毕业设计无刷电机驱动的电动自行车的控制系统设计

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1、成都电子机械高等专科学校毕业设计(论文)毕业设计（论文）题目: 无刷电机驱动的电动自行车 的控制系统设计 专业: 数控技术 班级: 学号: 姓名: 指导老师: III 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： 无刷直

2、流电机 MC33033 原理图 印制板电路图AbstractIn 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 envir

3、onmental 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 swit

4、ching device drive motor, to achieve control of the electric bike. Design a circuit diagram, PCB circuit diagrams and circuit board real 3-D renderings. Keywords：brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit目录摘 要IABSTRACTII第1章 引言51.1课题的研究背景及发展状况51.1.1当今社会的能源问题51.1.2无刷直流电机的发展过程51.1.2无刷直流电机的特点61.2电

5、动自行车的组成 部分71.3课题研究的内容7第2章 电动自行车的主要技术92.1电动自行车的基本性能92.2电动自行车的主要技术参数102.2.1整车主要技术参数102.2.2蓄电池主要技术参数102.2.3电动机主要技术参数112.2.4控制器主要技术参数112.3电动自行车的电机控制技术122.4无刷直流电机的结构与原理122.5无刷直流电机的调速方法142.6无刷直流电机的位置检测15第3章 系统元器件选择173.1控制芯片MC33033173.2功率器件MOSFET203.3无刷电机驱动芯片IR2103223.4闭环无刷电机适配器MC33039233.5蓄电池的选择24第4章 系统电路

6、设计274.1普通无刷电动机控制电路274.2主电路设计284.2.1电源电路设计284.2.2驱动电路设计284.2.3刹车电路设计294.2.4调速电路设计304.2.5钥匙开关设计314.2.6整体电路图32第5章 印制电路板设计345.1确定元件封装345.2生成网络表355.3印制电路板环境设置355.4绘制PCB板36结 论38致谢39参考文献40附 录 141附 录 242附 录 343第1章 引言1.1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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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）

13、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 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

14、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

15、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。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按照国家标准电动自行车通用技术条件，电动自

16、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

17、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

18、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

19、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主要技术参数包括四部分：整车主要技术参数；蓄电池主要技术参数；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：24in18405901100 英克莱牌：24in17355901050 22in17905901100 22in165063010452、前后轮中心距（mm）24in123022in12053、整车品质（Kg，不应大于40Kg）一辆电动自行车的整

20、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。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

21、。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

22、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7.422in轮廓额定转矩6.82.2.4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41.5V3、过流保护值过流保护值一般由24V/10A和36V12A（16A）两种。2.3电动自行车的电机

23、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

24、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

25、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

26、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

27、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

28、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右的电角度，从而产生转矩推动电机旋转。2.5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

29、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

30、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

31、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

32、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

33、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。第3章 系统元器件选择3.1控制芯片MC3303

34、3MC33033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-30V2、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：1、2、20脚：上臂驱动输出端。3脚：正转、反转输

35、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

36、分作些分析：1、转子位置译码器图3-2 MC33033内部结构图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

37、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

38、，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

39、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。3.2功率器件MOSFET4.1.1MOSFET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

40、）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，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

41、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=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 （3-1）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

42、，从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 （3-2）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

43、、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

44、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、

45、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

46、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IR2103IR2103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

47、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。图3-7 IR2103运用实例3.4闭环无刷电机适配器MC33039MC33039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6.25

48、V,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。图3-8 MC

49、33039引脚图3.5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

50、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

51、为：正极：Ni(OH)2+OH-= NiOOH+H20 +e-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

52、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

53、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：36V不同温度电池容量(2hr)40102%额定容量(2hr)：12Ah25100%参考重量(Kg)：14.0Kg085%长(mm)：380-1570%宽(mm)：151电池储存容量(25)存放3个月90%高(mm)：102存放6个月80%总高(mm)：102存放9个月60%容量(25)2hr140

54、min最大短路电流(25)100A(5S)内阻(25)完全充电状态12m第4章 系统电路设计4.1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。图4-1 无刷电动机控制原理图直流电动机的控制电路由

