电动车电机控制电路设计

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）装置向电动机供电的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、电刷装置和机座组成。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

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，在换向器上安置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

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

电机-永磁

电流转矩		转速-转矩变化曲线，固定

转矩

电机-串励

电枢电流=励磁电流

转速-转矩变化曲线，固定

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置了各类电机，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

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(l-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 ①,”5①"(防止定子铁心过饱和；
电动机的过载能力(或最大电磁转矩
7；喰可能保持不变。(2)保证电机可靠运行。

变频调速分为：

(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。

一

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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

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(MicrocontrollerUnit)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，优化了结构配置，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
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置的状况，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置上述的
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4-1AT89C51的主耍参数

型号	存储器		定时器	I/O	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

AT89C51含EPROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止EPROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器EPROM容量可达20K字节。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Fa1sh Programmable and Erasable Read Only Memory )的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制

器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其引脚如

图4. 3所示。
vcc PO. 0/AD0

PO.1/AD1

PO.2/AD2

••••••••

PO.3/AD3

PO.4/AD4

PO.5/AD5

PO.6/AD6

PO.7/AD7

RXD/P3.Q EA/VPP

TXD/P3.1 ALE/PROG

INT0/P3.2 PSEN

INT1/P3.3 P2.7/A15 P2.

T0/P3.4 6/A14

_T1/P3.& P2. 5/A13

W/P3.& P2.4/A12

RD/P3.? P2. 3/A11 P2.

XATL22/A10

XATL1- P2.1/A9

GNDP2. 0/A8

1、主要特性：
・与MCS-51兼容
•4K字节可编程闪烁存储器
寿命：1000写/擦循环

・全静态工作：0HZ-24HZ

•三级程序存储器锁定

・128*8位内部RAM
・32可编程I/O线
・两个16位定时器/计数器
・5个中断源

・可编程串行通道
•低功耗的闲置和掉电模式•片内振荡器和时钟电路

2、管脚说明：
VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTLn电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FTASH进行校验时，P0输出原码,此时P0外部必须被拉

高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1"时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这

是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其

特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3 口： P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向1/0口，可接收输出 4个TTLn电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流
（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚备选功能
P3.0 RXD （串行输入口）
P3.1 TXD （串行输出口）
P3.2 /INTO （外部中断0）

P3.3 /INT1 （外部中断1）
P3.4 TO （记时器0外部输入）
P3.5 T1 （记时器1外部输入）
P3.6 /WR （外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD （外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高

电平时间。

ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址

的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE

端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它

可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外

部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外，

该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN

信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期

间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3、I/O口引脚：

a:P0 口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时

复用；

b:Pl 口，8位准双向I/O口；
c：P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用；d:P3 口，8位准双向I/O口，双功能复用口。

4、振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配

置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱

动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发

器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电

平要求的宽度。

5、芯片擦除：
整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列

全被写T”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM,定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下,保存

RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件

复位为止。

4.2 H桥驱动电路

由两个三极管，一个可以对正极导通实现上拉，另一个可以对负极

导通实现下拉。

由两套这样的电路，在同一个电路中，同时一个上拉，另一个下拉，

或相反，两者总是保持相反的输出，这样可以在单电源的情况下使负载

的极性倒过来。由于这样的接法加上中间的负载画出来经常会像一个H的字样，故得名H桥。

一、H桥驱动电路
图4.4中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路"是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.4及随后的两个图都只是示意图，而不是完整

的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。

如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电

机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情

况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

Q\

Qi

图4.4 H桥驱动电路
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.5所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电

机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方

向）。

+ +

图4.5 H桥电路驱动电机顺吋针转动

图4.6所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从

右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。

图4.6 H桥驱动电机逆时针转动

二、使能控制和方向逻辑

驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管

直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电

路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏

三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控

制三极管的开关。

图4.7所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了 4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导

通。（与本节前面的示意图一样,

图4.7所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管

直接连接是不能正常工作的。）

图4.7具有使能控制和方向逻辑的H桥电路

采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信

号和一个使能信号。如果DIR-L信号为0,DIR-R信号为1,并且使能信号是1,

那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图4.8所示）；如果

DIR-L信号变为1,而DIR-R信号变为0,那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过
电机。

图4.8使能信号与方向信号的使用

实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现

在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可

以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的

L293D、L298N、TA7257P.SN75441 0 等。

4.3 PWM的基本原理

PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率,改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开时间的长短。通过

改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图4.9所示：

图4.9 PWM方波

设电机始终接通电源时，电机转速最大为人昇设占空比为D=tl/ T,则电机的平均速度为va= Vraax* D,其中X指的是电机的平均速度；V吨是指电机在全通电时的最大速度；D= tl / T是指占空比。

由上面的公式可见，当我们改变占空比D= tl / T时，就可以得到不同的电机平均速度比，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成

是线性关系。

第五章系统功能调试与仿真

5.1调试软件介绍

KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。KEILC51编译器由uVision2集成开发环境与编辑器和调试器以及C51编译器组成。其中uVision2集成开发环境中的工程(project)是由源文件、开发工具选项以及

编程说明三部分组成的;编辑器和调试器包括源代码编辑器、断点设置、
调试函数语言、变量和存储器。

Proteus软件是一种低投资的电子设计自动化软件，提供可仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件和多达30多个元件库。Proteus软件提供多种现实存在的虚拟仪器仪表。此外，Proteus还提供图形显示功能，可以

