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智能電動(dòng)車范文第1篇

題目要求：（1）電動(dòng)車沿引導(dǎo)線從A到B，即走直道區(qū)，并檢測(cè)直道區(qū)白紙下的薄鐵片，發(fā)聲光信息，并存儲(chǔ)，顯示片數(shù)、距離；（2）沿弧形引導(dǎo)線或不沿引導(dǎo)線從B到C，C處埋有薄鐵片，要求在C處停車5秒，并發(fā)聲光信息；（3）電動(dòng)車在光源引導(dǎo)下通過障礙區(qū)進(jìn)入停車區(qū)并準(zhǔn)確駛?cè)胲噹欤系K物的長、寬、高約為50cm×12cm×6cm，共2個(gè)，分別放置在障礙區(qū)兩側(cè)的任意位置；（4）電動(dòng)車完成上述任務(wù)后應(yīng)立即停車，但全程行駛時(shí)間不能大于90秒，達(dá)到90秒必須立即自動(dòng)停車。停車后要能準(zhǔn)確顯示其全程行駛時(shí)間。

1.方案述評(píng)

按題目要求，簡易智能電動(dòng)車應(yīng)具有引導(dǎo)線檢測(cè)、金屬片檢測(cè)、避障、趨光、計(jì)程、計(jì)時(shí)、存儲(chǔ)、顯示等功能。為實(shí)現(xiàn)這些功能，各參賽隊(duì)選用了不同方案。

（1）引導(dǎo)線檢測(cè) 基本上均采用反射式紅外發(fā)射—接收對(duì)管。為增強(qiáng)抗干擾能力，部分隊(duì)增加了脈沖調(diào)制功能。對(duì)管的個(gè)數(shù)有2、3、4、5個(gè)不等，但實(shí)測(cè)結(jié)果，在車頭左、右各裝一對(duì)對(duì)管，即可取得較好效果。要強(qiáng)調(diào)的是，要想判斷準(zhǔn)確，車速必須適中，傳感器若擺過引導(dǎo)線，應(yīng)當(dāng)多幾個(gè)采樣點(diǎn)，以免因干擾造成誤判。

（2）金屬片檢測(cè) 多數(shù)隊(duì)采用成品市售接近開關(guān)，但也有一些隊(duì)利用電渦流原理，自制感應(yīng)頭作為傳感器，從而形成了一定的特色。其原理是：振蕩狀態(tài)下的感應(yīng)頭周圍存在高頻磁場(chǎng)，當(dāng)金屬靠近感應(yīng)頭時(shí)，這種高頻磁場(chǎng)在金屬中產(chǎn)生渦流，使LC諧振回路感應(yīng)的能量損耗增加，等效損耗電阻增大，振蕩幅度下降。金屬離感應(yīng)頭越近，振蕩幅度下降越多，幅度降到低于閾值的電壓，則開關(guān)輸出動(dòng)作信號(hào)。

（3）避障功能 對(duì)障礙物的檢測(cè)，一是利用障礙物對(duì)光或聲波的反射作用或選用紅外發(fā)射對(duì)管，或選用超聲波傳感器；二是利用車頭前端伸出一光敏元件檢測(cè)障礙物背后的陰影。這兩種方案各有利弊，前者能較早檢測(cè)到障礙物，但路面對(duì)超聲波的反射也造成干擾，后者檢測(cè)障礙物時(shí)車頭已離障礙物很近，調(diào)整方向有一定難度。

（4）趨光功能 為使小車在200W光源引導(dǎo)下前進(jìn)，多數(shù)隊(duì)采用多個(gè)帶黑色套管的光敏元件從不同角度采光的方案，如圖2所示。原理是：光敏二極管A、B、C接收光的方向不一樣，導(dǎo)致其兩端電壓也不一樣，通過比較A、B和B、C的電壓，確定光源相對(duì)小車的方位。當(dāng)A管電壓高于B管電壓（即A管接收光強(qiáng)大于B管接收光強(qiáng)）時(shí)，說明光源在小車左前方；當(dāng)C管電壓大于B管電壓，說明光源在小車右前方；當(dāng)B管電壓大于A管、C管電壓時(shí)，光源在小車正前方。為確保在光源處停車，采用圖3所示的方案。D管與水平線成夾角α，只有當(dāng)小車離光源比較近時(shí)光源才直射入管，D管接收的光強(qiáng)最強(qiáng)，此時(shí)D管輸出電壓也最大?；诖嗽恚珼管電壓經(jīng)過一個(gè)閾值可調(diào)比較器進(jìn)行鑒幅得到一開關(guān)信號(hào)，通過調(diào)節(jié)閾值電壓，可以使小車準(zhǔn)確地停在車庫內(nèi)。

（5）計(jì)程 計(jì)程的可行方案很多。可借鑒光電鼠標(biāo)的工作原理，在車輪上均勻地安裝多個(gè)遮光條，用計(jì)數(shù)光脈沖的方法測(cè)量小車的位移，并據(jù)此計(jì)算車子的速度。也可在車輪上安裝磁片，用霍爾傳感器感應(yīng)車輪的轉(zhuǎn)速。要注意的是，車速傳感器應(yīng)安裝在非驅(qū)動(dòng)輪上，以避免主動(dòng)輪打滑影響精度。此外，也有用紅外發(fā)射對(duì)管采用光反射測(cè)速的。

（6）電機(jī)驅(qū)動(dòng) 多數(shù)采用H型脈沖寬度調(diào)制（PWM）橋式驅(qū)動(dòng)電路，此方式調(diào)速功能較好，可靈活正、反轉(zhuǎn)。

（7）單片機(jī)及電路 單片機(jī)型號(hào)不一，有用雙CPU分別檢測(cè)與控制的，也有用單片而功能較強(qiáng)單片機(jī)的，其中Cygnal公司F005等產(chǎn)品較新，還有凌陽單片機(jī)可提供語音提示功能，電路有用CPLD實(shí)現(xiàn)的。

2.問題分析

本屆全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，僅湖北賽區(qū)選作E題的代表隊(duì)有46個(gè)，約占該賽區(qū)參賽隊(duì)總數(shù)的1/5強(qiáng)，在成功參賽的45個(gè)隊(duì)中，有4個(gè)隊(duì)因元器件損壞等不同原因不能測(cè)試，另有12個(gè)隊(duì)成績也很不理想，究其原因，除硬、軟件設(shè)計(jì)不盡合理外，還有下列幾點(diǎn)：

（1）本題較之上屆C題《自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車》，題目難度加大，傳感器增多，稍微考慮不周，就可能因車載過重跑不動(dòng)，相應(yīng)地因能耗增大，電源供給也是一個(gè)應(yīng)引起足夠重視的問題。

（2）普遍的一個(gè)問題是車子性能不穩(wěn)定，重復(fù)性差，有很多車試跑時(shí)很理想，但正式測(cè)試時(shí)則不盡人意。

（3）符合題目要求的跑道范圍較寬，如地板上鋪白紙和木板上鋪白紙便是不同環(huán)境，還有不同光照問題，若車子適應(yīng)能力差，便影響成績，此外，小車的選擇至關(guān)重要，有因輪子小爬不過鐵片的，也有輪子太大，摩擦力太大，跑不動(dòng)的，在測(cè)試中，有一種履帶式玩具車，爬行性能好，又因左右輪驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向靈活而具一定優(yōu)勢(shì)。

（4）智能車的智能體現(xiàn)不足，許多隊(duì)便采用預(yù)置路徑辦法繞障，有些隊(duì)就因?qū)︻}目中障礙物位置的任意性理解有偏差而導(dǎo)致失敗，還有因程序編制不靈活，數(shù)據(jù)無存儲(chǔ)功能而丟分。

