基于单片机的电动自行车控制器的设计
随着城市的不断发展，人们的出行距离逐渐扩大，自行车已经不能满足人们的需要。电动自行车由于轻便灵活、节能环保、价格适中而得到人们的广泛使用，成为人们短途出行的理想交通工具。同时中国具有庞大的自行车市场，电动自行车产业在中国有着非常广阔的应用前景。 M000206
本文设计了一个以AT89C51单片机为核心，以无刷直流电动机驱动的控制器系统。该系统采用软硬件相结合的方式，提高了系统的安全性和可靠性。首先介绍了电动自行车的研究意义和发展现状；然后介绍了控制器的控制方案，包括无刷直流电机的工作原理，PWM调速原理，PID控制器的速度反馈调制方法；之后简介了硬件电路的设计，主要是芯片的选型和作用，驱动电路、刹车电路、过流保护、欠压保护、堵转保护电路的实现方法；并且给出电动自行车控制器软件设计，包括主程序、定时器中断程序和各功能模块的流程图；最后介绍运行调试结果和结论。
关键词： 无刷直流电机 AT89C51单片机 PWM控制
Along with the process of urbanization, the transport distance of people's lives continues to expand, Cycling has been unable to meet people's needs.Electric bike light and flexible,energy-saving, affordable and get people's widespread use,ideal for short-distance transport of peopleto travel.Meanwhile, the Chinese has a huge bike market,electric bicycle industry in China has a very broad application prospects.
This paper presents an AT89C51 microcontroller as the core,brushless DC motor drives controller system.The system uses a combination of hardware and software to improve the safety and reliability of the system.First introduced the significance of research and development status of electric bicycles;then describes the control program controller, including the working principle of the brushless DC motor, PWM of Speed Regulation Principles, the speed PID controller feedback modulation method; later,introduction to the hardware circuit design, mainly chip selection and the role,the driver circuit, brakecircuit, overcurrent, undervoltage protection, stall protection circuit implementations; and give selectric bicycle controller software design,including the main program,the timer interrupt flowchart program and various functional modules;Finally,run the debugging results and conclusions.
Key words: brushless DC motor; single-chip microcomputer; PWM control
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1. 绪论 1
1.1 电动自行车控制器研究的意义 2
1.2 电动自行车发展研究现状 2
1.2.1电机与传动 2
1.2.2 控制器 2
1.3 本课题的工作安排 3
2. 电动自行车控制器控制方案 4
2.1 电动自行车控制器功能 4
2.2 电动自行车控制器硬件框图 5
2.3 无刷直流电机概述 5
2.3.1 无刷直流电机的结构和工作原理及参数 5
2.3.2 无刷直流电机的运行特性分析 7
2.3.3 无刷直流电机的传递函数 8
2.4 脉冲宽度调制 9
2.4.1 脉冲宽度调制(PWM)调速原理 10
2.4.2 脉冲宽度调制(PWM)调制方式 10
2.5数字PID 11
2.5.1 数字PID控制原理 11
2.5.2 数字PID控制算法 12
3. 电动自行车控制器硬件设计 13
3.1 电动自行车控制器主要芯片选型 13
3.1.1 主控芯片选型 13
3.1.2 芯片PCF8591 15
3.2 PWM驱动电路设计 16
3.3 电流检测电路及过流保护电路设计 16
3.4 手把电压输入电路设计 17
3.5 电压反馈及欠压保护电路设计 17
3.6 堵转保护电路设计 18
3.7 刹车电路设计 18
4. 电动自行车控制器软件设计 19
4.1 系统软件总体程序设计 19
4.1.1 主程序设计 19
4.1.2 定时中断程序设计 20
4.2 功能模块的软件程序设计 21
4.2.1 速度调节程序设计 21
4.2.2 A/D采样程序设计 22
4.2.3 巡航程序设计 23
4.2.4 刹车程序设计 24
4.3 软件的可靠性设计 24
5. 控制器运行及调试 25
5.1 软件调试 25
5.2 硬件仿真调试 25
5.3 结论 28
参考文献 29
附录A（PROTUES仿真图） 30
附录B（部分程序源代码） 31
致谢 40
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1.1 电动自行车控制器研究的意义
