电动自行车调速系统的研究

摘要：主要研究了电动自行车调速系统的实现方法、控制策略和电路原理。控制电路基于控制芯片8051单片机，通过转速传感器测量转速，通过八段数码管动态显示转速，并根据永磁无刷直流电动机的特性实施了脉宽PWM控制，在软硬件的配合下，实现了整个系统的设计要求。
关键词：脉宽调速系统PWM；单片机；永磁无刷直流电动机

    电动自行车是一种健康、环保、便捷的绿色交通工具，它比较符合中国的实情，它含有材料科学、机械控制、电子等多种技术。电动车的电机驱动系统一般由传感器、功率变换器、电动机、控制器组成。

1 电动自行车调速系统要求和总体规划
1．1 调速系统对电动机的基本要求
    电动车所用的电动机应该具有加速性能好、过载能力强、使用寿命长的优点，并且具有较大的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区，同时具有最佳利用能量功能。另外还要求电动机的可靠性高，结构简单，可以大批量生产，使用维修便捷等优点。
1．2 采用永磁无刷直流电动机
    永磁无刷直流电动机的最大优点是具有直流电动机的外特性而没有刷的机械接触结构。它采用的是永磁体转子，会发热的电枢绕组装在外面的定子上，不会产生无线电干扰，运行也很可靠，使用和维修简单方便。与其它系统相比，永磁无刷直流电动机系统具有更高的效率和能量密度，在电动车中有很好的应用前景。
1．3 调速系统的总体规划
    电动自行车的基本原理是：由蓄电池提供电能，电动机驱动自行车。电动自行车控制系统设计主要有以下四个方面：(1)控制电路的设计；(2)传感器选择以及安放设计；(3)显示电路的设计；(4)程序设计。

2 调速系统电路设计
    控制电路主要有电源电路、电机驱动电路、单片机接口电路、显示电路四个部分。传感器的电源直接使用24 V蓄电池，单片机的电源则通过三端稳压器78L05将24 V电源转换到5 V。
2．1 电源电路、显示电路和控制电路
    24 V直流电源经三端稳压器74L05输出即为单片机所要求的+5 V电源。显示部分采用单片机串口通讯，单片机通过中断的方式为显示服务。打开系统电源后由电位器控制电动机转速，IN0-IN6线上那一路模拟电压被转换成数字量由ADDA-ADDC线上的地址决定。
2．2 驱动电路及原理
    电动自行车使用24 V直流电机，这种小功率直流电机一般有两种调速方法：一是使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机；二是脉宽调制型，它有双向式和单向式两种。
    考虑到电动自行车对调速精度和距离控制要求不太高等多方面因素，决定采用单向式开环PWM控制。

3 调速系统主要器件性能及原理
    电动车的性能指标一般由驱动性能、驾驶性能、车载能源系统性能这三部分组成。驱动性能取决于电机功率因素，车载能源系统性能取决于电池的容量，驾驶性能指标的优劣取决于控制系统驾驶模式的技术。
3．1 MCS-51单片机内部结构
    8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时／计数器、并行接口、串行接口和中断系统等。8051内部结构如图1所示：

3．2 永磁无刷直流电动机的基本工作原理
    无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，在电动机内装有位置传感器，定子磁场轴线与转子轴线是垂直的。
    由于绕组平均电流和平均电磁转矩成正比：
    Tm=KtIav(N·m)。
    电动机的角速度和两相绕组反电势的差也成正比：
    ELL=Keω(V)。
    所以，平均电流Iav=(Vm-ELL)／2Ra(A)，Vm=δ·VDC。
3．3 三端式稳压器78L05的工作原理
    三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成，电路如图2所示。

    在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当恒流源难以自行导通时，就用启动电路给恒流源的BJT T4、T5提供基极电流。基准电压电路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2组成。T4～T11组成取样比较放大电路和调整电路；取样电路由R12、R13组成。减流式保护电路的功耗不能超过额定值PCM。

4 电动自行车的保养
    为了延长电动车的寿命，用户在使用时需要注意以下几点：
    (1)注意充电的环境，养成节电好习惯。充电时要保持电池和充电器通风而且能调节温度，使用时在安全的前提下尽量少刹车。
    (2)保护好充电器，不随便更换。尽量让充电器减少振动，通常不要放在车篮和后盖箱。
    (3)要及时充电并定期进行深放电。用完电要及时充满，变灯后继续充一会儿再用。深放电有利于电池容量的提升。
    (4)消费者要利用维修服务对电池进行定期检查，延长电池寿命。

5 结束语
    在电动自行车调速系统的研究中，为避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施，在设计时就应从抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能这三方面采取措施来提高系统性能。在抗干扰设计中，硬件抗干扰是主动措施，而软件抗干扰是被动措施，采用两者相结合的方法，即能保证系统长期稳定可靠地运行。