电动助力车的驱动与控制系统的设计

`

毕业设计（论文）

题目电动助力车驱动与控制系统的计

院 别 电气工程学院

专 业 电气自动化技术

班 级 电自12

姓 名 齐丽娟

学 号 ************

指导教师（职称） 林娟

日 期

兰州工业学院毕业论文

毕业设计（论文）任务书

电气工程学院 20 届 专业

毕业设计（论文）题目

校内（外）指导教师职 称工作单位及部门联系方式

一、题目说明（目的和意义）：

二、设计（论文）要求（工作量、内容）：

1.设计任务

2.技术指标

3.设计内容

4.设计成果

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三、进度表

日 期内 容

20 —20 学年秋

第十五周

第十六周

第十七周

第十八周

第十九周

撰写论文

第二十周

20 —20 学年春

答辩

第一周

答辩

第二周

完成日期 20 年 月 日

答辩日期 20 年 月 日~ 月 日

四、主要参考文献、资料、设备和实习地点及翻译工作量：

1.

2.

3.

4.

教研室意见： 学院审核意见：

教研室主任（签字）： 院长（签字）：

20 年 月 日

20 年 月 日

注：本任务书要求一式两份，一份打印稿交教研室，一份打印稿交学生，电子稿交院办。

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摘 要

近年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成城市空气的严重污染。随着经济的发

展，传统燃油车的耗油量急剧增加，能源危机问题变得日益严重，于是发展绿色交通工

具已经成为一个重要的课题，电动助力车作为一种绿色交通工具，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。而且车身占用车位小，大大提高了非

机动车辆的通行效率，非常适合城市内短程出行，所以电动助力车作为一种环保交通工

具受到人们的欢迎。

本设计采用永磁无刷直流驱动电机，以MCS-51系列单片机8051为中心控制芯片，

并配以适当的接口电路实现设计需要的功能任务，包括力矩测量电路、PWM脉宽调制电

路，电机驱动电路等，同时，系统具有过流保护、欠压报警及欠压保护功能。

关键词

：无刷直流电机；8051单片机；电动助力车

I

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Abstract

In recent years, the fuel vehicles becau of emissions problems have caud the rious air

pollution in cities. With the development of economy, traditional fuel vehicles fuel

consumption incread sharply, the energy crisis is becoming increasingly rious, and

develop green transportation has become an important issue, electric bicycle, as a green

vehicle, the system has good speed, high power factor, energy saving, small size, light weight

and so on. And body occupy spaces in small, greatly improving the efficiency of non-motor

vehicles, ideal for short trips within the city, so electric bikes as an environmentally friendly

means of transport popular.

This design us a permanent magnet brushless DC motor drive, centered around MCS-51

8051 ries MCU control chips, and with appropriate interface circuit design of functionality

needed tasks, including torque measurement circuit, PWM pul width modulation circuit,

motor driver circuit, while system is under voltage, over current protection, under-voltage

alarm and protection functions.

Keywords

:

Brushless DC motor; 8051 MCU; for electric bicycle

II

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第1章 设计任务和要求 ................................................... 1

1.1 设计的技术背景.............................................................................................................................. 1

1.1.1国外电动助力车发展现状 ..................................................................................................... 1

1.1.2 国内电动助力车发展现状 .................................................................... 错误!未定义书签。

1.2 设计任务 ......................................................................................................................................... 2

1.3 主要技术参数与性能指标 .............................................................................................................. 3

1.4 主要设计内容及章节安排 .............................................................................................................. 3

第2章 系统方案的设计 ................................................... 5

2.1 方案的比较与选择 .......................................................................................................................... 5

2.2 系统工作原理.................................................................................................................................. 8

第3章 硬件电路设计 .................................................... 11

3.1 控制器的设计................................................................................................................................. 11

3.2 主电路的设计................................................................................................................................ 16

3.2.1 电动机的选择 ..................................................................................................................... 16

3.2.2 控制电路的设计 ................................................................................................................. 19

3.2.3转速控制电路的设计 ........................................................................................................... 22

3.2.4 过流保护电路的设计 ......................................................................................................... 23

3.2.5 整形电路的设计 ................................................................................................................. 25

3.2.6欠压报警电路的设计 ........................................................................................................... 26

3.2.7 电源的设计 ......................................................................................................................... 27

3.2.8功率放大电路的设计 ........................................................................................................... 29

3.2.9缓冲电路的设计 ................................................................................................................. 30

3.2.9欠压保护电路的设计 ........................................................................................................... 31

第四章 软件的设计 ..................................................... 32

4.1软件结构与软件设计思想 .............................................................................................................. 32

4.2 程序流程图 ................................................................................................................................... 32

