電動(dòng)助力車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

- 1 -1畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)等研究?jī)?nèi)容電動(dòng)助力車是以蓄電池、鋰電池等電能作為輔助能源，具有兩個(gè)車輪，能實(shí)現(xiàn)人力騎行、電動(dòng)或電助動(dòng)功能的自行車。它是在普通自行車的基礎(chǔ)上安裝了電機(jī)、控制器、電池、轉(zhuǎn)把等操縱部件和顯示儀表系統(tǒng)的機(jī)電一體化的個(gè)人交通工具。電動(dòng)助力車具有價(jià)格便宜、綠色無(wú)污染、噪音低振動(dòng)小、能源利用率高及能源多樣化等特點(diǎn)，很快被社會(huì)所廣泛接納和普及使用。電動(dòng)助力車的動(dòng)力多采用直流電機(jī)（有刷或無(wú)刷）提供，其操控性和可靠性的優(yōu)劣與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)密切相關(guān)。單片機(jī)控制的電動(dòng)助力車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適用于電動(dòng)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(diǎn)。本課題的研究?jī)?nèi)容是用單片機(jī)控制，設(shè)計(jì)電動(dòng)助力車驅(qū)動(dòng)和操縱系統(tǒng)，使用 LCD 對(duì)速度進(jìn)行輸出顯示，并具有調(diào)速功能。本課題的研究?jī)?nèi)容主要有一下幾個(gè)方面：（1） 研究電動(dòng)自行車的工作原理和功能；（2） 研究有關(guān)單片機(jī)電動(dòng)自行車方面的設(shè)計(jì)；（3） 研究如何設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(dòng)自行車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件。研究重點(diǎn)及難點(diǎn)重點(diǎn)：（1）電動(dòng)助力車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，使基本硬件電路能滿足測(cè)速要求和調(diào)速要求；（2）選擇合適的測(cè)速傳感器,以及設(shè)計(jì)相應(yīng)合理的調(diào)速電路，確保檢測(cè)系統(tǒng)的精確性；（3）正確設(shè)計(jì)測(cè)速、調(diào)速和顯示的程序,并且設(shè)計(jì)出操作簡(jiǎn)單、工作可靠的操縱界面。- 2 -難點(diǎn)：（1）如何設(shè)計(jì)控制電路，使之能夠符合單片機(jī)采集數(shù)據(jù)要求的同時(shí)能夠滿足測(cè)速和調(diào)速要求；（2）如何設(shè)計(jì)單片機(jī)程序，使之能根據(jù)收到的傳感器脈沖信號(hào)和輪圈周長(zhǎng)等數(shù)據(jù)計(jì)算出電動(dòng)車的速度，并輸出給顯示電路；（3）如何選擇合理方案設(shè)計(jì)硬件電路，使用方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。2準(zhǔn)備情況（查閱過(guò)的文獻(xiàn)資料及調(diào)研情況、現(xiàn)有設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件等）研究概況及發(fā)展趨勢(shì)（1）電動(dòng)助力車研究概況 1-3電動(dòng)助力車核心技術(shù)包括三個(gè)方面：電機(jī)與傳動(dòng)、控制器與控制技術(shù)、電池等，涉及電氣、電力電子、控制、機(jī)械等多學(xué)科。目前，電動(dòng)自行車所使用的電機(jī)一般為直流電機(jī)，它具有體積小，效率高，調(diào)速性能優(yōu)良等特點(diǎn)；而電機(jī)的結(jié)構(gòu)一般以輪轂式居多。傳統(tǒng)的直流電機(jī)內(nèi)部有碳刷和換向器，故稱之為有刷直流電機(jī)。它應(yīng)用技術(shù)成熟，高速范圍寬，構(gòu)成的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低，過(guò)載能力強(qiáng)。無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部沒(méi)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(wú)刷直流電機(jī)因其轉(zhuǎn)子沒(méi)有勵(lì)磁損耗，效率較高，得到了廣泛的應(yīng)用?？刂破魇请妱?dòng)自行車的大腦，其主要作用是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、提高電機(jī)效率以及在一定情況下保護(hù)電機(jī)和電池。對(duì)于直流電機(jī)，幾本都是采用 PWM 技術(shù)通過(guò)控制電機(jī)端電壓來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。電池是電動(dòng)自行車的動(dòng)力之源，在電動(dòng)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(dòng)自行車的行駛里程和使用壽命。目前電動(dòng)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(guó)內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì) 4-7電機(jī)是電動(dòng)自行車的關(guān)鍵部件。為使電動(dòng)自行車有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有寬調(diào)速范圍、高轉(zhuǎn)速和足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此外，由于電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是車載形式運(yùn)行的，這要求電機(jī)體積小、重量輕、效率高、且具有良好的能量回饋性能。