電動自行車調速系統的研究

摘要：主要研究了電動自行車調速系統的實現方法、控制策略和電路原理。控制電路基于控制芯片8051單片機，通過轉速傳感器測量轉速，通過八段數碼管動態顯示轉速，并根據永磁無刷直流電動機的特性實施了脈寬PWM控制，在軟硬件的配合下，實現了整個系統的設計要求。
關鍵詞：脈寬調速系統PWM；單片機；永磁無刷直流電動機

電動自行車是一種健康、環保、便捷的綠色交通工具，它比較符合中國的實情，它含有材料科學、機械控制、電子等多種技術。電動車的電機驅動系統一般由傳感器、功率變換器、電動機、控制器組成。

1 電動自行車調速系統要求和總體規劃
1．1 調速系統對電動機的基本要求
電動車所用的電動機應該具有加速性能好、過載能力強、使用壽命長的優點，并且具有較大的調速范圍，包括恒轉矩區和恒功率區，同時具有最佳利用能量功能。另外還要求電動機的可靠性高，結構簡單，可以大批量生產，使用維修便捷等優點。
1．2 采用永磁無刷直流電動機
永磁無刷直流電動機的最大優點是具有直流電動機的外特性而沒有刷的機械接觸結構。它采用的是永磁體轉子，會發熱的電樞繞組裝在外面的定子上，不會產生無線電干擾，運行也很可靠，使用和維修簡單方便。與其它系統相比，永磁無刷直流電動機系統具有更高的效率和能量密度，在電動車中有很好的應用前景。
1．3 調速系統的總體規劃
電動自行車的基本原理是：由蓄電池提供電能，電動機驅動自行車。電動自行車控制系統設計主要有以下四個方面：(1)控制電路的設計；(2)傳感器選擇以及安放設計；(3)顯示電路的設計；(4)程序設計。

2 調速系統電路設計
控制電路主要有電源電路、電機驅動電路、單片機接口電路、顯示電路四個部分。傳感器的電源直接使用24 V蓄電池，單片機的電源則通過三端穩壓器78L05將24 V電源轉換到5 V。
2．1 電源電路、顯示電路和控制電路
24 V直流電源經三端穩壓器74L05輸出即為單片機所要求的+5 V電源。顯示部分采用單片機串口通訊，單片機通過中斷的方式為顯示服務。打開系統電源后由電位器控制電動機轉速，IN0-IN6線上那一路模擬電壓被轉換成數字量由ADDA-ADDC線上的地址決定。
2．2 驅動電路及原理
電動自行車使用24 V直流電機，這種小功率直流電機一般有兩種調速方法：一是使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機；二是脈寬調制型，它有雙向式和單向式兩種。
考慮到電動自行車對調速精度和距離控制要求不太高等多方面因素，決定采用單向式開環PWM控制。

3 調速系統主要器件性能及原理
電動車的性能指標一般由驅動性能、駕駛性能、車載能源系統性能這三部分組成。驅動性能取決于電機功率因素，車載能源系統性能取決于電池的容量，駕駛性能指標的優劣取決于控制系統駕駛模式的技術。
3．1 MCS-51單片機內部結構
8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數據存儲器(RAM)、定時／計數器、并行接口、串行接口和中斷系統等。8051內部結構如圖1所示：

3．2 永磁無刷直流電動機的基本工作原理
無刷直流電動機由電動機主體和驅動器組成，電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，在電動機內裝有位置傳感器，定子磁場軸線與轉子軸線是垂直的。
由于繞組平均電流和平均電磁轉矩成正比：
Tm=KtIav(N·m)。
電動機的角速度和兩相繞組反電勢的差也成正比：
ELL=Keω(V)。
所以，平均電流Iav=(Vm-ELL)／2Ra(A)，Vm=δ·VDC。