基于MC33035芯片的无刷直流电机驱动系统设计

1、基于 mc33035 的无刷直流电机驱动控制系统设计 摘 要 随着社会的发展和人民的生活水平提高，人们对交通工具的需求也在不断发 展和提高。电动自行车作为一种“绿色产品”已经在全国各省市悄然兴起，进入 千家万户，成为人们，特别是中老年人和女士们理想的交通工具，受到广大使用 者的喜爱。 mc33035 的典型控制功能包括 pwm 开环速度控制、使能控制(起动或停止) 、正反转控制和能耗制动控制。此芯片具有过流保护、欠压保护、欠流保护、又 因此芯片低成本、高智能化、从而简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、 满足更多应用场合的需要。 设计的直流无刷电机控制器是采用 mc33035 芯片控制的，

2、以本次设计结果 表明，mc33035 的典型控制功能带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性 以及内部热关断等特性。电动自行车作为一种新型交通工具已经在社会上引起很 大的影响并受到广大使用者的喜爱。 关键词：电动自行车，无刷直流电机，mc33035，位置传感器 the brushless dc motor drive system design based on mc33035 chip abstract with the rapid development of technology, new energy technologies in recent years have been wi

3、dely used. for example, the small size, light weight, high efficiency, low noise, large capacity and high reliability features such as permanent magnet brushless dc motor-driven bike. mc33035 typical control functions include open loop pwm speed control so that it can control (start or stop), revers

4、ing control and braking control. this chip is overcurrent protection, undervoltage protection, under current protection, and therefore chip cost, high intelligence, which simplifies the system structure, lower system costs, increase system performance to meet the needs of more applications. the desi

5、gn of the brushless dc motor controller is controlled by mc33035 chip to this design results show that, mc33035 typical time delay control with an optional latch-by-week shutdown mode current limiting characteristics, and internal thermal shutdown characteristics. electric bicycles as a mode of tran

6、sportation has caused a great impact on society and loved by the majority of users. key words: electric-bicycle, brushless dc motor, mc33035, position sensors 目录 前言.1 第 1 章 电动自行车简介.2 1.1 电动自行车的发展.2 1.1.1 电动自行车的发展前景.2 1.1.2 电动自行车的未来.2 1.2 电动自行车的结构.3 1.3 电动自行车的动力分析.5 第 2 章 电动自行车无刷电机原理分析.7 2.1 电动自行车无刷直

7、流电动机的发展.7 2.2 无刷直流电机（bldcm）的基本结构与工作原理.7 2.2.1 无刷直流电机的工作原理.8 2.2.2 无刷直流电机的基本结构.10 2.3 直流无刷电机的控制原理.11 第 3 章 电动自行车控制器单元电路分析.13 3.1 电动自行车控制器的功能.13 3.2 无刷电机控制器单元电路分析.14 3.2.1 无刷直流电机调速原理.14 3.2.2 速度调速器的结构.15 3.2.3 速度把.17 3.3 限速电路.20 3.4 刹车电路.21 3.5 防飞车电路.23 3.6 巡航电路.24 第 4 章无刷直流电机 mc33035 芯片及其工作原理.25 4.1

8、mc33035 芯片介绍.25 4.2 mc33035 芯片内部功能.27 4.3 mc33035 芯片的内部结构及工作原理.29 4.3.1 mc33035 芯片的内部结构及特点.29 4.3.2 mc33035 芯片的工作原理.31 第 5 章 基于 mc33035 芯片的电动自行车控制器电路.33 5.1 电动自行车控制器的研究及发展.33 5.2 基于 mc33035 芯片的无刷控制器电路.35 5.2 三相六步电机控制电路.37 5.3 有刷电机控制电路.39 结论.42 谢 辞.43 参考文献.44 外文资料翻译.46 前 言 当交通拥堵、空气污染日益成为困扰现代都市的老大难问题时

9、，电动自行车 作为一种环保、便捷、健康的绿色交通工具应运而生。我们应该以“无污染、能 耗小”为目标研究更加适用于现代社会的高科技产品。 自八十年代至今，电动自行车行业由于其特殊性得到了飞速的发展，而且电 力电子、微电子、计算机控制、电机等技术的迅速发展，又为电动自行车的开发 研制提供了良好的条件。新型特种自行车，因其无污染、低噪音、低能耗、占道 少、方便快捷等特点而成为国际上流行和大力推广的绿色私人交通工具已经风靡 全国。 近年在一片争议声中，电动车行业已迅猛发展、欣欣向荣，年增长率高达 15%- 20%，这已是有目共睹的事实。据不完全统计，目前中国电动车行业生产制造领 域，大量中小投资创业者

10、集聚，生产厂商已超过 1200 家，配件厂商超过 2300 家， 从业人员达 100 万以上，年产销量约为 1250 万辆，创造着每年 200 亿元以上的 直接经济效益和难以估量的间接经济效益。 我国是举世公认的“自行车王国”,在相当长时期内,自行车仍将是老百姓出 行最常用的交通工具。近年来,出现了一种以磁无刷直流电动机为驱动的自行车 作为代步工具的普遍现象。 第 1 章 电动自行车简介 1.1 电动自行车的发展 1.1.1 电动自行车的发展前景 从 70 年代起，我国电动车辆的研究开发便一直在进行，在 1993 年，电动车 被确定为国家十大重点科技工程，并制定了电动汽车的发展目标。与汽车相比