3.典型電路

以下是部分成功案例中所用到的典型電路。

(1)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（見圖4） 采用兩對(duì)互補(bǔ)型三極管接成橋式電路，為了避免兩橋路的直通而使三極管損毀，在電路中增加了NPN型管Q1，實(shí)現(xiàn)了電路邏輯鎖功能，使P0.0和P0.1在同一時(shí)刻僅有一個(gè)為高電平。例如當(dāng)P0.0為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，P0.1拉低，有效地防止三極管Q4、Q7的同時(shí)導(dǎo)通。同理，三極管Q6、Q5也不可能同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，P0.4口控制繼電器使其迅速制動(dòng)。

(2)反射式紅外發(fā)射、接收對(duì)管光電檢測(cè)電路 圖5為ST178光電傳感器原理圖。該設(shè)計(jì)使用反射式光電傳感器ST178，光電傳感器的發(fā)射孔和接收孔位于同一側(cè)。當(dāng)光電傳感器發(fā)射管發(fā)射的紅外線探測(cè)到白色物體時(shí)，紅外線反射使接收管導(dǎo)通。電壓比較器LM393的Ⅴin+拉低，輸出為低電平。當(dāng)檢測(cè)到引導(dǎo)線或邊界線時(shí)，接收管截止，Ⅴin+為高，比較器輸出為高電平。

考慮到發(fā)射管需要比較大的電流，所以其限流電阻R3取330Ω，電流約為（5～1.2）V/330Ω=11.5mA，調(diào)節(jié)R7和R8的比值可調(diào)整光電檢測(cè)的靈敏度。

(3)光源檢測(cè)引導(dǎo)電路 光源引導(dǎo)檢測(cè)電路由3個(gè)紅外接收二極管和A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543組成。3個(gè)接收管并排安裝在小車前端，紅外接收管接收到引導(dǎo)光源信號(hào)，經(jīng)AD采樣后送單片機(jī)比較接收到的引導(dǎo)光源的強(qiáng)度，確定光源的方位。電路如圖6所示。

紅外接收管在一定范圍內(nèi)有較好的線性度，因此選用三支特性較一致的紅外接收管分別布置在小車的左、中、右三方， CPU通過比較來自A/D轉(zhuǎn)換器三個(gè)不同通道的數(shù)值大小就可以很容易地判斷出光源的大致方位，通過少量實(shí)驗(yàn)即可確定車庫盡頭光的強(qiáng)度。因此，三支接收管配合CPU的簡單比較即可將小車引入車庫，并在規(guī)定的地點(diǎn)停止在車庫中。實(shí)踐證明這種方式的控制效果非常理想。

智能電動(dòng)車范文第2篇

關(guān)鍵詞：智能防盜鎖；單片機(jī)；報(bào)警電路；按鍵電路

中圖分類號(hào)：TP18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)01-0088-03

The Design of Intelligent Anti-theft Lock of Electric Car Based on Single Chip Microcomputer

LIU Xue, ZHANG Hai-jiang

（Zhejiang Normal University Mathematical and Information science, Jinhua 321004, Zhejiang）

Abstract: This article gives a design proposal of intelligent electric car anti-theft lock which is based on single chip microcomputer. The proposal regards AT89s51 as the core device,combines key circuits, LED digital display circuits,storage circuits,warning circuits and unlock institution and make full use the advantages of single microcomputer ,such as flexible programming design, rich I/O ports,accurate controlling ,and control the whole system by program to realize the basic functions of electric code lock. The system has these features of low cost , reliable performance and convenient use and certain practical value.

Key words: intelligent anti-theft lock; single microcomputer; warning circuits; key circuits

1概述

在日常的生活與工作中，住宅與部門的安全防范、單位的文件檔案、財(cái)務(wù)報(bào)表以及一些個(gè)人資料的保存多以加鎖的辦法來解決。若使用傳統(tǒng)的機(jī)械式鑰匙開鎖，人們常需要攜帶多把鑰匙，使用極不方便，且鑰匙丟失后安全性即大打折扣。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)日常生活中的安全保險(xiǎn)器件的要求越來越高。為滿足人們對(duì)鎖的使用要求，增加其安全性，用密碼代替鑰匙的電子密碼鎖應(yīng)運(yùn)而生。電子密碼鎖具有安全性高、成本低、功耗低、易操作等優(yōu)點(diǎn)。在安全技術(shù)防范領(lǐng)域、具有防盜報(bào)警功能的電子密碼鎖逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式密碼鎖，克服了機(jī)械式密碼鎖量少、安全性能差的缺點(diǎn)，使防盜鎖無論在技術(shù)上還是在性能上都有大大提高一步。

本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的智能防盜鎖的設(shè)計(jì)方案。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）當(dāng)某人正確輸入密碼（密碼可在正確輸入后重新設(shè)置）時(shí)，鎖正常打開。

2）當(dāng)某人錯(cuò)誤輸入密碼達(dá)三次（可能是小偷），揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲，并發(fā)射無線電信號(hào)通知主人。

3）當(dāng)檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)鎖沒有正常打開（例如：小偷撬鎖等情況）時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲，并發(fā)射無線電信號(hào)通知主人。

4）為防止報(bào)警聲影響他人，報(bào)警聲會(huì)在3分鐘后自動(dòng)解除。在這3分鐘內(nèi)，主人也可人工解除報(bào)警聲。

2智能防盜鎖的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用AT59C51單片機(jī)[1]、4×4矩陣鍵盤、LED、蜂鳴器等。矩陣鍵盤分別為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、*、#、DEL、CLR、EN? TER、MODIFY。系統(tǒng)初始密碼為“12345678”；輸入密碼時(shí)，LED顯示電路顯示為“*”，當(dāng)密碼輸入完畢按下ENTER鍵時(shí)，對(duì)輸入密碼與設(shè)定的密碼進(jìn)行比較，若密碼正確則LED顯示電路顯示為“PASS”提示鎖打開；若密碼不正確，LED顯示電路顯示提示“ER? ROR”，若連續(xù)3次輸入不正確，則發(fā)出警報(bào)聲同時(shí)鎖定鍵盤。

在輸入正確密碼后，按下修改鍵時(shí)，LED顯示電路顯示“old”提示“輸入舊密碼”，此時(shí)輸入正確的舊密碼，則顯示電路會(huì)有提示輸入新密碼在輸入新密碼后，顯示電路會(huì)再次提示“再次輸入新密碼”若兩次輸入密碼不一致，則修改密碼失敗，一致則成功。在修改密碼的過程中，如果一開始輸入的舊密碼錯(cuò)誤顯示電路會(huì)顯示提示，同時(shí)系統(tǒng)返回到開始。

若在“再次輸入新密碼”的時(shí)候輸入新密碼與前次不一致，則會(huì)返回到系統(tǒng)開始。修改密碼完成后，系統(tǒng)自動(dòng)清零上鎖。要再次開鎖則需要輸入正確的密碼。系統(tǒng)中DEL鍵用于退格，CLR用于清屏，按下CLR可以刪除剛輸入的密碼，然后再次輸入。為了防止惡意嘗試，系統(tǒng)才用若連續(xù)輸入3次錯(cuò)誤密碼則發(fā)出報(bào)警聲，且鎖定鍵盤，可以提高系統(tǒng)的安全系數(shù)，同時(shí)也能夠保護(hù)合法用戶的 正常使用。并且還有通過無線電信號(hào)的收發(fā)來通知車主，達(dá)到更好的防盜效果。

圖1是系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)：

圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1按鍵電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用4×4矩陣鍵盤，16個(gè)鍵分別為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、*、#、DEL、CLR、ENTER、MODIFY。

圖2鍵盤設(shè)計(jì)電路圖

2.2.2復(fù)位電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路工作后，在REST管腳上加兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，芯片內(nèi)部開始進(jìn)行初始復(fù)位

2.2.3開鎖電路設(shè)計(jì)