第五章 设计总结 ........................................................ 36

致谢 ................................................................... 38

参考文献 ............................................................... 39

附录A .................................................................. 40

附录B .................................................................. 41

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第1章 设计任务和要求

1.1 设计的技术背景

1.1.1国内外电动助力车发展现状

世界上电动助力车拥有总量1.3亿辆，年生产约3000万辆。目前世界上已经有40

万辆各式电动助力车，电动助力车的潜在市场巨大，估计到2000年总数将达到200万

辆。下面主要介绍日本、美国和欧洲一些国家的电动助力车发展状况。

日本作为电动助力车辆研究和实用化最早的国家之一，电动助力车不论就技术还是

市场规模而言，都最为成熟。自从93年雅马哈公司的PAS（能量辅助系统，该方式下辅

助力矩和脚踏力矩保持一定比例）进入市场以来，电动助力车在日本已逐渐成为居民短

距离交通工具的主流。日本电动助力车主要以妇女、老年人和上班族为市场目标。蓄电

池一般为镍铬、镍氢电池为主，容量在5-10安时之间，充电一次里程为25-40千米。

驱动系统多为永磁无刷电机，工作电压为24伏或36伏，功率在180-250瓦之间。日本

的控制器都采用PAS系统。

美国有代表性的电动助力车生产厂家有ZAP 公司以及由GT自行车公司和Aero

Vironment两家组建的Charger Bicycle助力车公司，这两公司的产品约占美国电动助

力车市场的60%。GT 和 Areo Vironment合作开发的传动系统采用了独创的双缝条直接

驱动方式，电机、助力车的变速齿轮及后轮组成一套独立的驱动系统。其优点是可以增

大助力车的启动力矩、提高加速性能、增强爬坡和迎风骑行的能力、减小电机噪音，关

闭助力系统后，还可以和普通自行车一样使用。在1:1方式下，正常速度、路面和普通

体重的情况下一次充电可行驶20千米左右。充电部分是一个可以在4小时内将2组12

伏7安时密封免维护铅酸电池充满的快速充电系统，最大充电电流可达6安培；在行车

过程中由一个简单电池管理系统监控电池的状态；通过转换开关可以很方便的察看每一

1

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个电池的剩余电量，预计可行驶里程。该电池管理系统还可以对电池的简单故障给出诊

断和报警。

欧洲是电动助力车最早的发源地，但主要精力集中在电动汽车上，截至1996年已

经有9家公司生产电动助力车，它们很多是引进日本的生产技术，德国和法国已经将日

本的PAS制式作为电动助力车国家标准。台湾的美利达（Merida）和Elebike公司的产

品已经进入欧洲市场。96年统计数据显示：当年欧洲共销售了13000辆电动助力车，97

年的预计销售额为50000辆。

随着改革开放的深入和生活水平普遍提高，人们希望获得轻巧便捷的交通工具。因

此，当 90年初推出燃油助力车时，市场获得很大的成功，但燃油助力车的发展带来了

严重的环境污染。北京、上海都被列入世界大气污染最严重的十大城市之一。各地相继

制定政策措施，限制燃油助力车的销售和使用。作为燃油助力车替代品的电动助力车有

着广阔的前景。下面介绍国内发展状况。

我国内地虽然潜在有巨大的电动助力车市场，研究开发电动助力车的厂家、高校和

科研单位也不少，有的单项技术水平也不低，但整车质量也不高，尚未形成强有力联合

开发、 开发和市场化方面已经具有一定规模。目前上海的道路建设跟不上车辆的发展，

车辆行驶速度缓慢，据测平均速度不到12Km/h。车辆行驶慢时，污染物排放比正常行驶

时更多。市区中心的一氧化碳、碳氢化合物总量的90%来自机动车排放的污染物。

1.2 设计任务

电动助力车具有集锻炼与代步二者为一体的特点，近年来市场上对智能助力电动车

的需求也越来越多，电动助力车具有功率较小，车速低，性能要求不高，可以充分利用

现有成熟技术通过传感器感知人踩自行车踏脚上力的大小,徇情控制电机的输出功率，

合理调整电机驱动力和人踩驱动力的比例,实现人机合力带动自行车运行,即所谓的智

能型电动自行车,或称为具有1∶1功能的电动自行车。助力电动自行车具有集锻炼与代

步二者为一体的特点，同时它具有延长续程的功能，因此近年来市场对智能助力电动车

的需求也越来越多，电动自行车一般由带有力矩传感器的轮毂永磁直流电机驱动，力矩

传感器结构及原理示意图1,图2中单数磁钢位置均匀固定在360。的轮毂上，双数磁钢

在弹簧的作用下可以左右移动，这样电机每转1周，将会产生8个脉冲。在没有脚踏作

2

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用下，磁钢2在1，3磁钢中间，当脚踏时，磁钢发生一定转向的位置偏移，造成1，2

