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基于单片机的电动车控制器.doc
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基于单片机的电动车控制器.doc
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基于单片机的电动车控制器
摘要:本设计介绍了一种以单片机 89c51 为主控芯片的电动自行车调速控制系统和测速系统的设计方案 给出
了系统的硬件构成和软件设计方法。实验证明:该系统性能可靠、成本较低,是一种实用的直流电动机调速系
统。
关键词:89c51、直流电机、pwm 调速、霍尔传感器
1 引言
当前,随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨 无污染、能源可多样化配置的新型交通工
具引起了人们的普遍关注,同时也得到了极大的发展,电动自行车便是其中之一1。它以蓄电
池发出的电能作为驱动能源,以电动机作动力,具有无废气污染、“零排放”、无噪音、轻便美观
等特点 特别适合在人口较集中的大中城市中使用。但目前市场上的电动自行车还存在着一些不
够完善的地方,尤其是电机控制方面有待于进一步提高。电动车控制器是用来控制电动车电机
的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件,它就象是电
动车的大脑,是电动车上重要的部件。本设计根据无刷直流电机的原理,利用美国Atmel
公司推出的一款 89c51 单片机作为主控芯片设计了一种无刷直流电机调速控制系统,该系统具
有硬件结构简单、软件设计灵活、适用面广、价格低廉等优点 具有一定的实用价值 。具有超静
音设计技术:独特的电流控制算法,能适用于任何一款无刷电动车电机,并且具有相当的控
制效果,提高了电动车控制器的普遍适应性,使电动车电机和控制器不再需要匹配。自动识
别电动车电机的换向角度、霍尔相位和电机输出相位,只要控制器的电源线、转把线和刹车
线不接错,就能自动识别电机的输入几输出模式,可以省去无刷电动车电机接线的麻烦,大
大降低了电动车控制器的使用要求。
2 总体设计方案
2.1 设计思路
电动车控制器,其主要的功能是能线性调节车速,最终还是直流电机调速问题,本设计采
用脉宽调制(PWMM)配以单片机为中心控制元件的调速系统。利用霍尔线性传感器实现传统的
车把调速,把电压信号通过模数转换后送入单片机 IO 口,控制占空比,再经过信号放大控制电
机转速。速度显示利用开关型霍尔传感器采集两高点评的时间计算速度,通过串行口输出显示。
2.1.1 方案确立
整个系统主要包括车轮霍尔开关器件检测电路及测速电路、调速电路、低压、过载、过流
保护电路和稳压电路。单片机小系统电是基础,模数转换以 ADC0809 为核心,显示电路采用
74ls164 和七段共阳数码管静态显示,稳压电路采用 7805 芯片给单片机以及显示和模数转换
单元供电。
2.2 设计方框图
1
如图 1 设计方框图
3 设计组成及分析
3.1 最小系统电路的设计
51 单片机有 4 组并行 IO 口和一组全双工的串行口,有完善的中断系统,包括 4k 的程序存
储器和的数据存储器,加上丰富的控制指令是微型控制系统的理想芯片。采用 12MHZ 的晶振
和辅助元件为单片机提供时钟信号,提供 5V 的电源就能组成最小系统了。
最小系统如图 2,12MHZ 的晶振提供始终信号,它是单片机工作的节拍。复位端接电容在
上电时对单片机进行复位操作。
EA/VP
31
X1
19
X2
18
RESET
9
RD
17
WR
16
INT0
12
INT1
13
T0
14
T1
15
P10
1
P11
2
P12
3
P13
4
P14
5
P15
6
P16
7
P17
8
P00
39
P01
38
P02
37
P03
36
P04
35
P05
34
P06
33
P07
32
P20
21
P21
22
P22
23
P23
24
P24
25
P25
26
P26
27
P27
28
PSEN
29
ALE/P
30
TXD
11
RXD
10
U3
at89c51
C2
30pf
C3
30pf
Y1
12mhz
BT1
5v
C6
10uf
R7
10k
如图 2 最小系统电路图
3.2 PWM 速度控制电路的设计
模数转换电路中 ADC0809 是核心,它有 8 个输入端口和 8 个输出端口,输出精度高,转
换速度快,只用从线性霍尔传感器采集电压信号送进一个输入端口通过控制使能就能很快转换
出一组八位二进制数据,在单片机里进行延时控制占空比就实现了脉宽调制。PWM 脉宽调制,
最 小
系统
速度信号 检测
电路
手把
模
数
转
换
系
统
速
度
显
示
系
统
过 流 , 低
压 检 测 电
路
速度控制信号
放大电路
2
是靠改变脉冲宽度来控制输出电压,通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通
过改变此脉冲的调制周期来实现。这样,使调压和调频两个作用配合一致,且于中间直流环节
无关,因而加快了调节速度,改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电,可
用不可控整流器取代相控整流器,使电网侧的功率因数大大改善。利用 PWM 逆变器能够抑制
或消除低次谐波。加上使用自关断器件,开关频率大幅度提高,输出波形可以非常接近正弦波。
PWM 变频电路具有以下特点:
(1) 可以得到相当接近正弦波的输出电压
(2) 整流电路采用二极管,可获得接近 1 的功率因数
(3) 电路结构简单
(4) 通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压,加快了变频过程的动态响应
现在通用变频器基本都再用 PWM 控制方式,所以介绍一下 PWM 控制的原理
脉宽调制(PWM)。控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列
幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中
产生多个脉冲,使各脉冲的等值电压为正弦波形,所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一
定的规则对各脉冲的宽度进行调制,即可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。
PWM 是单片机上常用的模拟量输出方法,通过外接的转换电路,可以将占空比不同德尔脉
冲变成不同的电压,驱动直流电机的转动从而得到不同的转速。程序中通过调整输出脉冲占空
比来调节输出模拟电压。控制电路如图 3 所示。
EA/VP
31
X1
19
X2
18
RESET
9
RD
17
WR
16
INT0
12
INT1
13
T0
14
T1
15
P10
1
P11
2
P12
3
P13
4
P14
5
P15
6
P16
7
P17
8
P00
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P01
38
P02
37
P03
36
P04
35
P05
34
P06
33
P07
32
P20
21
P21
22
P22
23
P23
24
P24
25
P25
26
P26
27
P27
28
PSEN
29
ALE/ P
30
TXD
11
RXD
10
U3
at89c51
C2
30pf
C3
30pf
Y1
12mhz
C6
10uf
R7
10k
IN-0
26
msb2-1
21
2-2
20
IN-1
27
2-3
19
2-4
18
IN-2
28
2-5
8
2-6
15
IN-3
1
2-7
14
lsb2-8
17
IN-4
2
EOC
7
IN-5
3
ADD-A
25
IN-6
4
ADD-B
24
ADD-C
23
IN-7
5
ALE
22
ref(-)
16
ENABLE
9
START
6
ref(+)
12
CLOCK
10
U1
ADC0809
BT1
5v
Port
R1
POT2
C1
1uf
R4
1k
R1
10k
R5
1k
R2
10k
R3
200
T2
2n222a
T1
2n222a
7 4
OP07
7 4
op07
-15V
+15v
M
Port
图 3 调速电路
用电位器代替霍尔现行传感器调节 AT89C51 的 PWM 占空比,将 A/D 转换后的数据作为
延时常数。当电位器阻值发生变化时,ADC0809 的输出也将发生变化,进而调节单片机输出
PWM 占空比,控制直流电机的转速。控制流图如图 4:
3
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