11、， 灵活方便的中短途个人交通工具，如自行车、助动车和摩托车等，在全球依然占 据绝大多数。全世界每天在役的自行车约为 10 亿辆，每年仍有 1 亿辆新自行车 进入市场。 从八十年代至今，电动车的相关技术如电力电子、微电子、计算机控制、电 机等技术的迅速发展为其开发研制提供了良好的条件。以欧、美、日为代表的发 达国家的科研机构、车辆公司在政府的支持下纷纷投巨资开始研制，并成功推出 了一批性能良好的概念车。预计未来 3 至 4 年内，电动自行车将成为欧洲自行车 商下一阶段推出的主要产品，仅欧洲市场每年的销量就可在 300 万至 400 万辆。 欧盟委员会在欧洲 10 国赞助一项 etour 计划，推

12、动电动车辆的发展，此计划 以电动自行车为主。通过将 1300 辆电动自行车发给大城市，以此刺激欧洲大城 市环保交通工具的使用。在美国，三大汽车集团公司通用（gm） 、福特（ford） 、 戴姆克莱斯勒（chryser）成为美国开发与推广电动车的主力成员。在日本，商 品化的电动自行车由日本雅马哈公司率先于 1994 年推出，并随着本田、三洋、 松下等知名公司的参与，生产规模日益扩大。 1.1.2 电动自行车的未来 短短数年时间，在难以计数的“胆大冒险、嗅觉灵敏”的中小投资创业者的不 懈努力下，诞生了一个新兴行业中国电动自行车行业！ 未来似乎是无限美好的，但是这无限美好的背后，显然不能只看到眼前短

13、暂 的经济效益，更要找到一条行业发展的最佳路径，那么这条路径到底在哪里呢？ 让我们共同探讨！ 产品技术将不断创新： 1. 无污染电动自行车是以蓄电池发出的电能作为驱动能源，以电动机作为动 力，运行过程中没有废气排放因此和摩托车、燃油助动车相比，没有污染。 2. 低噪音、振动小：电动自行车是由电动机驱动的，电动机在运行中产生的 噪音比较小，运行比较平稳。而摩托车、燃油助动车是由燃油发动机驱动，其汽 缸产生的噪音比较大，由于受到体积限制，其发电机的缸数较少，运行时不够平 稳，振动较大。 3. 最高时速 20 公里，行驶安全：摩托车、燃油助动车的速度快，在机动车 道上行驶，事故率较高而电动自行车，国

14、家强制性规定（国标 gb177611999） 其速度不能超过 20km/h，并且电动自行车一般不能在机动车道上行驶，因此相比 之下安全很多。 4. 效率高：摩托车、燃油助动车的效率一般只有 30左右，而电动自行车 的效率可以达到 70以上。 5. 结构简单、轻便，易维护、维修：电动自行车一般是有蓄电池、控制板、 电机和车身组成；蓄电池用的是免维护的，电机的故障率较低，基本上不要维护， 控制板由于现代的电力电子技术比较成熟，损坏率也比较低，另外电动自行车没 有机械传动结构，无污染、体积小、重量轻，因此相比摩托车、燃油助动车来说， 其日常的维护、维修量少得多。 电动自行车作为耐用消费品，技术是其产

15、品的核心。虽然现在电动自行车行 业的厂家多如牛毛，产品琳琅满目，但仔细观察就会发现真正有技术含量、有卖 点的产品是少之又少。具有自主开发能力，重视技术创新的电动自行车企业更如 凤毛麟角。 1.2 电动自行车的结构 电动自行车由车体、电驱动装置（电机） 、可充电电池、充电器和控制系统 五大部分组成。不同种类的车，其电池置放位置、控制器形式等有所不同。 1、车体：由于国家标准规定电动自行车的电驱动方式大体上有三类： (1) 摩擦传动式：由电机转轴上的靠轮直接加载于车轮胎，靠摩擦传动。其 优点是结构简单，成本低，但是轮胎磨损大，雨季容易打滑。 (2) 中轴驱动式：车架中轴处经特殊设计安放电机，通过减

16、速机构带动中轴， 再由中轴通过链条带动后轮。其优点是电机重心合理，并能利用自行车减速系统 换档，但机械损耗较大。 (3)电动轮毂式：电机安装在车轮的轮毂里，可装在前轮或后轮，轮毂由辐条 与车圈连接，直接带动车轮转动。其优点是体积小、重量轻、能耗低、效率比较 高，但电机散热和传动齿轮润滑较困难。目前国内电动自行车大多是这种方式。 电机分为无刷电机和有刷电机两类。无刷电机主要是低速大力矩电机，没有传动 齿轮，避免了机械磨损，运行中几乎没有噪音，但无刷电机启动电流冲击较大， 控制系统结构复杂，轮毂有刷电机采用先进技术，提高了电刷寿命，电机效率较 高，控制系统电子线路简单。 2、可充电电池：用于电动自

