电动自行车调速系统设计123

《自动控制系统》课程设计任务书

课题：电动自行车调速控制电路的设计

：蔡嘉伦

学号：2012118002

目录

概述 (2)

方案及原理 (2)

总体规划.……………………………………….…....................... ..3

电路设计…………………………………………......................... ..3

参考文献 (9)

概述

单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动自行车等小功率的工作情况。并能将多余的电能回溃。该系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。

本文从系统要求分析入手，将整个系统分成四个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。系统各部分的控制电路基于Intel公司的控制芯片8051单片机。根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制，并通过转速传感器测量转速通过八段数码管动态显示转速，通过软硬件的配合，实现了整个系统的设计要求。

方案及原理

电动车对电动机的基本要求

电动车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高的。

电动车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为(3～4)，加速性能好，使用寿命长的特点。

电动车用电动机应具有宽广的调速围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。

电动车用电动机应能够在车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电汽车具有最佳能量的利用率，这在燃机的摩托车上是不能实现的。

电动车用电动机应在整个运行围，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程。

另外还要求电动车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。

鉴于电动车对电动机的基本要求采用永磁无刷直流电动机。

永磁无刷直流电动机的基本性能。永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动车中有着很好的应用前景。

永磁无刷直流电动机的控制系统。典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完成。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势来削弱定子绕组中的磁链。

永磁无刷直流电动机的不足。永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动机的功率围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控

制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。

方案及原理

对于电动自行车控制系统设计主要有三个方面：一、控制电路的设计；二、传感器选择以及安放设计；三、显示电路的设计；四、程序设计。从总的方面来考虑，传感器的使用应该尽量减少单片机的信号处理量，但是又必须能使车行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。控制核心采用51单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集，电机控制和转速显示。如图3-1所示

图 3-1

电路设计

控制电路主要有电源电路、电机驱动电路、单片机接口电路、显示电路四个部分。考虑到电机的起动电流和制动时比较大，会造成电源电压不稳定容易对单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离。传感器的电源直接使用24V蓄电池，单片机的电源则通过三端稳压器78L05将24V电源转换到5V。

电源电路

24V

图 4-1-1

24V直流电源经三端稳牙器74L05输出即为单片机所要求的+5V电源。电路

中接入电容C

1、C

2

是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑

制电路引入的高频干扰。大容量的C

3

是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入

电源引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C

3

一个放电通路，防止C

3

两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏。

打开系统电源后由电位器控制电动机转速，IN0-IN6线上那一路模拟电压被转换成数字量由ADDA-ADDC线上的地址决定。ADDC0809部“地址锁存与译码”电路便能把IN0线上模拟电压送入8位A/D转换器此时，若单片机使STAR线处于高电平，则ADC0809便开始A/D 转换，一旦A/D转换完成，ADC0809一方面把A/D转换后的数字量送入它的三态输出缓冲器另一方面又使EOC线变为高电平向单片机提出中断请求。单片机检测和响应该中断请求后就通过使rd非变为低电平而使OE线变高，以便可以从2-1-2-8引线上取走A/D转换后的数字量。单片机根据 A/D转换后的数字量输出相应的巨型脉冲信号。脉冲信号经74LS245放大后经光电藕荷控制继电器。

驱动电路及原理

下面主要对驱动电路进行一下介绍：

一种线性型：使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动

的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。

另一种脉宽调制型：脉宽调速（PULSE WIDE MODULATION——PWM）较常用的一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转的等优点。因此决定采用PWM方式控制直流电机。永磁式直流电机脉宽调速原理永磁式直

流电动机电机转速由电枢电压U

D 决定，电枢电U

D

越高电机转速越快，电枢电压

U

D

降为0V，电机就停转。直流电机的具体调速过程是：先让它启动一段时间，然

后切断电源，电动机因惯性而降速转动。在转速降到一定限度时使电动机再次接

通电动机因此而再次加速。不断的给电枢两端送入脉动电压源（即脉动信号）就

可以使电动机的转速控制在指定的围。如图4-4-1所示：

脉冲信号：t

T

转速：V MAX

V D

V MIN

图 4-4-1 V MAX为电动机的最大转速值。V MIN为电动机的最小转速值。V D为二者的平均值。V D=D

* V

MAX 式中D=t/T称为占空比 D越大V

D

就越大反之亦然。平均转速和电枢上的

脉冲占空比D之间的关系如4-4-2图：V D（平均速度）

0 0.5 1 D（占空比）

由图可知，平均转速与占空比并非完全的线性关系，但可以近似的看成是线性关系。因此电动机的平均转速VD就可以有占空比D加以控制。

PWM调速分为双向式和单向式两种：

一种双向式

在一个脉冲周期(T=Ta＋Tb)，T1和T3导通的时间为Ta，T2和T4导通的时间为Tb，这样在Ta这段时间，电机通过的是正向电流，在Tb这段时间为反相电流。当Ta=Tb时电机停转，Ta>Tb时电机正转， Ta

