无刷电机驱动的电动自行车控制系统毕业设计（含PCB图）.doc

毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目目: 无刷电机驱动的电动自行车 的控制系统设计 专专 业业: 数控技术 班班 级级: 学学 号号: 姓姓 名名: 指导老师指导老师: 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。于是发 展绿色交通工具已经成为一个重要的课题。考虑到我国的国情，发展电动自行车 具有重要的环保意义。随着电机技术及功率器件性能的不断提高，电动自行车的 控制器发展迅速。本文设计采用无刷直流电机专用控制芯片 MC33033 为控制芯片， 以功率器件 MOSFET 为开关器件驱动电机，实现对无刷直流电机的控制。设计出 了电路原理图、印制板电路图和电路板实物的 3 维效果图。 关键词：关键词： 无刷直流电机 MC33033 原理图 印制板电路图 I Abstract In recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking into account Chinas national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the motor technology and continuously improve the performance of power devices, the rapid development of electric bicycle controller. This design uses a brushless DC motor for the control of dedicated control chip MC33033 chip, in order to power MOSFET devices as the switching device drive motor, to achieve control of the electric bike. Design a circuit diagram, PCB circuit diagrams and circuit board real 3-D renderings. KeywordsKeywords：brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit II 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 引言 .5 1.1 课题的研究背景及发展状况 5 1.1.1 当今社会的能源问题 5 1.1.2 无刷直流电机的发展过程 5 1.1.2 无刷直流电机的特点 6 1.2 电动自行车的组成 部分 .7 1.3 课题研究的内容 7 第 2 章 电动自行车的主要技术 .9 2.1 电动自行车的基本性能 9 2.2 电动自行车的主要技术参数 .10 2.2.1 整车主要技术参数 .10 2.2.2 蓄电池主要技术参数 .10 2.2.3 电动机主要技术参数 .11 2.2.4 控制器主要技术参数 .11 2.3 电动自行车的电机控制技术 .12 2.4 无刷直流电机的结构与原理 .12 2.5 无刷直流电机的调速方法 .14 2.6 无刷直流电机的位置检测 .15 第 3 章 系统元器件选择 17 3.1 控制芯片 MC3303317 3.2 功率器件 MOSFET.20 3.3 无刷电机驱动芯片 IR2103.22 3.4 闭环无刷电机适配器 MC3303923 3.5 蓄电池的选择 .24 第 4 章 系统电路设计 27 4.1 普通无刷电动机控制电路 .27 4.2 主电路设计 .28 4.2.1 电源电路设计 .28 4.2.2 驱动电路设计 .28 4.2.3 刹车电路设计 .29 4.2.4 调速电路设计 .30 4.2.5 钥匙开关设计 .31 4.2.6 整体电路图 .32 第 5 章 印制电路板设计 34 5.1 确定元件封装 .34 5.2 生成网络表 .35 5.3 印制电路板环境设置 .35 III 5.4 绘制 PCB 板 .36 结 论 38 致 谢 39 参考文献 40 附 录 1 41 附 录 2 42 附 录 3 43 4 第 1 章 引言 1.11.1 课题的研究背景及发展状况课题的研究背景及发展状况 1.1.1 当今社会的能源问题 能源是人类社会存在和发展的物质基础。当今社会，能源和环境问题已经成 为困扰人类社会进步和发展的重大课题。自从英国工业革命以来，以煤炭、石油 和天然气等化石燃料为一次能源的供能系统极大地促进和推动了世界各国的经济 发展。但与此同时，大量使用化石燃料所带来的严重后果：资源枯竭、环境污染、 生态资源破坏等。 自从20世纪70年代发生能源危机以来，人类探寻一种新的、清洁、安全可靠 的可持续能源系统，世界各国对新能源与可再生能源日益重视，不断加大人力和 物力的投入力度，促进了新能源与可再生资源利用技术和装置的研发，加快了新 能源与可再生资源的商业化进程。 进入 21 世纪，我国的能源问题，尤其是石油问题，也变得日益严重。我国 的矿物能源储量比较丰富，但是人均能源资源却只有世界人均能源资源的二分之 一左右。二十多年来，我国经济快速、持续发展，其发展速度与质量为世界所瞩 目。但同时又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战，目 前我国已经世界第二大石油进口国，能源问题十分紧迫。 由此可发现在交通方面发展一种绿色可再生的能源已显得非常重要。 