间的距离与2，3间的距离不等(本电机经过实测最大摆幅为10°)，根据其差值，系统

可以判断出脚踏的力矩，根据此值施加一定助力策略下助力。

图1 力矩传感器结构及原理示意图

1.3 主要技术参数与性能指标

最高时速不小于20km/h

整车质量小于40kg

在一次充电续驶里程大于25km。骑行距离不小于7km

最高时速状态下，电动、助力

具有良好的脚踏性能，脚踏匀速骑行时噪声小于62dB

一百公里耗电量小于1.2kw.h

电动机连续输出功率不大于240W

1.4 主要设计内容及章节安排

本文首先介绍了国内外电动助力车的发展状况和几种典型的控制方式。针对目前控

制方式的不足之处，提出本设计采用脉宽调制（PWM）配以单片机为中心控制单元的调

速系统。利用霍尔传感器实现传统的调速。从而进行电动助力车驱动与控制系统硬件和

软件的设计，论文各章节安排如下：

3

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第1章 设计任务和要求

第2章 系统方案的设计

第3章 硬件电路设计

第4章 软件设计

第5章 设计总结

本次设计主要是熟悉电动助力车工作原理，深入分析电气控制原理,选择驱动电机，

确定设计方案，完成系统原理方框图，选定单片机，完成硬件设计和软件设计，根据题

目的要求，选择恰当一款合适的单片机作为微控制器，电动机选用无刷直流电动机，系

统还设计了欠压保护、欠压报警和过电流保护护功能，能够实现对电动助力车电量不足

和电流过大时进行保护。系统包括硬件部分和软件部分。主要内容有以下几部分：

MCS-51系列单片机控制电路。 检测电路。 刹车电路。 过电流保护电路。 欠压保护电

路。 报警电路。

4

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第2章 系统方案的设计

2.1 方案的比较与选择

电动助力车与传统的电动自行车有一个显著区别, 传统的电动自行车是通过调速手

把进行单项控制车速，而电动助力车是个双向智能系统，包括电池、电机、控制器、力

矩传感器、车架等部分，控制器通过力矩传感器检测骑车人施加在踏板上的力矩得到目

前的车辆行驶状态，并且根据当前状态自动调节电机功率输出，使得无论在平地还是在

倾斜路面上，骑行始终如在平路上骑普通自行车一样轻松舒畅，电动助力车真正做到人

车合一。

电动车作为新型绿色交通工具，具有节能和环保的优点。电动车有蓄电池、充电系

统、调速系统、车体等部分组成，其中调速系统是电动助力车的重要组成部分。

因此，设计电动助力车驱动与控制系统，拟采用的方案有：

方案一:设计以MCS—51系列单片机与电机一体化的永磁直流电机为主要执行部件

的助力驱动系统工作原理来实现设计要求。该方案的主要特点如下：8051作为控制器中

的主控芯片，担负着脚踏输入量、助力力矩测量、电机电流检测及其保护，总线电压的

检测及欠压报警输出、PWM输出占空比的改变等工作任务。其原理图如2-1所示，从图

中可以看出其主要由过流保护、欠压保护和欠压报警输出电路、PWM脉宽驱动电路，力

矩传感器脉冲信号输入电路等部分构成。

5

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位置脉冲信号

VCC

力矩输入

过压保护

8051

过流保护

欠压报警

刹车信号

图2-1

PWM驱动电路

M

方案二: 助力电动自行车具有集锻炼与代步二者为一体的特点, 同时它具有延长续

程的功能, 因此近年来市场对智能助力电动车的需求也越来越多,本文介绍了一种基于

摩托罗拉公司最新推出一款高性价比8 位单片机:MC68HC908Q T 2 单片机和集力矩传感

器与电机一体化的永磁直流电机为主要执行部件的助力驱动系统工作原理, 并给出其中

若干问题的解决方法, 骑行和试验结果都证明了其良好的控制效果。

图2-2是NC68HC907QT2单片机引脚复合功能图，其主要性能参数有：内部晶体振荡

器一个3.2MHz、外部中断请求资源1个、有低电压监视、看门狗、运行正常等保护功能，

有6个I/O口、4路A/D转化器、2路16位计数器及PWM生成电路、4K闪存、128字节RAM、具

有代码加密功能、低功耗运行模式，6路键盘中断。

6

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图2-2 MC68HC908Q T2 引脚与功能图

方案三:无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、位置

检测器、电子开关和控制器等组成。位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转

子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号根据输入信号的要求，以一

定的顺序触发功率开关器件，将电源按一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使

电动机产生持续不断的转矩。因此，无刷直流控制器的设计，关键是根据位置信号确定

电子开关的通断顺序和通断时间。

AVR单片机具有高速度和低功耗；具备高度保密功能，Flash具有多重密码锁死功

能，无法对其进行解剖，有利于保护设计成果；内置看门狗，防止程序飞走，具有较强

的抗干扰性能；有8位和16位计数器/定时器，提供PWM控制。因此AVR单片机适合作

为电动助力的控制系统CPU。图2-3是采用AVR单片机组成的电动助力车无刷直流电动

机的原理图

转把信号速度信号

刹车信号

限速信号

巡航信号

电池电压位置信号

AVR

控制器

主电路

BLDCM

电流信号

图2-3 单片机控制无刷直流电动机原理图

7

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综合上述三种方案，本设计采用方案一作为整个系统的设计思路。

2.2 系统工作原理

单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动助力车等小功率的工作情

况。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。

电动助力车控制系统的硬件电路主要有4部分: 1) 检测部分 2) 控制部分 3) 保

护部分 4)欠压报警部分。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电机和传感器来实现，

控制核心采用8051单片机，方案提出采用速度传感器和力矩传感器采集人力脚踏

速度和扭矩，并利用8051单片机作为信号处理单元,已完成对人力脚踩输出功率的计算，

实现真正意义上的智能助力。如图2-1所示。

位置脉冲信号

VCC

力矩输入

过压保护

8051

过流保护

欠压报警

刹车信号

图2-1

PWM驱动电路

M

系统的工作流程叙述如下：

选用8051单片机P1作为输出口，通过驱动器控制全桥驱动电路上桥臂的P沟

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道MOSFET,通过与门控制下桥臂的N沟道MOFET.8051的P0.0口作为PWM输出口，控制

