電動助力車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

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- 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(gè)車輪，能實(shí)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(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。電動助力車具有價(jià)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(diǎn)，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(jī)（有刷或無刷）提供，其操控性和可靠性的優(yōu)劣與電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)密切相關(guān)。單片機(jī)控制的電動助力車電機(jī)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(diǎn)。本課題的研究內(nèi)容是用單片機(jī)控制，設(shè)計(jì)電動助力車驅(qū)動和操縱系統(tǒng)，使用 LCD 對速度進(jìn)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(gè)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(jī)電動自行車方面的設(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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的硬件。研究重點(diǎn)及難點(diǎn)重點(diǎn)：（1）電動助力車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)相應(yīng)合理的調(diào)速電路，確保檢測系統(tǒng)的精確性；（3）正確設(shè)計(jì)測速、調(diào)速和顯示的程序,并且設(shè)計(jì)出操作簡單、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和輪圈周長等數(shù)據(jù)計(jì)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(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（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(gè)方面：電機(jī)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(jī)械等多學(xué)科。目前，電動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)簡單，成本相對較低，過載能力強(qiáng)。無刷直流電機(jī)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(jī)因其轉(zhuǎn)子沒有勵(lì)磁損耗，效率較高，得到了廣泛的應(yīng)用?？刂破魇请妱幼孕熊嚨拇竽X，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。對于直流電機(jī)，幾本都是采用 PWM 技術(shù)通過控制電機(jī)端電壓來控制電機(jī)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(jī)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(jī)應(yīng)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(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，電動機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(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，因而存在相對的機(jī)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(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。針對上述傳統(tǒng)直流電動機(jī)的弊病，早在上世紀(jì) 30 年代就有人開始研制已電子換向代替電刷機(jī)械換向的直流無刷電動機(jī)。經(jīng)過了幾十年的努力，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(jī)是近 20 年發(fā)展起來的一類電機(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)展為無刷直流電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。近些年來，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。許多電動生產(chǎn)廠家都應(yīng)用了一系列的電動車新技術(shù)，大大增強(qiáng)了自身品牌在市場上的影響，也頗受消費(fèi)者的關(guān)注。麥科集團(tuán)電助動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(shí)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(gè)動力源，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)高效動力檔和高速動力檔的轉(zhuǎn)換。進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，我國的能源問題，尤其是是有問題，也變得日益嚴(yán)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(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(shí)，也對整個(gè)社會的荊棘產(chǎn)生- 4 -了積極的影響。物美價(jià)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(shè)計(jì)、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(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，從而推動電動自行車的廣泛應(yīng)用。主要參考文獻(xiàn)[1] 張炳生 .電動自行車驅(qū)動電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 微特電機(jī)，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(cái) .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(xué)圖書館, 2009 [4] 陳家新 .單片機(jī)在電動車助力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用, 電氣傳動35(11): 35-39, 2005[5] 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，2000[6] 余永權(quán) .單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991[7] 繳瑞山，韓全立主編 .單片機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社，2003[8] 王進(jìn)野，張紀(jì)良 .電機(jī)拖動與控制[M]. 天津市：天津大學(xué)出版社，2008[9] 譚浩強(qiáng) .C語言設(shè)計(jì)教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2007[10]周潤景等 .基于PROTEUS的電路及單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010[11]黃惟公. 單片機(jī)原理與接口技術(shù) C51版[M] 成都市：四川大學(xué)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(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件個(gè)人計(jì)算機(jī)、51 單片機(jī)開發(fā)板、示波器、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表，開放實(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)可以通過查閱相關(guān)資料和借鑒工業(yè)成品來解決；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)知識進(jìn)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(xué)討論，詢問指導(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(jī)上電復(fù)位后，LCD 顯示車速為 00.0。電機(jī)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(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，單片機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。車輪每轉(zhuǎn)一圈，安裝在電機(jī)附近的測速電路就向單片機(jī)發(fā)出信號，單片機(jī)通過計(jì)時(shí)和計(jì)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(shè)計(jì)由主程序、A/D 轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)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(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)書內(nèi)容，構(gòu)思設(shè)計(jì)驅(qū)動系統(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，了解電動助力車電機(jī)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(shè)計(jì)驅(qū)動系統(tǒng)的控制電路、驅(qū)動電路等，畫出原理圖，并設(shè)計(jì)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(jìn)行仿真。用 protues 對總體電路進(jìn)行仿真調(diào)試，之后畫 PCB 并進(jìn)行制板，做出驅(qū)動系統(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)動電路、顯示電路等各部分電路，完成最終實(shí)物。撰寫和完善畢設(shè)論文并提交。預(yù)期提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)資料1、撰寫兩萬字以上的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（兼附 15 篇以上的參考文獻(xiàn)） ；在畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中應(yīng)包括 300～500 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(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- 9 -指導(dǎo)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