无刷直流电机控制器设计

1、开题报告指导教师： 时 间： 2014.03.3 至 2014.05.30 I目录长江大学毕业设计(论文)任务书I毕业设计开题报告III长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见XI长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语XII长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定XIII无刷直流电机控制器设计XIVAbstractXV1 前言12 选题背景22.1 选题来源22.2 当前能源问题22.3 无刷直流电机研究现状22.4 发展趋势33 方案论证43.1 电动自行车的电机控制技术43.2 无刷直流电机的结构及其工作原理53.2.1 无刷直流电机的结构53.2.2 无刷直流电机的原理63.2.3 无刷

2、直流电机的运行特性83.3 无刷直流电机的调速方法113.4 无刷直流电机的位置检测124 元器件选择144.1 控制芯片MC33033144.1.1 MC33033特点144.1.2 MC33033引脚功能154.1.3 MC33033控制原理164.2 功率器件MOSFET174.2.1 MOSFET的结构174.2.2 MOSFET的基本特性174.2.3 功率器件的选择194.3 无刷电机驱动芯片IR2103204.4 闭环无刷电机适配器MC33039215 硬件电路设计225.1 普通无刷电动机控制电路225.2 主电路设计235.2.1 电源电路设计235.2.2 驱动电路设计24

3、5.2.3 刹车电路设计255.2.4 调速电路设计265.2.5 钥匙开关设计275.2.6 整体电路图286 结论与展望29致谢30参考文献30X教师评审意见副教授 1. 毕业设计(论文)题目：无刷直流电机控制器设计2. 毕业设计（论文）起止时间2014年3 月3日2014 年5月30日3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）(1) 无刷直流电机相关资料(2) 电力电子技术相关资料(3) 硬件电路、元器件手册4毕业设计(论文)应完成的主要内容(1) 无刷直流电机工作原理(2) 无刷直流电机控制电路设计5毕业设计(论文)的目标及具体要求(1) 设计无刷直流电机主硬件电路(2)

4、 设计无刷直流电机控制电路(3) 绘制参数测控系统软件框图(4) 编写监控程序6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求单片机开发装置和相关元器件上机200机时任务书批准日期 2014 年 2 月 20 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2014 年 2 月 27 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2014 年 5 月 30 日 学生（签名） IX生产/社会实际2研究目的和意义无刷直流电机利用电子换向代替机械换向，解决了传统直流电机因为电刷摩擦而产生的众多问题并因其结构简单、运行可靠、维修方便等优点,使得它的应用越来越广泛1,如在仪器仪表、家用电气和医疗器械等方面的应用成为

5、研究的热点,因而对电机运行性能的要求也越来越高,因此围绕改善电机性能方面的研究也是多方向的。早期的电机驱动控制系统多采用专用硬件控制设备，需设计专用的控制芯片及其它硬件电路以满足不同控制对象的需要，这种封闭式结构使电机驱动控制系统的体积大、开发成本高、开发周期长，可靠性、可扩展性和易用性都很差，并且升级困难。随着技术的不断进步，人们对电机驱动控制系统提出了更高的要求，既希望能够根据不同的应用需求，迅速、经济地构建面向客户的控制系统，又希望大幅度降低系统维护费用改变以往封闭式设计模式，使底层生产控制系统的集成更为简便和有效。现代电机驱动控制系统正朝着开放性、实时性和可靠性方向发展。无刷直流电机大

6、多采用MCU（单片机）或者DSP（数字信号处理器）来研制电机控制器，因为一些MCU和DSP中预置了用于电机控制的指令、接口和外设，应用较为方便。但是，在一些特殊的应用领域，例如，在高温、低温和强电磁干扰或者有放射性粒子辐射的太空环境中，MCU和DSP无法正常工作2。所以引入了FPGA（FieldProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。由于FPGA运用了硬件电路软件化设计的理

7、念，使得FPGA设计具有良好的可重复性和修改性。模块的硬件描述语言(HDL)不拘泥于某一型号FPGA或某一厂商的FPGA，只需要经过简单的设置就可重复利用已有的电路模块，又因为FPGA具有优异的可重复编程的能力，可以很简单的对算法进行修改和升级。从而极大地缩短了控制器的设计时间，节约了产品升级换代的成本。FPGA有从商用到航天等不同级别的芯片，环境适用范围广泛。无刷直流电机具有以下优点：1）低噪声：因为没有了机械电刷或滑环式电刷，无刷直流电机消除了除支承、连接以及负载以外的机械噪声：2）高效率：无刷直流电机是目前电机中最高效率的一种电机，这要归功于其利用永磁体长生的恒定、持续的磁场的缘故。在合