電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。

圖3開鎖電路圖

2.2.4報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路采用蜂鳴器，當(dāng)三次密碼輸入錯(cuò)誤或者檢測(cè)到非正常開鎖的情況下，蜂鳴器便開始發(fā)聲報(bào)警。電路設(shè)計(jì)如圖4所示：

2.2.5無線電信號(hào)發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)

采用現(xiàn)成的無線電收發(fā)模塊，功能原件簡單、成本低。當(dāng)檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)三次輸入密碼錯(cuò)誤或者非正常打開鎖的時(shí)候，揚(yáng)聲器發(fā)聲報(bào)警并且通過無線電收發(fā)模塊發(fā)射信號(hào)給車主。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序部分使用C語言編寫，系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示，在整個(gè)軟件設(shè)計(jì)流程中，鍵盤掃描及識(shí)別，密碼校驗(yàn)和定時(shí)器程序比較重要。

鍵盤掃描電路中，掃描鍵盤時(shí)采用逐列掃描的方式，依次對(duì)l、2、3、4列按鍵循環(huán)掃描(P2口高四位連接鍵盤的行線，低四位連接鍵盤的列線)。掃描時(shí)先對(duì)單片機(jī)P2口賦Oxff，同時(shí)對(duì)與要掃描那列按鍵相連的單片機(jī)端口賦低電平，再將P2口的值與0xOf相與使低四位有效，如果按鍵被按下則與被按下那個(gè)按鍵相連接的單片機(jī)端口的電平將被拉到低電平，通過判斷P2 El的值就可以判斷出是哪個(gè)按鍵被按下。需要注意的是，在鍵盤掃描軟件設(shè)計(jì)中，一定要有毛刺消除的功能，否則按鍵按下的響應(yīng)會(huì)受到較大的影響。鍵盤識(shí)別是通過比較鍵盤掃描時(shí)對(duì)不同按鍵賦不同的值來執(zhí)行相應(yīng)的操作的。

密碼校驗(yàn)的設(shè)立主要是從安全性的角度考慮的，密碼存儲(chǔ)后，只要在密碼判定過程中找到存儲(chǔ)密碼的相應(yīng)地址并讀出改地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，再加以比較就可以開鎖了。如果僅僅是這樣的操作，片內(nèi)的密碼很容易被破解，如果加上密碼校驗(yàn)位，會(huì)在很大程度上提高安全性。在設(shè)立密碼后，通過多位同或運(yùn)算或其它更復(fù)雜的運(yùn)算，將整個(gè)密碼轉(zhuǎn)換為通過運(yùn)算后的另外一種形式，同時(shí)將該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定的地址位中，每次設(shè)定密碼，在存儲(chǔ)密碼的同時(shí)也生成并存儲(chǔ)校驗(yàn)位，在讀取時(shí)不僅要判定密碼位是否正確，同時(shí)進(jìn)行密碼校驗(yàn)，這樣就相當(dāng)于加入了兩級(jí)密碼保護(hù)，提高了安全性，同時(shí)，即使普通密碼被盜取，但校驗(yàn)運(yùn)算方式不公開，也是不能直接打開電子密碼鎖的。其處理關(guān)系程序中簡單體現(xiàn)如下：

if(KeyCount!=pwlen)//密碼位數(shù)不為8位{ErrorFlag=1；

RightfFag=0；}else}for(i=0；i

{if(getpw[i]!=pw[i]) //逐位比較用戶輸入密碼和系統(tǒng)密碼

{ErrorFlag=l；RightfFag=0；break；//如果某位不一致則結(jié)束循環(huán)不再做后續(xù)比較}

定時(shí)器是保證限時(shí)輸入密碼和鍵盤鎖定。定時(shí)器0中斷的作用是給系統(tǒng)鎖定鍵盤定時(shí)，當(dāng)用戶三次錯(cuò)誤輸人密碼后啟動(dòng)定時(shí)器O，通過定時(shí)器0中斷函數(shù)判斷是否到定時(shí)時(shí)間，到了就停止定時(shí)器0并解除鍵盤鎖定。定時(shí)器1中斷的作用是限時(shí)輸入密碼，當(dāng)用戶第一位輸入密碼后啟動(dòng)定時(shí)器，通過定時(shí)器l中斷函數(shù)判斷是否到定時(shí)時(shí)間，到了就停止定時(shí)器1并清除輸入的密碼。

3結(jié)論

該電子密碼鎖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、開關(guān)鎖、密碼校驗(yàn)、無線電報(bào)警信號(hào)收發(fā)等功能，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)計(jì)電子密碼鎖需要結(jié)合實(shí)際綜合考慮很多因素，因此該電子密碼鎖設(shè)計(jì)需要在實(shí)際中進(jìn)一步完善和改進(jìn)。在系統(tǒng)應(yīng)用程序方面，該設(shè)計(jì)只是實(shí)現(xiàn)了密碼修改、開關(guān)鎖、自動(dòng)報(bào)警并發(fā)射信號(hào)燈功能，要想在現(xiàn)實(shí)生活中推廣，還必須針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)一步完善程序。此外，無線電收發(fā)采用的現(xiàn)成的模塊，有易受干擾、收發(fā)距離短等缺點(diǎn)，在今后的研究中必須進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]何立民.單片機(jī)高級(jí)教程[M].1版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[2]趙益丹,徐曉林,周振峰.電子密碼鎖的系統(tǒng)原理、設(shè)計(jì)程序及流程圖[J].嘉興學(xué)院學(xué)報(bào),2003,15(1):103-105.

智能電動(dòng)車范文第3篇

關(guān)鍵詞 單片機(jī) 智能 玩具電動(dòng)車

中圖分類號(hào)：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言

隨著當(dāng)今社會(huì)科技日益發(fā)展，融入人類生活的電子產(chǎn)品越來越多，占據(jù)了當(dāng)前電子市場(chǎng)的極大份額。在玩具行業(yè)中，將電子技術(shù)融入玩具內(nèi)，使玩具逐漸走向智能化，變?yōu)槿碌碾娮宇惍a(chǎn)品，這也成為了國際上玩具產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展目標(biāo)。據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)顯示：二零一二年，智能化玩具的銷售金額達(dá)二百四八億美元，智能玩具的收益是十分巨大的，原因在于智能玩具的開發(fā)基礎(chǔ)是在已有的電子終端技術(shù)上，然后再對(duì)傳統(tǒng)玩具進(jìn)行改造，以付出的成本來說是極低的，這樣就使投資方獲得了極大利益。隨著智能化的提高，電子智能玩具在市場(chǎng)上具有極大的發(fā)展空間，因此，本文設(shè)計(jì)就是以此背景來進(jìn)行研究的。

1單片機(jī)與智能電動(dòng)車技術(shù)

單片機(jī)也被人稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱：SCM。主要組成部分為：CPU、ROM、RAM、定時(shí)器和輸入輸出通道組成，將這些功能集于一種微型芯片上，可以組成一種微型計(jì)算機(jī)。自一九七四年開始，由美國仙童半導(dǎo)體公司首次開發(fā)出第一款單片機(jī)機(jī)型以后，單片機(jī)技術(shù)獲得高速發(fā)展，各種型號(hào)、各種性能的單片機(jī)呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)。直到如今，單片機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一階段是在二十世紀(jì)七十年代，屬于單片機(jī)開發(fā)的初級(jí)階段，此時(shí)期最具有代表性的單片機(jī)是由因特爾公司開發(fā)的MCC-47型號(hào)。在這個(gè)時(shí)期制作的單片機(jī)技術(shù)采用的是傳統(tǒng)落后的制造手法。第二階段是二十世紀(jì)八十年代初期，是單片機(jī)開發(fā)的完善階段，以因特爾公司的MCC-50型號(hào)單片機(jī)為代表產(chǎn)品，此階段的單片機(jī)在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行全新的開發(fā)，使單片機(jī)的存儲(chǔ)空間增大。第三階段是二十世紀(jì)八十年代末，屬于單片機(jī)推陳出新階段，此階段首次推出了專用單片機(jī)技術(shù)。第四階段是在二十世紀(jì)九十年代初到如今，是單片機(jī)全面提升的階段。此階段的單片機(jī)開發(fā)出可以適合多種領(lǐng)域運(yùn)行的型號(hào)，特性在于運(yùn)算速度超快。單片機(jī)的特點(diǎn)使它成為了應(yīng)用非常廣闊的電子技術(shù)產(chǎn)品，對(duì)各領(lǐng)域的技術(shù)改良起到了極大的作用。

