基于plc单片机的直流电机控制电路设计

电动车电机控制电路设计

第一章引言

1.1 开发背景

在未来的一段时间内，我国将成为世界最大的汽车消费国，2010年我国汽车增加到五千六百万辆以上，不过空气污染源也会大幅度提高，空气污染将有64%来自于汽车尾气的排放，在2020年左右，我国石油消费量将超过4.5亿吨，而我国能源系统效率平均低于国际先进水平10%，但是我国60%石油消费量依赖于进口，要是仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业将会使我国为此付出巨大代价和对环境保护也会造成巨大的压力。在这种严峻的形势下，我国汽车工业的未来发展需要我们好好思考。

根据现在世界人口和汽车的增长趋势来看，今后50年中，世界人口和汽车数量分别从60亿增加到100亿和7千万增加到2亿5千万辆以上。若这些车辆都采用内燃机，能源需求和空气污染将会给人类造成巨大的压力和损坏。因此我们必须开发节能环保型以及高效智能型的交通车辆，只有这样才能在本世纪实现交通的可持续发展。能源危机曾经对世界经济带来严重影响，因此石油资源的争夺更加强烈，石油纠纷在国际上也不断发生，甚至为了争夺石油资源而爆发的战争在近几年也不断发生。因此石油资源的解决是当今世界每个国家所面临的首要考虑的问题，石油资源解决的好坏是当今世界是否稳定的重

要因素。

而电动车不用石油作为直接燃料，能够为我们更好地服务，为我们节约更多的资源，这点值得我们研究。在电动车中电动机是主要的驱动设备，它有很多种类，本文主要介绍怎么样控制直流电动机以达到控制电动车的目的。目前在直流电动机驱动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装臵向电动机供电的KZ—D拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的F—D系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种PWM脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

1.2 选题的目的和意义

电动车是将计算机、电子与化学各学科领域中的高新技术于一体，是汽车、计算机、电力拖动、新材料、新能源、功率电子、自动控制、化学电源等工程技术中最新成果的集成产物。混合动力电动车、燃料电池汽车和纯电动车对世界汽车的发展以及环境的保护都起到一个前所未有的阶段，具有里程碑的意义。

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。

传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特

别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。

第二章电动车动力及控制设计

2.1电动车电机种类

电动机可分为交流电动机、直流电动机、交/直流点动机、控制电动机、开关、磁阻电动机及信号电动机等多种。适用于电力驱动的电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。目前在电动汽车上已应用的和应用前景的有直流电动机、交流感应电动机、永磁无刷电动机、开关磁阻电动机等。

2.2直流电动机

2.2.1电动机的基本构造

直流电动机主要由静止的定子和旋转的转子组成。定子由主磁极、换向极、电刷装臵和机座组成。主磁极铁芯上套有线圈，通入直流励磁电流便会产生磁场，即主磁场。换向极也由铁芯及套在上面的线圈组成，其作用是产生附加磁场。以减弱换向片与电刷之间的火花，避免烧蚀。机座除作电动机的机械支架外，还作为各磁极间磁的通路。转子由转子铁芯、转子绕组、换向器、轴和风扇组成。转子铁芯用来安装转子绕组，并作为电动机磁路的一部分。转子绕组的主要作用是产生感应电动势并通过电流，以产生电磁转矩。换向器由换向片组成，换向片按一定规律与转子绕组的绕组元件连接。

2.2.2直流电动机的工作原理

直流电动机包括俩个在空间固定的永久磁铁，一个为N极，另一个为S极。在磁极的中间，装有一个可以转动的线圈，它的首末两端分别接到两片圆弧形的换向片（铜片）上，两个换向片之间、换向片与转轴（与线圈一起旋转）之间均相互绝缘，为了把电枢绕组和外电路接通，在换向器上安臵了两个固定不动的电刷。由于电刷和电源固定连接，因此无论线圈怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。由左手定则可知，通电线圈在磁场中受到逆时针方向的力矩作用。虽然电流方向是交替变化的，但所受的电磁力的方向不改变，因此线圈可以连续地按逆时针方向旋转。这就是直流电动机的各种原理

电 机－永磁

转速－转矩变化曲线，固定 转矩

A 转速

电流

电流转矩 N S 2.2.3直流电动机的运动特性与优点

1、运动特性

直流电动机的运动特性包括工作特性和机械特性。工作特性是指电动机在额定电压、额定励磁电流不变的情况下，其转速、转距和输出功率之间的关系。机械特性是指在额定电压和电磁绕组不变的情况下，转距与转速的关系，如图