8、适的操作条件下永磁无刷直流电机的永磁体具有非常小的去磁系数：3）无励磁需要：如上所述，无刷直流电机利用永磁体产生恒定磁场，省去了传统电机的电励磁部分：4）易维护、寿命长：消除了机械电刷和换相器的无刷直流电机比传统直流电机构造简单，更易维护，而且电机寿命更长：5）控制结构简单：无刷直流电机的转矩正比于电机电流，反馈装置简单，不需要采用绝对位置编码器或旋转变压器，因此较之交流电机更易于控制。正式因为这个原因，目前已有很多半导体厂家生产了适合无刷直流电机控制需要的专用集成电路控制芯片：目前，无刷直流电机的应用越来越普遍，国内近年来在无刷直流电机的设计和控制方面有很多的研究，但与国外成熟的产品化相比还

9、有很多地方只得提高。3阅读的主要参考文献及资料名称1张琛.直流无刷电动机原理及应用M.北京:机械工业出版社，2008.2胡文静.永磁无刷直流电动机的发展与展望J.微电机，2002，35(4):37-38.3华建军.基于FPGA永磁同步电机控制器的研究D:硕士论文.江苏:江南大学，2008.4Ying-YuTzhou,Hau-JeanHsu.FPGARealizationofSpaceVectorPWMControlICforThree-phasePWMInvertersJ.IEEETransactiononPowerElectronics,1997,12(6).5贡俊，陆国林.无刷直流电机在工

10、业中的应用前景和发展J.微特电机，2000(5):14-17.6WongCG,MartinAJ,andThomasP,AnarchitectureforasynchronousFPGAs,IEEEInternationalConferenceonProceedings2003,Tokyo,2003:170-177.7田耘,徐文波,张延伟.无线通信FPGA设计M.北京：电子工业出版社，2008.8林寿英,基于FPGA的直流电机控制器的研究与实现J.福建农机，2009(4):31-34.9徐光辉,程东旭,黄如.基于FPGA的嵌入式开发与应用.电子工业出版社.10LucaMostardini,Luc

11、aBacciarelli,LorenzoBertini.FPGA-basedLow-costSystemforAutomaticTestsonDigitalCircuitsC.IEEEInternationalConferenceonElectronic,CircuitsandSystems,2007(14):911-914.11蒋昊,李哲英.基于多种EDA工具的FPGA设计流程J.微计算机信息，2007,23(32):201-203.12薛鹏飞,张卫东.基于FusionFPGA无刷直流电机的控制器设计J,研究 与设计，2011,27(8):1-4.13吴磊.基于双DSP和FPGA的无刷直流电

12、机伺服控制系统的设计D：硕 士论文.电子科技大学，2010.14Chakravarthy,N.JizhongXiao.FPGA-basedControlSystemforMiniatureRobotsC.IntelligentRobotsandSystems,2006IEEE/RSJInternationalConferenceonOct,20064 国内外现状和发展趋势4.1 国内外现状有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换相装置的存在，限制了其发展和应用范围。直流电动机的机械电刷和换向器因强迫

13、性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。“无刷直流电机”的概念已有最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（起动转矩大，起动电流小），运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、

14、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等。由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。我国目前是世界最大的永磁体（生产无刷电机的主要原材料）生产供应基地，中国还将要成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应用。4.2 发展趋势随着石油能源的日趋紧张以及人们环保意识的增强, 电动自行车越来越受欢迎。用无刷电机驱动已成为电动车的发展方向。永磁直流无刷电机是近年来迅速成熟起来的一种新型机电一体化电

15、机。该电机由定子、转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成, 既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点, 又具有直流电机良好的调速特性,并且无机械式换相器, 现已广泛应用于各种调速场合。无刷直流电机因其体积小、转矩高、可靠性高、维护方便等优点, 在电动自行车等家用设备中得到了广泛的应用。 以前没有一个专用控制芯片能够对霍尔传感器检测出的位置信号进行译码, 它本身更不具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能, 因此设计者最初采用分立元件组成的庞大的模拟电路来对它进行控制, 使得系统的设计、调试相当复杂, 而且要占用很大面积的电路板, 有时候与把控制器内嵌到电机内部的要求相矛盾。后来MOT