直流电动机的转速，P0.4-P0.6作为输入口，连接位置检测器输出的控制信号，8051的

所有输出口都接上拉电阻，与-5V负载电平相匹配。

由位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产

生相应的信号。而这些信号根据输入信号的要求，以一定的顺序触发功率开关器件，将

电源按照一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。

由于本设计中电动助力车采用带有力矩传感器的轮毂永磁直流电机驱动，电机每转动一

周，霍尔传感器将会产生8个脉冲信号。这些脉冲信号源连接在8051单片机的计数器

定时器口，然后采取定时测脉冲的方法求的电动助力车的行驶速度。

采集到力矩传感器的输入信号以后，可以由8051求出脚踏的输出功率，然后根据

直流驱动电动机的输入输出特性。8051单片机在P0.0口（8051的P0.0口作为PWM的

输出口）输出不同占空比宽度的矩形脉冲信号，以实现直流驱动电机的调速控制。

为了防止电动机启动，过流或异常运行时，大电流对控制电路，功率逆变器和电动

机本体造成损害，设计了过电流保护电路，在主电路上串联一个采样电阻，将采样电阻

两端电压与设定的电压进行比较来检测主电路是否过流，如发生过流，则由硬件控制部

分来完成保护。

当电动机电源电压太低时，相应电平也会送入单片机，由软件实现PWM信号的关断，

电动机惯性滑行，起到保护作用，并同时启动欠压报警，提醒使用者电压不足，需要充

电。

系统有了基本的原理框架，还需要每一部分电路模块的支持。才能有效实现系统的

功能。为方便，可靠，经济，有效，易实现起见，设计各部分电路方案为：

（1）位置传感器是组成无刷直流电机系统的三大部分之一，也是区别于有刷直流

电机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程的位置，将转子磁钢磁极的位置信号

转换成电信号。为逻辑开关电路提供正确的换相信息。以控制它们的导通与截止，使电

机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向。形成气隙中步进式的旋转磁场，

驱动永磁转子持续不断的旋转。

（2）主电路部分由驱动芯片和三相星形链接全桥驱动构成。位置检测器的三个输

出是通过逻辑电路控制这些开关管的导通与截止的。

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（3）在直流无刷电动机正常运行的过程中，只要通过控制电动机的输出电压,就可

以控制直流无刷电动机的电流。进而控制电动机的转速，也就是说，8051单片机可以通

过来自转子位置传感器信号的周期，计算出电动机的转速，并把它同给定转速比较。如

高于给定转速，则减少P0口的输出数值，降低电动机的电流，以达到降低其转速的目

的。反之，如果测得的转速低于给定的转速，则增加P0口的输出数值，进而加大电动

机的电流，进而提高其转速。这种控制方法可以减小电机损坏。

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第3章 硬件电路设计

3.1 控制器的设计

8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。

8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并

行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，

现在我们分别加以说明：

(1) 中央处理器(CPU)

中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8

位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算

和控制输入输出功能等操作。

(2) 数据存储器（RAM）

8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编

址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数

据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用

户定义的字型表。

(3) 程序存储器（ROM）

8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。

(4) 定时/计数器（ROM）

8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序

转向。

(5) 并行输入输出(I/O)口

8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。

(6) 全双工串行口

(7) 中断系统

8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中

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断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择

(8) 时钟电路

8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但

8051单片机需外置振荡电容。

单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛

(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为

一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结

构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。

图3-1是MCS-51系列单片机的内部结构示意图:

图3-1 MCS-51内部结构示意图

(9) 8051的引脚说明：

MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接PDIP结

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构,8051引脚如图3-2所示,40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟

线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功

能加以说明：

图3-2 8051引脚图

Pin20:接地脚。

Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM读写程序时，接+5V电源。

Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。

Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。

输入输出(I/O)引脚：

Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，

Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，这些

输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述。

Pin9:RESET/V复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚

pd

上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向

0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。

RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位

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不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如表4.1所示:

表3-1 8051初始状态

特殊功能寄存器 初始态 初始态

ACC 00H B 00H

PSW 00H SP 07H

DPH 00H TH0 00H

DPL 00H TL0 00H

IP xxx00000B TH1 00H

IE 0xx00000B TL1 00H

TMOD 00H TCON 00H

SCON xxxxxxxxB SBUF 00H

P0-P3 1111111B PCON 0xxxxxxxB

Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址

特殊功能寄存

器

数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，CPU读入并执

行。

Pin30: ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位

字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信

号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访

问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用

于输入编程脉冲。

Pin31:EA/V程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程

pp

序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，

而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外

部程序存储器指令。

8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到内部振荡方式和外部振

荡方式。内部振荡方式是在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)

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或陶瓷谐振器,内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定。外部振荡方式是把外

部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信

号保持同步。本系统采用内部震荡式时钟电路。内部振荡方式的外部电路如下

图3-3所示。图中电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用,其电容值

一般在5-30pF。晶振频率的典型值为12MHz,采用6MHz的情况也比较多。本文

控制系统采用6MHz。

8051

XTAL1

C1

C2

XTAL2

至内部时钟电路

晶

振

图3-3 8051单片机的振荡电路

当8051单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时,单

片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平,单片机就处于循环复位状态。复位操作

通常有两种基本形式:上电复位和上电或开关复位,本文控制系统采用上电或开关。上电

或开关复位要求电源接通后,单片机自动复位,并且在单片机运行期间,用开关操作也能

使单片机复位,当单片机已在运行当中时,按下复位键RSET后松开,也能使RST为一段时

间的高电平,从而实现上电或开关复位的操作。复位电路如下图3-4所示。

15

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(a）上电复位 （c）按键电平复位

图3-4复位电路

上电复位：如上图(a),上RESET端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时

间和振荡器起振的时间。VCC上升时间约为10us,振荡器起振时间和频率有关频率为

10MHZ时约1us，频率为1MHZ时约为10us，所以一般为了可靠地复位，RESET端在上电

时保持20us以上高电平即可。

按钮电平复位:如上图（c）,C、R2的选取由上电复位参数决定，然后确定R1，为

了保证在RESET端上得到高电平应使R1取R2的1/5@1/10。

3.2 主电路的设计

3.2.1 电动机的选择

电机是电动自行车的心脏，是关键部件，电机要适应频繁起动，频繁变速又考虑到

薄形安装特点，目前大都采用盘式结构，同时为了适应道路使用和环境特点，电机通常

设计成全封闭结构形式，具有可靠防护性能。从当前市场上销售的电动自行车看主要是

用直流永磁印制绕组电机和直流无刷电机，印制绕组电机关键是印制转子的制造工艺，

而且需引进部分设备如转子片叠好后外圆点和内孔点的氩弧焊点焊机。一旦转子工艺突

破，该电机的批量生产即不成问题了。直流无刷电机存在质量可靠性问题，控制器较复

16

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杂成本较高，这些问题一旦解决推广使用则更广。总之上述二种电机用于电动自行车是