图2.1 直流电动机特性曲线图

图 2.2 直流串励电动机特性曲线

图2.3 他励电动机特性曲线

电 机－串励

电枢电流＝励磁电流

转速－转矩变化曲线，固定 A 励磁绕组

转速

电流

电流转速

电枢 电 机－他励 励磁和电枢独立受控

转速－转矩变化曲线，可变

转矩

励磁绕组 转速

电流

流电

转速

A 电

枢 转矩

2、优点

直流电机五大优点包括：

1.减速电机结合国际技术要求制造，具有很高的科技含量。

2.节省空间，可靠耐用，承受过载能力高，功率可达95KW以上。

3.能耗低，性能优越，减速机效率高达95%以上。

4.振动小，噪音低，节能高，选用优质段钢材料，钢性铸铁箱体，齿轮表面经过高频热处理。

5.经过精密加工，确保定位精度，这一切构成了齿轮传动总成的齿轮减速电机配臵了各类电机，形成了机电一体化，完全保证了产品使用质量特征。

2.3 交流驱动电机

2.3.1三相异步感应电动机

1、三相异步感应电动机的结构

三相异步感应电动机性能优越、结构简单、成本较低目前在电动汽车上已经得到很广泛的应用。其结构主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。对定子绕组通往三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点,被广泛应用于各个领域。

三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都是由定子和转子这俩大基本部分组成，在定子和转子之

间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、风扇、风扇罩、接线盒、吊环等其他附件。

在交流异步电动机中，定子绕组流过依次相差120度相位角的三相交流电时，产生旋转磁场。该旋转磁场在转子绕组中产生感应电动势，因为绕组是闭合电路，所以产生感应电流，有电流的绕组导体在旋转磁场中产生电磁力，对转轴形成电磁转距带动转轴转动。

2、三相交流异步电动机的工作原理

定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。当三相电流不断地随时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转。旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。

定子旋转磁场旋转切割转子绕组，转子绕组产生感应电动势，其方向由“右手螺旋定则”确定。由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向与电动势方向相同，转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断。该力对转轴形成转矩(称电磁转矩)，并可见，它的方向与定子旋转磁场(即电流相序)一致，于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转，且一定有转子转速。有转速差是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。

3、三相交流异步电动机的机械特性

在三相交流异步电动机的机械特性图中，存在两个工作区：稳定运行区和不稳定运行区。在机械特性曲线的AB段，当作用在电动机

轴上的负载转矩发生变化时，电动机能适应负载的变化而自动调节达到稳定运行，故为稳定区。机械特性曲线的BC段，因电动机工作在该区段时其电磁转矩不能自动适应负载转矩的变化，故为不稳定区。，三相异步交流电动机的机械特性与汽车发动机的特性在一定范围内转矩与转速成正比而且两者都有恒转矩、恒功率的工作状态，在这方面三相异步电动机与发动机有很大的相似之处，所以现在电动车的驱动电机正在逐步向三项交流电动机发展。

2.3.2 其他交流电动机

1．单相异步电动机

单相异步电动机由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。

定子由机座和带绕组的铁心组成。铁心由硅钢片冲槽叠压而成，槽内嵌装两套空间互隔90°电角度的主绕组（也称运行绕组）和辅绕组（也称起动绕组成副绕组）。主绕组接交流电源，辅绕组串接离心开关S或起动电容、运行电容等之后，再接入电源。

转子为笼型铸铝转子，它是将铁心叠压后用铝铸入铁心的槽中，并一起铸出端环，使转子导条短路成鼠笼型。

单相异步电动机又分为单相电阻起动异步电动机，单相电容起动异步电动机、单相电容运转异步电动机和单相双值电容异步电动机。

单相异步电动机由于存在很多缺陷所以在电动车技术上应用较少。

2.4 直流电动机的控制

2.4.1直流串励电动机

直流串励电动机具有较好的软机械特性在电动车上得到了广泛的应用，其调速方式是通过改变励磁绕组电流的大小来控制电动机的转速。换向则是通过换向接触器改变励磁绕组电流的方向从而达到电动机翻转的目的。加速器给控制器一个调速信号，然后由控制器来控制励磁电流的大小。