1.1.2 无刷直流电机的发展过程 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经 济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和 直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而 存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点， 再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。 针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪 30 年代就有人开始研制以电 5 子换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪 60 年代初终于实现了这一愿望。进入 70 年代晶闸管开始形成由低电压小电流 到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一 代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力 电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃， 先后研制出 GTR、GTO、功率 MOSFET 等自关断全控型第二代电力电子器件。而以 绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、 响应快、低损耗方向发展。而进入 90 年代电力电子器件正朝着复台化、标准模 块化、智慧化、功率集成的方向发展。正是由于功率器件 GTR、MOSFET、IGBT、IPM 等相继出现和发展，以及高性能永磁材料的问世，均 为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。采用霍尔组件位置传感器的无 刷直流电机结构简单、适应性好、信号容易控制，因此，霍尔组件位置传感器始 终是无刷直流电机位置传感器的主流。 目前随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现， 采用全控型的开关功率组件进行脉冲调制(pulse width modulation，简称 PWM) 控制电机已成为主流 。现在国外一些公司相继推出了用于电机调速的数字信号 处理（DSP）芯片，在电冰箱、洗衣机、空调等家用电器领域及工业变频控制领 域，以其结构紧凑、使用便捷、可靠性高、功能强和成本低等优势而被广泛使用。 1.1.2 无刷直流电机的特点 无刷直流电机（ BLDCM : Brushless Direct Current Motor ）是指无机械 电刷和换向器（或集电环）的直流电机，又称无换向器直流电机，它以电子换向 器代替机械电刷和换向器实现直流电机的换向。无刷直流电机克服了有刷直流电 机由于电刷环流而引起的磨损，产生火花而又引起噪音，及其对周围电路带来恶 劣影响。无刷直流电机回馈装置简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构 更为简单，使电机和逆变器各自潜力得到充分发挥。且调速性能优越，体积小， 重量轻，转动惯量小，不存在励磁损耗。同时，无刷直流电机既具备交流电机的 结构简单、运行可靠、维护方便的一系列优点，又具备有刷直流电机的运行效率 高等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的 噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病，且降低了制造成本，简化了电机维 修。 进入九十年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率 6 器件，如 GTR 、 MOSFET 、IGBT 、MCT 等相继问世，以及微处理器、大规模集 成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化。这些开关器件本身向着高 频化、大容量、智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、自我保护等 功能为一体的智能功率模块（IPM）和大功率集成电路，使无刷直流电动机的关 键部件逆变器的成本降低，且向高频化、小型化发展。无刷直流电机的应用和开 发进入一个新阶段，目前正朝着超高速、高转矩、高功能化、微型化方向发展。 所以无刷直流电机在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、及 计算机驱动器以及家用电器等方面得到了广泛的应用。 1.2 电动自行车的组成电动自行车的组成 部分部分 电动自行车一般由动力部分、传动部分、行车部分、操纵制动部分、电气仪 表部分组成。 1. 动力部分 电动自行车的动力部分通常由蓄电池和电机构成，是电动自行车的动力来源。 其性能的好坏，直接影响电动自行车的动力性和经济性. 2. 传动部分 电动自行车传动部分的作用是将动力部分输出的功率传递给驱动轮，驱使电 动自行车行驶。通过变速器或调速器，使电动自行车获得行驶所需要的驱动力和 速度，并保证电动自行车的平稳起步和停车。它由变速器、后传动装置组成。 3. 行车部分 行车部分的作用是使电动自行车构成一个整体，支撑全车的总重量，将传动 部分传递的扭矩转换成驱使电动自行车行驶的牵引力，同时承受吸收和传递路面 作用于车轮上的各种反力，确保电动自行车正常、安全行驶。它主要由车架、前 减震器、前后轮、座垫等组成。 