17、行车的电池主要有三类，即小型密封式维护铅 酸蓄电池，镍镉电池和镍氢电池。小型密封式免维护铅酸电池使用成本低、容量 大，被国内企业普遍采用。 3、充电器：充电器设计采用恒流、恒压、浮充三个阶段自动转换方式，对 电池产生保护，有效地延长电池寿命。 4、控制系统：控制系统设计有多项保护功能，如电量显示、无级调速、软 启动、欠压保护、过流保护和刹车断电等。保护电机和电池，可使电流有效地输 出，产生所需动力，又不烧坏电机。目前国内开发的电动自行车，大多是以手动 调速把手来自行决定电力供给方式。 电动自行车还可说成由动力部分、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

18、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、坐垫等组成

19、。 (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。 (5) 电气仪表部分 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7。 1.3 电动自行车的动力分析 电动自行车作为交通工具，在行驶过程中经常会遇到上坡或下坡，在衡量电 动自行车性能时，其中有一项重要指标就是爬坡性能，也就是电动自行车的转矩 性能。而电动自行车的驱动力主要来自于电机，因此电动自行车电机的电磁转矩 大小直接影响电动自行车爬坡性能的好坏。

20、 为了方便起见，假定（1）电动自行车自重 35kg，载重 75kg，前后车轮直 径为 0.6lm；（2）电动自行车的效率为 70，电机功率为 180w；（3）路面平坦、 无风时最大速度为 20km/h。 当电动自行车在水平路面以最大速度行驶时，由公式 p=f*v 可得电动自行车 的推动力 f=p/v=18.9n，那么电动自行车的转矩 t=f*r=5.76nm，即电机的输 出转矩应为 5.76nm。 fu fn g 坡度夹角a f g=(m m1 1m m2 2) )g gf fu u= =g g* *s si in n f fu u= =( (m m1 1m m2 2) )g gs si in

21、 n+ +f f 图 2 受力分析 如图 2-9 当电动自行车在上坡路(坡面角为 a 时)面上行驶时，电动自行车的推 动力=水平路面上行驶时的推动力+载重和车重沿坡面的分量，即： fu=(m1m2)gsin+f=1078*sin+18.9 而 vu=p/fu=126/(1078*sin+18.9) 当 =1时，vu=3.34m/s=12.03km/h； 当 =2时，vu=8.03km/h； 因为城市道路的坡度一般不超过 4，由上面的计算可见，随着路面坡度的 增加，电动自行车在输出功率不变的情况下其最大速度在迅速减小，这给用户的 使用带来了不便。为了解决这个问题，一方面，电动自行车在上坡时对其施

22、加外 力(如用脚踩电动自行车的脚蹬)来增大转矩，提高速度；另一方面，在选用电动 自行车的驱动电机时，不仅要考虑到电机的功率，而且要考虑到电机的电磁转矩， 使用大功率或输出转矩大的电机，也可以解决电动自行车上坡时遇到的问题3。 第 2 章 电动自行车无刷电机原理分析 2.1 电动自行车无刷直流电动机的发展 当前，无刷直流电动机的研究主要集中在以下几个方面： (1)无机械式转子位置传感器控制。转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆 弱的部件，不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低了系统的可靠性和抗干扰 能力，同时还需要占据一定的空间位置。在很多场合，例如空调器和计算机外设 都要求无刷直流电机以无转子

23、位置传感器方式运行。 无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用 电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置信息，目前比较成熟的无转子位置传 感器运行控制方法有： 1、 反电动势法包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电 动势积分法等。 2、 定子三次谐波检测法。 3、 续流二极管电流通路检测法。 但现有方法都存在各自的局限性，仍在不断完善中。 (1) 转矩脉动控制。存在转矩脉动是无刷直流电机的固有缺点，特别是随着 转速升高，换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。减少转矩脉动是提 高无刷直流电机性能的重要方面。 (2) 智能控制。随着信息技术和控制理论的发

24、展，在运动控制领域中，智能 控制理论得到长足的发展和应用。目前，专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控 制是三个最主要的理论和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟经验 和规则有机的融入到传动控制策略中，现已成功地应用到许多方面。随着无刷直 流电机应用范围的扩大，智能控制技术将受到更广泛的重视1。 2.2 无刷直流电机（bldcm）的基本结构与工作原理 2.2.1 无刷直流电机的工作原理 三相桥式开关电源： 图（a）三相桥开关图 （b）原理图 图 2-1 三相开关原理图 三相开关原理如图 2-1（a）把上图中的开关 k1、k2、k3、k4、k5、k6 按 k1k2k2k3k3k4k4k5k5

