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光电驱动电动车的研究单片机控制系统论文
本科毕业论文（设计）
论文题目：
光电驱动电动车的研究—单片机控制系统
学生姓名：
所在院系：
机电学院
所学专业：
应用电子技术教育
导师姓名：
完成时间：
摘要
本文从光电驱动电动车控制系统的要求着手，分析和讨论了系统各部分的电路原理以及实现方法。
在光电转换的配合下，根据永磁无刷直流电动机的特性，实施脉宽PWM控制；在霍尔传感器检测位置的基础上，通过回馈制动的控制方式，接收电动车下坡、减速以及停车的机械能量，馈送蓄电池，以节约电能。
综合采用AT89C2051单片机芯片控制系统，使控制更加合理。
关键词：
单片机，直流电机，传感器，脉宽调速，回馈制动
AStudyofPhotoelectricDrivenElectricVehicles
—single-chipmicrocomputersystem
Abstract
Thisarticlefromtherequirementsofthephotoelectriccontrolsystemforelectricvehicledrivetoproceed.Analysisanddiscussionofthevariouspartsofthesystemcircuitandmethod.Photoelectricconversionintheco-ordination,inaccordancewiththecharacteristicsofPermanentmagnetbrushlessDCmotor,tocontroltheimplementationofPWMpulsewidth,basedontheDetectionofthelocationoftheHallsensor,Throughfeedbackcontrolofthebrake,ToReceivethemechanicalenergyoftheelectriccares’sdownhill、SlowdownandstopFeedbatteriestosavepower，Acombinationofsingle-chipmicrocomputerchipcontrolsystemAT89C2051，Morerationalofcontrol.
Keywords:
microcontroller,DCmotors,sensors,PWM,backbrake
目录
1绪论1
1.1电动自行车发展现况1
1.2电动自行车的改进2
2系统硬件电路设计2
2.1电动车总体结构框图2
2.2总体电路设计3
3无刷直流电动机3
3.1无刷直流电动机的工作原理4
3.2无刷电机的结构4
3.2.1供电电源4
3.2.2位置传感器5
4PWM控制技术5
4.1PWM技术的原理5
4.1.1PWM波的产生6
4.2PWM波的调速原理6
4.3PWM波的调速方法6
5回馈制动7
5.1回馈制动的控制原理7
5.2回馈制动的实现原理7
6AT89C2051芯片介绍8
6.1概述8
6.2主要功能特性：
9
6.3AT89C2051引脚功能说明：
9
6.4定时器10
6.4.1定时器概述10
6.4.2定时器的控制11
6.5两种低功耗模式12
6.5.1空闲模式12
6.5.2掉电模式13
6.6振荡器13
6.6.1振荡器连接端13
6.6.2振荡器特征13
7程序设计14
7.1程序流程图14
7.2中断程序流程图15
8结束语15
致谢16
参考文献17
附录一电路总图18
附录二控制程序19
1绪论
电动自行车作为一种有效替代燃油车的绿色交通工具， 拥有节能、环保、便捷三大优点，在减轻或消除城市环境污染方面将发挥着越来越大的作用。
电动自行车控制器是最关键的部分。
目前，电动自行车所采用的控制器电路原理基本相同或接近。
电动自行车在正常运行过程中，控制器可以通过信号采集与处理，将运行速度、电压状况等提供给显示部分。
现在的电动自行车电机主要分有刷和无刷两大类。
其中无刷直流电机的发展前景较好。
有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的PWM控制方法调速，只是选用驱动电路、集成电路、功率管和某些相关功能上的差别，并都具有过流保护功能。
本课题主要研究电动车的再生制动，即电动车的驱动电机运行在再生发电状态时,既可以提供制动力,又可以给电池充电回收车体动能,从而延长电动车续驶里程。
同时采用以单片机为核心的控制器，其控制精度高，调试简单，可进行功能扩展，有助于控制器向智能化方向发展。
1.1电动自行车发展现况
电动自行车为人们的出行和缓解交通压力做出了巨大贡献，电动自行车轻便、快捷、适应了现代人追求环保、效率、安全的需要，得到了人们的认可。