伴隨傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，玩具電動(dòng)車也逐漸走向智能化。智能電動(dòng)車的系統(tǒng)包含了多種學(xué)科、多種領(lǐng)域的知識(shí)，它的系統(tǒng)已經(jīng)成為了綜合性的系統(tǒng)，控制方式也發(fā)生了極大的變化，包含了單片機(jī)控制、光學(xué)感應(yīng)控制、語言控制等多種方式，為玩具電動(dòng)車的操控帶來了自動(dòng)化的發(fā)展。

2智能玩具電動(dòng)車電路設(shè)計(jì)

2.1主控制電路設(shè)計(jì)

使用高性能的單片機(jī)，具有的主要優(yōu)勢(shì)在于可以進(jìn)行非易失性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)功能，它的主要指令控制可以和多種系統(tǒng)兼容。將玩具電動(dòng)車的移動(dòng)性能轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)存入單片機(jī)存儲(chǔ)器中，由于單片機(jī)中具有ROM和ECROM，可以構(gòu)造出最小的單片機(jī)系統(tǒng)。但是小型單片機(jī)系統(tǒng)只能控制較小的單元，主要原因是受到集成的影響。采用復(fù)位電路可以使電動(dòng)車獲得連接電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位，復(fù)位電路中的電阻等是為保證出現(xiàn)因線路故障造成的錯(cuò)誤連接時(shí)可以通過機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)周期進(jìn)行復(fù)位而制定的。在這個(gè)系統(tǒng)中的核心部位就是單片機(jī)，用它來實(shí)現(xiàn)控制，玩具電動(dòng)車只需要手動(dòng)開啟和復(fù)位，其他的一切操作由單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2信號(hào)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

檢測(cè)技術(shù)是自動(dòng)化檢測(cè)和轉(zhuǎn)換技術(shù)的總稱。主要是通過檢測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，然后通過轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行運(yùn)算的一種全新技術(shù)。檢測(cè)技術(shù)就好比人們的感覺系統(tǒng)，如果沒有檢測(cè)技術(shù)中的感應(yīng)器就好比人沒有感覺器官，這就無法達(dá)到自動(dòng)化功能，也不能實(shí)現(xiàn)智能操作。玩具電動(dòng)車的信號(hào)檢測(cè)電路技術(shù)主要來源于對(duì)檢測(cè)技術(shù)的使用，玩具電動(dòng)車在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化行駛時(shí)，是離不開感應(yīng)裝置的。

2.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電板驅(qū)動(dòng)一般是采用H式驅(qū)動(dòng)電路，通過單片機(jī)信號(hào)傳輸性能將指令傳送到電板驅(qū)動(dòng)中，得以控制玩具電動(dòng)車的速度。一般的驅(qū)動(dòng)電路采用的都是四項(xiàng)六線式，以C597驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，讓單片機(jī)通過I/O接口像C597芯片發(fā)送控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)玩具電動(dòng)車的智能化。

3控制軟件的設(shè)計(jì)

3.1軟件的結(jié)構(gòu)

軟件控制具有兩種類型：數(shù)據(jù)運(yùn)算和遠(yuǎn)程控制。數(shù)據(jù)運(yùn)算具有標(biāo)準(zhǔn)制度的采集和計(jì)算等。而遠(yuǎn)程控制主要是通過核心系統(tǒng)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而指示玩具電動(dòng)車的運(yùn)作。在進(jìn)行控制軟件設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)將控制劃分出多項(xiàng)小控制模塊。小控制模塊是為了達(dá)到一定程度而獨(dú)立的小程序區(qū)間。此系統(tǒng)是由主程序、避障程序、顯示程序等多個(gè)程序構(gòu)成。此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要獲得的性能是：可以使玩具電動(dòng)車在無障礙時(shí)能進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行，在玩具電動(dòng)車遇到阻礙時(shí)可以根據(jù)阻礙控制電動(dòng)車進(jìn)行躲避操作，從而可以讓玩具電動(dòng)車在遇到障礙時(shí)無人操作能順利行駛。

3.2避障程序

玩具電動(dòng)車在行駛時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過檢測(cè)技術(shù)對(duì)前方進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，由此來判定前方路徑情況，在無障礙時(shí)可以正常行駛，在有障礙時(shí)則玩具電動(dòng)車停止運(yùn)行，向其他方向轉(zhuǎn)換，以達(dá)到避開障礙繼續(xù)行駛的目的。在運(yùn)行調(diào)整方面，可以通過語音來控制玩具電動(dòng)車的操作。

4結(jié)語

本文對(duì)玩具電動(dòng)車自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，使玩具電動(dòng)車可以達(dá)到智能化。利用多種電路的運(yùn)轉(zhuǎn)，將玩具電動(dòng)車在行駛時(shí)采集到的數(shù)據(jù)輸送到電動(dòng)車核心系統(tǒng)――單片機(jī)中，再由單片機(jī)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)算，然后將運(yùn)算的結(jié)果傳送到電動(dòng)車的其他硬件操控裝置，達(dá)到電動(dòng)車不必手動(dòng)操控也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛、自動(dòng)躲避等智能化和自動(dòng)化功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙新穎，羅坤.機(jī)遇80C51控制的智能電動(dòng)小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011.11（25）：15-18.

智能電動(dòng)車范文第4篇

關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī)；太陽能電動(dòng)車；光伏；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 (2012) 14-0063-01

由于人類科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人類對(duì)能源的需求不斷提高，傳統(tǒng)能源及環(huán)境污染成為日益嚴(yán)重的問題。為了解決這些關(guān)乎生存的大問題，人們對(duì)新型的綠色可再生能源寄予了厚望，太陽能便是其中重要的一種。太陽能作為一種無污染、可再生的綠色能源，被應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，可以達(dá)到減少尾氣排放的目的。利用AVR單片機(jī)ATmega16-16AU芯片制作了太陽能電動(dòng)車光伏控制系統(tǒng)樣機(jī)，安裝在太陽能電動(dòng)車上，不僅能夠正確的判定系統(tǒng)工作狀態(tài)，并且選取合適的充電方式利用太陽能對(duì)蓄電池進(jìn)行快速、高效、安全的充電。

一、基于AVR單機(jī)片的太陽能電動(dòng)車光伏控制系統(tǒng)

（一）基本概念

太陽能電動(dòng)車是一種新型環(huán)保車輛，具有安全、方便、費(fèi)用低、節(jié)約能源、無污染等優(yōu)點(diǎn)，其主要工作原理就是將太陽轉(zhuǎn)化為電能，給電動(dòng)車的蓄電池進(jìn)行補(bǔ)償充電，以補(bǔ)充車輛行駛中消耗的一部分能量，從而延長車輛的行駛時(shí)間。同時(shí)，為了迎合車輛智能一體化控制的需求，通過與車輛CAN總線技術(shù)相結(jié)合，選定速度快、功耗低、存儲(chǔ)容量大、擴(kuò)展性強(qiáng)、可反復(fù)多次擦寫的AVR單片機(jī)作為直流變換電路的核心控制芯片，并根據(jù)充電策略和實(shí)驗(yàn)方案的要求，通過AVR單片機(jī)開發(fā)，編寫系統(tǒng)控制程序，結(jié)合電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用Proteus和ICCAVR單片機(jī)開發(fā)軟件對(duì)系統(tǒng)控制程序進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證程序的可行性。這一問題的解決，誕生了以AVR單片機(jī)ATMEGA8L為核心控制器件的光伏電源控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了太陽電池板與汽車通用的鉛酸蓄電池之間電壓的自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)匹配，充電過程的自動(dòng)調(diào)節(jié)以及放電過程的自動(dòng)控制和保護(hù)。