25、k6k6k1 的顺序打开、关闭，实现电流通、 断循环，其原理是把直流电压经过开关电路的通、断转换成三相电流输出，为无 刷电机提供交流电压11。 而本设计是让三相桥式开关输出的电流控制直流无刷电机，以使三相桥式开 关输出端直接与无刷电机的三相输入端相连，为直流无刷电机提供旋转的交变磁 场，带动直流无刷电机旋转，使直流无刷电机工作。 图 2-1（b）把开关改为可控的三极管，实现电子控制，使电机控制变得更加 简单。 一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气 隙中建立磁场，其电枢绕组通电后产生电枢反应磁场，由电力电子逆变器供给电 枢绕组的电流并不是正弦波，而是 120的方波，

26、因而三相合成磁动势不是恒速 旋转的，而是跳跃式的步进磁动势，它和恒速旋转的转子磁动势产生的转矩，除 了平均转矩之外，还有脉动分量。由于电力电子逆变器的换向作用，使得这两个 磁场的方向在电动机运动的过程中始终保持一定的角度，从而产生最大平均转矩 而驱动电动机不停地运转，与直流有刷电动机不同，直流无刷电动机的电枢转一 圈，定子绕组只换相 6 次，每个极换相三次，相当于只有三个换向片的直流电动 机15。 电子换向逆变器主电路如图 2-2 所示，aa，bb，cc代表直流无刷电 动机的三相定子绕组，采用 y 型连结，逆变器为两两通电方式，120导电型。 首先假设转子处于图 2-2（a）的位置，若此时使

27、v3，v4 导通，则电流从 b 端流 入，a 端流出，定子磁动势为。如图 2-2（a）示，在的作用下，转子将顺 a f a f 时针旋转，转到图 2-2（b）的位置，若此时使 v4，v5 导通，则电流从 c 端流入， a 端流出，定子磁动势为，在的作用下，转子将继续顺时针旋转，依次类 b f b f 推，如果每隔 60角度顺序使 v5 和 v6，v1 和 v6，v1 和 v2，v3 和 v2 两两 导通。 图 22 无刷直流电动机的运行原理图 定子磁动势分别如图 2-2（c） 、图 2-2（d） 、图 2-2（e） 、图 2-2（f）所示， 从而形成旋转磁动势，在这个磁动势的作用下，转子也会随

28、之旋转，如果使开关 管反复地按上述规律导通，即可使转子持续旋转下去，且定子磁动势总是超前于 转子磁极轴线角度 60-120之间。 由上述的分析可见，要使直流无刷电动机正确的换相运行，必须知道图 2-2 所示的六个转子关键位置，六个转子关键位置即对应着直流无刷电动机的反电动 势的过零点后的 30角度处。如果是有位置传感器直流无刷电动机，则可以通过 传感器来直接获得转子的六个转子关键位置的信息，如果是无位置传感器无刷直 流电动机，则需要通过其他方法，例如利用直流无刷电动机的三相定子绕组的反 电势，直接或间接的获得转子位置信息。 2.2.2 无刷直流电机的基本结构 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如

29、图 2-3 ：电源部提供三相电源给电机， 控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为 24v)或以交流电输入(110v/220 v)，如 果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电或交流电输入 要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器(inverter)转成 3 相电压来驱动电机。 换流器(inverter)一般由 6 个功率晶体管(q1q6)分为上臂(q1、q3、q5)/下臂 (q2、q4、q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供 pwm(脉冲 宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相的时机。直流无刷

30、电机 一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制， 所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做为速度之闭回路控制， 同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控 制12。 图 2-3 直流无刷驱动器 2.3 直流无刷电机的控制原理 直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变 动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall-sensor)，做 速度之闭回路控制，同时也做相序控制的依据。要让电机转动起来，首先控制部 就必须根据 hall-sensor 感应到的电机转子目前所在

31、位置，然后依照定子绕线决定 开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图 2-4） inverter 中之 ah、bh、ch(这些称为上臂功率晶体管)及 al、bl、cl(这些称为下臂功率晶体 管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互 作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。 图 24 无刷直流电动机的运行原理图 当电机转子转动到 hall-sensor 感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启 下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要 电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功

32、 率晶体管开启顺序相反。基本上功率晶体管的开法可举例如下： ah、bl 一组ah、cl 一组bh、cl 一组bh、al 一组ch、al 一 组ch、bl 一组(循环组合) 但绝不能开成 ah、al 或 bh、bl 或 ch、cl。此外因为电子零件总有开关 的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去， 否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂 短路而使功率晶体管烧毁。 当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命 令(command)与 hall-sensor 信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由

33、下 一组(ah、bl 或 ah、cl 或 bh、cl 或)开关导通，以及导通时间长短。速 度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由脉冲宽度调制（pwm）来完成 5。 第 3 章 电动自行车控制器单元电路分析 3.1 电动自行车控制器的功能 电动自行车的功能包括调速、限速、柔性电子刹车(eabs)功能、过流保护、 欠压保护、防飞车和 60和 120电机智能适应等等。 1调速功能 当限速线未接时，pwm 的输出范围 3到 95。当接上限速线时，pwm 输 出范围 3到 75，速度最高达 20kmh。 以下情况会造成调速功能失效： (1) 进入巡航； (2) 有刹车信号； (3) 故障时，故障指