4. 操纵制动部分 操纵制动部分的作用是直接控制行车方向、行驶速度、制动等，以确保电动 自行车行驶安全。它由车把、制动装置、调速手把等组成。电气仪表装置是保证 车辆安全行驶并反映车辆运动状态的主要装置，它使骑行者能正确、有效地对车 辆行驶适时地进行控制。它由数据显示装置、充电器等组成。 1.3 课题研究的内容课题研究的内容 由于直流无刷电机具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系 7 列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特 点，在医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用得到日益普 及。 因此，本文设计开发了一套无刷直流电机驱动的电动自行车的控制系统， 36V 电源供电，采用 MC33033 作为主控制芯片，功率器件 MOSFET 起开关作用驱 动电机，采用 PWM 方式调速实现对电动自行车的控制。 8 第 2 章 电动自行车的主要技术 2.1 电动自行车的基本性能电动自行车的基本性能 按照国家标准电动自行车通用技术条件 ，电动自行车是以蓄电池为辅助 能源，具有两个车轮，能实现人力骑行、电动或电力助动功能的特种自行车；根 据道路安全法 ，把电动自行车划分为非机动车辆，电动自行车的性能不能超 出非机动车辆标准。下面介绍电动自行车通用技术条件中重要条款。 电动自行车采用旋转转把，通过控制器可以对电动机进行调速控制，电动车 最高时速 20Km/h。电动自行车必须具有可靠的刹车断电功能。电动自行车骑行 刹车制动时，刹车信号先送到控制器内，切断控制器输出到电动机的电源，电动 机停止输出动力，然后机械刹车系统制动，确保骑行者安全。 电动自行车整车质量不超过 40Kg。电动自行车比普通自行车多了蓄电池、 电动机等质量较大的部件，因此比普通自行车重了许多，但不应大于 40Kg 这一 非机动车标准上限，超过了就不能纳入非机动车管理范围。 电动自行车一般采用单块为 12V/12Ah 铅蓄电池串联组成电动自行车电源， 每块铅酸蓄电池电磁质量约 4.1Kg，24V 电源两块电池加外壳约 7.8Kg；36V 电源 三块电池加外壳质量约 13Kg。 低速电动机轮廓较重，质量约 5Kg，告诉电动机加减速齿轮构成的轮廓质量 约 3.5Kg。电池质量加电动机质量约占整车质量一半，留给自行车车体部分的约 20Kg。而电动自行车在较快速度下运行的交通工具，质量比自行车大，其结构强 度要求比自行车高。 电动自行车必须具有脚踏行驶功能。电动自行车纳入非机动车管理范畴，脚 踏功能是比不可少。在平坦的沥青或混凝土路面风速不大于 3m/s，电动自行车 30min 脚踏行驶距离不应小于 7Km。 电动自行车电池容量应保证一次充满电后续驶里程应不小于 25Km。电动自 行车企业的产品说明书讲一次充电后可行驶 40-50Km，其依据是电池放电时间在 120min 以上，最高车速 20Km/h，这样算来可以行驶 40Km。一组优质的电池应能 保证使用一年后电池容量能维持续驶里程大于 25Km。 电动自行车以电动骑行，100Km 的电能消耗应不大于 1.2KWh。电动自行车电 9 动机的额定连续输出功率一般选用 120-200W，最大应补大于 240W。 电动自行车常用蓄电池组标称电压一般为 24V、36V、48V，常用为 36V，最 高应不大于 48V。 电动自行车载重一般为 75Kg，有的达到 100Kg 左右，载重增加，就要求蓄 电池能提供更多的能源，电动机控制器必须增加功率，满足载重要求。 2.2 电动自行车的主要技术参数电动自行车的主要技术参数 电动自行车主要技术参数包括四部分：整车主要技术参数；蓄电池主要 1 2 技术参数；电动机主要技术参数；控制器主要技术参数。这些参数必须在说 3 4 明书中注明。 2.2.1 整车主要技术参数 1、外形尺寸：长宽高（mm） 千鹤牌：24i英克莱牌：24i22i22in16506301045 2、前后轮中心距（mm） 24in1230 22in1205 3、整车品质（Kg，不应大于 40Kg） 一辆电动自行车的整车质量一般为 30-35Kg。 4、最大载重量（Kg） 一辆电动自行车的最大载重在 75-100Kg。 5、最高车速（Km/h） 一辆电动自行车的最高车速为 20Km/h 左右。 6、续驶里程（Km） 一辆电动自行车的续驶里程采用 24V（24V/12Ah）供电为 20-25；采用 36V(36V/12Ah)供电为 45-60Km。 2.2.2 蓄电池主要技术参数 1、蓄电池的类型：在电动自行车中，常用的蓄电池有铅酸电池，还有镍氢 电池，锂电池。 10 2、蓄电池容量：在电动自行车中，常用的蓄电池容量有 10Ah、12Ah、14Ah、17Ah。 3、标称电压：在电动自行车中，常见蓄电池的标称电压有 24V、36V、48V 三种。一般标配为 36V。 同时蓄电池使用寿命也是本系统的一个重要因素，影响蓄电池寿命的因素可 分为三个方面：首先是蓄电池本身的性能和质量；其次是电动自行车系统中的各 个因素；第三方面是使用者的使用情况。 同时在电动自行车系统中，影响蓄电池使用寿命的最主要因素有两个，1、 电动机的效率状态 2、充电器的设计。如果电动机效率范围窄，经常工作在低效 率区，电动机内部容易发热，当温度过高时，磁性材料就会出现不可逆转的退磁， 久而久之效率进一步下降，从而进入恶性循环，即使跟换了电池也会无济于事。 2.2.3 电动机主要技术参数 1、电动机额定连续输出功率 电动机额定连续输出功率一般为 120-200W，最大不应大于 400W。 3、电动机额定电压 常见的电动机额定电压时 36V，少数电动机的额定电压时 24V 或 48V。 