能源问题是世界上每个国家都存在的问题。而为了经济的长期发展，许多国家在能源开发方面加大了经济投入，并且投入了许多的人力物力，大力发展再生能源与有效节能技术。并且当今世界面临着严重的环境污染，尤其是机动车尾气的排放造成的温室效应，严重破坏了生态平衡。而伴随着电动车的发明和快速发展，它的高效节能已经得到了大家的认同，这对各国经济发展和绿色出行都有极大的裨益。电动车产业的特点是绿色、节能、环保，对降低环境污染，提升交通效率，削减能源消耗，增进社会融洽成长，提高人民的生活水平有重要意义。
电动自行车具有以下优点：
1. 节能 从工业文明的进程看，工业的发展离不开石油，煤炭和天然气，离不开电力。而石油，煤炭和天然气和电的重大区别是前者是不可以再生的资源，总会有用完的一天，而电力是可以再生的资源。电能生成可以通过水利、风、潮汐等许多再生资源，也就是说，电能是取之不尽，用之不完的。因此，我们可以尽量少用石油，煤炭和天然气，多用电能。电动车就是靠蓄电池供应电能的，使属于可以循环利用的，对于减少不可再生能源的利用具有深远意义。
2. 便利 基于中国国情，我国的电动自行车产业发展区别于欧美发达国家，有着很明显的中国特色。由于经济，道路，人口等原因，我国电动车消费者主要是广大的劳动人民群众。我国的道路环境差，人口众多，加上经济不发达，电动自行车已经成为了家家户户必备的出行工具。
3. 安全 相对于机动车而言，电动自行车体积小，操作简单，同时随着人们对于安全出行的要求，电动车的安全性能得到较大提高。刹车，调速等各方面数据指标已经有了很大进步，能够满足人们日常的安全出行需要。
4. 简便 电动车重量小、容易掌握、可以方便出行。尤其是那些发达城市，地价较高，电动车可以很方便的停放，不占地方。
5. 环保 电动车不使用石油，天然气而是使用电能，这就可以减少尾气的排放，从而降低温室效应。
1.2电动自行车发展研究现状
电动自行车的核心部分包括控制器、电池和电机传动等部分。涉及电气，电力电子，机械，控制等多门学科。当前，我国对电动自行车的研究是处于实用阶段，拥有比较成熟的技巧、杰出的高性能电池和可靠地控制驱动。
1.2.1电机与传动
电动自行车多数是把电机做成轮毂的模样，也就是采用轮毂电机，直接驱动后轮，从而提高驱动功率效率，使得电机效率较高，相应的大大降低了成本，但电机结构成本却增加了。当前电动自行车广泛使用三种电机类型，换相方法的区别是有刷和无刷。直流电机转子要始终朝一个方向转，电流必须不停的换相。电刷与换向器经过机械接触来换向的是有刷电机，而经过位置传感器检测绕组位置，与单片机接通相应的功率器件给绕组供电，则是无刷直流电机。无刷直流电机电刷与换向器间没有机械接触与磨损，所以不会损坏电刷，这就延长电机的使用时间。因为要打开轮毂电机是很复杂的，所以这项优点显得很重要。无刷直流电机地控制部分很复杂，电动车控制器的成本也就提高了。由于电动车控制器较为稳定，方便维护，所以还是用高效低速稀土永磁无刷直流电机。
1.2.2 控制器
电动车控制器是由单片机和外围电路组成的。外围电路包括手把输入、驱动、反馈、调速、AD采样等。外围电路是由电阻、各式芯片、传感器、放大器、各式二极管等组成。单片机则是连接这些外围电路的载体。通过开关电路场效应管控制电路导通或截止，产生方波，调节PWM波占空比，通过输入输出端来控制电动车控制器的外围电路。电动车控制器不同的设计、特点及外围电路会影响到整个电动车的运行稳定和工作效率。品质不同的控制器, 在相同的电动车上，所呈现出来的运行效果也不尽相同。如今，大多电动自行车控制器的电路和原理基本一致。无刷直流电机几乎都是用PWM 控制调速方法，区别就是所用的外围电路，驱动电路和一些保护功能。电动车控制器功能的不同，就体现在它所用的单片机和外围电路。电动车控制器功能如下：
1. 通过电机自带的位置传感器检测转子位置，使无刷直流电机运行良好。
2. 通过脉宽调制（PWM）调节占空比来进行调速。
3. 实现闭环调节，使得电动车控制器稳定运行。
4. 实现巡航，刹车，过流保护，欠压保护，堵转保护等功能。
1.3 本课题的工作安排
本文在参考一些文献的基础上，重点围绕无刷直流电机基本结构，工作原理、数学模型及其控制系统仿真方面展开研究。全文分为五部分，具体工作如下：
1. 绪言，简单介绍电动自行车的研究意义，然后分析电动车的发展现状和趋势,而后简介课题的工作安排。
2. 无刷直流电动机的工作原理与控制方案的确定，分析无刷直流电动机的基本结构和无刷直流电动机的工作原理，确定了电动自行车的控制方案。查看完整请+Q:351916072获取
3. 电动自行车控制器硬件设计，根据控制器的技术要求，进行控制器相关参数整定以及控制系统的硬件电路搭建和建模仿真，为控制器的软件设计奠定基础。
4. 电动自行车控制器软件设计，根据无刷直流电机的基本知识的理解和电动自行车控制器要求整定参数，设计程序。
5. 电动自行车控制器运行及调试，在软硬件完成的基础上，运行调试电路。
本文设计了一个以AT89C51单片机为核心，以无刷直流电动机驱动的控制器系统。该系统采用软硬件相结合的方式，提高了系统的安全性和可靠性。首先介绍了电动自行车的研究意义和发展现状；然后介绍了控制器的控制方案，包括无刷直流电机的工作原理，PWM调速原理，PID控制器的速度反馈调制方法；之后简介了硬件电路的设计，主要是芯片的选型和作用，驱动电路、刹车电路、过流保护、欠压保护、堵转保护电路的实现方法；并且给出电动自行车控制器软件设计，包括主程序、定时器中断程序和各功能模块的流程图；最后介绍运行调试结果和结论。
关键词： 无刷直流电机 AT89C51单片机 PWM控制
Along with the process of urbanization, the transport distance of people's lives continues to expand, Cycling has been unable to meet people's needs.Electric bike light and flexible,energy-saving, affordable and get people's widespread use,ideal for short-distance transport of peopleto travel.Meanwhile, the Chinese has a huge bike market,electric bicycle industry in China has a very broad application prospects.