另一种单向式

单向式的电路更双向式相同。不同的是，在电机正转时，Tb这段时间不通过反向电流，电机反转时，Ta不通过正向电流。其调速原理基本与双向式相同。单向式与双向式相比，三极管的开关频率少一半，比较不容易发生上下三极管导通而造成电源短路的情况,故可靠性有所提高，但控制性能比双向式稍差。外特性、低速性能也不如双向式好。

如上图4-4-5左所示为双向式调速方式下速度与占空比关系曲线，图3-1-5右为单向式调速方式曲线。

综合以上两种方式的优缺点，并考虑到电动自行车对调速精度要求不太高，以及省电，器件损耗等各方面因素，决定采用单向式PWM。考虑到编程时可能会产生使T1、T2、T3、T4都导通的情况，以至电源短路，烧毁器件。由于采用单片机控制电机，如果单片机的电源采用与电机同一电源，虽然经过稳压、滤波，但是单片机仍然容易受到电机以及继电器的干扰，为了避免干扰，采用光电隔离，单片机和电机采用两套电源。4N26光耦一般需要2mA以上的驱动电流，由于单片机的输出电流只有几百微安，故需要先接74LS245或者接一个三极管增加驱动能力（74LS245的高电平驱动能力为15mA）。光耦的输出再接给达林顿管，考虑到电机的短路电流有2A，故选用TIP132型号的达林顿管（允许通过的最大瞬时电流为8A）。另外在达林顿管的C极和电源的正极之间接一个耐流为2A的二极管，这样在关断电源后，使继电器反相，可以让电机放电，这样停车时车不至于因为惯性滑行太远而浪费能源。因此时以关断了电源，要将电动车停下来而采取的无谓制动不能将电能回馈给蓄电池。

考虑到电动自行车对电机转速，距离控制的要求不高，为了简化程序和外接电路，所以没有考虑采用闭环PWM控制，用开环PWM控制就可以实现自行车的功能。

脉冲信号 Ta

Tb

工作时Ta为高电平，通过光耦驱动复合管T导通，此时Tb为高电平通过光耦使三极管导通，继电器各线圈被短路。K1、K3为长闭触点，所以电动机加正向电压。当Tb为底电平时所有继电器得电，常开触点闭合常闭触点打开，K1、K3 断开K2、K4导通。电动机加反向电压。如果保证Ta>Tb则电动机正转。通过改变Ta 、Tb的占空比即可改变转速。

参考文献：

[1] 胡汉才编著《单片机原理及其接口技术》清华大学2003.7

[2] 余永权小青林康编著〈〈单片机应用系统的功率接口技术〉〉北京航空航天大学 1992年9月第1版

[3]王晓明编著〈〈电动机的单片机控制〉〉北京航空航天大学 2002年5月

[4] 晶, 编著《电路设计与制版Protel 99高级应用》人民邮电

[5] 涵芳徐爱卿，《MCS-51/96系列单片机原理及应用》（修订版）北京航空航天大学

[6] 吴金戍庆阳郭庭吉，《8051单片机实践与应用》清华大学

[7]上海交通大学：钱真彦苏稚英走迷宫机器人——控制系统的设计

[8] 沙占友主编KMI15系列集成转速传感器的原理与应用

[9]实用电子电路手册（模拟部分）. 高等教育.1992.10

[10]实用电子电路手册（数字部分）.端.高等教育.1992.10

[11]小华．现代继电器实用技术手册．北京．人民邮电处版社．1998

《价值的创造与实现》教学设计新部编版

教师学科教案[ 20 – 20 学年度第__学期] 任教学科：_____________ 任教年级：_____________ 任教老师：_____________ xx市实验学校