4、轮廓额定输出转矩（Nm） 电动自行车的轮廓额定输出转矩为 24in 轮廓额定转矩7.4 22in 轮廓额定转矩6.8 2.2.4 控制器主要技术参数 1、控制的额定电压 控制器的额定电压一般为 24V、36V、48V 三档。 2、控制器的欠电压保护值 控制器的欠电压保护值 控制器欠电压保护值根据额定电压不同而不同： 额定电压为 24V 的控制器，其次电压保护值为 20V 额定电压为 36V 的控制器，其欠电压保护值为 31.5V 额定电压为 48V 的控制器，其欠电压保护值为 41.5V 3、过流保护值 11 过流保护值一般由 24V/10A 和 36V12A（16A）两种。 2.3 电动自行车的电机控制技术电动自行车的电机控制技术 电动自行车是具有电力驱动，脚踏驱动，电力和脚踏并用等功能的绿色环保 交通工具。电动自行车的工作原理和结论都不复杂，可以认为是在自行车的基础 上加一套电机驱动机构组成的。电动自行车的控制框图如图 2-1 所示，蓄电池通 过控制器给电机供电，电机旋转带动自行车行进。电动自行车的控制器连接有一 个调速手柄，转动调速手柄可以改变控制器输入端信号的电压值，控制器根据电 压值的大小，调节输出给电机的电压的高低，从而控制电机的转速。 控制器 电机 调速手柄 传感器 蓄电池 2-1 电动自行车控制框图 电动自行车控制器由外围器件和主芯片组成，主芯片是由 PWM 发生器电路， 功率器件驱动电路，处理电路，过流与欠压保护电路，控制功率管导通时间的驱 动电路以及输入输出端口等集成在一起而构成的计算机芯片。外围器件是一些功 能器件，如电源电路，功率器件，信号采集电路，执行器件和采样器件等，包括 12 电阻，传感器和桥式开关电路，以及专用集成电路来共同完成控制过程。 控制器的设计质量，特性，所采用的微处理器的功能，功率开关器件电路及 周边器件布局等，直接关系到整车的性能和运行状态，也影响着控制器本身的性 能和效率。不同质量的控制器同在同一辆车上，也会在使用上显示出较大差别。 2.4 无刷直流电机的结构与原理无刷直流电机的结构与原理 无刷直流电机的基本工作原理是利用转子的位置信号和驱动电路，驱动功率 开关组件，使电枢绕组依一定顺序通电，从而在旋转磁场，带动转子旋转。随着 转子的转动，转子位置信号按一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态，实 现无刷直流电动机的能量转换。 无刷直流电机的结构原理如图 2-2 所示。 图 2-2 无刷直流电机的结构原理 从图 2-2 可见，无刷直流电动机组件主要由电动机本体、位置传感器和电子 开关线路三部分构成。其线圈绕在定子上，一般定子绕组制成多相，转子由永磁 材料制成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其它 起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等）,本设计选用常 用的三相，转子由永久磁钢按一定的极对数（2p= 2 , 4 ， ）组成。定 子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接，位置传感器与电动机转 轴相联接。 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相 13 互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置信号变换成电信 号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随 转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转 角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。 因此平常所说的无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电 子开关线路、电动机本体及位置传感器三部分组成的电动机系统。无刷直流电机 的工作原理简图如图 2-3 所示。 直流电源逻辑变换功率驱动电动机本体 转子位置传感器 图 2-3 无刷直流电机的工作原理简图 无刷直流电机借助转子的位置传感器信号，通过电子换相线路去驱动相应的 功率开关组件，使电枢绕组依次得电，从而在定子上产生旋转磁场，拖动永磁转 子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，改变电枢绕组的通电状 态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电机的 无接触式换流过程的实质。 无刷直流电机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电机的电枢绕组放 在定子上，这与有刷直流电机的结构刚好相反。但仅仅这样还不行，因为用一般 直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，但不能与运动中转子磁钢所 产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，无刷 直流电机除了由定子、转子组成电机本体外，还需要由位置传感器、控制电路以 及功率逻辑开关共同构成的换向装置，使得无刷直流电机的运行过程中定子绕组 所产生的磁场和转动中的转子磁钢所产生的永久磁场，在空间始终保持在左 0 90 右的电角度，从而产生转矩推动电机旋转。 