1998年我国电动自行车年产量约6万辆，1999年产量翻番达13万辆，据估算到2006年我国的电动自行车的数量已达到2100万辆。
电动自行车的电机经过十多年的发展，曾经有变频电机、开关磁阻电机、有刷直流电机、无刷电机等多种驱动方案。
目前较为成熟的有两大类:
一类是带减速齿轮的有刷电机，有盘式结构和圆柱结构两种；另一类是不带减速齿轮的直接驱动无刷直流电机。
现在电动车所使用的电机大多数采用有刷电机，其特点是体积小,功率大。
根据实践经验,控制器的损坏,大多是由于驱动管损坏而引起其他元器件损坏。
因此，控制器的好坏主要取决于功率驱动管的负载能力。
电动自行车用电机功率大多是在150～180W之间，采用36V/48V电池供电，额定电流在4.5～5A。
电动自行车用电池为铅酸蓄电池，电池过充电和过放电均会缩短电池寿命。
大电流放电还会损坏驱动管，以至于损坏控制器，因此控制器必须有防止过充电保护。
控制器设计应确保电机工作在额定电流范围内，允许有一定的过载能力和大电流自动保护功能，以保护电池和功率驱动器件。
使用刹车时，控制器要禁止输出。
为了防止过放电，控制器要对供电电压随时进行检测，一旦低于阀值（一般为标称电压的0.85）关闭控制器输出。
尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性的进展，但
已足以满足人们的基本需要。
1.2电动自行车的改进
太阳能是可再生能源，太阳能发电是21世纪发展的总趋势。
太阳能光电池是对光有响应并能将光能转换成电力的器件。
光伏效应的实质是：
光子能量转换成电能的过程。
采用光电驱动的电动车，有利于太阳能的广泛开发和利用，省去麻烦的充电环节，做到对无限资源可持续利用和对环境的零污染，是未来电动自行车的发展趋向。
直流无刷电机具有明显的优势，它既具有直流电动机运行效率高、调速性能好又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点。
目前电动自行车采用的直流无刷电机都是三相电机，用电子换向取代了机械换向，电角度有60°和120°两种。
由于电机具有可逆性，电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行，因此可以通过回馈制动，回收制动能量对电池进行充电，提高电动车的行驶里程。
采用回馈制动，可接收电动车下坡、减速、停车时的能量，以节约电能。
结果表明：
采用此种控制方式可达到10%左右的能量回收率，进而提高电动车能量利用率。
根据以上方案系统的具体设计要求为：
（1）在现有的电动车基础上利用太阳能光电池进行光电转换给蓄电池进行充电，以对电动车进行供电；
（2）根据结构图，以单片机为控制中心设计电机控制系统的硬件电路，设计能实现再生制动，以节约电能。
（3）无刷直流电动机采用脉宽调制的PWM控制方法调速；
（4）分析工作原理，根据流程图进行软件编程。
2系统硬件电路设计
2.1电动车总体结构框图
电动自行车的电气部分由电源、轮毂、控制器、霍尔调速转把、刹车手把等组成。
总体结构框图见图1所示。
电动自行车在骑行中,控制器的功率驱动管处于开关工作状态。
行驶速度与控制器输出的电压成正比。
电机电流控制采用脉宽调制（PWM）方式,不同的速度电机电流也不同。
因此,在不同的速度和负载下,功率管的功率损耗也不同。
其速度由霍尔调速手把送出信号,经A/D转换后送至单片机,再由单片机根据输入信号的强弱,输出相对应的PWM脉冲信号送到功率驱动管。
欠压保护和过流保护功能,由运算放大器分别采样后送至单片机,再由单片机控制禁止输出。
图1电动自行车电气部分原理结构框图
2.2总体电路设计
本设计是以AT89C2051为核心的电动车控制系统。
具体电路如附图
（1）所示，由于89C2051内部没有PWM和A/D转换，因此它要借助了三个模拟比较器完成相应工作。
IC8B作为电池欠压检测器，欠压时，给单片机（13）脚一个低电平；IC8D做过流检测器，过流时，给单片机⑦脚一个低电平；借助普通I/O口（11）脚输出，通过积分电路和转把模拟速度信号在IC8A进行比较后.输入单片机（12）脚，用软件完成PWM控制，然后分三相六路输出到三个专用驱动芯片IR2103。
由IR2103驱动每相的上、下桥的VDMOS管。
从而使电动车运行。
IR2103是半桥式驱动芯片，可以快速可靠地驱动MOSFET管。
其中HO接上桥臂NMOS管的栅极；LO接下桥臂的NMOS管的栅极，无刷电机就接在两桥臂的中间。
从驱动芯片输出信号端到MOSFET的门极之间分别加了电阻R2~R7，它们的作用是限制电流信号，同时起阻尼作用。