（二）基本構(gòu)成

電動(dòng)車光伏控制系統(tǒng)是用來控制電動(dòng)車電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、進(jìn)退、速度、停止以及電動(dòng)車的其它電子器件的核心控制器件，它就象是電動(dòng)車的大腦，是電動(dòng)車上重要的部件，并具有蓄電池過充、過放的保護(hù)裝置，LED實(shí)時(shí)顯示車輛的運(yùn)行狀況以及蓄電池充電和放電等狀態(tài)。它的原理結(jié)構(gòu)主要由太陽能光伏電池陣列、蓄電池及充放電控制、AVR單片機(jī)控制系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及顯示器等部分組成。

二、光伏控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）太陽能電池和蓄電池

太陽能電動(dòng)車供電系統(tǒng)的關(guān)鍵就是合理安排太陽能電池和蓄電池之間的材質(zhì)配置。光伏電池通常由單晶硅、多晶硅、非晶硅和化合物等材料制成，目前國內(nèi)光伏材料的光電轉(zhuǎn)化效率一般在14％左右。一般來說，都是選用12個(gè)型號(hào)為NZ6161的太陽電池板，分成二組串聯(lián)并列在一起，使太陽能電池陣列輸出達(dá)到近12V的電壓，輸出約0.6A的電流。相匹配的蓄電池為氫鎳電池，型號(hào)是QNFZ10，具有額定容量為10Ah、標(biāo)稱電壓為1.2V的技術(shù)指標(biāo)，如果將20個(gè)蓄電池串聯(lián)并列成二組，將輸出高達(dá)12V的電壓。

（二）無刷直流電動(dòng)機(jī)

它是一種用電子換向的小功率直流電動(dòng)機(jī)，是用半導(dǎo)體逆變器取代一般直流電動(dòng)機(jī)中的機(jī)械換向器，構(gòu)成沒有換向器的直流電動(dòng)機(jī)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性好、起動(dòng)力巨大、電磁噪聲低等特點(diǎn)，較交流電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)更適合太陽能電動(dòng)車的需要。功能：接受信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。

（三）AVR單片機(jī)控制系統(tǒng)

AVR單片機(jī)是個(gè)一種高速嵌入式單片機(jī)，集成鍵盤輸入、液晶顯示、遙控和安全報(bào)警等模塊于一體，根據(jù)電動(dòng)車的運(yùn)行情況、太陽光照度強(qiáng)弱、蓄電池充放電狀態(tài)等進(jìn)行智能控制。它具有預(yù)取指令功能，即在執(zhí)行一條指令時(shí)，預(yù)先把下一條指令取進(jìn)來，使得指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行。同時(shí)，還具有這些優(yōu)勢(shì)，即數(shù)據(jù)處理速度快、中斷響應(yīng)速度快、耗能低、保密性能好；I/O口功能強(qiáng)，具有A/D轉(zhuǎn)換等電路；有功能強(qiáng)大的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及通訊接口；片內(nèi)有EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以按字節(jié)讀寫。

三、光伏控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)軟件混合采用C語言和匯編語言進(jìn)行編寫，主要由主程序和定時(shí)中斷服務(wù)程序組成?；镜闹鞒绦蚴浅跏蓟瘯r(shí)完成PIC16C5x的I/O配置和中斷設(shè)置，在循環(huán)等待過程采集判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)，并進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)處理子程序。同時(shí)等待鍵盤輸入和串行通信的起始位，異步串行通信是通過設(shè)置通用I/O口，以軟件形式來完成異步串行通信。系統(tǒng)通過鍵盤的輸入來控制LCD的顯示內(nèi)容，由LCD在線顯示系統(tǒng)所處的狀態(tài)，表明系統(tǒng)充電或放電狀態(tài)。也可選擇顯示蓄電池電壓、容量及充放電電流。上述控制方式表明，以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)車的各項(xiàng)性能參數(shù)。

四、結(jié)語

AVR單片機(jī)構(gòu)成的太陽能電動(dòng)車光伏控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)、環(huán)保節(jié)能，結(jié)合太陽能電動(dòng)車自身的良好特點(diǎn)，必將具有良好的市場(chǎng)發(fā)展前景。作為不僅肩負(fù)著要把太陽能轉(zhuǎn)換成電能的重任，而且還對(duì)蓄電池提供智能充電特管理的AVR單片機(jī)構(gòu)成的太陽能電動(dòng)車光伏控制系統(tǒng)，必將在太陽能電動(dòng)車上發(fā)揮著更大更強(qiáng)的作用。

參考文獻(xiàn)：

智能電動(dòng)車范文第5篇

和諧系列大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車現(xiàn)在已經(jīng)成為我國重載牽引的主力機(jī)型，到現(xiàn)在我段配屬機(jī)車中，和諧1型、和諧2型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車占到配屬機(jī)車的80%以上。而現(xiàn)有技術(shù)資料有限，且由于知識(shí)產(chǎn)權(quán)和技術(shù)保密等原因，至今還沒有一種技術(shù)資料對(duì)其控制方式進(jìn)行系統(tǒng)解釋和說明。為了方便廣大職工學(xué)習(xí)和掌握和諧型重載機(jī)車的理論知識(shí)，結(jié)合和諧1型、和諧2型、和諧3型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車的控制方式不同和本人的理解，現(xiàn)對(duì)和諧系列大功率交流傳動(dòng)機(jī)車性能控制理論進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

機(jī)車動(dòng)力控制概況分析

機(jī)車性能參數(shù)的控制主要是由機(jī)車司機(jī)通過司機(jī)控制器來控制機(jī)車的工作狀態(tài)和參數(shù)，以達(dá)到控制機(jī)車動(dòng)力輸出的工作狀態(tài)。從內(nèi)燃機(jī)車、交直流傳動(dòng)電力機(jī)車到交直交傳動(dòng)機(jī)車，其控制方式和控制原理是有較大的區(qū)別的。

內(nèi)燃機(jī)車由于機(jī)車自帶全部動(dòng)力系統(tǒng)，其動(dòng)力控制是通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率以及機(jī)車的牽引制動(dòng)工況，實(shí)現(xiàn)完全控制機(jī)車的動(dòng)力性能。

交直流傳動(dòng)電力機(jī)車，由于其饋電電源來自交流電網(wǎng)，無法對(duì)線路上的每臺(tái)機(jī)車單獨(dú)控制，在電源動(dòng)力轉(zhuǎn)換時(shí)，主變壓器采用有級(jí)控制的方式。通過控制主變壓器工作時(shí)的變比，控制傳動(dòng)裝置輸出的電壓和功率。

對(duì)于以上兩種類型的機(jī)車，由于傳動(dòng)裝置輸出能在較大速率范圍內(nèi)符合牽引動(dòng)力的牛馬特性，利用傳動(dòng)裝置的自然特性，不需要對(duì)傳動(dòng)裝置進(jìn)行專門控制，只需要把司機(jī)控制器手柄信號(hào)轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)或主變級(jí)數(shù)控制信號(hào)，就完全可以實(shí)現(xiàn)機(jī)車牽引動(dòng)力和狀態(tài)的控制。