14 2.5 无刷直流电机的调速方法无刷直流电机的调速方法 众所周知，直流电动机转速 n 的表达式为 12 公式 K IRU n 式中 U 表示电枢端电压； I 表示电枢电流； R 表示电枢电路总电阻； 表示每极磁通量； K 表示一电动机结构参数。 因此可知，直流电动机的调速方法有三种： (1) 调节电枢供电电压 U 。改变电枢供电电压主要是从额定电压往下降低 电枢电压，从电动机额定转速向下调速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范 围内无级平滑调速系统来说，这种方法最好。 I 的变化遇到的时间常数较小， 能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。 (2) 改变电机的主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁 通，从电动机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。因为无刷直流电动机的定 子磁场多由永磁铁产生，所以这种调速方法不适用于无刷直流电动机。 (3) 改变电枢回路电阻 R 。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法， 设备简单，操作方便。但只能是有级调速，调速平滑性差，机械特性软；空载时 几乎没什么调速作用；在调速电阻上消耗大量的电能。改变电阻调速缺点很多， 目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转 时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往和调压调速配合使用，在 额定转速以上作小范围的升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和 弱磁调速两种方法配合起来使用，而对于无刷直流电动机，其调速多采用调压调 速。本设计采用的就是通过调整 PWM 波的占空比，实现对无刷直流电机电枢电压 的控制，间接地控制了电机的转速。 2.6 无刷直流电机的位置检测无刷直流电机的位置检测 无刷直流电机运行是通过逆变器功率器件随转子不同位置相应改变其不同触 发状态来实现的。因此准确检测转子位置并根据转子位置准时切换功率器件触发 组合状态是控制无刷直流电机的关键。转子的位置检测最直接、有效的方法就是 15 利用位置传感器得到不同的转子位置信号。 位置传感器对直流无刷电动机（BLDC）测定转子位置的起着十分重要的作用， 因为直流无刷电动机的换相是依据转子的位置来的，转子现在的位置将决定下个 激磁相，所以换相完全是由转子位置来决定的。直流无刷电动机（BLDC）的位置 传感器主要包括三种：光点式位置传感器、电磁式位置传感器、以及霍尔式位置 传感器。 电磁式位置传感器利用电磁效应来进行位置测量，特点是输出信号大，工作 可靠，适应性强，但是它的体积大，输出的是交流信号，还需要经过整流和滤波 后才能用。所以，在早期时候用的多，现在已逐渐退出应用。 光电式位置传感器，是由发光二极管，光敏接受组件，遮关板组成，其中， 发光二极管和光敏接受组件分别安装在遮光板的两侧，固定不动；遮光板安装在 转子上随转子转动。遮光板上开有 120 度的扇形开口，数目等于无刷直流电动机 转子磁极的级对数。当遮光板的扇行开口对着某个光敏接受组件时，该组件接收 到对面二极管发出的光而产生光电流输出，其它的则没有输出。这样，随着转子 的转动，遮光板使光敏接收组件轮流接收光信号，产生不同的输出，所以根据输 出就可以判断转子所处的位置。 霍尔式位置传感器是利用“霍尔”效应工作的，利用霍尔式位置传感器工作 的无刷直流电动机的永磁转子，同时也是霍尔式位置传感器的转子。霍尔效应， 在长方形半导体薄片上通入电流 I，当在垂直于薄片的方向上施加磁感应强度为 B 的磁场时，则在与电流 I 和磁场强度 B 构成的平面相垂直的方向上产生一个电 动势 E，称为霍尔电动势，其大小为： 其中 K 为灵敏度系数BIKE 当磁场强度方向与半导体薄片不垂直，而是成角时，霍尔电动势大的大小 改为：cosBIKE 霍尔 组件 放大 装置 V CC Uo 输 出 GND 16 图 2-4 霍尔位置传感器的工作原理图 所以，利用永磁转子的磁场，对霍尔半导体通入直流电，当转子的磁场大小 和方向随着它的位置不同而发生变化时，霍尔半导体就会输出霍尔电动势，其大 小和相位随转子位置而发生变化，从而起到了检测转子位置的作用。常用开关式 霍尔集成电路作为传感器件，它的外行像一只普通晶体管，特点是结构简单，性 能可靠，成本低，是目前在无刷直流电动机上应用最广的一种位置传感器。在本 次开发的控制系统中，也是采用霍尔式传感器来检测电动机的转子位置。 17 第 3 章 系统元器件选择 3.1 控制芯片控制芯片 MC33033 MC33033是MOTOROLA公司生产的低价格第二代无刷直流电动机控制器，它是 由MC33034和MC33035演变而成的，具备无刷直流电机控制所必需的功能，现将其 特点和引脚功能作如下说明。 3.1.1MC33033特点 1、工作电压范围宽，10V-30V 2、片内含有欠压锁定 3、片内有基准电压源 4、具有热保护和限流电路 5、大电流驱动器 6、能方便地选择相角 7、外围控制电路简单 8、使用和调节方便 9、性价比高 1 1011 20 BT AT CT 正转/反转 SA SB SC 基准电压输出 振荡器 转速控制脚 内部放大器输入 内部放大器输出 过流信号输入 地 VCC CB BB AB 60/120选择 使能端 MC33033 图3-1 MC33033引脚图 3.1.2MC33033引脚功能 MC33033是一种20引脚双列直插式封装，其引脚图如图3-1所示。各引脚功能 如下： 18 1、2、20脚：上臂驱动输出端。 