This paper presents an AT89C51 microcontroller as the core,brushless DC motor drives controller system.The system uses a combination of hardware and software to improve the safety and reliability of the system.First introduced the significance of research and development status of electric bicycles;then describes the control program controller, including the working principle of the brushless DC motor, PWM of Speed Regulation Principles, the speed PID controller feedback modulation method; later,introduction to the hardware circuit design, mainly chip selection and the role,the driver circuit, brakecircuit, overcurrent, undervoltage protection, stall protection circuit implementations; and give selectric bicycle controller software design,including the main program,the timer interrupt flowchart program and various functional modules;Finally,run the debugging results and conclusions.
Key words: brushless DC motor; single-chip microcomputer; PWM control
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1. 绪论 1
1.1 电动自行车控制器研究的意义 2
1.2 电动自行车发展研究现状 2
1.2.1电机与传动 2
1.2.2 控制器 2
1.3 本课题的工作安排 3
2. 电动自行车控制器控制方案 4
2.1 电动自行车控制器功能 4
2.2 电动自行车控制器硬件框图 5
2.3 无刷直流电机概述 5
2.3.1 无刷直流电机的结构和工作原理及参数 5
2.3.2 无刷直流电机的运行特性分析 7
2.3.3 无刷直流电机的传递函数 8
2.4 脉冲宽度调制 9
2.4.1 脉冲宽度调制(PWM)调速原理 10
2.4.2 脉冲宽度调制(PWM)调制方式 10
2.5数字PID 11
2.5.1 数字PID控制原理 11
2.5.2 数字PID控制算法 12
3. 电动自行车控制器硬件设计 13
3.1 电动自行车控制器主要芯片选型 13
3.1.1 主控芯片选型 13
3.1.2 芯片PCF8591 15
3.2 PWM驱动电路设计 16
3.3 电流检测电路及过流保护电路设计 16
3.4 手把电压输入电路设计 17
3.5 电压反馈及欠压保护电路设计 17
3.6 堵转保护电路设计 18
3.7 刹车电路设计 18
4. 电动自行车控制器软件设计 19
4.1 系统软件总体程序设计 19
4.1.1 主程序设计 19
4.1.2 定时中断程序设计 20
4.2 功能模块的软件程序设计 21
4.2.1 速度调节程序设计 21
4.2.2 A/D采样程序设计 22
4.2.3 巡航程序设计 23
4.2.4 刹车程序设计 24
4.3 软件的可靠性设计 24
5. 控制器运行及调试 25
5.1 软件调试 25
5.2 硬件仿真调试 25
5.3 结论 28
参考文献 29
附录A（PROTUES仿真图） 30
附录B（部分程序源代码） 31
致谢 40
1. 绪论查看完整请+Q:351916072获取
1.1 电动自行车控制器研究的意义
能源问题是世界上每个国家都存在的问题。而为了经济的长期发展，许多国家在能源开发方面加大了经济投入，并且投入了许多的人力物力，大力发展再生能源与有效节能技术。并且当今世界面临着严重的环境污染，尤其是机动车尾气的排放造成的温室效应，严重破坏了生态平衡。而伴随着电动车的发明和快速发展，它的高效节能已经得到了大家的认同，这对各国经济发展和绿色出行都有极大的裨益。电动车产业的特点是绿色、节能、环保，对降低环境污染，提升交通效率，削减能源消耗，增进社会融洽成长，提高人民的生活水平有重要意义。