较为理想的。鉴于电动车对电动机的基本要求，本设计采用永磁无刷直流电动机。

1）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既有一般直流

电机良好的调速起动性能，又具有寿命长，没有换向火花，没有无线电干扰，运行可靠，

维修简便及噪声低等优点。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。

2）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。

3）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

范围较小，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。

4）无刷直流电机的结构及工作原理

无刷直流电动机由电动机，转子位置传感器和位置传感器组成，它的原理框图如下

3-5图所示，图中直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位

置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制

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机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，

其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；

接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；

接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

图3-5无刷直流电动机的原理框图

无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子

磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大

的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，

在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动

机的电流-转矩特性。在一定的ω时，改变占空比δ，就可以线性地改变电动机的电磁

转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。无刷直流电动

机的转速设定，取决于速度指令V的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速，

那么+5V以下任何电平即对应相当的转速现了变定。当V设定以后，无论是负载变化、

电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制

波的占空比δ就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，

直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高

时，δ减小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷

直流电动机在允许的电压波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速

相差在由于含有霍尔元件，

现特作一个简要介绍：霍尔元件是一种磁电元件。它是利用霍尔效应制作的一种传

18

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感器，具有高可靠性、寿命长噪声低、不产生火花干扰、转速均匀稳定、体积小等优点。

霍尔效应是指当半导体上通过电流，并且电流方向与外界磁场方向垂直时，在垂直于电

流和磁场方向上产生霍尔电动势的现象。1%左右，并可在调范围内恒转矩运行。

3.2.2 控制电路的设计

无刷直流电机有多相结构，每种电动机可分为半桥驱动和全桥驱动，全桥驱动又可

分为星形联结和三角形联结以及不同的通电方式。因此，不同的选择会使电动机产生不

同的性能和成本，这是每一个应用系统设计者都要考虑的问题。下面做一下对比。

（1）绕组的利用率。与普通直流电机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。

适当地提高绕组通电利用率可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这

个角度来看，三相比四相好，四相比无相好，全桥比半桥好。

（2）转矩的波动。无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机的大，因此

希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小。全桥驱动比半桥驱动转矩的

波动小。

（3）电路的成本。相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高。全桥驱

动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也

高。

综合上述分析，本系统采用三相星形（Y）联结全控电路，如图3-6示出了一种三

相联结全控电路，在该电路中，电动机的三相绕组为星形联结。V1、V2、V3、V4、V5、

V6为六只MODFET功率管，起绕组的开关作用上桥臂是P沟道MOSFET(V1、V3、V5)，其

栅极为低电平时导通，下桥臂是N沟道MOSFET(V4、V6、V2)，其栅极为高电平是导通。

19

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A

T1

T3T5

BC

T2T4T6

图3-6 星形联结绕组三相全控桥式电路

它们的通电方式又可分为两两导通方式和三三导通方式两种。

在本设计中采用两两导通方式。所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导

通，每隔1/ 6周期（60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通

120°电角度。

各功率管的导通顺序是V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1等,当功率管V1和

V2导通时，电流从V1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经过V2管回到电源。如果

认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们合

成的转矩如图3-10（a）所示为Ta，方向在Ta和-Ta的角平分线上。当电动机转过

3

60度后，由V1V2通电换成V2V3通电。这时，电流从V3流入B相绕组再从C相绕组流

出，经V2回到电源，此时合成的转矩如图3-10（b）所示，其大小同样为Ta。但合

3

成转矩Tbc的方向转过了60°电角度，而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就

随着转过60°电角度，但大小始终保持Ta不变。图3-7（c）示出了全部合成转矩的

3

方向。

20

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TaTacTab

TacTa

-TcTbc

Tb

a)b)c)

Tc

Tb

-Tc

TacTcb

Tc

TbaTac

图3-7 星形（Y）联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图

（a）VF1、VF2导通时合成转矩；（b）VF2、V F3导通时合成转矩；

（c）两两通电时合成转矩矢量图

所以，同样一台无刷直流电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采

用三相星形（Y）联结全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了倍。每隔

3

60°电角度换向一次，每个功率管通电120°，每个绕组通电240°，其中正相通电和

反相通电各120°。其输出转矩波形如图3-8所示。由图3-8可以看出，三相全控时的

转矩波动比三相半控时小得多。

图3-8 全控桥输出波形图

74LS07是集成电极开路六正相高压驱动器。六高压输出缓冲器/驱动器(oc,30v)；

输出加上拉电阻，才有高或低电平信号输出。如果不接上拉电阻，那个输出的驱动管是

不工作的。所以上拉电阻的功能就是为了使末级驱动管正常工作。74LS07的管脚列图如

图3-8所示。其中14脚Vcc接+5V电源，7脚GND接电源地，1A是通道1的输入端、1Y

21

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是通道1的输出端，2A是通道2的输入端、2Y是通道2的输出端，依此类推。输出和