3脚：正转、反转输人端，它可改变电动机转向。 4、5、6脚：传感器信号输入端。 7脚：这是基准电压输出端。 8脚：振荡器输出端。 9脚：转速控制端。 10脚：内部大器反相输入端。 11脚：内部放大器输出端。 12脚：过流信号输入端。 13脚：地。 14脚：电源 15、l6、l7脚：下臂驱动输出端。 18脚：相角调整端。 19脚：使能端，用做刹车断电及保护作用。 3.1.3MC33033控制原理 MC33033内部结构图如图3-2所示该芯片由转子位置译码器、具有传感器供 电的基准电压源、振荡器、误差放大器、脉宽调制（PWM）比较器、集电极开路 输出的三个上驱动输出和具有大电流 输出的三个下驱动输出、负电压保护、 过热和过流保护等组成。现对其中主 要部分作些分析： 1、转子位置译码器 转子位置译码器的传感器信号输 入端为引脚4、5、6，译码器能使上下 驱动以适当的顺序工作。由于传感器 输入端直接与集电极的霍尔开关或光 耦合器界面，另外片内有上拉电阻， 所以能减少芯片外围所器器件的个数。 该译码器有专门设计的角度选择脚(22 脚)，它可以选择传感器最常用的电相 角60、120、240或360，因为有三 个传感器输入，所以译码器共有8种可 能的输入组合码，但只有6种是有效的 转子位置，其他两种是由传感器开路或短路 图 3-2 MC33033 内部结构图 19 引起的，因而是无效的。因为有6种有效输入码，译码器以60电角度为l步可以 计算出转子的位置。 用正转、反转的输入(引脚3)来改变电动机的旋转方向。例如当输入码为100 时，引脚3的电平从高变低就使得具有相同的字母标号的上驱动和下驱动输出内 容相互交换，即AT、AB、BT和BB、CB、CT相互交换，这样就改变了换流顺序，从而 改变了电动机的转向。 电动机开/关控制是输出使能引脚19来控制的。当第19脚断开时，电动机处 于正常工作状态当第19脚接地时上驱动输出处于截止状态，下驱动输出处于低 电平状态，这样电机惯性转动直至停止。 2、误差放大器 误差放大器具有直流电压增益高(80dB)、输入共模电压范围宽和增益带宽为 0.6MHz的特点，因此在大多数开环调速系统中，可把该放大器设计成电压跟随器， 其同相输入连至设定速度的电压源。在死循环调速系统中，能方便地利用该放大 器所具有的高性能全补偿特点来进行控制。 3、欠压锁定 片内具有双欠压锁定电路，该电路能防止在欠电压情况下损坏集成块和外部 功放晶体管，并能保证集成电路和传感器的正常运行。另外，还能输出足够的驱 动电压。当与功率MOSFET器件接口时，该电压能确保获得低接通漏源电阻所需要 的栅极驱动。当直接驱动霍尔传感器件时。如基准电压输出低于4.5V，那末传感 器将不能正常运行如果两个比较器中有一个测出处于欠电压的状态，那么上驱 动输出截止，下驱动输出为低电平，每一个比较器均有滞后环，以防跨越门限电 压时发生振荡，从而可提高芯片的抗干扰能力。 4、驱动输出 上驱动输出(1、2、20引脚)为NPN型晶体管吸入电流为50mA下驱动输出 (15、l6、l7脚)特别适合于驱动N沟道MOSFET或NPN双极型晶体管。源电流和吸电 流为100mA。 5、限流 电路中过流将导致过热，从而毁坏电动机。输出开关导通时检测定子电流， 一旦发生过电流很快地使开关断开，图中敏感电阻R5与Q4、Q5、Q6相连电阻上 的电压由引脚l2输入并与片内100mV基准电压相比较，如果电流超过门限值，比 较器使下部的锁存器复位，从而使导通状态终止。 20 3.2 功率器件功率器件 MOSFET 4.1.1MOSFET 的结构 MOSFET 的种类结构繁多，按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道。当栅极电压 为零时漏源极之间存在导电沟道的称耗尽型。对于 N（P）沟道器件，栅极电压 大于（小于）零时才存在导电沟道的称增强型。在 MOSFET 中，主要是 N 沟道增 强型。 MOSFE 的电气图形符号,如图 3-3 所示。 图 3-3 N 沟道 MOSFET（左）P 沟道 MOSFET（右） MOSFET 在导通时只有一种极性的载流子（也就是多子）参与导电，是单极 型晶体管。 4.1.2MOSFET 的基本特性 （1）静态特性 MOSFET 是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。MOSFET 的 漏极伏安特性。其可分为截止区，饱和区和非饱和区三个区域。如图 3-4 所示。 其中： ， ，分别表示漏极电流，栅源间电压，开启电压， D I GS U T U DS U 漏源间电压。MOSFET 的工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 MOSFET 的通态电阻具有正温度系数，这一点对器件的并联时均流有利。 （2）动态特性 MOSFET 的开关过程波形，如图 3-5 21 ID UTUGSUDS 0 = 截止区 饱和区 非饱和区 图 3-4 MOSFET 的输出特性 图 3-5 MOSFET 的开关过程波形 当上升到开启电压时，开始出现漏极电流 i 。从前沿时刻到= GS u T U DGS u 并开始出现 i 的时刻这段时间称为开通延迟时间。此后 i 随的上 T U D()d on t DGS u 升而上升。从开启电压上升到 MOSFET 进入非饱和区的栅压 U这段时间称 GS u GSP 为上升时间 t 。MOSFET 的开通时间 t为开通延迟时间与上升时间之和。即 ron （3- () ron d on ttt 1） 当脉冲电压 u 下降到零时，栅极输入电容 C 通过信号源内阻 R 和栅极电 pins 阻 R 开始放电，栅极电压按指数曲线下降，当下降到 U时，漏极电流 i GGS u GSP 才开始减小，这段时间称为关断延迟时间 t。