将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来。这些虚拟仪器仪表

具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗，尽可能减

少仪器对测量结果的影响，Proteus软件提供丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。提供SchematicDrawing. SPTCE仿真与PCB设计功能，同时可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC

等常用的MCU,并提供周边设备的仿真，例如373、led、示波器等。Proteus提供了大量的元件库，有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD,AD/DA,部分SPI器件、部分IIC器件，编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。一台计算机、一套电子仿真软件，在加上一本虚拟实验教程，就可相当于一个设备先进的实验室。以虚代实、以软代硬，就建立一个完善的虚拟实验室。在计算机上学习电工基础，模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程，并进行电路设计、仿真、调试等。当电路设计完成之后，为了减少在电路板上调试时的难度，保证电路设计的正确性，将Keilc51编译生成的*.HEX文件载入Proteus软件，实现电路仿真。

5. 2系统调试

在程序编写的过程中，出现了很多问题，包括PWM信号发生电路的
控制、以及单片机控制直流电机的转动方向等问题，虽然问题不是很大，但是也让我研究了好长时间，在解决这些问题的时候，我不断向老师和同学请教，希望能通过大家一块的努力把软件编写的更完整，
让系统的功能更完备。经过多天的努力探索，也经过老师的指导,大部分问题都已经解决，就是程序还是不能实现应该实现的功能，这让我很着急。后来经过一点一点的调试，并认真总结，发现了问题其实在编写中断处理程序时出现了错误，修改后即可实现直流电机调速的目的。总结这次软件调试，让我认识到了做软件调试的基本方法与流程：

(1) 认真检查源代码，看是否有文字或语法错误

(2) 逐段子程序进行设计，找出错误出现的部分，重点排查

(3) 找到合适的方法，仔细检查程序，分步调试直到运行成功

5.3直流电机的调速功能仿真

当接通电源时，电机开始工作。若需要加快电机的转速，则按下

K1键；需要减慢电机的转速时，则按下K2键，待转速满意后，放开

按键。

1•调速前的波形图

2•调速后的波形图

P0.3/XMJ3	・ 1N4007
P0.4/AD4
PD.5/AD5
P0.6/AD6
P0.7/XO
P2.3fi&
po 1/M

DigitalOscilloscope

		Au!。		Channel A	Channel C
		Cursors Source	—
		One-Shot^ BCD
图5. 2电机加速后的脉冲波形占空比hiiJ =
P0.2/AD2 P0.3/AD3	弊D2 :

P0.4/AD4	・・・	VN0I04	Cliaiinel C
P0.5/AD5
P0.6/AD6
P0.7/AD7	1N4007	-Q5
P2.0/A6
Digital Oscilloscope

AutoOne-
Shot
Cursors

Source
BCD

结论
本文所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的单片机89C51为核心的，而通过单片机来实现电机调整又有多种途径，相对于其他用硬件或者硬件与软件相结合的方法实现对电机进行调整，采用PWM软件方法来实现的调速过程具有更大的灵活性和更低的成本，它能够充分发挥单片

机的效能，对于简易速度控制系统的实现提供了一种有 效的途径。

探※※※※

致谢
首先非常感谢王老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，放弃了自己的休息时间，这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向王老师表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！通过这一阶段的努力，我的毕业论文《电动车电机控制
电路设计》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在
学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的,在这里我再次感谢所有帮助过我的人。

我将铭记我曾是郑州航空工业管理学院的一名学子，在今后的

工作中把郑州航院的优良传统发扬光大。

参考文献

［1］祝占元.电动车［M］河南:黄河水利出版社,2007.

［2］李兴虎.电动车概论［M］.北京：北京理工大学出版社，2005.

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220-225

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2002

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［⑵宋庆环,才卫国,高志，89C51单片机在直流电动机调速系统中的应用［M］。唐山学院,

2008.4

［13］陈馄 危立辉，基于单片机的直流电机调速器控制电路［J］,中南民族大学学报(自然科学

版),2003.9.

［14］李维军韩小刚李晋，基于单片机用软件实现直流电机PWM调速系统［J］,维普资讯,

〃主程序
#include< reg51.h >
#include< intrins.h >

sbit KI =P1A4;

〃加速键

sbit K2 =P1A5 ; sbit K3 二Pl人6; sbit CLK=P0A0; sbit ZF =P0A 1 ;

〃减速键 〃正反控制键 //PWM输出控制信号 〃正反控制信号

unsignedchar PWMH=OxOO; 〃调宽值

unsigned char PWML=OxOf;
void delay(unsigned char m);
void main()

{
CLK=0;

TMOD=Oxll ; TH0=0x00;

〃两个定时器都工作在方式1 //65.535ms延时常数

TL0=0x00;
TH1=PWMH;
TL1=PWML;

EA=1; ET0=l; ET1=1;

//CPU允许中断 〃允许定时器TO中断 〃允许定时器T1中断

while(l)

{if(K3==0) 〃高电平逆时钟转，低电平顺时钟转

{ZF=O;}

else

{ZF=1;}

if(Kl==O) 〃按下加速键

{delay(l);

PWML++;〃调宽值低四位加1

if(PWML==OxOO)

{PWMH++;}〃调宽值高四位加1

if(PWMH==OxFF)〃最大值时

(PWMH=OxFE;J

}

if(K2==0) 〃按下减速键

delay(1);

〃调宽值低四位减I