34、示灯闪烁； (4) 蓄电池欠压时。 2柔性电子刹车(eabs)功能 此功能借鉴于汽车的 abs 功能，为了防止在高速骑行时突然刹车，轮胎打 滑，或者由于惯性把人摔落车下，而造成的安全事故。它利用电机回馈制动的原 理，使电机停下来，而非是利用刹车片的摩擦作用，因此有利于保护刹车片，在 高速时和下坡时可以向电池充电，增加电池的续航里程。 3过流保护保护 在正常行驶中若检测到大于 25a 的电流值立即关闭 pwm 输出，电机停转保 护，转把失效。 4. 欠压保护功能 当电池毫压低于 24v（左右偏差 o.5v)，并保持 1 秒后，欠压功能开启，自 动关闭电机，等到转把归零后，再次检测电池电压，只有电

35、池电压回升到 24v 以 上才能再次驱动电机。欠压保护是为了保护电池过度放电，影响其使用寿命，使 用回差保护，避免电机在欠压点来回启停。 5防飞车功能 当手把损坏时，手把电压输出一直保持在 1.25v 以上，接通电源，电机就会 开始运转，向前飞出去，导致人身事故，同时也是防止某种误操作。 660和 120电机智能适应 电动自行车用电机根据其位置传感器安装角度的不同分为两种：60电机和 120电机，这两种电机输出的位置信号不一样，不能使用同样的换相时序，通 常控制器也根据电机不同也分为两种，此功能就是兼容两种角度的电机，不需要 改动任何硬件2。 3.2 无刷电机控制器单元电路分析 3.2.1 无

36、刷直流电机调速原理 电动自行车、电动摩托车一般都使用直流电机，对直流电机调速方法如图 3- 1 所示 普遍采用的图 3-1（a）所示方法，学名叫脉宽调制，简称 pwm.通过开关的反 复接通、反复断开进行调速。平均接通时间长，即开关导通比大，转速高；平均 接通时间短，就是导通比小，转速降低。导通比可用下述公式表示： )/(tofftontonk 式中总周期 t 不变，k 为占空比，ton 为导通时间，toff 为截止时间。k 的 最大值是“1” ，最小值是“0” 。在这里，占空比也可叫导通比。 图 3-1（a）中的开关 k，实际是大功率场效应管 vdmos,参见图 2-1(b)所示， 场效应管的

37、导通相当于 k 闭合，截止相当于 k 关断，场效应管 vdmos 的导通 比可以通过一系列电路实现。通过加到 vdmos 栅极脉冲占空比控制转速，这就 是速度控制器原理，速度控制器简称控制器。 pwm脉冲控制 mm k d g s 图 3-1 直流电机调速方法 反复周期 t 按动开关也能调速，开关闭合 kon，开关打开 koff，t=kon+koff，电机 m 得电时间率叫占空比，显然占空比大，电机 m 得电 多，转速快，占空比小，电机 m 得电少，转速低。 占空比=kon/(kon+koff) 用功率场效应管取代 k,在栅极加上驱动，此驱动电路原理将在以后介绍。当 高电平时，效应管导通，相当

38、于 k 闭合，当驱动为低电平时，场效应管截止，相 当于开关 k 打开截止。 场效应管的驱动信号由电子电路产生，是一串脉冲，脉冲宽度可调，场效应 管导通占空比受控可变，对电机进行调速14。 3.2.2 速度调速器的结构 调制脉宽是为了改变三相桥中可控硅的开关时间，进而改变电机的转速和转 矩。 原理图如下 3-2（a）是三角波（或锯齿波）震荡电路提供的，并且是周期一 定、坡度不变的周期波。参考电压 ud为有调速把的输出电压提供（可为霍尔转 把或光电速度把） 。 由于 ud的变化时间在一定周期内相对不变（在三角波周期内相对极短） ，所 以 ud在与三角波的比较后产生 pwm 控制脉冲，控制功率开关。

39、即三角波在上升 沿时一旦大于 ud将输出高电平为“1” ，反而当在三角波下降沿时，一旦小于 ud 输出变为低电平即为“0” ，从而产生 pwm 波形，即为三相控制脉冲的形成。 三三角角波波 ud pwm t t t 调调速速把把输输出出 电电压压 ud 三三角角波波输输入入 + - pwm生生成成 （a）pwm 生成原理 + 三角波的生成 与输入 电机 电池 + 稳压电路 +5v - 驱 动 电 路 电池 - 霍 尔 转 把 功率 开关 图（b）有刷调速控制器的基本结构 + 三三角角波波的的生生成成与与输输入入 电电机机 电电池池+ 稳稳压压电电路路 +5v - 驱驱 动动 电电 路路 电电池