此后 C 继续放电，从 U D)(offdinGS u 继续下降，i 减小，到时沟道才消失,i 下降到零。 。这段时间称为 GSPDGS u T U D 下降时间 t 。MOSFET 的的关断时间 t为关断延迟时间和下降时间之和。即 foff （3- ()offd offf ttt 22 2） MOSFET 是场控器件，在静态是几乎不需要输入电流。但是，在开关过程中 需要对输入电容冲放电，仍需要一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动 功率越大。 4.1.3 功率器件的选择 （1）门极可关断晶闸管(GTO 目前已达 9kV/25kA/800hZ 及 6hZ/6kA/1kHz 的水平。GTO 有对称、非对称和 逆导三种类型。与对称 GTO 相比，非对称 GTO 通态压降小、抗浪涌电流能力强、 易于提高耐压能力（3000v 以上） 。在当前各种自关断器件中，GTO 容量最大、 工作频率最低。 （2）大功率晶体管（GTR） GTR 是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪 70 年代，其 额定值已达 1800V/800A /2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A /100kHz 。由它所 组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆 变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR 的缺点是驱动电流较大、耐 浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和 UPS 内，GTR 正逐步被功 率 MOSFET 和 IGBT 所代替。 （3）功率 MOSFET 功率 MOSFET 是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极 电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅由多数载流子 导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达 100kHz 以上，为所有电力 电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合； 没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率 MOSFET 的缺点是电流容 量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。目前制造水平大概是 1kV/2A/2MHz 和 60V/200A/2MHz 。 （4）绝缘门极双极型晶体管（IGBT) IGBT 可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正 向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使 IGBT 导通；反之，若提供反向门 极电压则可消除沟道、使 IGBT 因流过反向门极电流而关断。IGBT 集 GTR 通态压 降小、载流密度大、耐压高和功率 MOSFET 驱动功率小、开关速度快、输入阻抗 高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电 子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。比 较而言，IGBT 的开关速度低于功率 MOSFET，却明显高于 GTR ; IGBT 的通态压 降同 GTR 相近，但比功率 MOSFET 低得多；IGBT 的电流、电压等级与 GTR 接 23 近，而比功率 MOSFET 高。 综合本文设计的要求，选择 MOSFET 最为适合。因为 MOSFET 是用栅极电压来 控制漏极电流的，因此它的第一个特点就是驱动电路简单，需要的驱动功率小。 其二显著特点就是开关速度快，工作频率高。另外 MOSFET 的热稳定性优于 GTR。同时 MOSFET 不存在二次击穿的问题。但是 MOSFET 的电流容量小，耐压低， 一般只适用于功率不超过 10kW 的电力电子装置。而本系统设计的就是小功率的 无刷直流电机调速，故满足系统的要求。 3.3 无刷电机驱动芯片无刷电机驱动芯片 IR2103 IR2103 是 IOR 公司生产的 N 沟道 MOSFET 栅极专用驱动电路芯片，为双列直 插式 8 脚塑封。该芯片是把逻辑电路产生的三相励磁信号放大机电平移动，满足 三相桥式场效应晶体管输出电路上、下管饱和导通要求。 IR2103 引脚功能如图 3-6 所示。 主要引脚功能说明：电源；上管驱动输入；下管驱动输入；地； 自举升压端；上管驱动输出；接上管源极；下管驱动输出。 3-6 N 沟道 MOSFET 栅极专用驱动芯片 使用该芯片构成无刷电动机控制器驱动电路，驱动功率损耗小，外围电路简 单，元器件少，提高了驱动电路的可靠性。 24 图 3-7 IR2103 运用实例 3.4 闭环无刷电机适配器闭环无刷电机适配器 MC33039 MC33039 是 MOTOROLA 生产的高性能闭环速度控制适配器，专门为用于无刷 直流电机控制系统。实现允许精确地速度调整而不需要磁性或光学速度计。 MC33039用于无刷电机的闭环调速时向MC33033输入与电动机转速成正比例的 电压，有此不需要价格昂贵的测速电机，从而大大提高系统性价比。