《价值的创造与实现》教学设计 一、教学目标： （一）知识目标： 1、识记如何创造和实现人的价值； 2、理解如何在个人与社会的统一中实现价值，实现人的价值需要的主观条件； 3、运用相关原理分析为什么人的价值要在劳动中，在个人与社会的统一中实现，讨论分析追求个人梦想与实现伟大中国梦之间的关系。 （二）能力目标： 通过本课学习，使学生具有自觉运用马克思主义哲学的基本观点和方法正确分析和看待社会、人生的能力，树立起崇高的理想和信念，初步形成正确的人生观和价值观，使学生领悟和认识实现人的价值的正确途径，认识到劳动和奉献不仅是人的存在方式，也是人的本质和价值的实现方式，形成劳动和奉献的意识，具有自觉创造和实现人生价值的能力；（三）情感、态度和价值观目标： （1）人的生存和发展所需要的一切条件都是由社会提供的，人一生下来，就具有社会性，就离不开社会，离不开他人，抛开社会和他人的纯粹的个人奋斗是不可能的。人的价值只能在社会中实现，因此，把自己放在社会

中，放在集体中，放在和他人交往的社会环境中，正确处理好个人与社会之间的关系，是我们成功的起点。 （2）砥砺自我是实现人生价值的主观条件。与其诅咒黑暗，不如燃起蜡烛。别总是抱怨自己没有条件，别总在黑暗中顾影自怜、唉声叹气，走出自我，勇敢地站出来，敢于对命运说“不”，用于向命运挑战，奋起冲击生命的制高点，同样能够与那些有条件的人一起搏击长空，铸就人生辉煌。 二、教学重点：人在劳动中创造价值，在创造和奉献中实现人生价值 三、教学难点：在个人与社会的统一中实现价值 四、教学方法：创设情境，合作探究《走进刘谦》 五、课时安排：一课时 六、教学过程： 七、板书设计

“价值的创造与实现”

“价值的创造与实现” 【教学理念】 在设计和组织教学时，让学生参与活动，以学生活动为主要的教学方式，在活动中形成认知，使学生形成践行的愿望，提高学生实现人生价值的自觉性。 【教学目标】 1.知识目标。 使学生关注社会大事，关注生活，正确处理人生旅途中的挫折与成功、机遇与挑战的关系，掌握实现人生价值的条件，特别是明确主观条件。 2.能力目标。 在生活与学习中能运用哲学思维解决现实中的问题，养成自尊自信、自主自强的良好品质。 3.情感、态度与价值观目标。 树立科学的价值观，坚持科学的发展观，增强振兴中华的使命感和责任感。 【教学重难点】 实现人生价值的主观条件。 【教学手段】 多媒体课件。 【教学方法】 学生参与为主，教师重在引导。 【教学过程】 一、复旧导新 （一）复习上节课的内容，并导入新课 二、讲授新课 (一)根本途径 视频展示：莫振高 请同学们思考两个问题： 1.每个人都有自己的人生价值，问：人生价值包括哪两个方面？ 2.人生价值的两个方面在材料中是如何体现的？ 将学生分成方阵，抢答。 教师小结：根本途径 1.人生价值包括自我价值（索取）──社会对个人的尊重和满足；社会价值（贡献）──个人对社会的责任和贡献；其中，人生的真正价值在于对社会的贡献。 2.材料的第一段体现自我的价值，第二段体现社会价值。 这里就涉及到人生价值的实现问题，人生价值是如何实现的呢？这是本节课我们共同学习的问题。 (二)客观条件 视频展示：小鲜肉鹿晗的成长经历 学生活动： 带着下面三个问题去阅读教材第85～89页内容。 教师板书： 1.实现人生价值的条件有哪些？ 2.实现人生价值需要社会提供一定的客观条件，请说出有哪些客观条件？ 3.实现人生观需要创造必要的主观条件，请说出有哪些主观条件？ （让学生分出方阵抢答略。）