40、池- 霍霍 尔尔 转转 把把 欠欠压压保保护护 信信号号 处处理理 限限流流 电电路路 k刹刹 车车 电电 路路 过过流流保保护护 功功率率 开开关关 电电流流 取取样样 图（c）分立元件有刷控制器 图 3-2 电机速度控制器原理 图 3-2（b）所示的是直流有刷电机的控制系统，有刷控制系统主要通过霍尔 转把给定比较电压并通过比较器而产生比较脉冲，控制功率开关开断从而产生可 控的电流，最终控制电机的运行。 图 3-3（c）此控制电路为分力元件有刷控制电路，在这一电路中还增加了过 流保护、限流保护电路、欠压保护电路和刹车电路。从而使电机控制更加完善18。 3.2.3 速度把 光电速度把原理 电动

41、车调速把主要有两大类：光电类和霍尔类。光电类基本被淘汰了，但是 有取材容易，造价低廉，可以自制等优点。 光电速度把的内部主要由发光二极管、npn 光电接收三极管、透明度逐渐变 化的胶片等构造。其工作原理是：发光二极管正对光电接收三极管，中间隔着透 明度逐渐变化的胶片，通过改变胶片的位置，使光电三极管接收到的来自发光二 极管的光强度逐渐变化。光电二极管的导通受光强控制，受光越强导通越好，反 映在光电接收三极管的集电极负载电阻上的电压降就会变化，速度输出信号一般 是（4v-1v）高变低型的。 有刷控制器光电调速把构造见图 3-3 所示，速度把通过钢丝绳牵动一个薄钢 片，上面有个“人”字形夹缝，靠它

42、改变透光多少，速度输出信号是（4v-1v） 高变低型的，发光二极管和光电接收三极管分别用屏蔽线接到速度控制器。 带人字夹缝 的钢薄片 光电三极管 调速钢丝拉绳 弹簧 发光二 极管 屏蔽线 调速钢丝拉线 屏蔽线 发光二极管 光电三极管 （a）外形 (b) 内部结构 (c)连线 图 33 有刷控制器光电调速把 霍尔转把原理 霍尔转把是利用霍尔效应结合集成电路制成的，霍尔原理是如图（3-4）导片 在磁场中并且平行于磁力线，当转把不运动时由霍尔原理可得 a1、b1 电位相等， 此时输出端电压为 0，但当受到外力旋转运动就会切割磁力线，并应霍尔效应使 a1、b1 两点的电位发生变化，产生输出电压（即.两

43、端的电压增大） ，此电压 因转把的位置变化度的大小而决定输出电压的大小变化，在控制电路中利用此电 压来控制调速。 n a b 霍耳转把 a1 s + b1 - ic 图 3 霍尔转把原理 利用上面的霍尔原理制成霍尔转把，外形如下（图 3-5a）它有三条引线， 一条接+5v，一条接信号线，一条电源（和信号的公共端）接地。 常见的霍尔转把有两种如图 3-5 所示：一种是输出信号由低变高型，另一种 是是输出信号由高变低型。所谓信号有低变高型是指：慢慢旋转霍尔转把，信号 线对地电压由起始 1v 逐渐上升到 4v 左右。而输出信号有高变低型的相反，慢 慢旋转霍尔转把，信号线对地电压由起始 4v 左右逐渐

44、下降到 1v 左右。这两种 可以互相改变，方法是打开转把，将每块磁铁极性颠倒后，用胶重新固定。需要 注意的是，采用两块磁铁是同极性相对。 h +5v 速速度度 信信号号 地地 （a）霍尔转把实物 （b）霍尔转把电路图符号 图 3 霍尔转把 霍尔转把常见的故障是磁铁脱落或退磁，还有复位弹簧折断。霍尔器件比较娇气， 使用中力戒供电电源过高（严格在 6v 以内）和防止高温工作。 霍尔转把内部常使用三端线性 ugn3501t 霍尔器件，在用 5v 供电时，静态 电流小于 8ma,电压稍高于 5v,电流就会大于 10ma.如果供电超过 6v,霍尔器件的 电流、温度都会快速上升，此时霍尔器件容易损坏。霍尔

45、调速把有三条引线，厂 家不同，颜色也不同。常见的引线分布有如下四种，见表 3-1 所示。 表 31 霍尔调速把常见的引线分布 光电速度把和霍尔转速度把可以互换，见图 3-6 所示。图 3-6（a）是早期光 电型的速度把，它是无触点型的，由发光二极管、限流电阻、光电三极管、负载 电阻组成。加电后发光二极管始终发光，如果光照到光电三极管上，光电三极管 就导通，导通程度与光的强度有关。光越强，光电三极管导通越好，负载电阻上 的压降越大，速度信号电压越低。在发光二极管和光电三极管之间有个遮光片， 早期是由逐渐透明的胶片制成的，现在是一个不透明的金属片制成，金属片上面 开有一个“人”字形的夹缝。改变遮光

46、片的位置，就改变了光电三极管受光强度， 也就改变了速度信号电压的高低13。 图 3-6(b)给出了霍尔转把替换光电速度把的方法，需要一个+5v 稳压电源， 本控制器需要的霍尔转把是高变低的那种。 限限 流流 电电 阻阻 负负 载载 电电 阻阻 k 发发光光 二二极极 管管 光光电电 三三极极 管管 速速度度信信号号 地地 电电源源 + 调调光光 遮遮板板 + 图（a） 光电调速把原理 红红+5v 绿绿 速速度度信信号号线线 黑黑或或黄黄 （地地） 图（b） 霍尔转把实物原理图 图 3 光电速度转把和霍尔转把互换 常见引线：+5v红红红红 速度信号绿蓝黑绿 地黑黑黄黄 3.3 限速电路 国家对电