16、OROLA公司研制了无刷电机控制专用芯MC33035, 它集译码、过流、过热、欠压、正反转选择诸功能于一身, 组成的系统所需外围电路比较简单。无刷直流电机控制器结构有多种形式, 最初是采用分离元件组成的庞大而复杂的模拟控制电路, 由于调试难度大, 稳定性差, 已逐渐被淘汰 以微机(单片机) 为核心构成的数字控制电路调速控制功能强, 但存在着运算速度慢的缺陷, 一般只适用于复杂的运行控制场合新型电机控制专用芯片的出现, 给无刷直流电机调速装置的设计带来了极大的便利, 这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定, 组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强, 特别适用于工作环境恶劣、

17、对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。5 要研究内容、关键问题，及解决思路绕组电流采样单元绕组霍尔反馈三相逆变桥MOSFET控制单元MC33033电子测速器MC33039转速给定单元5.1 直流无刷电动机基本组成及工作原理VF/V 图1 MC33033和MC33039构成的控制器5.2 三相闭环无刷直流电机控制电路的控制从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号一方面送入MC33033，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算之后，产生逆变器三相上、下臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉

18、宽调制处理。处理后的三相下桥PWM控制信号经过驱动电路整形、放大后，施加到由6个功率开关器件组成的MPM3003的6个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。另一方面，转子位置检测信号还送入MC33039，经F/V转换，得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号FB。FB通过简单的阻容网络滤波后形成转速反馈信号，利用MC33033中的误差放大器即可构成一个简单的P调节器，实现电机转速的闭环控制，以提高电机的机械特性硬度。实际应用中，还可外接各种HI,PID调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。 注意事项：（1） MC33033供给集成电路的正电源与供下侧驱动输出正电源为同一个电源

19、，其取值范围为：1030V。（2） 集电极开路输出用来驱动三相桥上侧功率管，接入电阻可根据应用的功率管进行选择。其下侧驱动输出由于内部结构，可直接接功率管，建议接入几十欧的电阻，防止电流冲击。同时，可在下侧输出端与地接IS1588稳压二极管。（3） 由于内部振荡器振荡频率由外接定时元件CT、RT决定。建议使用振荡器频率为2030KHz，以兼顾过低则有可闻噪声，过高则开关损耗过大的矛盾。5.3 欠压锁定双欠压锁定用来预防IC和外部电力开关晶体管的损害。在低电压条件下，它保证IC和传感器充分发挥作用，并且有充足的底部驱动输出电压。对IC的正向电源(VCC)被8.9V门限电压进行检测。在这个电平保证

20、当MOSFET设备工作时，有充足的门驱动和必要低的RDS(on)。当直接地供给霍尔传感器动力，不正当的传感器操作可能使参考电压下跌到4.5V以下。如果两个比较器都识别到这种欠压状态，顶面驱动器被关闭并且底部驱动器被维持在一个很低的状态。当通过他们各自的门限电压时，每台比较器都有滞后作用以防止振动。6 完成毕业设计(论文)所必须具备的工作条件（如工具书、计算机、辅助设计、实验设备和实验环境条件等）及解决的办法。 工作条件 解决方法 工具书 购买及租借 电脑 学校机房提高 所需计算机软件 学校机房提高7 工作的主要阶段、进度与时间安排具体时间安排如下：2014.2.252014.3.15 撰写开题

21、报告2014.3.152014.4.25 做外文翻译2014.4.252014.5.01 理论了解及实际操作 2014.5.012014.5.31 撰写论文2014.5.312014.6.3 论文修改、定稿2014.6.3后 审查，答辩8 指导教师审查意见 摘要这些年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成严重的空气污染。于是绿色交通工具的发展已经成为一个很重要的课题。结合我国的国情，电动自行车的发展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。本文设计主要采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片，用功率器件MOSFET为开关器件驱动电机，实现对

22、无刷直流电机的控制。该设计不仅要实现电动自行车正常使用时应具备的基本性能，还要通过增加欠压检测电路、过流保护电路、同步整流电路等措施来提升电机运行可靠性与稳定性，使电动自行车用无刷直流电机具备更持久的生命力。关键词 无刷直流电机 MC33033 电路图 Brushless dc motor controller designAbstract In recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution levels. So the development of green

23、 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 controll

24、er. 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. This design not only to achieve the electric bicycle in normal use should have the basic pe

25、rformance, but also by adding under-voltage detection circuit, an overcurrent protection circuit, a synchronous rectifier circuit and other measures to improve the stability and reliability of the operation of the motor, brushless DC motor with a more lasting vitality.Keywords brushless DC motor MC3