驱动电路中的场效应管为N沟道增强型功率管STP60NF06，它的最大漏源极电压VDSS=60V，饱和导通时的漏源极之间的电阻RDS＜0.016Ω。
允许通过的最大漏极电流ID=60A。
为了提高系统的效率，减小MOSFET的功率损耗，应使功率开关工作时的通态电阻最小，即VGS≥10V。
3无刷直流电动机
无刷直流电动机的本质是自同步运行的永磁同步电动机[1]，由永磁同步电动机、转子位置传感器和控制驱动电路三部分组成。
无刷直流电机采用逆变器驱动，进行电子换向，具有没有换向火花、抗干扰性强、运行可靠、维护简便、使用寿命长等优点。
3.1无刷直流电动机的工作原理
无刷直流电动机的基本运行原理是：
根据转子位置传感器所提供的转子位置信号来产生换向信号，控制功率电路的开通与关断，在永磁同步电动机中产生旋转的定子磁动势，这样可以使该定子磁动势与转子磁动势之间的电角度保持在90度左右，从而产生接近于恒定的电磁转矩。
3.2无刷电机的结构
无刷直流电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。
图中电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动的控制哪些相绕组通电，哪些相绕组断电，实现电子换相。
其原理框图如图2所示：
图2无刷直流电动机的原理框图
3.2.1供电电源
由于采用光电结合的充电方式，太阳能电池板是整个电源的重要组成部分，要将光电转换后的电能同时给蓄电池供电。
太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过防反充二极管、防过充电路向蓄电池充电。
太阳能电池方阵分为若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。
蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，以供驱动电动车电机的运转使用。
蓄电池组由若干蓄电池串并联而成，一般容量要能满足用户的行程使用。
图3太阳能电池的发电原理图
太阳能电池的发电原理如图3所示。
当具有适当能量的光子入射于半导体时,相
互作用产生电子与空穴（因失去电子而带正的电荷）。
如半导体中存在PN结，那么电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端。
这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。
3.2.2位置传感器
霍尔式传感器具有结构简单，性能可靠，成本低的优点，综合考虑，本设计采用霍尔式传感器。
霍尔式位置传感器是利用“霍尔效应”进行工作的。
利用霍尔式位置传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子，同时也是霍尔式传感器的转
子。
通过感知转子上的磁场强弱变化老辨别转子所处的位置。
其基本原理是将矩形半导体薄片置于磁场中，在薄片两侧通以电流（控制电流），则在薄片的另外两侧会产生一个电势（霍尔电动势），其原理图如图4所示。
对于一定薄片的霍尔电动势UH由以下式表示：
式中：
KH——灵敏度系数；
I——控制电流（A）；
B——磁感应强度（T）；图4霍尔效应原理
这种效应为霍尔效应。
利用永磁转子的磁场，对霍尔半导体通入直流电，当转子的磁场强度大小和方向随着它的位置不同而发生变化时，霍尔半导体就会输出霍尔电动势，霍尔电动势的大小和相位随转子位置而发生变化，从而起到检测转子位置的作用。
4PWM控制技术
4.1PWM技术的原理[2]
在阐述PWM技术原理前，需要提到采样控制理论中的一个中重要结论：
冲量相等而形状不等的窄脉冲加在具有惯性的环节上的效果基本相同。
所谓冲量，即窄脉冲的面积。
而效果相同，是指该环节的输出响应波形基本相同。
电力电子中常用的PWM技术的基本原理是利用高频载波与控制波进行比较，从而产生经过调制的PWM波，调制波和载波的交点，决定了PWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度。
一般的，载波信号有锯齿波和三角波两种。
4.1.1PWM波的产生
t
脉冲宽度调制器（PWM）的基本原理是将直流信号和一个调制信号比较。
电压波形如图5所示（Ut为直流电压，Uct为输入的三角波，Upwm为需要的PWM电压），将直流控制电压在比较器的输入端与三角波相加，同时进行比较的还有负的偏移电压。
当直流电压为零时，得到正负半周脉冲宽度相等的调制输出电压。
当直流电压大于零时，使输入端合成电压为正的宽度增大，即锯齿波过零的时间提前，在输出端得到高电平比低电平宽的调制输出电压。
当直流电压小于零时，输入端合成电压被降低，高电平宽度减小，低电平宽度增加。