输入是同相位的，但是输出端要通过电阻外接到正电压上，这个外接正电压最高可以达

到30V。

1A14VCC

1Y213

2A3

2Y4115A

3A5105Y

3Y69

1

74 07

12

8

6A

6Y

4A

4YGND7

图3-8 74LS07的管脚排列图

3.2.3转速控制电路的设计

本世纪中，无刷直流电动机是通过PWM方法来控制电机通电电流，实现对转速的控

制。

8051的P0.0口作为PWM的输出口，控制直流电动机的转速，通过8051单片机的

PWM口，控制3个与门7409的B输入端，当PWM口输出低电平时，使与门7409输出低

电平，开关电的MOSFET管VVV，被封锁，当PWM口输出高电平时，与门7409的输出低

电平取决于单片机的控制字，MOSFET管VVV的导通与截止按正常换向状态进行。7409

是四2输入与门其管脚列图如图3-9所示

22

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Y=AB

1A

1B

1Y

2A

2B

2Y

1

213

3

4114Y

5103B

69

74 09

14

12

8

VCC

4B

4A

3A

3Y7

GND

图3-9 74LS09的管脚排列图

3.2.4 过流保护电路的设计

本设计中，主电路中通过电动机的电流最终是经过电阻R接地。过流保护电路是由

采样电路R和比较器LM324硬件组成。因此, Uf=RIm, 其大小正比于电动机的电流Im。

而Uf同给定电压Uo分别送到LM324运算放大器的两个输入端，一旦直流电动机电流增

大，在采样电阻R上的压降增大，反馈电压Uf大于给定信号Uo，则比较器LM324输出

低电平，使得主电路中3只MOSFET开关管V4、V6、V2被关断，无法导通，从而截断了

直流无刷电动机定子绕组的所有电流通路，迫使电动机电流下降，R上的压降也减小；

一旦电流下降到使反馈电压Uf小于给定电压Uo时，则比较器LM324输出又回到高电平，

使主电路的MOSFET开关管V4、V6、V2又具备导通的能力，恢复正常的通断顺序。依此，

电流被限制在Uo/R上下，达到过流保护的目的。原理图如图3-10所示。

23

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+5V

Vcc

U0

全桥驱动电路

LM324

R

图3-10 过流保护电路图

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，内部有四个运算放大器，

有相位补偿电路。电路功耗小，LM324工作电压范围宽，它的内部包含四组形式完全相

同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3-11

所示的符号来表示

V+

（反向输入端）

Vi-V0

Vi+

（同向输入端）

V-

图3-11运算放大器

它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源

端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo

的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与

该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3-12。

24

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1413

12

11108

9

1

2

3

4

5

6

7

图3-12 LM324的引脚排列图

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低

廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

3.2.5 整形电路的设计

最简单的整形电路就是一个单门限电压比较器，当输入信号每通过一次零时触发器

的输出就要产生一次突然的变化。当输入正弦波时，每过一次零，比较器的输出端将产

生一次电压跳变，它的正负向幅度均受到供电电源的限制，因此输出电压波形是具有正

负极性的方波，这样就完成了电压波形的整形工作。但该信号整形电路抗干扰能力差：

由于干扰信号的存在，将导致信号在过零点时会产生多次触发的现象，从而影响本系统

中计数，使单片机无法计算出正确的数值。为了避免过零点多次触发的现象，我们使用

施密特触发器组成的整形电路。施密特触发器在单门限电压比较器的基础上引入了正反

馈网络。由于正反馈的作用，它的门限电压随着输出电压的变化而改变，因此提高了抗

干扰能力。本系统中我们使用施密特触发器对信号进行整形，NE555定时器是一种应用

特别广泛使用很大的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用，555

定时器如图3-16所示,NE555的内部结构可等效成23个晶体三极管，17个电阻，两个

二极管，组成了比较器，RS触发器，等多组单元电路。555定时器管脚排列图如图3-13

所示：

25

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+VCC+VCC

R

84

Vi6

2

555

1

7

3U01

5

U02

VC

图3-13 555定时器管脚排列图

555时基集成电路各引脚功能描述；

脚1是公共地端为负极；脚2为低触发端TR，低于13电源电压以下是即导通 ；

脚3是输出端V，电流可达2000mA；脚4是强制复位端MR，不用可与电源正极相连或悬

空；脚5是用来调节比较器的基准电压，简称控制端VC，不用时可悬空，或通过0.01uF

电容器接地；脚6为高触发端TH，也称阀值端，高于23电源电压发上时即截至；脚7

是放电端DIS;脚8是电源电压VCC。

3.2.6欠压报警电路的设计

本设计采用光电藕合的方式来驱动扬声器，经三极管驱动扬声器后，即可发出声音

信号，欠压报警电路由扬声器和三极管组成，由单片机的P0.7口控制，扬声器的三极

管采用8050，扬声器可选用4欧或8欧负载，报警电路如图3-14所示。

26

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+5V

VT1

图3-14报警电路

3.2.7 电源的设计

电源电路如图3-15所示,24V直流电源经三端稳压器78L05的输出即为单片机所要

求的+3.3V电源。

电路中接入电容、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

CC

12

抑制电路引入的高频干扰。大容量的是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源

C

3

引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器一个放电通

C

3

路，防止两端电压作用于二级管的PN结，造成二极管PN结击穿而损坏。

C

3

图 3-15电源电路

27

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三端稳压器，主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压