一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電機(jī)、異步電機(jī)和直流電機(jī)三種。由于傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷以及機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而存在相對(duì)的機(jī)械摩擦，由此帶來(lái)了噪聲、火花、無(wú)線電干擾以及壽命縮短等弱點(diǎn)，在加上制造成本高及維修困難的缺點(diǎn)，從而大大限制了它的應(yīng)用范圍。針對(duì)上述傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在上世紀(jì) 30 年代就有人開(kāi)始研制已電子換向代替電刷機(jī)械換向的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。經(jīng)過(guò)了幾十年的努力，直至上世紀(jì) 60年代初終于實(shí)現(xiàn)了這一愿望。進(jìn)入 70 年代晶閘管開(kāi)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(wú)刷直流電機(jī)是近 20 年發(fā)展起來(lái)的一類電機(jī)，電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微機(jī)和稀土永磁材料的發(fā)展為無(wú)刷直流電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。近些年來(lái)，隨著現(xiàn)代電離電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。許多電動(dòng)生產(chǎn)廠家都應(yīng)用了一系列的電動(dòng)車新技術(shù)，大大增強(qiáng)了自身品牌在市場(chǎng)上的影響，也頗受消費(fèi)者的關(guān)注。麥科集團(tuán)電助動(dòng)車公司研制出智能變頻電機(jī)，變頻控制器和變頻高效電機(jī)共同組成高效動(dòng)力系統(tǒng)，充分利用小電流大轉(zhuǎn)矩原理，在其行過(guò)程中根據(jù)路況和載重情況及時(shí)調(diào)整功率輸出；北京新日電動(dòng)車研制開(kāi)發(fā)了雙動(dòng)力電動(dòng)車，與普通電動(dòng)車相比，雙動(dòng)力電動(dòng)車擁有兩個(gè)動(dòng)力源，可實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)不同點(diǎn)留下的效能轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)高效動(dòng)力檔和高速動(dòng)力檔的轉(zhuǎn)換。進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的能源問(wèn)題，尤其是是有問(wèn)題，也變得日益嚴(yán)重。我國(guó)礦物能源儲(chǔ)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(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(shí)又面臨著有限的化石燃料資源和更高的環(huán)境保護(hù)要求的嚴(yán)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(dòng)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(lái)方便的同時(shí)，也對(duì)整個(gè)社會(huì)的荊棘產(chǎn)生- 4 -了積極的影響。物美價(jià)廉的電動(dòng)自行車有著巨大的市場(chǎng)需求。電動(dòng)自行車在整車設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的可靠新與安全性，促進(jìn)整車效率，而且可以節(jié)約能源和降低自行車的維護(hù)成本，從而推動(dòng)電動(dòng)自行車的廣泛應(yīng)用。主要參考文獻(xiàn)1 張炳生 .電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀J. 微特電機(jī)，1999(1): 38-422 趙輝，孫立志，陸永平 .多功能電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)發(fā)J. 電氣自動(dòng)化，2000（4）：32-36 3 金桂財(cái) .電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真研究D. 黑龍江：哈爾濱理工大學(xué)圖書(shū)館, 2009 4 陳家新 .單片機(jī)在電動(dòng)車助力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用, 電氣傳動(dòng)35(11): 35-39, 20055 王幸之 .單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20006 余永權(quán) 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MCS-51系列單片機(jī)接口電路與應(yīng)用程序設(shè)計(jì) M 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，199913胡偉，季曉衡編著.單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例M 北京：人民郵電出版社，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.現(xiàn)有設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件個(gè)人計(jì)算機(jī)、51 單片機(jī)開(kāi)發(fā)板、示波器、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬(wàn)用表，開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室3、實(shí)施方案、進(jìn)度實(shí)施計(jì)劃及預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)資料- 6 -實(shí)施方案本課題有三個(gè)主要問(wèn)題需要解決，分別是系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)物設(shè)計(jì)制作。