對(duì)于交直交流傳動(dòng)的和諧系列大功率電力機(jī)車，由于采用了交流牽引電機(jī)作為機(jī)車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元，而交流電機(jī)的工作特性自適應(yīng)的工作范圍比較窄，只有在電源工作頻率下方很小的范圍內(nèi)電機(jī)才能穩(wěn)定工作，所以必需對(duì)傳動(dòng)裝置進(jìn)行相對(duì)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)控制，使其在機(jī)車全部工作狀態(tài)的范圍內(nèi)，輸出使交流電機(jī)能夠穩(wěn)定工作的可控制電源。

和諧系列機(jī)車的牽引特性分析

由和諧1型、和諧2型及和諧3型大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車的牽引特性（如圖）可以看出，機(jī)車的全部工作范圍按速度可以分為3個(gè)階段：即恒牽引力工作區(qū)段、線性控制工作區(qū)段和恒功率控制工作區(qū)段三個(gè)限制工作區(qū)段。

在牽引工況下，分為機(jī)車恒牽引力（轉(zhuǎn)矩）啟動(dòng)階段、線性控制加速階段和恒功率調(diào)速牽引工作區(qū)段。在啟動(dòng)階段，機(jī)車速度低于5km/h（和諧3型機(jī)車為10km/h）時(shí)，機(jī)車牽引力恒定不變，在機(jī)車速度達(dá)到65km/h（25噸軸重機(jī)車為70km/h）時(shí)，機(jī)車進(jìn)入恒功率調(diào)速控制模式，在5km/h到65km/h之間的區(qū)間采用線性調(diào)速控制模式。和諧1型和和諧2型機(jī)車控制采用無級(jí)調(diào)速恒速控制方式，而和諧3型機(jī)車采用分級(jí)調(diào)速控制方式，在機(jī)車手柄級(jí)數(shù)較低時(shí)（5級(jí)以下）不會(huì)進(jìn)入力矩限制工作區(qū)段，機(jī)車從恒牽引力工作狀態(tài)直接進(jìn)入準(zhǔn)恒速工作狀態(tài)；在機(jī)車手柄級(jí)數(shù)較高（7級(jí)以上）時(shí)，機(jī)車經(jīng)過恒牽引力控制、線性控制和恒功率控制三個(gè)限制工作區(qū)段進(jìn)入準(zhǔn)恒速工作狀態(tài)，當(dāng)機(jī)車速度進(jìn)入較高速度范圍，電機(jī)工作電壓和工作電流都達(dá)到最大值時(shí)，只能改變輸出頻率進(jìn)行調(diào)速，機(jī)車進(jìn)入限制特性工作區(qū)。

在機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)工況下，在機(jī)車運(yùn)行速度較高時(shí)，機(jī)車工作在恒功率制動(dòng)控制模式，在機(jī)車運(yùn)行速度較低接近停車區(qū)域時(shí)，機(jī)車工作在線性控制工作模式，在中間區(qū)段，機(jī)車工作在恒制動(dòng)力的限制工作模式。在參數(shù)設(shè)計(jì)上，和諧1型機(jī)車23噸軸重和25噸軸重機(jī)車工作區(qū)段轉(zhuǎn)折點(diǎn)相同，都是5km/h和75km/h。和諧2型機(jī)車線性限制工作區(qū)與恒制動(dòng)力限制工作區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是10km/h，恒功率制動(dòng)限制工作曲線在機(jī)車不同軸重情況下，進(jìn)入恒制動(dòng)力限制工況轉(zhuǎn)折點(diǎn)的速度和制動(dòng)力是不同的，軸重越大，其制動(dòng)力越大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)速度越低。和諧3型機(jī)車采用有級(jí)控制準(zhǔn)恒速控制模式，機(jī)車采用25噸軸重時(shí)在恒制動(dòng)力區(qū)和恒功率區(qū)的制動(dòng)力都要比23噸軸重機(jī)車的制動(dòng)力要大，而各個(gè)手柄位的限制曲線不變，手柄位越高，其限制制動(dòng)速度越高，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行速度低于限制速度時(shí)機(jī)車動(dòng)力制動(dòng)力會(huì)迅速下降，機(jī)車失去動(dòng)力制動(dòng)的作用，在操縱中司機(jī)要根據(jù)機(jī)車運(yùn)行速度的變化及時(shí)調(diào)整手柄位置，保證機(jī)車處于正常動(dòng)力制動(dòng)的工作狀態(tài)。

和諧系列機(jī)車牽引電機(jī)特性分析

和諧系列大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引電機(jī)采用感應(yīng)式三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)交流電機(jī)的扭矩特性（如圖4）可以看出，交流電機(jī)在電源電壓和頻率不變的情況下，其工作范圍可分為三個(gè)部分，從電機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)A到最大扭矩點(diǎn)B之間，電機(jī)的扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，電機(jī)處于加速啟動(dòng)狀態(tài)，在電機(jī)轉(zhuǎn)速超過最大制動(dòng)扭矩B’點(diǎn)以后，制動(dòng)扭矩隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，在這兩個(gè)工作區(qū)段，電機(jī)處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)；從電機(jī)最大扭矩點(diǎn)B到同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)C之間，電機(jī)輸出扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加迅速減小至零，超過同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)C之后，電機(jī)進(jìn)入動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài)，變?yōu)榘凑瞻l(fā)電機(jī)工作狀態(tài)運(yùn)行，到最大制動(dòng)扭矩B’點(diǎn)之間，制動(dòng)扭矩隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，電機(jī)輸出特性與負(fù)載特性相匹配，電機(jī)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。當(dāng)機(jī)車由于負(fù)載變化，速度增加時(shí)，電機(jī)通過減小輸出扭矩或增加制動(dòng)扭矩，使機(jī)車速度回復(fù)穩(wěn)定的工作速度，達(dá)到新的工作平衡點(diǎn)。同樣，當(dāng)機(jī)車由于負(fù)載變化，速度減小時(shí)，電機(jī)通過增大輸出扭矩或減小制動(dòng)扭矩，使機(jī)車速度回復(fù)穩(wěn)定的工作速度，達(dá)到新的工作平衡點(diǎn)。在從B點(diǎn)到B’點(diǎn)的全部工作區(qū)段中，電機(jī)在每一點(diǎn)都可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)整是電機(jī)自動(dòng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。交流電機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)工作轉(zhuǎn)速范圍很小，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一致達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)的輸出扭矩降為零。也就是說要使電機(jī)一直保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，必須把電機(jī)的轉(zhuǎn)差率控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定工作在同步轉(zhuǎn)速附近。

交流牽引電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T可用公式T=K?Φ?Ι2?COSφ2表示，其中：K為常數(shù)，Φ為每極磁通量，Ι2為轉(zhuǎn)子電流，COSφ2為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。

轉(zhuǎn)子電流Ι2和轉(zhuǎn)子功率因數(shù)COSφ2可用公式Ι2= S?E20/√￣（R22+（S?X20）2）， COSφ2= R2/√￣（ R22+（S?X20）2）表示，帶入轉(zhuǎn)矩公式后，公式可變換為：

T=K?Φ?E20?S?R2/（ R22+（S?X20）2）

E20為電機(jī)靜止時(shí)轉(zhuǎn)子自感電動(dòng)勢(shì)，S為轉(zhuǎn)差率，R為轉(zhuǎn)子內(nèi)阻，X20為電機(jī)靜止時(shí)轉(zhuǎn)子感抗。

