虚拟仪器技术电动车转速测量与控制系统硬件设计(附件)
电动机作为电动自行车动力的来源，其性能的优劣直接决定了电动汽车的运行效率以及安全性。电动车出厂前工人要对其电机的相关性能进行检测，传统的电机测试设备主要依靠人工，自动化程度不高，需要人工测试，记录数据并对数据进行分析，这很大程度上限值了电动车测试的速度与质量，所以设计一个自动化测试平台对电机的性能进行测试十分必要。
本课题在测量转速和采集数据时所运用的元件有直流电压变送器、直流电流传感器、霍尔传感器等。电动车控制器采用的是正弦波脉宽调制（SPWM)，将脉冲信号正弦化，很好地控制电机平稳转动的同时又可以降低电机转动的噪音，并能通过上位机输出的信号控制负载机和电机的运转，有效地提高了测量和检测的效率。
关键词 转速测量，控制器，正弦波脉宽调制，上位机
目 录
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外的发展趋势及种类 1
1.3 课题研究方向 2
2 总体设计 3
2.1 设计要求 3
2.2 设计原理 3
2.2.1 正弦波的生成原理 4
2.2.2 SPWM波的生成 6
3 硬件设计 8
3.1 元器件介绍 8
3.1.1 直流电压变送器 8
3.1.2 HBC-LSP闭环系列霍尔电流传感器 9
3.1.3 霍尔接近开关传感器 10
3.1.4 SN74HC14N反相器 11
3.2 电机测试与控制硬件结构 12
3.3 电机的扭矩测量 12
4 上位机信号的采集和数据处理 13
结 论 15
致 谢 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
> 参 考 文 献 17
附录A 元器件清单 18
附录B 硬件设计实物图 19
附录C 电机测试数据报表 25
1 引言
1.1 课题背景
随着技术的不断发展，电动车行业得到了很快的发展，但国家倡导的可持续发展，建设和谐社会也面临着很多严峻的问题，比如环保的问题、能源风险等。为了解决这些问题，环保、绿色、节能渐渐成为社会流行的话题。政府在提高经济发展速度的基础上越发重视提高发展的质量，积极鼓励各行业研究和生产节能环保产品。电动车作为一种短距离的绿色交通工具，可以在短距离替代燃油汽车，未来的电动自行车，在环保和能源方面，都将会有一个很大的发展。
现在的大都市存在很大的交通堵塞问题和汽车尾气排放污染问题，此时电动自行车就有了其发展的重要性和必需性。既解决了交通堵塞和道路安全问题，又能减少尾气的排放，美化了空气，节约了能源。自1995年清华学生研制出第1台电动车以来，中国一下子就发展成了全世界第一大的电动车工业国。据统计显示，在2008年，我国销售出2000万辆电动自行车，而汽车在那时候的销量仅为939万辆。且就目前的状况来看，中国已上路的电动车数量约为汽车数量的4倍。
电动自行车的相对便宜的价格和政府的鼓励政策，使中国成为廉价又环保的电动自行车最热销的市场。电动车也逐渐成为了解决城市交通问题的替代产品。
1.2 国内外的发展趋势及种类
由于电动车所需的零件比较少，并且结构组织较汽车来说很简易，所以近几年国内出现了很多家生产电动车的公司。据数据报告显示，2006年，我国仅是有正规执照的大型厂商就有了2700家，另外的中小厂商比比皆是。因为竞争对手的数量太多，想要成为这个行业的佼佼者是极其困难的，需要的是创新的技术和好的用户口碑。
据调查显示，上一年全世界售出的2400万辆电动自行车，选购者里的中国消费者占据了大多数。据专家预测，东南亚地区将是电动自行车的下一个热销市场，目前，摩托车和汽油助力车在那里还受欢迎。相对而言，电动电瓶车反而更加廉价并且耗电供能也比较经济和环保。例如，在印度，由于当地人的收入的增加，导致他们购买交通工具的数量也在增加。东京，京都，大阪等大城市最近一些年的电动车的均销量也保持在三十万辆上下，荷兰的电动车现在也相当的普及，而在美国电动车多数是用来娱乐，却不是用作是平常的交通对象。但就目前的形式来看，美国的电动车数量也在逐年增加。
? 目前电动自行车在中国大陆地区很畅销，但是一开始并不这么受欢迎。因为早期的电动自行车有着一些缺点，如下：行驶速度要慢，电池容量小导致行驶的距离短，而且电池寿命短。目前的电动自行车已经发展到了很成熟的地步，充满电一般都能行驶60公里以上，足够平常的出行使用。但是，电动车的电池一直是亟需攻克的难题，既想让其有出色的续航表现，但有得保证其拥有较轻的重量，这样的技术要求确实很高。
