源后，单片机上电复位后，LCD 显示车速为 00.0。电机开始转动，A/D 转换器采集的手把处的模拟电压信号进行 A/D 转换，单片机里的数字信号经过处理输出的 PWM 波形，用来驱动无刷直流电机转动并调节其转速。车轮每转一圈，安装在电机附近的测速电路就向单片机发出信号，单片机通过计时和计算得出车速，然后通过动态扫描的方式在数码管上显示出来。图 1 总体电路框图- 7 -（2）软件设计由主程序、A/D 转换中断服务程序、测速信号采集中断程序及显示子程序等部分。主程序框图如图 2 所示：- 8 -进度实施计划第一阶段（2015-12-30 至 2016-01-13）：分析毕业设计题目，阅读理解任务书内容，构思设计驱动系统实施计划方案。第二阶段（2016-01-14 至 2016-03-15）：查阅相关文献和资料，了解电动助力车电机驱动系统原理并画出原理结构框图。第三阶段（2016-03-16 至 2016-04-15）：确定驱动系统方案。设计驱动系统的控制电路、驱动电路等，画出原理图，并设计主程序、A/D 转换程序和测速程序等。第四阶段（2016-04-16 至 2016-05-01）：对原理图进行仿真。用 protues 对总体电路进行仿真调试，之后画 PCB 并进行制板，做出驱动系统实物。第五阶段（2016-05-02 至 2016-05-19）：硬件调试。调试驱动电路、显示电路等各部分电路，完成最终实物。撰写和完善毕设论文并提交。预期提交的毕业设计资料1、撰写两万字以上的毕业设计说明书（兼附 15 篇以上的参考文献） ；在毕业设计说明书中应包括 300500 个单词的英文摘要及关键词；2、完成与课题相关英文资料的翻译（约四万英文字符，附英文全文） ；3、完成粮库粮情测控系统开发的研究和实现方案；4、设计出系统的硬件和完成相应软件程序设计，给出必需的硬件实现原理图；5、根据课题任务与要求，完成可供掩饰的功能样机。指导教师意见- 9 -指导教师（签字）：2016 年 3 月 1 日开题小组意见开题小组组长（签字）：2016 年 3 月 1 日 院（系、部）意见- 10 -主管院长（系、部主任）签字：2016 年 3 月 1 日