价值的创造与实现导学案及答案

张家窝中学高一年级政治学科导学案 课题12.3价值的创造与实现 编写人杜学芳审定人唐凤顺授课时间: 一、学习目标： 1、知识与技能：识记如何创造和实现人的价值;理解劳动是人的存在方式、在个人与社会的统一中实现价值、实现人的价值的主观条件。 2、过程与方法：领悟和认识实现人的价值的正确途径，认识到劳动和奉献不仅是人的存在方式，也是人的本质和价值的实现方式，形成劳动和奉献的意识，具有自觉创造和实现人生价值的能力。 3、情感态度价值观目标：砥砺自我是实现人生价值的主观条件。与其诅咒黑暗，不如燃起蜡烛。别总是抱怨自己没有条件，别总在黑暗中顾影自怜，唉声叹气，走出自我，勇敢地站出来，敢于对命运说不，勇于向命运挑战，奋起冲击生命的制高点，同样能够与那些有条件的人一起搏击长空，铸就人生辉煌。 二、学习重点: 如何实现人生价值 三、学习难点: 如何在砥砺自我中走向成功 四、学习方法:自主探究 五、特别提醒： 1、要树立正确的人生观和价值观，作出正确的价值判断和价值选择，自觉站在最广大人民的立场上。 2、在劳动和奉献中创造价值。积极投身于为人民服务的社会实践。（根本途径--立足实践） 3、在个人与社会的统一中实现价值。正确处理个人与集体、个人与社会的关系，在奉献社会中实现人生价值。（客观条件） 4、在砥砺自我中走向成功。充分发挥主观能动性，顽强拼搏、自强不息；努力发展自己的才能，全面提高个人素质；要有坚定的理想信念，要有正确价值观的指引。(主观条件) 原理：社会发展是个人发展的基础。社会发展也离不开个人发展。只有在集体中，个人才能获得全面发展其才能的手段；只有在集体中，才可能有个人自由。 方法论：在个人与社会的统一中，实现人生的价值，正确处理好个人与集体、个人与社会的关系。（即既要正确认识和处理个人与社会的关系，充分利用社会提供的条件，同时又要为社会的进步发挥个人的聪明才智。） 六、知识梳理 一、在劳动和奉献中创造价值 1、劳动着的人是幸福的

《价值的创造与实现》教案(新人教版)(二)

《价值的创造与实现》教案（新人教版必 修4） 第三框题价值的创造与实现 三、价值的创造与实现--即是如何创造和实现的问题 （一）、在劳动和奉献中创造价值--是从创造的角度来看的 ◇课堂探究：(1)江泽民同志的这段话．为什么把奋不顾身 地工作着的人生看作真正有意义的人生? (2)为什么有些人虽然有优裕的物质生活，还是觉得不开心、不幸福，甚至认为生活没有意义? ◇探究提示：(1)人的价值在于创造价值，在于对社会的责 任和贡献，一个人在劳动 中为社会创造的财富越多，他自身的价值就越大。 (2)劳动着的人是幸福的，努力奉献的人是幸福的。有些人 虽然有优裕的物质生活，但如果不在劳动中创造价值，不能 走出自我的狭隘天地，不想奉献他人和社会，水 远不可能有真正的幸福。 1．劳动着的人是幸福的 在这里主要阐释了为什么劳动着的人是幸福的，共讲两点：(1)人只有在劳动中，在奉献社会的实践活动中，才能创造 价值。一个人在劳动中创造的财富越多，意味着他为满足社 会和人民的需要所作出的贡献就越大，他自身的价值就越大，

他的幸福感也就越强。 (2)劳动是人的存在方式。人只有在劳动中才能实现和证明 自己的价值。 (3)在社会主义社会，劳动是创造人类美好生活、促进人的 自由全面发展的重要手段。 ※文科班补充：：劳动是人的本质活动，是人的生命活动的 基本形式，是人的本质力量的现实表现，是人之为人的内在 本性。 ◇课堂练习：我们之所以说劳动着的人是幸福的，是因为 ( ) ①人只有在劳动中才能显示自身的价值②人只有在劳动中， 在奉献社会的实践活动中，才能创造价值③在社会主义社会，劳动是创造人类美好生活、促进人的全面发展的重要手段④ 劳动是人区别于动物的本质活动 A．①②③ h②③④ C．①③④ D．①②④答案： A2．努力奉献的人是幸福的--课本主要是从正反两个方面来 讲的 ◇课堂探究：(1)为什么雷锋把为人民做好事看作他最大的 快乐和幸福? (2)一个只想着自己吃好、喝好、玩好的人会幸福吗?一个没 有亲情、友情和爱心的人会幸福 ◇探究提示：(1)努力奉献的人是幸福的。雷锋把为人民做