? 铅酸电池虽然还在改进，但是还有着诸多缺点。所以这时候锂离子电池就应运而生，为电动车厂商所采用，这种电池较铅酸电池更轻便，能储存更多的电能。就连作为全球最大的脚踏自行车厂商的捷安特，也已经在北欧的市场售卖以锂离子电池供电的电动自行车。
? 研发电池的创新技术正处于高潮。现在，很多电动车厂商开始跟高校合作，研发新的电池技术。除了这些以外，部分电动自行车厂商也开始研发电动汽车，由于电动汽车的耗电量比电动自行车多很多，不仅需要家里有给其充电的专用插座，而且需要能给电动车实时充电的专供充电站。如果电动汽车技术发展完善，电动汽车将在中国有很大的市场。
从上面的介绍能够得出，发展电动车行业可以从最基础的抓起，来解决国家的石油短缺问题，也能减少环境污染。可以想想，随着锂离子电池技术的进步和产业化，高能量的特性将会在电动自行车行业充分地发挥作用，如果电动自行车的外观能够多样化，就能满足不同人群的个性化需求，扩大电动自行车的市场。未来，电动自行车将取代摩托车，成为人们日常交通工具之一。
目前，许多企业开始电动自行车的研发与生产，电动自行车行业将有很大的潜力和市场！
1.3 课题研究方向
通过测量和采集的电机转动的频率，输入的直流电源的电压和电流，输出的电压和电流来计算电机的功率和效率，最终将得出的这些参数通过图表的形式显示出来，进而达到检测电动车速度和各方面性能的目的。
(1)正弦波控制器（SPWM控制）
区别于方波脉宽调制控制器，正弦波控制器的载波信号为等腰三角波，基于的标准信号为正弦波，这样就可以实现正弦波脉宽调制控制。单极性是指载波信号和标准信号一直处于相同的极性的关系，就相当于正弦波处在正半周时，相应地会产生负的调制脉冲列。SPWM波形就是将脉冲宽度正弦化，并把方波等效成正弦波，让得到的信号更加的平稳。
(2)硬件转换系统
将直流电压和直流电流通过直流电压变送器，直流电流传感器按一定比例转换为U18数据采集卡所能采集的数据范围，将电机的转动频率通过霍尔传感器输出脉冲，再通过SN74HC14N 施密特触发器整形，输出的方波信号最后由数据采集卡采集。
2 总体设计
2.1 设计要求
设计要求：能够实现电动车电机转速，功率及效率性能参数的控制和测量功能。
1
2
反转
1
反转
4
3
正转
5
动态扭矩传感器测量扭矩原理图：
图3-9 扭矩传感器扭矩原理图
将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担，因此实现了无接触的能源及信号传递的功能。
1 引言 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外的发展趋势及种类 1
1.3 课题研究方向 2
2 总体设计 3
2.1 设计要求 3
2.2 设计原理 3
2.2.1 正弦波的生成原理 4
2.2.2 SPWM波的生成 6
3 硬件设计 8
3.1 元器件介绍 8
3.1.1 直流电压变送器 8
3.1.2 HBC-LSP闭环系列霍尔电流传感器 9
3.1.3 霍尔接近开关传感器 10
3.1.4 SN74HC14N反相器 11
3.2 电机测试与控制硬件结构 12
3.3 电机的扭矩测量 12
4 上位机信号的采集和数据处理 13
结 论 15
致 谢 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
> 参 考 文 献 17
附录A 元器件清单 18
附录B 硬件设计实物图 19
附录C 电机测试数据报表 25
1 引言
1.1 课题背景
随着技术的不断发展，电动车行业得到了很快的发展，但国家倡导的可持续发展，建设和谐社会也面临着很多严峻的问题，比如环保的问题、能源风险等。为了解决这些问题，环保、绿色、节能渐渐成为社会流行的话题。政府在提高经济发展速度的基础上越发重视提高发展的质量，积极鼓励各行业研究和生产节能环保产品。电动车作为一种短距离的绿色交通工具，可以在短距离替代燃油汽车，未来的电动自行车，在环保和能源方面，都将会有一个很大的发展。
现在的大都市存在很大的交通堵塞问题和汽车尾气排放污染问题，此时电动自行车就有了其发展的重要性和必需性。既解决了交通堵塞和道路安全问题，又能减少尾气的排放，美化了空气，节约了能源。自1995年清华学生研制出第1台电动车以来，中国一下子就发展成了全世界第一大的电动车工业国。据统计显示，在2008年，我国销售出2000万辆电动自行车，而汽车在那时候的销量仅为939万辆。且就目前的状况来看，中国已上路的电动车数量约为汽车数量的4倍。