26、3033 Circuit diagram5 硬件电路设计无刷直流电机控制器设计1 前言一个多世纪以来，作为机电能量转换装置的电动机，其广泛应用于国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。电动机主要类型有直流电机、异步电动机和同步电机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，从而存在一定的的机械摩擦，由此带来了火花、噪音、寿命短以及无线电干扰等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而其应用范围大大的收到了限制。针对上述传统直流电动机的缺点，早在上世纪30年代就有人开始研制以电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年代初这一愿望终于实现了。进入7

27、0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，第一代电力电子器件是传统晶闸管不能自关断的半控型器件。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出现，

28、均为直流无刷电动机的广泛应用打下了坚实的基础。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。当今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 。目前在国外的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，在空调、洗衣机、电冰箱等家用电器领域及工业变频控制领域，以其使用便捷、可靠性高、结构紧凑、成本低和功能强等优势而被广泛使用。2 选题背景2.1 选题来源 生产/社会实

29、际2.2 当前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。自英国工业革命以来，以石油、煤炭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。然而大量化石燃料的使用会带来严重问题：资源枯竭、环境污染、生态资源破坏等。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逐渐重视，人力和物力的投入不断加大，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

30、。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，目前我国已经是世界第二大石油进口国，能源问题十分紧迫。由此可以知道在交通方面发展一种绿色可再生的能源已显得尤为重要。2.3 无刷直流电机研究现状1955年，美国D.哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电机机械换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电机的雏形2。随后又经过人们多年的努力，通过霍尔元件来实现换向的直流无刷电机终于在1962年问世。80年代以来，微电子技术和电力电子技术在各

31、自发展的基础上相结合产生了高频化全控型器件，从而使电力电子技术的发展进入了一个新的阶段，新的电力电子器件使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现。目前，电力电子装置朝着集成化的方向发展，把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，便构成了功率集成电路，这些使得电机的驱动电路设计简化及体积更小。电力电子工业的发展，使半导体大功率管的价格不断下降而其性能却不断提高，这些都将使无刷直流电机的应用更加普及3。随着科技的发展，无刷直流电机的控制器经历了模拟控制系统、模拟数字混合控制电路、数字控制系统等阶段。传统的无刷直流电机控制器一般由模拟器件以硬接线的方式构成。然而模拟元件的物理特性决

32、定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元器件的老化和温漂问题等，由于采用了硬接线，系统升级困难，使它很难满足现代电子系统的设计要求。因此，数字控制系统应运而生，最初的数字控制系统都是以单片机为主控芯片，单片机的种类很多，其中以51系列、96系列单片机最为普遍。在单片机控制系统发展的同时，一些厂家开发出了电机控制专用芯片，如用于无刷直流电机控制的UCC3626、摩托罗拉高性能微控制器中的智能化外围模块MC33039等。这类芯片价格便宜，执行速度快，但是所能实现的控制功能简单，难以满足高性能控制场合的需要。从目前的发展趋势来看，以双闭环控制代表无刷直流电机控制器的发展方向。在过去20多年的时间里，直流

33、无刷电机在国际上己得到较为充分的发展，控制技术已经比较成熟。由于无刷直流电机的应用前景广阔，各国都加快对无刷直流电机新产品开发的速度和占领市场的力度，尤其美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造和控制技术。日本在民用方面比较突出，而美国则在军用方面更加先进。在我国，无刷直流电机的发展时间较短，但随着技术的日益成熟与完善也得到了迅猛的发展。我国直流无刷电机的研制工作始于二十世纪70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，有待进一步的研究和开发。我国的

34、无刷直流电机应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等。由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。我国目前是世界最大的永磁体（生产无刷电机的主要原材料）生产供应基地，中国还将要成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应用。2.4 发展趋势随着石油能源的日趋紧张以及人们环保意识的增强, 电动自行车越来越受欢迎。用无刷电机驱动已成为电动车的发

35、展方向。永磁直流无刷电机是近年来迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。该电机由定子、转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成, 既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点, 又具有直流电机良好的调速特性,并且无机械式换相器, 现已广泛应用于各种调速场合。无刷直流电机因其体积小、转矩高、可靠性高、维护方便等优点, 在电动自行车等家用设备中得到了广泛的应用。 以前没有一个专用控制芯片能够对霍尔传感器检测出的位置信号进行译码, 它本身更不具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能, 因此设计者最初采用分立元件组成的庞大的模拟电路来对它进行控制, 使得系统的设计、调试相当复杂, 而且要占用很大面积