4.2PWM波的调速原理
占空比表示了在一个周期里，开关管导通的时间长短与周期的比值。
占空比的变化范围大于零小于一。
当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变占空比就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
4.3PWM波的调速方法
在PWM调速时，占空比是一个重要参数。
以下三种方法都可以改变占空比的值：
定宽调频法，调宽调频法，定频调宽法。
前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这两种方法用的很少。
目前，在直流电动机的控制中，主要采用定频调宽法。
5回馈制动
5.1回馈制动的控制原理
回馈制动的控制原理是升压斩波，即在一个PWM周期内[3]，如图6所示，当t0--t1时绕组电感积蓄磁场能量，导致回路电流上升，此时的系统状态称为续流状态；当t1一t2时，定子绕组电感放电，向蓄电池充电，导致回路电流下降，称为充电状态。
5.2回馈制动的实现原理
半桥调制控制系统主要由蓄电池、逆变电路、无刷直流电动机和系统控制单元等几部分组成，图7所示为电路连接图。
图7中T1-T6为功率开关器件，D1～D6为续流二极管。
回馈制动期间，采取两两导通的方式，在三相桥式电路中，每一瞬间将有2个功率管导通，每隔60°换相1次，具体换相时刻根据电动机的位置传感器HALL信号进行判断，每次换相时一个导通的功率管被分断，而另外一个桥臂上原先分断的功率管导通，即桥臂之间进行轮流换相，每个功率管导通120°，且作PWM运行，如图8所示。
图6一个PWM周期内的电流波形图7半桥调制控制原理图
回馈制动只有处于相同半桥上的三个元件有PWM开关动作,而另半个桥上的三个元件则总是截止的。
现以对下半桥进行PWM控制为例,当某相反电势为正向最大的120°电角度的区间内,对该相的下桥臂开关元件进行PWM控制,则可以产生可调的制动电磁转矩。
图8 PWM与HALL信号的对应关系
当电机转速低于额定转速，或电机电源切断后，由于惯性的作用，电动机仍要继续旋转，这时的电动机就变成一台减速的发电机，电枢绕组中同样会产生电动势。
在发电状态下，利用控制器的控制信号将功率主电路中上半桥功率管T1，T3，T5全关闭，而下半桥功率管T2，T4，T6分别按一定规律进行PWM控制。
因上半桥续流二极管的存在，其等效电路如同一个半控整流电路。
因电动车电源是蓄电池，电机在进入发电状态时，其发电电压必须高于蓄电池电压才能输出电功率，采取的控制方法是半控整流的PWM升压原理。
电机低转速时，控制器控制T2，T4，T6，使其按规律作PWM工作，以产生泵升电压。
当泵升电压高于蓄电池端电压时，输出电能。
这里，选择T1和T6导通区间进行分析，在发电运行时，T1和T6并不导通，而是T4导通，且处于脉宽调制工作状态。
所谓半控整流的PWM升压工作原理其实就是升压斩波。
在一个PWM周期内，当T4打开时，绕组电感积蓄磁场能量，导致回路内电流上升；当T4关断时，绕组电感向蓄电池充电，导致回路电流下降。
在这一过程中，通过选择合适的PWM占空比α，可在蓄电池两端获得Uoc＜Un（Uoc为蓄电池内电压，Un为充电回路电压），从而实现能量回馈。
等效原理图见图9所示。
回馈制动的实质，就是在T4导通时，电机的机械能转换为磁场能量储存在电机绕组中；在T4截止时，将电机的机械能及储存在电机绕组中的磁场能量转换为电能，经电感升压斩波的作用，将能量回馈给蓄电池。
由于电枢电流方向与反电势方向相反，因而电机获得制动转矩T。
图9回馈制动等效电路
6AT89C2051芯片介绍[9]
6.1概述
AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和可反复擦写的Flash存储器，可有效地降低开发成本。
功能强大AT89C2051单片机可提供许多高性价比的应用场合。
6.2主要功能特性：
*兼容MCS51指令系统；
*2KB可重编程FLASH存储器（1000次）；
*2.7～6V电压范围；
*全静态工作：
0Hz～24KHz；
*2级程序存储器保密锁定；
*128×8位内部RAM；
*15条可编程I/O线；
*两个16位定时器/计数器；
*6个中断源，两个外部中断源；
*可编程串行通道；
*高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）；
*直接驱动LED的输出端口；
*低功耗空闲和掉电模式
AT89C2051的管脚引脚图如图10所示。
图10AT89C2051封装管脚引脚图
6.3AT89C2051引脚功能说明：
VCC：
电源电压、GND：
地
P1口：