其中，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)可以通過(guò)查閱相關(guān)資料和借鑒工業(yè)成品來(lái)解決；軟件程序的設(shè)計(jì)和實(shí)物的制作與調(diào)試可以根據(jù)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行，對(duì)于該過(guò)程中所遇到的問(wèn)題可以通過(guò)查閱相關(guān)資料，和同學(xué)討論，詢問(wèn)指導(dǎo)老師，到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)等手段解決。具體如下：（1）硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)包括以下幾部分：以單片機(jī) AT89S51 為核心，周圍電路包括電源電路、控制電路、顯示電路、測(cè)速電路、驅(qū)動(dòng)電路等。AT89S51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8 位微處理器。打開(kāi)電源后，單片機(jī)上電復(fù)位后，LCD 顯示車速為 00.0。電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，A/D 轉(zhuǎn)換器采集的手把處的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，單片機(jī)里的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)處理輸出的 PWM 波形，用來(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。車輪每轉(zhuǎn)一圈，安裝在電機(jī)附近的測(cè)速電路就向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)計(jì)時(shí)和計(jì)算得出車速，然后通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描的方式在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。圖 1 總體電路框圖- 7 -（2）軟件設(shè)計(jì)由主程序、A/D 轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序、測(cè)速信號(hào)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(jìn)度實(shí)施計(jì)劃第一階段（2015-12-30 至 2016-01-13）：分析畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，閱讀理解任務(wù)書(shū)內(nèi)容，構(gòu)思設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施計(jì)劃方案。第二階段（2016-01-14 至 2016-03-15）：查閱相關(guān)文獻(xiàn)和資料，了解電動(dòng)助力車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理并畫(huà)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(dòng)系統(tǒng)方案。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等，畫(huà)出原理圖，并設(shè)計(jì)主程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序和測(cè)速程序等。第四階段（2016-04-16 至 2016-05-01）：對(duì)原理圖進(jìn)行仿真。用 protues 對(duì)總體電路進(jìn)行仿真調(diào)試，之后畫(huà) PCB 并進(jìn)行制板，做出驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物。第五階段（2016-05-02 至 2016-05-19）：硬件調(diào)試。調(diào)試驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路等各部分電路，完成最終實(shí)物。撰寫(xiě)和完善畢設(shè)論文并提交。預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)資料1、撰寫(xiě)兩萬(wàn)字以上的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（兼附 15 篇以上的參考文獻(xiàn)） ；在畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中應(yīng)包括 300500 個(gè)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(wàn)英文字符，附英文全文） ；3、完成糧庫(kù)糧情測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的研究和實(shí)現(xiàn)方案；4、設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的硬件和完成相應(yīng)軟件程序設(shè)計(jì)，給出必需的硬件實(shí)現(xiàn)原理圖；5、根據(jù)課題任務(wù)與要求，完成可供掩飾的功能樣機(jī)。指導(dǎo)教師意見(jiàn)- 9 -指導(dǎo)教師（簽字）：2016 年 3 月 1 日開(kāi)題小組意見(jiàn)開(kāi)題小組組長(zhǎng)（簽字）：2016 年 3 月 1 日 院（系、部）意見(jiàn)- 10 -主管院長(zhǎng)（系、部主任）簽字：2016 年 3 月 1 日