MC33039的 电源电压为6.25V,由MCC33033的第7脚提供，霍尔传感器信号连到MC33033转子位 置译码器，同时也连到MC33039的1、2、3端。霍尔传感器信号在线的正负沿跳变 将使得MC33039产生一定幅度和宽度的脉冲，其参数由外接电阻和电容决定。产 生的输出脉冲由MC33039的引脚5输出，并送到MC33033的误差放大器，从而产生 了与电动机转速成正比例的直流电压，建立脉宽调制的基准电压，从而构成死循 环控制回路。 MC33039引脚图如图3-6各引脚说明如下： 1、2、3脚：电机转子各项信号输入端。 8脚：电源VCC。 7脚：接地。 6脚：外接电阻、电容脚。 5脚：输出端，与MC33033相连。 4脚：为空置脚。 25 图 3-8 MC33039 引脚图 3.5 蓄电池的选择蓄电池的选择 目前能够被电动自行车采用的有以下四种动力蓄电池，即阀控铅酸免维护蓄 电池、胶体铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。 1、铅酸蓄电池 目前市场上铅酸蓄电池是使用最多的蓄电池。它的性能可靠，生产工艺成熟， 价格也较低。目前已商品化的电动自行车的绝大多数是使用的密封式铅酸蓄电池， 使用中不需要补充水分，免维护。其主要化学反应是：PbO2+2H2SO4+Pb充电、 放电PhSO4+2H2O+PhSO4。 铅酸蓄电池重量比能量为 28-40 Wh/Kg，体积比能量 64-72 Wh/I，太重、太 大，而能提供的电能较少，使用寿命较短，作为电动自行车的动力电源一般只能 够使用一年左右，若是性能差或使用不当的只有二、三个月。此外，铅酸蓄电池 还有深度放电能力和低温放电能力较差，不能快速充电，废电池对环境有一定污 染等缺点。但是铅酸蓄电池的现在性价比比较高使它占据了电动车的大片市场。 2、胶体铅酸蓄电池 胶体蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进。它采用凝胶状电解质， 内部无游离的液体存在, 在同等体积下电解质容量大，热容量大，热消散能力强， 能避免一般蓄电池易产生的热失控现象；电解质浓度低，对极板腐蚀弱；浓度均 匀，不存在酸分层的现象。但是在同等使用情况下选择胶体铅酸蓄电池的费用比 较高 3、镍氢蓄电池（Ni-MH） 镍氢蓄电池是九十年代涌现出的电池家族中新秀，发展迅猛。Ni-MH 电池的 电极反应为： 正极：Ni(OH)2+OH-= NiOOH+H20 +e- 26 负极：M+H2O+e=MHab+OH-Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab 它和镍镉蓄电池同属碱性蓄电池，只是以吸藏氢气的合金材料（mh）取代镍 镉蓄电池中的负极材料镉 cd、电动势仍为 1.32v。它具备镍镉蓄电池的所有优异 特性，而且能量密度还高于镍镉蓄电池。主要优点是：比能量高（一次充电可行 使的距离长）；比功率高，在大电流工作时也能平稳放电（加速爬坡能力好）； 低温放电性能好；循环寿命长；安全可靠，免维护；无记忆效应；对环境不存在 任何污染问题，可再生利用，符合持续发展的理念。但是，Ni-MH 蓄电池成本太 高，价格昂贵。 4、锂离子电池 锂是世界最轻的金属，构成电池时，输出电压近 4v。锂离子电池是 1990 年 由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。其优点是比能量高，是当前比 能量最高的蓄电池。已经在便携式信息产品中获得推广应用。 锂离子电池被普遍认为具有如下的优点：比能量大；比功率高；自放电小； 无记忆效应；循环特性好；可快速放电，且效率高；工作温度范围宽；无环境污 染等，因此有望进入 21 世纪最好的动力电源行列。预计在 20062012 年期间， 当锂离子电池进一步发展时，MH/Ni 蓄电池的市场份额将缩小。锂离子市场份额 将会扩大。目前也已经有采用锂离子蓄电池的电动自行车产品出售。但是目前锂 离子电池的价格也比较昂贵，现在使用还比较奢侈，锂离子电池多用于高新技术。 由此，综上分析本设计选用铅酸蓄电池，同时选择超威电动车电池 18-DZM- 12。该电池具有极强的耐深充深放循环能力、比能量高，放电性能优越、正常使 用无须加酸补水，免维护。18-DZM-12 的参数如下： 表 3-1 超威电池 18-DZM-12 参数表 电池型号： 18-DZM-12 额定电压： 36V40102% 额定容量 (2hr)： 12Ah25100% 参考重量 (Kg)： 14.0Kg085% 长(mm)： 380 不同温度电 池容量 (2hr) -1570% 宽(mm)： 151 存放 3 个月 90% 高(mm)： 102 存放 6 个月 80% 总高(mm)： 102 电池储存容 量(25) 存放 9 个月 60% 27 容量(25) 2hr 140mi n 内阻(25) 完全 充电状态 12m 最大短路电 流(25) 100A(5S) 28 第 4 章 系统电路设计 4.1 普通无刷电动机控制电路普通无刷电动机控制电路 电动自行车控制器是电动自行车的控制系统，是电动自行车的大脑。电动机 的启动、运行、加速、停止等工作状态，都由控制器控制。控制器工作是用脉冲 信号控制功率管的开启和关闭时间，决定电动机换向的顺序和时间，从而决定电 动机的转向和转速。目前电动自行车的控制器，普遍采用脉宽调速（PWM）方 式，控制器内部必须具有 PWM 发生器电路，电源电路，功率器件，功率器件驱 动电路，控制部件（刹车、电动机霍尔传感器等）信号的采集与过电流与欠电压 保护电路等。 MC 33033 蓄电池稳压电源 调 速 刹 车 传感器过流采样 驱动A 驱动B 驱动C 无刷 直流电机 图