36、的电路板, 有时候与把控制器内嵌到电机内部的要求相矛盾。后来MOTOROLA公司研制了无刷电机控制专用芯MC33035, 它集译码、过流、过热、欠压、正反转选择诸功能于一身, 组成的系统所需外围电路比较简单。无刷直流电机控制器结构有多种形式, 最初是采用分离元件组成的庞大而复杂的模拟控制电路, 由于调试难度大, 稳定性差, 已逐渐被淘汰 以微机(单片机) 为核心构成的数字控制电路调速控制功能强, 但存在着运算速度慢的缺陷, 一般只适用于复杂的运行控制场合新型电机控制专用芯片的出现, 给无刷直流电机调速装置的设计带来了极大的便利, 这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定, 组

37、成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强, 特别适用于工作环境恶劣、对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。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。3 方案论证3.1 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

38、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图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

39、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。3.2 无刷直流电机的结构及其工作原理3.2.1 无刷直流电机的结构与传统有刷直流电机具备的旋转的电枢和固定的磁场相反，无刷直流电机具有旋转的磁场和固定的电枢，所以无刷直流电动机不需要像有刷直流电机一样必须使用电刷与换向器来使电机旋转。图

40、2是无刷直流电机的组成框图：电机本体转子位置传感器无刷直流电机电子换相电路 图2 无刷直流电机组成框图电机本体的主要部件有定子（A、B、C三相）和转子。定子部分最重要的部件是电子的绕组（见图 3.2.1右边的图形）当电机接上电源后，电流流入绕组，产生磁动势，后者与转子产生的励磁磁场相互作用而产生电功率，并通过转子输出一定的机械功率从而实现了将电能转换为机械能这个过程。电机的转子是产生励磁磁场的部件，由三部分组成：导磁体、永磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由导磁材料和永磁材料组成。无刷直流电机要旋转，除了电机本体外，还需要转子位置传感器和电子换相电路的共同配合。转子位置传感器的

41、作用是检测转子磁极的位置，并将位置信号提供给电机控制器，为其正确驱动电子换相电路提供依据。电子换相电路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调、预放大、功率放大，然后去触发末级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序通电，保证电机的可靠运行1。3.2.2 无刷直流电机的原理无刷直流电机的工作过程是电机本体、转子位置传感器和电子换向电路三者协同工作的过程，只要有任何一方出了差错，都会对电机的运行造成很大的影响。三者的工作原理图如图3所示：直流电源电子换相模块电机本体输出转子位置传感器图3 无刷直流电机工作原理框图在无刷电机中，借助反映主转子位置的位置传感器器的输出信号，通过电子换相电路去驱动与电枢绕

42、组连接的相应的功率开关器件，使电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断送出信号，然后通过控制器对这些信号的判断，不断送出驱动信号控制相应的功率器件开关，以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相过程。无刷直流电机的电枢绕组的联结方式基本上有封闭式绕组和星形绕组两类，这里介绍星形绕组。星形联结方式是把所有绕组的首端或尾端接在一起，与它们相配合的电子换相电路为桥式联结，也可以为非桥式联结，3-3即为三相桥式星形联结。现以图4所示的三相桥式星形联结方式来介绍一下无刷直流电机的工作

43、过程。假设此时无刷直流电机的三个位置传感器的物理位置是相互之间间隔120，那么在转子转动时其中的位置传感器就会感应出特定的信号来。以霍尔传感器为例，当转子处于正转的状态时，三个霍尔传感器H1、H2、H3感应出的信号分别为101、100、110、010、011、001，然后进行下一轮循环。当转子处于一种反转的状态时，三个霍尔传感器感应出的信号则与正转时感应的相反，这里不再赘述。图4 三相桥式星形联结示意图无刷直流电机的转动离不开电子换相电路的支持。当电机内部的霍尔传感器感知出一个信号后，电子换相电路要及时获取这个信号，并且很快地根据这个信号来正确判断输出与其相应的驱动信号。以无刷直流电机的正转为

44、例，当电机的霍尔传感器输出信号为101时，打开V1、V4，使A、B相导通；当信号为100时，打开V1、V6，使A、C相导通；当信号为110时，打开V3、V6，使B、C想导通；当信号为010时，打开V3、V2，使B、A相导通；当信号为011时，打开V5、V2，使C、A相导通；当信号为001时，打开V5、V4，使C、B相导通。只有电子换相电路实时跟进电机内部霍尔传感器捕获的信号，电机才能正常运转1。3.2.3 无刷直流电机的运行特性无刷直流电机的运行特性在此主要介绍其启动特性和调速特性。讨论各种电机的运行特性时，一般都从转速公式、电动势平衡方程式、转矩公式和转矩平衡方程式出发。对于无刷直流电机，其