47、动车速度限制为 20km/h。厂家制造有刷控制器时，设计了限速电 路，如图 3-7 就是常使用的一种限速电路。霍尔调速转把的速度信号电压 v1 有 电阻 r1 和 r2、r3 分压后，变为 v2 才送到 pwm。送到 pwm 的最高电压对应 车子的最高速度，该电路限速功能由开关 k 来控制：k 接上，r3 和 r2 并联，再 和 r1 串联，使送到 pwm 的最高电压较低；不接这条线，仅 r1、r2 起作用，送 到 pwm 的最高电压较高。开关打开时，车速增加，但安全系数下降，续行里 程变小，电瓶寿命短。 在此限速电路中又增加了刹车控制原理电路图，也就是上面所说的刹车原理 的应用16。 图 3

48、-7 典型速度限制电路 打开速度开关 k，r3 不起作用，到达 pwm 转速信号为： )21/() 1*2(2rrvrv 装上速度开关 k，r3 和 r2 并联，使到达 pwm 转速信号减小为： 3/ )2*1(21/) 1*2(2rrrrrvrv 3.4 刹车电路 刹车输入电路如图 3-8 所示。电动自行车的刹车输入信号有两种：低电平和 高电平，有的厂商采用低电平刹车，有的厂商采用高电平刹车。为了满足所有需 要，本系统兼容了低电平和高电平刹车。 低电平刹车时，通过一个隔离二极管 dgl，把信号直接送入刹车信号检测 io 口；高电平刹车时，通过电阻 rgl、rg2 和三极管 qgl 构成一个取

49、反电路， 把高电平转换为低电平。同时软件检测到 io 电平为低时，判定为有刹车信号。 图 3-8 电机速度控制器原理 刹车把原理如图 3-9 所示霍尔传感器输出电压控制光电藕合器，控制输入控 制脉冲，使 pwm 波形变化，也就是把控制脉冲电流拉出，使功率开关无法打开 或打开时间变断，最后达到刹车目的。 图 39 刹车把控制原理图 此电路只能减小转速，却不能在短时间内使电机停止，使电机停止转动 则需利用能耗制动的方法使其停止工作，也就是利用 mc33035 的输出使能端接 地关闭顶部输出端子，打开底部输出端子，让三个底部端子对地连接，使电机处 于能耗制动的状态让电机快速停止工作21。 3.5 防

50、飞车电路 通电之后电机就飞转，习惯叫飞车，通常是功率管 vdmos 击穿（ds 短路） 。 为了防止这种现象，可以加上防飞车电路。这里介绍采用继电器的防飞车电路。 + - 霍霍尔尔 调调速速 转转把把 位位置置 信信号号 pwm 1 为为功功率率开开关关漏漏极极d电电位位检检测测 2 为为霍霍尔尔转转把把电电位位检检测测 1、2全全低低时时为为飞飞车车 m 与与反反 继继 电电 器器 驱驱动动电电路路 1 2 功功 率率 开开 关关 图 3-10 防飞车电路图 判断是否飞车的依据：在霍尔调速把输出很小，即转把没加速的时候，功率 vdmos 管漏极 d 应该是高电位；如果是低电位，那就是功率管

51、ds 短路，加电 就会飞车。 在电源通向电机处串联一组继电器（接触器）触点，判断是否飞车，可通过 继电器这组触点，切断给电机供电的通路，使电机不转。如果不飞车，则接通继 电器这组触点，转动霍尔调速把正常加速，电机就会受控旋转。 全面利用检测功率管 vdmos 漏极电位和霍尔调速把输出信号电位的方法， 制作的防飞车电路较理想，继电器动作不频繁，寿命长。 图 3-10 防飞车功能的有刷控制器电路框图，它是利用继电器常闭触点控制电 机能否得电。保护动作过程：图中 1、2 全低电位时，判为飞车，继电器吸合线 圈得电，常闭触点断开，电机失电。 常见的防飞车控制器比较简单，仅仅使用了霍尔调速把转速输出信号

52、电位控 制，信号电位低时，继电器这组触点断开，信号电位升高到一定值时，继电器这 组触点才开始接通。货运三轮的更简单，电源串联一只手动开关，出现飞车就将 其断开防止事故。 3.6 巡航电路 电动车在行驶过程中，必须始终保持手握调速手柄，一旦离开，调速转把内 部的弹簧就会使转把归位到零速位置，采用巡航电路可以减小劳动强度。巡航电 路就是记住当时行驶速度对应的调速转把速度输出信号的电压值，用电路产生该 值，并取代调速转把对速度控制器进行控制。采用单片机的控制器，通过程序就 可以方便地实现巡航功能，无需改动电路。10 第 4 章无刷直流电机 mc33035 芯片及其工作原理 电路 mc33035 是