器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器，其基本原理相同，均

采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，

具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。

在使用时必须注意：(VI)和(Vo)之间的关系，该三端稳压器的固定输出电压

是3.3V，而输入电压至少大于7V，这样输入/输出之间有2－3V及以上的压差。

使调整管保证工作在放大区。但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，

两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不至于功耗偏大。

另外一般在三端稳压器的输入输出端接一个二极管，用来防止输入端短路时,输出

端存储的电荷通过稳压器而损坏器件。

图3-16 三端稳压器的典型接法

三端固定集成稳压器内部具有完整的保护电路，一旦输出发生过载和短路，可自动

限制器件内部的结温不超过额定值。但若器件使用条件超出额定的最大限制范围或应用

电路设计不当，也是要损坏器件的。列如当输出端结比较大的电容时，一旦稳压器的输

出端出现短路，输出端电容器上储存的电荷将通过集成稳压器内部调整管的发射极-基

集PN结泄放电荷，由于大容量电容释放能量比较大，因此可能造成集成稳压器损坏。

为此一般在稳压器的输入和输出之间跨接一个二极管VD，稳压器正常工作时，该二极管

出于截止状态，当输入端突然短路时，二极管为输出电容器C3提供泄放通路。

图3-16是应用78L05输出固定电压VO的典型电路图。正常工作时，输入、

输出电压差应大于2～3V。电路中接入电容C1、C2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。C3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

28

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时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be结，造

成调整管be结击穿而损坏。

3.2.8功率放大电路的设计

隔离栅双极性晶体管（IGBT）正日益广泛的应用于小体积，低噪音，高特性的电源，

逆变器，不间断电源（UPS）以及电机速度控制装置之中。用于IGBT的富士混合IC驱

动器吸取了IGBT的全部优点而开发。由于集成模块式驱动电路性能好，整机可靠性更

高，体积更小，EXB84系列为日本富士公司推出的IGBT专用芯片，能驱动高达300A/1200V

的IGBT。它具有隔离强度高、反应速度快、参数一致性好、具有防擎住效应的缓关断电

路等优点，并可以对IGBT实施过流保护。模块内功能较全，用+20V直流电源供电，能

产生+15V开栅电压和—5V关栅电压，内装TLP550高速光耦信号隔离电路。如图3-17

所示。电路的内部还集成有过流检测电路和慢速过流切断电路，其过流检测电路按驱动

与集电极电压之间的关系检测过流。当流过IGBT的电流超过内部设定值时，慢速切换

电路以不使IGBT损坏的较慢速度关断IGBT。其中，为了防止IGBT集电极产生大的电压

尖脉冲，在栅极串联电阻RG、47F电解电容器吸收由于电流源接线电阻引起的供电电压

变化，而不是电源滤波器的电容器。因此本文介绍了EXB841驱动器的具体应用，它是

混合式集成电路，很好的解决了本设计中MOSFET驱动的问题，单排15脚封装，工作电

压25V,电流10A,驱动电流4A，过流保护电压7.5V至8.5V。

有以下几个方面需要注意，

（1）EXB841只有1.5us的延时，慢关动作时间约8us,与使用手册上标明的〈 10us

的过电流不动作是有区别的；

（2）由于仅有1.5us的延时，只要大于1.5us的过流都会使慢关断电路工作，由于

慢关断电路的放电时间常数2较小，充电时间常数3较大，后者是前者的10倍，因此

慢关断电路一旦工作起来，即使短路现象很快消失，EXB841中的脚2输出也难以达到

Uge等于15V的正常值。如果EXB841的C4已放电至终值3.6V，则它被充电至20V的时

间约为140us。与本脉冲关断时刻相距140us以内的所有后续脉冲正电平都不会达到Uge

等于15V，即慢关断不仅影响本脉冲，而且可能影响后续的脉冲。

（3）光耦合器IS01由+5V稳压管供电，这似乎简化了电路，但由于EXB841的脚1换

29

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在IGB7的E路，IGBT的开通和截至会适应其电位很大的这边。