电动自行车的相对便宜的价格和政府的鼓励政策，使中国成为廉价又环保的电动自行车最热销的市场。电动车也逐渐成为了解决城市交通问题的替代产品。
1.2 国内外的发展趋势及种类
由于电动车所需的零件比较少，并且结构组织较汽车来说很简易，所以近几年国内出现了很多家生产电动车的公司。据数据报告显示，2006年，我国仅是有正规执照的大型厂商就有了2700家，另外的中小厂商比比皆是。因为竞争对手的数量太多，想要成为这个行业的佼佼者是极其困难的，需要的是创新的技术和好的用户口碑。
据调查显示，上一年全世界售出的2400万辆电动自行车，选购者里的中国消费者占据了大多数。据专家预测，东南亚地区将是电动自行车的下一个热销市场，目前，摩托车和汽油助力车在那里还受欢迎。相对而言，电动电瓶车反而更加廉价并且耗电供能也比较经济和环保。例如，在印度，由于当地人的收入的增加，导致他们购买交通工具的数量也在增加。东京，京都，大阪等大城市最近一些年的电动车的均销量也保持在三十万辆上下，荷兰的电动车现在也相当的普及，而在美国电动车多数是用来娱乐，却不是用作是平常的交通对象。但就目前的形式来看，美国的电动车数量也在逐年增加。
? 目前电动自行车在中国大陆地区很畅销，但是一开始并不这么受欢迎。因为早期的电动自行车有着一些缺点，如下：行驶速度要慢，电池容量小导致行驶的距离短，而且电池寿命短。目前的电动自行车已经发展到了很成熟的地步，充满电一般都能行驶60公里以上，足够平常的出行使用。但是，电动车的电池一直是亟需攻克的难题，既想让其有出色的续航表现，但有得保证其拥有较轻的重量，这样的技术要求确实很高。
? 铅酸电池虽然还在改进，但是还有着诸多缺点。所以这时候锂离子电池就应运而生，为电动车厂商所采用，这种电池较铅酸电池更轻便，能储存更多的电能。就连作为全球最大的脚踏自行车厂商的捷安特，也已经在北欧的市场售卖以锂离子电池供电的电动自行车。
? 研发电池的创新技术正处于高潮。现在，很多电动车厂商开始跟高校合作，研发新的电池技术。除了这些以外，部分电动自行车厂商也开始研发电动汽车，由于电动汽车的耗电量比电动自行车多很多，不仅需要家里有给其充电的专用插座，而且需要能给电动车实时充电的专供充电站。如果电动汽车技术发展完善，电动汽车将在中国有很大的市场。
从上面的介绍能够得出，发展电动车行业可以从最基础的抓起，来解决国家的石油短缺问题，也能减少环境污染。可以想想，随着锂离子电池技术的进步和产业化，高能量的特性将会在电动自行车行业充分地发挥作用，如果电动自行车的外观能够多样化，就能满足不同人群的个性化需求，扩大电动自行车的市场。未来，电动自行车将取代摩托车，成为人们日常交通工具之一。
目前，许多企业开始电动自行车的研发与生产，电动自行车行业将有很大的潜力和市场！
1.3 课题研究方向
通过测量和采集的电机转动的频率，输入的直流电源的电压和电流，输出的电压和电流来计算电机的功率和效率，最终将得出的这些参数通过图表的形式显示出来，进而达到检测电动车速度和各方面性能的目的。
(1)正弦波控制器（SPWM控制）
区别于方波脉宽调制控制器，正弦波控制器的载波信号为等腰三角波，基于的标准信号为正弦波，这样就可以实现正弦波脉宽调制控制。单极性是指载波信号和标准信号一直处于相同的极性的关系，就相当于正弦波处在正半周时，相应地会产生负的调制脉冲列。SPWM波形就是将脉冲宽度正弦化，并把方波等效成正弦波，让得到的信号更加的平稳。
(2)硬件转换系统
将直流电压和直流电流通过直流电压变送器，直流电流传感器按一定比例转换为U18数据采集卡所能采集的数据范围，将电机的转动频率通过霍尔传感器输出脉冲，再通过SN74HC14N 施密特触发器整形，输出的方波信号最后由数据采集卡采集。
2 总体设计
2.1 设计要求
设计要求：能够实现电动车电机转速，功率及效率性能参数的控制和测量功能。
1
2
反转
1
反转
4
3
正转
5
动态扭矩传感器测量扭矩原理图：
图3-9 扭矩传感器扭矩原理图
将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥，向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担，因此实现了无接触的能源及信号传递的功能。
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