額定工況工作時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)差率S很小，與轉(zhuǎn)子阻抗R2相比S?X20可以忽略不計(jì)，而Φ、E20都與電壓U成正比，交流電機(jī)的扭矩公式可以變換為T=K（U/f）2fs ，fs為轉(zhuǎn)差頻率。從公式可以看出電機(jī)輸出扭矩與電源電壓與頻率的比值的平方成正比，與電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率成正比。根據(jù)交流電機(jī)特性曲線（如圖4）、和諧系列機(jī)車的牽引制動(dòng)特性曲線（如圖1-3）及和諧1型、和諧2型及和諧3型機(jī)車牽引電機(jī)特性曲線（如圖5-7）要求可以看出，只要分別控制變流器輸出的頻率、電壓，就可以控制交流牽引電機(jī)同步轉(zhuǎn)速和輸出扭矩，按機(jī)車設(shè)計(jì)的牽引和制動(dòng)特性曲線，控制機(jī)車按設(shè)定的參數(shù)運(yùn)行。

和諧系列機(jī)車牽引變流器性能控制的分析與探討

根據(jù)交流牽引電機(jī)的特性分析，通過調(diào)整主變流器輸出電壓的頻率，可以調(diào)控交流牽引電機(jī)的同步運(yùn)行轉(zhuǎn)速。在變流器輸出電壓不變時(shí)，隨著電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)輸出扭矩與電源頻率的平方成反比例下降。為了使變流器的輸出與交流電機(jī)的工況相匹配，需要單獨(dú)控制變流器的輸出的電壓和頻率。

分析和諧1型、和諧2型、和諧3型大功率交流傳動(dòng)機(jī)車主變流器，雖然其所選原件和控制參數(shù)有所差異，其控制原理都是一樣的。

機(jī)車主牽引變流器分為四象限整流器、中間直流環(huán)節(jié)和四象限逆變器三個(gè)部分，整流器和逆變器的核心原件都是采用的IGBT模塊。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）絕緣柵雙極型晶體管，有輸入阻抗高和導(dǎo)通壓降低兩方面的優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)功率小，非常適合應(yīng)用于變頻器。IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成，封裝后的IGBT模塊直接應(yīng)用于變頻器。中間直流環(huán)節(jié)采用巨型電容作為儲(chǔ)能元件，可以把整流器和逆變器隔離開來，吸收IGBT模塊通斷時(shí)產(chǎn)生的高次諧波，使中間直流環(huán)節(jié)保持穩(wěn)定的工作電壓。由于主變流器的四象限整流器和四象限逆變器都采用IGBT模塊，在不采取任何控制時(shí)，整流器就是一個(gè)全橋單相整流器，逆變器就是一個(gè)三相全橋整流器。在對(duì)IGBT進(jìn)行控制的情況下，整流器和逆變器都可以在四個(gè)相限進(jìn)行工作。通過控制IGBT模塊的通斷，控制交流端電壓的大小、頻率和相位角，就可以控制其工作在整流器或者逆變器的工作狀態(tài)。下面對(duì)變流器各工作單元在不同工況下工作狀態(tài)進(jìn)行具體的分析。

1、機(jī)車牽引工況下變流器工作狀態(tài)分析

由于IGPT模塊開關(guān)損耗及冷卻條件的限制，其最大工作頻率受到一定的限制，調(diào)制頻率不能超出IGPT的限制工作頻率。在高速區(qū)段，由于變流器輸出端電壓已經(jīng)達(dá)到工作的最大值，只能通過調(diào)整輸出頻率和轉(zhuǎn)差頻率來調(diào)節(jié)機(jī)車運(yùn)行速度，因此，在高速區(qū)段可采用單倍頻方波調(diào)制方式，直接輸出方波電壓波形。在速度較低時(shí)，由于輸出頻率較低，采用方波調(diào)制會(huì)產(chǎn)生較大的諧波干擾，功率因數(shù)較低，為了改善波形，提高效率，改善牽引電機(jī)的工作條件，一般取方波脈沖調(diào)制方式輸出。

變流器的輸出最終是要控制三相交流牽引電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從牽引逆變器的控制來看逆變器要實(shí)現(xiàn)以下三方面作用：

首先要進(jìn)行相位控制來保證按三相交流電相位進(jìn)行輸出；通過對(duì)逆變器三相整流模塊W、M、N的IGPT模塊控制的調(diào)制基波按120度的相位差進(jìn)行控制，由于三相橋輸出波形與與其對(duì)應(yīng)的調(diào)制基波波形保持一致，可保證牽引逆變器按標(biāo)準(zhǔn)三相交流電相位進(jìn)行輸出。第二，要進(jìn)行電壓和頻率控制，保證牽引電機(jī)扭矩特性按機(jī)車的牽引特性要求輸出；要控制變流器輸出電壓與頻率的比值大小，使其與牽引電機(jī)輸出扭矩一致。逆變器的輸出是通過IGBT模塊的通斷，使其輸出端與中間直流電源或地直接聯(lián)通，使其輸出幅值為直流電源電壓的矩形脈沖。通過調(diào)制波與載波信號(hào)的比較來控制IGBT模塊的通斷，改變載波與調(diào)制波的幅值比，可以改變IGBT模塊輸出的占空比，相應(yīng)的改變單個(gè)周期的電壓的平均值；通過改變單位時(shí)間內(nèi)周期的個(gè)數(shù)，改變輸出電壓的頻率，可以改變交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。在調(diào)節(jié)過程中保持電壓與輸出頻率的比值不變，可以保持電機(jī)輸出的扭矩在速度變化時(shí)保持不變，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒扭矩調(diào)速。第三、要進(jìn)行轉(zhuǎn)差率控制，保證電機(jī)工作在穩(wěn)定工作區(qū)；從電機(jī)扭矩特性曲線可以看出，在電機(jī)加速調(diào)節(jié)過程中，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)差率迅速減小，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)輸出扭矩迅速減小到零輸出。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，轉(zhuǎn)差率增大時(shí)，電機(jī)輸出扭矩同時(shí)增大，提高機(jī)車的加速能力。如果超過最大扭矩點(diǎn)，電機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工作區(qū)，就會(huì)造成扭矩輸出迅速減小，造成機(jī)車途中停車。所以，牽引逆變器的控制主要是根據(jù)機(jī)車實(shí)際運(yùn)行速度，也就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制逆變器調(diào)制基波的頻率，使電機(jī)工作在規(guī)定的轉(zhuǎn)差率范圍內(nèi)，同時(shí)控制輸出電壓大小，使?fàn)恳姍C(jī)扭矩輸出按機(jī)車牽引曲線運(yùn)行。由于電機(jī)轉(zhuǎn)差率控制在很小的數(shù)字上，使電機(jī)的功率因數(shù)保持很高接近于1，保證電機(jī)輸入的功率全部用于對(duì)外輸出，提高了機(jī)車能源利用效率，同時(shí)減小了電機(jī)的諧波沖擊和電機(jī)發(fā)熱，改善了電機(jī)的工作條件。

根據(jù)電機(jī)的扭矩特性分析，電機(jī)在輸入電壓和頻率不變的情況下，電機(jī)的輸入電流可用以下公式表示：

I=（U-E1-E2）/R

U―輸入端電壓；E1―定子線圈自感電動(dòng)勢(shì)；E2―轉(zhuǎn)子線圈互感電動(dòng)勢(shì)；R―定子線圈電阻。

在電機(jī)啟動(dòng)之前，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，定子線圈的自感電動(dòng)勢(shì)是保持恒定抵消絕大部分電壓，E2反向最大，電源合成后，相當(dāng)于E2電壓全部加在定子電阻上，電機(jī)的啟動(dòng)電流非常大，一般電機(jī)的啟動(dòng)電流都在額定電流的6到8倍左右。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，E2迅速增大，使電機(jī)電流迅速減小。在電機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)的范圍內(nèi)，電機(jī)電流隨轉(zhuǎn)速的增加成線性減小關(guān)系。

四象限整流器是變流器中的另一個(gè)主要環(huán)節(jié)，是變流器中的能量輸入環(huán)節(jié)，與中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)共同構(gòu)成能量傳遞的傳送控制鏈。