《价值的创造与实现》教案

《价值的创造与实现》教案 一、教学目标 1、知识目标 识记如何创造和实现人的价值，理解劳动是人的存在方式，在个人和社会的统一中实现价值以及实现人的价值的主观条件 2、能力目标 通过学习价值的创造与实现，使学生领悟和认识实现人的价值的正确途径，认识到劳动和奉献不仅是人的存在方式，也是人的本质和价值的实现方式，形成劳动和奉献的意识，具有自觉创造和实现人生价值的能力。 3、情感目标 让学生正确认识到处理个人与社会之间的关系，是我们成功的起点。通过实现人生价值的主观条件的教学，让学生走出自我，勇于向命运挑战，铸就人生辉煌。 二、教学重点： 在创造和奉献中实现人生价值 三、教学难点： 在个人与社会的统一中实现价值 四、学生分析 高二学生正处于世界观、人生观和价值观形成的时期，对于如何实现人生价值的问题有所思考，由于现代社会物欲横流，青少年以自我为中心的思想比较突出，所以这节课要引导学生树立正确的人生价值观，对他们的成长起关键作用。五、教学手段 图片展示、情景活动、学生讨论 六、教学过程 （一）导入新课 【温故知新导入法】： 通过回顾上节课所学的知识，巩固“价值与价值观的含义”，“价值观的导向作用”以及“如何进行价值判断和正确的价值选择”，从而顺理成章的引入新课：“既然我们了解了什么叫价值并知道如何进行价值选择，那么怎样才能实现人生价值呢？这节课老师将带领大家一起来从三个方面进行学习，从而了解如何在生活中创造和实现价值。” （二）新课讲授 这节课主要从三个方面进行学习：在劳动和奉献中创造价值；在个人与社会的统一中实现价值；在砥砺自我中走向成功。 1.在劳动和奉献中创造价值——是从价值创造的角度来看的 教师提问：什么是人生价值？引导学生对人生价值的思考，并在明确概念后更好理解下面内容。同时，设置疑问：“人生的价值是怎样创造出来的？”让学生对人生的价值创造产生疑惑，从而激起学习兴趣。通过一组“最美系列”图片，思考：来自不同领域的“最美人物”的共同点是什么？他们的人生价值是如何创造的？教师总结：这些“最美人物”来自于不同行业和社会阶层，但是他们有一个共同特点，就是在自己的岁月里，用真实感人的行动（劳动）和无私的奉献精神，感动着社会，在实践中践行自己的人生价值，在劳动和奉献中创造人生价值。（1）劳动者的人是幸福的 通过“劳动——财富——贡献——价值——幸福感和成就感”来启发学生，在劳动和奉献中创造和体现自己的价值。

12.3《价值的创造与实现》教学设计

《价值的创造与实现》教学设计

1、学生发言，教师用多媒体展示《无臂琴师刘伟》；教师引 导：他在自己的岁月里，用真实感人的行动（劳动）和无私的奉献精神，感动着社会，在实践中创造和实现的人生价值，成为我们这个年代最可敬佩的人群。同学们想不想实现自己的价值？如何实现自己的价值呢？ （说明：通过教师的引导，使学生明确本课的基本学习内容，有利于学生思想的集中，营造了良好的学习氛围，激发了学生的学习兴趣。） 二、自主学习，合作探究 多媒体展示探究活动一：人生价值是如何创造出来的？

多媒体展示探究活动二：为什么说人生价值是在劳动和奉献中创造出 来的？ 学生自主查阅课本，以四人为一个学习小组讨论教师提出的问题，讨论结束后，请同学们自主发表意见。 （说明：让学生带着问题看书后相互讨论，思想碰撞，是一个合作探究的过程。在这个过程中增强了学生对劳动的认识，加强了学生之间的合作能力，培育学生热爱劳动和奉献社会的品德。） 教师用多媒体展示学生总结的内容：人生价值是在劳动和奉献中创造的 1、在劳动中创造价值 （1）人只有在劳动中才能创造价值、体现自身的价值 （2）劳动是人的存在方式，人只有在劳动中才能实现和证明自己的价值 （3）在社会主义社会，劳动是创造人类美好生活、促进人的自由全面发展的重要手段 （教师引导）我们提到的劳动都有哪些形式？创造财富有哪些 种？ （说明：通过这个问题，使学生对劳动有更深入的认识，延伸了学生的思维）。 （学生通过讨论和思考，很容易想到，劳动有体力劳动和脑力劳 动之分，财富有精神财富和物质财富之分。） ［探究延伸］我来说一说:劳动着的人是幸福的