串励电动机的特点：

1、电枢线圈与励磁线圈串联

2、电枢电流与励磁电流相同

3、在换向结构中需安装换向接触器，依靠控制器外围接线，改变励磁电流方向完成换向。

4、无再生制动，释放加速器，一般只能滑行，无平滑制动；只能反接制动，能量通过电机发热消耗，对电机损伤较大

5、转矩和速度曲线固定，无调节空间，控制器必须与电机相匹配，无法根据需要选择速度和转矩。

2.4.2 直流他励电动机

直流他励电动机的调速方式一般采用改变电动机电枢的供电电压来控制电动机的转速。换向则可以由控制器直接控制电动机的正反转。

他励电动机的特点：

1、励磁线圈与电枢线圈各自独立，便于换向，励磁电流小于电枢电流，优越的制动性能。

2、无需换向接触器，降低系统成本；减少活动部件；依靠控制器内部“MOSFETs ”改变励磁电流方向完成换向；

3、再生制动：释放加速器，自发平滑制动；降低电机发热，延长使用寿命；无需再生制动接触器，降低成本，减少活动部件。

4、在选择转矩和速度曲线之间有更大的空间，控制器必须与电机相匹，满足爬坡所需的速度和转矩。

2.5 三项交流电动机的控制

2.5.1 结构

随着交流变频技术的发展与成熟，三项交流异步电动机的变频调

速技术逐步应用到了电动车上。这一技术也使电动汽车得到快速发展。其结构如下图2.4

图2.4 三项交流异步电动机的结构图 直流电源 DC/AC

逆变器 变频控制器 控制信号 三项交流异步电动机 变速器/差速器

车轮

车轮

在很多电动汽车设计理念中大多都抛弃了变速器的使用，而仅仅靠调节电动机的转速来控制整个车的行驶速度以达到无级变速的目的。我认为这很不合理，因为无论是汽车的发动机还是电动车电动机它们在高速运行时都有很大的缺陷，而且功率和转矩很不稳定。若想即保证电动机在稳定区域运转又使电动汽车高速行驶变速器是不可缺少的部分。

2.5.2 变频调速

三相异步电动机转速公式：n=60f/p(1-s)

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点：

1、效率高，调速过程中没有附加损耗

2、应用范围广，可用于笼型异步电动机

3、调速范围大，特性硬，精度高

4、技术复杂，造价高，维护检修困难

对变频调速的要求：

（1）主磁通 ，以防止定子铁心过饱和；

（2）电动机的过载能力（或最大电磁转矩 ）尽可能保持不变。

保证电机可靠运行。

变频调速分为：

N m Φ≤Φmax e T

（1）、基频以下的变频调速

（2）、基频以上的变频调速

◆基频以下为恒转矩调速；基频以上为恒功率调速；

◆变频调速过程中，异步电动机机械特性的硬度保持不变，调速

范围宽；

◆频率连续可调，可以实现无级调速

三相交流异步电动机的变频调速性能优越，可以实现横转矩和恒功率调速，这在电动汽车应用方面非常重要，是电动汽车目前最佳动力电机选择，并且越来越被电动车生产企业所重视。

2.5.3 电动车的起步和加速

目前市场上的大部分电动车在起步是电动机的转速是通过加速器由0加速到正常行驶转速，这种加速势必会造成电动机及整车电网电流过大，这样大的电流不仅回影响电动机、电池、控制器及整车控制电路的使用寿命而且还会加快电池电量的消耗，缩短行驶里程。

而三相交流异步电动机的起动转矩很小，紧靠电动机的起步很难带动电动车，也会增加电动车的加速时间，所以我认为如果使用三相交流异步电动作为电动车的动力电机的话那么电动机就应该像汽车发动机那样有一个待速，然后通过变速箱去操控电动车的行驶、变频加速器控制电动车的加速和巡航（恒功率和恒转矩范围内）。只有这样电动汽车的行驶速度和加速性能才有可能达到像汽车性能那样优秀。

第三章总体设计概述

本次毕业设计主要研究把直流电机作为电动车的驱动系统，通过单片机来控制电机的启动、停止、加速和减速。

单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。本系统以89C51单片机为核心，通过单片机控制，C语言编程实现对直流电机的平滑调速。

系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据PWM调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。

3.1 系统总体设计电路图

直流电机调速系统总体电路设计由单片机产生控制PWM信号发生电路产生PWM信号的数据，控制直流电机调速电路对电机进行调速。

3.1系统总体设计原理图

3.2 系统总体设计主程序流程图

系统分为电机正转、电机反转、电机加速与电机减速的几部分组成，其主程序框图如图3.2所示

开始

开中断

K3==0

正转反转

K1==0

加速

减速

K2==0

Y

N

Y N

Y N

图 3.2主程序流程图

第四章 系统硬件介绍

4.1 单片机原理

4.1.1 单片机原理概述

单片机（Microcontroller Unit ）是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。图4.1中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配臵，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。

图4.1 单片机结构图

4.1.2 单片机的应用系统

单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机芯片与其它CPU 比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM 、RAM 、I/O 口等不能很多，在构成实际的应用时钟 程序存储器

CPU

数据存储器

I/O 口 定时、计数器

片内总线

系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况。单片机应用系统的构成基本上如图4.2所示。

图4.2 单片机的应用系统

单片机应用系统根据系统扩展和系统配臵的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。对于片内有ROM/EPROM 的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM 芯片来说，其最小应用系统除了应配臵上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM 或EEPROM 作为程序存储器使用。

4.1.3 AT89C51简介

AT89C51的主要参数如表4-1所示：

表4-1 AT89C51的主要参数 型号

存储器 定时器 I/0 串行口 中断 速度 （MH ） 其它特点 EPROM

ROM RAM 89C51 4K 128 2 32 1 6 24 低电压 EPROM

RAM

直流电机 ROM RAM I/O I/O 扩展 外部程序存储器

外部数据存储器 脉冲 ● ● ●