四象限整流器主要要解決以下幾個(gè)問題：1保持中間直流環(huán)節(jié)的電壓保持穩(wěn)定，2保持整流電流滿足牽引電機(jī)工作時(shí)的需要，3保證機(jī)車供電電流變化趨勢(shì)與電網(wǎng)供電電壓相匹配。

從四象限整流器的結(jié)構(gòu)分析，四象限整流器采用IGBT元件與二極管反向并聯(lián)的方式，使其具有電流雙向流通單向可控的特點(diǎn)，按照全橋整流方式聯(lián)結(jié)后，使其整流具有雙向可控的能力，在交流端電壓或直流負(fù)載發(fā)生變化的情況下，直流輸出電壓可以控制在恒定的狀態(tài)。

四象限整流器在IGBT控制信號(hào)關(guān)閉的情況下，與二極管全橋整流電路是一樣的。由于電路中存在非線性的濾波電容和和電機(jī)線圈電感元件，電路的功率因數(shù)不可能達(dá)到1.0的數(shù)值。采用四象限整流的主要功能就是實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的控制。

四象限整流器控制功率因數(shù)的方法是讓網(wǎng)側(cè)電流接近正弦波，并且與電壓同相。為控制電壓和電流的相位關(guān)系，在變流器的四象限整流器與主變供電線圈之間串聯(lián)一個(gè)電感線圈，用以補(bǔ)償變流器工作時(shí)由于負(fù)載電流變化中間直流環(huán)節(jié)濾波電容造成的供電電源相位的變化。由于補(bǔ)償電感線圈的電壓Uls超前電流Is相位90度，電壓的大小與通過的電流Is和頻率f成正比，所以，必須控制四象限整流器輸入電壓Uc與電源電壓Us之間的相位與電源Us初相位偏移角φ，使電感線圈電壓與整流器輸入電壓的非線性分量Uc*sinφ相互抵消，才能使主變輸出端的電壓Us和電流Is相位保持一致，使機(jī)車的功率因數(shù)為1.0，其矢量圖如圖8所示。

由于串聯(lián)電感線圈的存在，并且四象限整流器用PWM調(diào)制技術(shù)，因此四象限整流器實(shí)質(zhì)上是個(gè)升壓斬波器。在交流電流正半周期內(nèi)當(dāng)V、X模塊導(dǎo)通時(shí)，電網(wǎng)電源Us和直流電源Ud形成疊加效應(yīng)，快速向電感線圈充電，當(dāng)V、X有一個(gè)模塊導(dǎo)通時(shí)，通過U、Y對(duì)應(yīng)的續(xù)流二極管，電網(wǎng)電源Us繼續(xù)對(duì)電感線圈進(jìn)行充電；當(dāng)V、X模塊全部截至?xí)r，由于電感元件電流的連續(xù)性，電網(wǎng)電源和電感線圈電壓疊加通過U、Y的續(xù)流二極管對(duì)中間直流電源進(jìn)行供電，由于電感的疊加作用，可以使中間直流電源獲得比電源最大整流電壓更高的電壓，具有升壓整流的作用。同樣在交流電流負(fù)半周期內(nèi)，U、Y模塊的作用與正半周V、X模塊起到的作用相同。

和諧系列機(jī)車四象限整流器的工作原理是一樣的，根據(jù)機(jī)車選用IGBT模塊參數(shù)的不同，其工作參數(shù)也各有所不同。和諧1型機(jī)車IGBT模塊最大開關(guān)頻率250Hz，采用5倍頻同步調(diào)制，最大輸入電流1712A。和諧2型機(jī)車最大開關(guān)頻率800Hz，采用15倍頻同步調(diào)制，最大輸入電流1699A。和諧3型機(jī)車最大開關(guān)頻率450Hz，采用9倍頻同步調(diào)制，最大輸入電流966A。逆變器與四象限整流器采用相同的元件，具有較高的輸出頻率范圍，分別是0-116Hz、0-141Hz和0-120Hz。最大輸出電流分別為1566A、1900A和520A。由于開關(guān)原件受到開關(guān)損耗和冷卻調(diào)件的影響，開關(guān)頻率收受到限制，在機(jī)車中高速工作區(qū)段，一般采用同步脈沖調(diào)制方式。隨著輸出頻率的降低，脈沖調(diào)制輸出波形失真逐步增大，功率因數(shù)降低，穩(wěn)定工作點(diǎn)的離散性也越來越大，工作狀態(tài)變差。為了充分利用IGBT模塊的開關(guān)頻率，改善逆變器在低頻率輸出區(qū)段的波形，一般采用異步脈沖調(diào)制方式。

2、機(jī)車制動(dòng)工況下變流器工作狀態(tài)分析

根據(jù)交流牽引電機(jī)的特性曲線可以看出，在電機(jī)轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速后，電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，轉(zhuǎn)差率變?yōu)樨?fù)值，電機(jī)輸出扭矩方向發(fā)生改變，電機(jī)進(jìn)入動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)電流方向也發(fā)生改變，由流入電機(jī)變?yōu)榱鞒鲭姍C(jī)，電機(jī)由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行。

對(duì)于牽引逆變器來說，其控制輸出的相位、電壓和頻率控制與牽引工況是一樣的，所不同的是輸出電流的方向發(fā)生改變，并控制電機(jī)轉(zhuǎn)差率為負(fù)值，使電機(jī)在穩(wěn)定的工作范圍以內(nèi)工作。

對(duì)于四象限整流器來說，牽引工況下控制整流器輸入電壓Uc相位角滯后電網(wǎng)電源電壓Us，能量流動(dòng)電網(wǎng)流向變流器方向。在動(dòng)力制動(dòng)工況下，整流器輸入電壓Uc相位角變?yōu)槌半娋W(wǎng)電源電壓Us，在同樣的控制信號(hào)狀態(tài)下，由于電壓的相位發(fā)生變化，在交流電流正半周期內(nèi)當(dāng)控制信號(hào)加在V、X模塊上時(shí)，由于模塊兩端的電位差反向，模塊并不導(dǎo)通，電感線圈通過V、X模塊對(duì)應(yīng)的續(xù)流二極管對(duì)電網(wǎng)和中間直流環(huán)節(jié)放電。當(dāng)控制信號(hào)加在U、Y模塊上時(shí)，模塊導(dǎo)通，直流電源Ud通過U、Y模塊向電感線圈Ls及電網(wǎng)電源Us反向充電，當(dāng)U、Y只有一個(gè)模塊導(dǎo)通時(shí)，由于電感元件電流的連續(xù)性，電感線圈通過導(dǎo)通模塊U（Y）和模塊V（X）的續(xù)流二極管，繼續(xù)對(duì)電網(wǎng)電源Us進(jìn)行充電；同樣在交流電流負(fù)半周期時(shí)，V、X模塊的作用與U、Y模塊在正半周起到的作用相同。

通過以上分析可以看出，在機(jī)車制動(dòng)工況下，牽引逆變器輸出電壓的頻率低于交流牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，電機(jī)在負(fù)轉(zhuǎn)差率工況下運(yùn)行，在交流電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流的頻率為f2-f1，電機(jī)工作在異步發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電頻率為f2-（f2-f1）= f1，與逆變器輸出頻率和相位都相同，幅值大于逆變器輸出，使逆變器工作電流反向，逆變器實(shí)際上工作在可控三相四象限整流器狀態(tài)。而四象限整流器，由于控制基波相位超前于電網(wǎng)電壓相位，四象限整流器交流端電流也同時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)變?yōu)橄螂娋W(wǎng)饋電，四象限整流器工作在可控逆變器狀態(tài)。與牽引逆變器所不同的是，四象限整流器逆變工作的輸出頻率與電網(wǎng)頻率相同，是固定不變的。