45、电动势平衡方程式为错误!未找到引用源。 (3-1)式中，U是电源电压（V）；E是电枢绕组反电动势（V）；Iacp是平均电枢电流（A）；错误!未找到引用源。是电枢绕组的平均电阻（）；U是功率晶体管饱和管压降（V），对于桥式换相线路为2U。对于不同的电枢绕组形式和换相线路形式，电枢绕组反电动势有不同的等效表达式，但不论哪一种绕组和线路结构，均可表示为错误!未找到引用源。 (3-2)式中，n是电机转速（rmin）；错误!未找到引用源。是反电动势系数（Vrmin）。 由式（11）、式（12）可知：错误!未找到引用源。 (3-3)在转速不变时，转矩平衡方程式为错误!未找到引用源。 (3-4)式中，M2是

46、输出转矩（Nm）Mo是摩擦转矩（Nm）,M是电磁转矩。这里，错误!未找到引用源。 (3-5)Km为转矩系数（NmA）。在转速变化的情况下，则错误!未找到引用源。 (3-6)式中，J是转动部分（包括电机本体转子及负载）的转动惯量（kg。2m）；是转子的机械角速度（rads）。电机在起动时，由于反电动势为零，因此电枢电流（即启动电流）为错误!未找到引用源。 (3-7)其数值是正常情况下工作电枢电流的几倍到几十倍，由式(3-5)可知，此时电枢的电磁转矩非常大，电机能很快起动。随着转子的加速，反电动势E增加，电磁转矩降低，加速转矩减小，最后进入正常的工作状态。为了防止在起动时因起动电流过大而烧坏了电机

47、，这就要求控制器在控制电机起动时必须要使PWM驱动波保持在一个比较合理的占空比上，并设置电流反馈控制，在保证电机能快速起动的基础上又尽量让电机保持在一个电机能接受的范围内。另外，当电机发生堵转时，这时电机也会有很大的电枢电流流过，这时在控制器上设置一个过流保护电路也是很必要的。总之，对电流的检测，一切都是为了电机的安全。现讨论电机的调速特性。当电机以一定的转速正常运行时，此时电枢电流为： 错误!未找到引用源。 (3-8)电磁转矩为：错误!未找到引用源。 (3-9)由此看出，当不记电源电压U的变化和电枢反应的影响时，式(3-9)等号右边第一项是常数，所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加，如图 5

48、所示：图5 无刷直流电机机械特性曲线当转速为零时，即为起动转矩；当式(3-9)等号右边两相相等时，此时转矩M=0，即电机运行在空载的状态。实际上由于电机损耗中可变部分以及电枢反应的影响，输出转矩会偏离直线变化14。当在同一转速下改变电源电压，亦即控制住（3-9）等号右边的第一项，这时就能很容易地改变输出转矩M，也很容易在同一负载下改变转速。所以无刷直流电机的调速性能很好，可以通过改变电源电压实现平滑调速，但此时电子换相线路及其他控制线路的电源电压仍能保持不变。无刷电机的这个运行特性就和有刷电机很相似了，他们都有着良好的伺服控制性能，这也为无刷直流电机用PWM波控制其转速提供了理论基础。3.3

49、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

50、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

51、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。3.4 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

52、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

53、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：霍尔组件放大装置VCCUo输出GND图6 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

54、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。4 元器件选择4.1 控制芯片MC33033MC33033是MOTOROLA公司生产的低价格高性能直流电机控制器，它不仅具有MC33034 和MC33035 控制器的功能, 而且还具有开环、三相或四相电机所需要的功能, 是第二代无刷直

55、流电机控制器的典型芯片。该芯片内含转子位置译码器, 并可为传感器工作提供带有温度补偿的参考基准电压。MC33033 的另一个特点是内含三个集电极开路的顶部驱动器和为MOSFET 驱动电源而设计的三个高电流推拉式底部驱动器。现将其特点和引脚功能作如下说明。4.1.1 MC33033特点1、具有1030V 的电源电压范围;2、具有有欠压锁定功能3、片内有基准电压源4、具有热关断功能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、性价比高图7 MC33033引脚图4.1.2 MC33033引脚功能MC33033是一种20引脚双列直插式封装，其引脚图如图7所示。各引脚功能如下：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