电动自行车具有以下优点：
1. 节能 从工业文明的进程看，工业的发展离不开石油，煤炭和天然气，离不开电力。而石油，煤炭和天然气和电的重大区别是前者是不可以再生的资源，总会有用完的一天，而电力是可以再生的资源。电能生成可以通过水利、风、潮汐等许多再生资源，也就是说，电能是取之不尽，用之不完的。因此，我们可以尽量少用石油，煤炭和天然气，多用电能。电动车就是靠蓄电池供应电能的，使属于可以循环利用的，对于减少不可再生能源的利用具有深远意义。
2. 便利 基于中国国情，我国的电动自行车产业发展区别于欧美发达国家，有着很明显的中国特色。由于经济，道路，人口等原因，我国电动车消费者主要是广大的劳动人民群众。我国的道路环境差，人口众多，加上经济不发达，电动自行车已经成为了家家户户必备的出行工具。
3. 安全 相对于机动车而言，电动自行车体积小，操作简单，同时随着人们对于安全出行的要求，电动车的安全性能得到较大提高。刹车，调速等各方面数据指标已经有了很大进步，能够满足人们日常的安全出行需要。
4. 简便 电动车重量小、容易掌握、可以方便出行。尤其是那些发达城市，地价较高，电动车可以很方便的停放，不占地方。
5. 环保 电动车不使用石油，天然气而是使用电能，这就可以减少尾气的排放，从而降低温室效应。
1.2电动自行车发展研究现状
电动自行车的核心部分包括控制器、电池和电机传动等部分。涉及电气，电力电子，机械，控制等多门学科。当前，我国对电动自行车的研究是处于实用阶段，拥有比较成熟的技巧、杰出的高性能电池和可靠地控制驱动。
1.2.1电机与传动
电动自行车多数是把电机做成轮毂的模样，也就是采用轮毂电机，直接驱动后轮，从而提高驱动功率效率，使得电机效率较高，相应的大大降低了成本，但电机结构成本却增加了。当前电动自行车广泛使用三种电机类型，换相方法的区别是有刷和无刷。直流电机转子要始终朝一个方向转，电流必须不停的换相。电刷与换向器经过机械接触来换向的是有刷电机，而经过位置传感器检测绕组位置，与单片机接通相应的功率器件给绕组供电，则是无刷直流电机。无刷直流电机电刷与换向器间没有机械接触与磨损，所以不会损坏电刷，这就延长电机的使用时间。因为要打开轮毂电机是很复杂的，所以这项优点显得很重要。无刷直流电机地控制部分很复杂，电动车控制器的成本也就提高了。由于电动车控制器较为稳定，方便维护，所以还是用高效低速稀土永磁无刷直流电机。
1.2.2 控制器
电动车控制器是由单片机和外围电路组成的。外围电路包括手把输入、驱动、反馈、调速、AD采样等。外围电路是由电阻、各式芯片、传感器、放大器、各式二极管等组成。单片机则是连接这些外围电路的载体。通过开关电路场效应管控制电路导通或截止，产生方波，调节PWM波占空比，通过输入输出端来控制电动车控制器的外围电路。电动车控制器不同的设计、特点及外围电路会影响到整个电动车的运行稳定和工作效率。品质不同的控制器, 在相同的电动车上，所呈现出来的运行效果也不尽相同。如今，大多电动自行车控制器的电路和原理基本一致。无刷直流电机几乎都是用PWM 控制调速方法，区别就是所用的外围电路，驱动电路和一些保护功能。电动车控制器功能的不同，就体现在它所用的单片机和外围电路。电动车控制器功能如下：
1. 通过电机自带的位置传感器检测转子位置，使无刷直流电机运行良好。
2. 通过脉宽调制（PWM）调节占空比来进行调速。
3. 实现闭环调节，使得电动车控制器稳定运行。
4. 实现巡航，刹车，过流保护，欠压保护，堵转保护等功能。
1.3 本课题的工作安排
本文在参考一些文献的基础上，重点围绕无刷直流电机基本结构，工作原理、数学模型及其控制系统仿真方面展开研究。全文分为五部分，具体工作如下：
1. 绪言，简单介绍电动自行车的研究意义，然后分析电动车的发展现状和趋势,而后简介课题的工作安排。
2. 无刷直流电动机的工作原理与控制方案的确定，分析无刷直流电动机的基本结构和无刷直流电动机的工作原理，确定了电动自行车的控制方案。查看完整请+Q:351916072获取
3. 电动自行车控制器硬件设计，根据控制器的技术要求，进行控制器相关参数整定以及控制系统的硬件电路搭建和建模仿真，为控制器的软件设计奠定基础。
4. 电动自行车控制器软件设计，根据无刷直流电机的基本知识的理解和电动自行车控制器要求整定参数，设计程序。
5. 电动自行车控制器运行及调试，在软硬件完成的基础上，运行调试电路。
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