53、motorola 公司的第二代直流无刷电极控制器专用集成电路 系列，也是 motorola 公司为直流无刷电机闭环速度控制专门设计的集成。 4.1 mc33035 芯片介绍 mc33035 集成电路的主要组成部分包括转子位置传感器译码器电路；带温 度补偿的（6.24v）内部基准电源；频率可设定的锯齿波振荡器；误差放大器； 脉宽调制(pwm) 比较器；输出驱动电路；欠电压封锁保护；芯片过热保护等故 障输出；限流电路。 mc33035 的典型控制功能包括可控制电机正反转；实现电机刹车制动；启停 功能；可选择三相无刷直流电机传感器相位差 60或 120；欠压封锁保护，ic 过 热保护和故障输出。 m

54、c33035 是高集成度的电子芯片，因而基于它的三相无刷直流电机控制系统 具有电路简单，抗干扰性强，可靠性高，稳定性好等优点。 mc33035 的管脚排列如图 4-1 所示，各引脚功能定义见表 4-1。 图 1 24 2 23 3 22 4 21 5 20 6 19 7 18 8 17 9 16 10 15 11 14 12 13 bt at fwd/rev sa sb sc output enable reference output current sence noninverting input error amp inverting input oscillator error amp

55、 noninverting input ct brake 60/120select ab bb cb vc vcc gnd current sence inverting input fault output error amp out/pwm input mc33035 41 mc33035 的管脚排列图 表 4-1 mc33035 芯片管脚定义 管脚编号符 号功能定义 1，2，24bt，at，ct三个集电极开路顶端驱动输出，用于驱动外部上 端功率开关晶体管 3fwd/rev正向/反向输入，用于改变电机转向,当 3 管脚变化 时 转速译码器输出驱动信号变成，反向信号，使电 机反转 4，5，6

56、sa,sb,sc三个传感器输入，用于控制整流序列 7output enable输出使能，高电平有效。该脚为高电平时，可使 电机转动，当接地时，输出为顶部驱动信号为 “1”关断，底部为“0”关断输出信号 8reference output此输出为振荡器定时电容 ct 提供充电电流，并 为误差放大器提供参考电压，也可以向传感器提 供电源 9current sense noninverting input 电流检测同向输入。在一个给定的振荡器周期中， 一个相对于管脚 15 为 100mv 的信号可中止输出 开关导通。通常此管脚连接到电流检测的上端 10oscillator振荡器引脚，振荡频率由定时元

57、件 rt 和 ct 所选 择的参数值决定 11error amp noninverting input 误差信号放大器同向输入。通常连接到速度设置 电位器上 12error amp noninverting input 误差信号放大器反向输入。在开环应用情况下， 此输入通常连接到误差放大器输出端 13error amp out/pwm input 误差放大器输出/pwm 输入。在闭环应用情况下， 此管脚用作补偿 14fault output故障输出端。当下列的任一或多个条件满足时， 集电极开路输出端被触发而变为低；无效的传感 器输入码，电流检测超过 100mv，低电压锁定或 热关断 15cur

58、rent sense inverting 电流检测反向输入端。用于给内部 100mv 门限电 input压提供参考地，该管脚通常连接到电流检测电阻 的底端 16gnd该管脚用于为控制电路提供一个分离的接地点， 并可以作为参考返回到电源地 17vcc正电源。vcc 在 10v30v 的范围内，控制器均 可正常工作 18vc底部驱动输出的高端电压是由该管脚提供的，它 的工作范围从 10v30v 19，20，21cb,bb,ab这三个图腾柱式底部驱动输出被设计用于直接驱 动外部底部功率开关晶体管 2260/120select此管脚的电气状态可决定控制电路是工作在 60 （高电平状态）还是 120（低

59、电平状态）的传感 器电气相位输入状态下 23brake输出使能。该管脚为低时允许马达运行，为高时 关断顶部驱动，打开底部驱动实现能耗制动马达 运行停止 4.2 mc33035 芯片内部功能 转子位置传感器译码电路：脚 4、5、6 是传感器位置信号输入，mc33035 通 过对输入位置信号译码对应输出驱动电机。这三个信号与 ttl 电平兼容。当输入 全“0”或“1”表示非法信号。故障输出端（引脚 14）输出有效低电平。通过选择引 脚 22 来确定输入三相信号相位差为 60还是 120。表 4-2 给出三个传感器信号 (相差 120 度)与上三路和下三路驱动输出信号的逻辑关系。 表4-2 逻辑关系

60、表 sasbscatbtctabbbcb 100011001 正 110101001 010101100 011110100 001110010 转 101011010 100110100 110110010 010011010 011011001 001101001 反 转 101101100 误差放大器：该芯片内部设有高性能，全补偿的误差放大器。在闭环速度控 制时，该放大器的直流电压增益为 80db，增益带宽为 0.6mhz，输入共摸电压范 围从地到参考电压(典型值为 6.25v)，可得到良好性能。 锯齿波振荡器：内部振荡器震荡频率由外接定时组件 ct 和 rt 决定。每个周 期由基准电压