P1口是一组8位双向I/O接口，P1.2～P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1内部无上拉电阻。
P1口输出缓冲器可吸收20mA的电流并可直接驱动LED。
编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P3口：
P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O接口。
P3.6没有引出，它作为一个通用的I/O口，但是不可访问。
可作为固定输入的片内比较器的输出信号。
当P3口写入1时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。
P3口的特殊功能如表1所示：
RST：
复位输出。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
XTAL1：
振荡器的反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
表1P3口的特殊功能
引脚
功能特性
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外中断0）
P3.3
（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时/计数器1外部输入）
6.4定时器[13]
6.4.1定时器概述
89C2051单片机片内有两个16位定时器/计数器，即定时器0（T0）和定时器1（T1）。
它们都有定时和事件计数功能，可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合。
定时器T0和T1两个16位定时器实际上都是16位加1计数器。
其中，T0由两个8位特殊功能寄存器TH0和TL0构成；T1由TH1和TL1构成。
这些功能都由特殊功能寄存器TMOD和TCON所控制。
设置为定时工作方式时，定时器计数AT89C2051片内振荡器输出的经12分频后的脉冲，即每个机器周期使定时器的数值加1直至计满溢出。
当AT89C205采用12MHz晶振时，一个机器周期为1µs,计数频率为1MHz。
设置为计数工作方式时，通过引脚对外部脉冲信号计数。
当输入脉冲信号产生由1至0的下降沿时，定时器的值加1。
在每个机器周期的S5P2期间采样T0和T1引脚的输入电平，若前一个机器周期采样值为1，下一个机器周期采样值为0，则计数器加1。
此后的机器周期S3P1期间，新的数值装入计数器。
所以，检测一个1至0的跳变需要两个机器周期，故最高计数频率为振荡频率的1/24。
除了可以选择定时或计数工作方式外，每个定时器/计数器还有4种工作模式，也就是每个定时器可构成4种电路结构模式。
6.4.2定时器的控制
定时器共有两个控制字，由软件写入TMOD和TCON两个8位寄存器，用来设置T0或T1的操作模式和控制功能。
当89C2051系统复位时，两个寄存器所有位都被清0。
（1）工作模式寄存器TMOD
TMOD用于控制T0和T1的工作模式，其各位的定义格式如图11下所示：
TMODD7D6D5D4D3D2D1D0
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
图11工作模式寄存器TMOD的位定义
其中，低4位用于T0，高4位用于T1。
以下介绍各位的功能。
M1和M0：
操作模式控制位。
两位形成4种编码，对应4种操作模式，见表2。
表2M1和M0控制的4种工作模式
M1
M0
工作模式
功能描述
0
0
模式0
13位计数器
0
1
模式1
16位计数器
1
0
模式2
自动再装入8位计数器
1
1
模式3
定时器0：
分成两个8位计数器。
定时器1：
停止计数
C/T：
定时器/计数器方式选择位。
C/T=0，设置为定时方式。
定时器计数片内脉冲。
C/T=1，设置为计数方式，计数器的输入是来自T0或T1端的外脉冲。
GATE：
门控位。
GATE=0时，只要软件使TR0（或TR1）置1，就可以启动定时器，而不管INT0（或INT1）的电平是高还是低。
GATE=1时，只要INT0（或INT1）引脚为高电平且由软件使TR0（或TR1）置1时，才能启动定时器工作。
TMOD不能位寻址，只能用字节设置定时器工作模式，低半字节设定T0，高半字节设定T1。
（2）控制寄存器TCON
定时器控制寄存器TCON除可字节寻址外，各位还可位寻址，各位定义及格式如图12所示。
TCON8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H
TF1
TF0
升级会员 