VD1

62

15

控制

脉冲

输入

C1

3

1

9

54

+20V

EXB841

14

C2

图3-17EXB841外接电路图

3.2.9缓冲电路的设计

在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输入阻抗一般

比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当

的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起

到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输

入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。

电压跟随器的另外一个作用就是隔离，在HI-FI电路中，关于负反馈的争议已经很

久了，其实，如果真的没有负反馈的作用，相信绝大多数的放大电路是不能很好的工作

的。但是由于引入了大环路负反馈电路，扬声器的反电动势就会通过反馈电路，与输入

信号叠加。造成音质模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末级采用了无大环路负

反馈的电路，试图通过断开负反馈回路来消除大环路负反馈的带来的弊端。但是，由于

放大器的末级的工作电流变化很大，其失真度很难保证。

设计中缓冲电路应用电压跟随器来实现，如图3-19所示电路

30

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Vi=VQ

Vo=Vn

·

Vn

图3-19电压跟随器

由于输出电压V0就是反馈电压，利用虚短的概念，得到Vi=V0，由上式可知，输出

电压v0与输入电压Vi 大小相等，相位相同，因此，该电路称为电压跟随器。虽然电压

跟随器的电压增益等于1，仿照分析同相放大电路的方发，可知它的输入电阻RI趋于无

穷，输出电阻趋于0,故它在电路中常作为阻抗。

3.2.9欠压保护电路的设计

欠压现象是缓冲变化得故障，当电动助力车的蓄电池输出电压低于一定值时，会造

成电机功率的下降，并使得驱动控制器的集成电路工作电压达不到其正常工作电压，就

有可能造成输出信号错乱，是控制系统工作在非正常状态，功率开关管工作不可靠，又

可能出现应该导通的没有导通，而应该关断的没有关断的情况，使电机工作不正常甚至

损坏。本文设计的欠压保护电路如图3-22所示。

+20V

Vi

V0

+20V

图3-22欠压保护电路

31

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第四章 软件的设计

4.1软件结构与软件设计思想

电动助力车驱动与控制系统的控制软件主要有两个任务,一个是脚踏力矩和脚踏驱

动转速的测量,一个是产生一定周期的PWM脉冲序列.产生脉冲的方式有两种:一种方法

是采用软件延时程序产生出具有一定周期的方波(周期长短由脚踏功率决定),即先输出

高电平延时一段时间,再输出低电平,再延时一段时间输出高电平,如此循环下去.脉冲序

列的长短要根据计算出的控制量来决定.另一种方法是采用专用的外部定时电路.本设计

采用前一种方法产生脉冲. 电动助力车驱动与控制系统的控制程序设计的任务是完成助

力功能.首先先测量脚踏力矩和脚踏驱动转速,然后根据这两者计算脚踏功率,并同时判断

路面信息,最后根据控制要求,输出满足要求的PWM脉冲序列

4.2 程序流程图

本设计主程序流程如图4-1所示。

32

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控制主程序

初始化

读刹把信息

有信号？

N

读脚踏信号

Y

有信号？

Y

加速信号？

N

减速信号？

Y

快速行驶慢速行驶中速行驶

Y

N

检测电池电压

N

欠压中断?

Y

发出报警

停车

33

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快速行驶

置位P0.0口

调12ms延时子程序

清零P0.0口

调3ms延时子程序

返回

图4-2脚踏加速信号处理程序流程图

34

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慢速行驶

置位P0.0口

调8ms延时子程序

清零P0.0口

调3ms延时子程序

返回

图4-3脚踏减速信号处理程序流程图

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第五章 设计总结

本文以电动助力车驱动控制和过流保护为中心，重点介绍了电动助力车驱动电机，

本文选用永磁无刷直流电机的结构与运行原理，以8051单片机为控制核心进行了电动

自行车驱动控制系统的分析设计，并进行了相应的硬件电路和软件结构流程的设计。本

文所设计控制系统系统8051单片机作为控制核心。由霍尔调速手柄、由A/D转换器、

刹车装置、电机驱动电路和欠压、过流保护电路等相关电路组成。通过硬件和软件的综

合设计，是系统具有调速、欠压保护、过流保护、刹车断电等多种保护功能。

经过这次毕业设计得到的收获还是特别多的，它不仅让我了解了做一个单片机系统

的各项工作流程，让我在这个过程中学到了很多过去不知道的东西以及课本上所不能讲

述给我的东西，同时也让我深刻地认识到我对知识的理解程度以及掌握程度还是极其有

限的。生命是有限的，我们就应该抓住每一个机会来锻炼自己、提高自己，只有在工作

中你才能发现你自身的不足，才能让你端正学习、工作、生活态度，并且只有在工作中

你才能真正细致地去学习一个东西、去研究一个东西。可见生产实践是何其重要啊，它

是你提升自己的有效平台。

总的来说，这次课程设计还是学到了不少东西的。尤其是在电路图的设计上有了长

进，在对电路和程序过程中的分析和解决问题方面也明显看到自己的进步。其他方面，

通过这次课程设计对流程图设计等有了进一步认识，知道了怎样书写格式无误地总结论

文，还体会了成功的喜悦，可以说受益颇深。

本文所设计控制系统虽然完成了主要的任务基本达到设计的要求和目标。但是要

应用于实际电动自行车控制系统的产品研发，还有很大的距离。还需要进一步的研究和

完善。本系统在设计中同时存在有许多的不足之处如起动带负载时过流保护电路、爬

坡时过流保护等还不够完善。由于时间关系。本系统软件设计部分只提出了设计思路

并没有完成实际功能的仿真的设计。人类已进入二十一世纪人们对自己赖以生存的环

境提出了越来越高的要求，建设美好的绿色家园已成为人们日益渴望的共识。随着人们

生活水平的不断提高需求清洁、经济的动力和能源发展绿色交通工具成为当今世界

上紧迫的技术、经济和社会课题，相信不久的将来随着电力电子技术不断发展和车用电

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源的日趋成熟电动自行车将成为大都市人们日常生活中短距离的主要绿色交通工具

同时也为电动自行车驱动控制系统的设计和研发提供了广阔的发展空间。

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致谢

在论文即将完成之际，我的心情无比激动。

首先应感谢的就是我的指导老师林娟老师。从开始选题到论文的顺利完成得到了林

老师的精心指导。林老师教学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种

良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅

接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，掌握了通用

的研究方法，而且还明白了许多待人接物与为人处世的道理。其严以律己、宽以待人的

崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力，与无微不至、感人至深的人文关怀，令人

如沐春风，倍感温馨。同时感谢图书馆给我们提供了丰富的参考资料。

写作毕业论文是一个再次系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着一个学

习生活的新阶段的开始。在文章写作过程中，同组同学与本人的切磋和争鸣，以及同学

们从头至尾的支持和鼓励,也是我无法忘却的。愿我的感激之情化作一道虔诚的祝福：

愿老师和同学心想事成，一生平安。

兰州工业学院毕业论文

参考文献

【1】胡汉才. 单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社，2003：7—34

【2】李朝青. 单片机原理及接口技术[M]．北京：航空航天大学出版社，2005

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【6】吴金戍 沈庆阳 郭庭吉 8051单片机实践与应用[M] 清华大学出版社

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【8】张端. 实用电子电路手册（数字部分）.高等教育出版社，2002:18—19

【9】陈隆昌,阎治安，刘新正. 控制电机[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000

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附录A

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附录B