55、主芯片、传感器、桥式开关电路等组成。电动自行车的控制原理图，如图4-1所示。4.2主电路设计4.2.1电源电路设计电源电路从许蓄电池获得电能，经过一系列处理获得电路系统所需的电压。蓄电池电压是36V控制芯片和驱动芯片电压是15V，所以本系统选用的是7815集成电路以及部分电容、电阻。其电路图如图4-2所示。图4-2 电源电路4.2.2驱动电路设计由于IR2103为MOS管的专用驱动芯片，该芯片组成的驱动电路具有驱动功率损耗小，外围电路简单，元器件少，提高了驱动电路的可靠性的优点。由此该电路组成的驱动电路其中A相驱动电路如图4-3。图4-3 电机A相驱动电路当IR2103的LIN脚得到MC330

56、33的17脚输出的高电平时即下臂驱动信号，通过放大后从LO脚输出高电平，经R加到场效应晶体管V4栅极，V4饱和导通，此时无刷电机控制芯片不输出上臂驱动信号，V1截止。V4饱和后其漏极与源极之间饱和压降很小，电子开关V4接通，A点被V4接地。电流ILA1从A相绕组流出经V4到地产生定子磁场.当无刷电机控制芯片MC33033的2脚输出A相上臂驱动信号时，经Q1反相后加到IR2103的HIN脚为高电平，在IR2103内部有一个由IR2103的HIN脚控制的电子开关闭合，此电子开关连接IR2103的Ho和VB脚（此时MC33033无下臂驱动信号）。充满电荷的电容,其正端通过IR2103的HO脚和VB脚

57、内闭合的电子开关和R8加到A相上臂场效应晶体管的栅极，其负端接在V1的源极，电容放电，放电电流ICA2使V1栅极与源极之间电压为15V左右，M1饱和导通，作为上臂输出电子开关接通。（无下臂驱动信号，V4截止）。36V电压通过接通的电子开关V1加到A相桥式输出端，A点电压为36V即VA=36V，电流ILA2从A相电子开关V1流入到A相线圈中，产生与下臂导通时极性相反的励磁磁场，驱动转子继续转动。当无刷电机控制芯片不输出上臂励磁信号时，IR2103的HIN脚恢复为低电平，其内部电子开关1截止，断开HO脚和VB脚而HO脚和VS脚间的内部电子开关2饱和接通HO脚和VS脚，使V1栅极和源极相通，导通时V

58、1栅极存储的电荷被泄放掉，保证场效应晶体管V1可靠地截止。以上为A相的一个工作周期，当控制芯片不断输出励磁信号，IR2103重复上述过程。4.2.3刹车电路设计MC33033专用芯片的闸把刹车实质上就是一个开关，当刹车开关断开时，电机出于正常工作状态，当闸把闭合使MC33033的19脚接地，上驱动输出处于截止状态，下驱动输出处于低电平状态，这样使电机惯性转动直至停止由此实现刹车断电。刹车电路的设计如下：图4-4 刹车电路这里选择了防水性能较好、性价比较高的展翔SJ002刹把，其实物图如图4-5。图4-5 展翔SJ002刹把实物图4.2.4调速电路设计本设计的调速转把选用的是技术较为成熟的、市场

59、上大量使用的霍尔转把，它输出的调速信号是一种电压信号，霍尔转把输出电压的大小，取决于霍尔组件周围的磁场强度。转动转把，改变了霍尔组件周围的磁场强度，也就改变了霍尔转把的输出电压。然后把这个电压输入控制器，控制器再根据这个信号的大小进行PWM脉宽调制。从而控制无刷电机转速的大小。本设计选用圣捷牌的V03型霍尔转把，该转把可以输出0.85V-4.25V范围内的控制电压来调节无刷电机的转速。调速电路的设计如图4-5，霍尔转把的实物如图4-6图4-6 调速电路图4-7 霍尔转把实物图4.2.5钥匙开关设计电动自行车不使用时为了防盗需要切断电路电源，所以在电源电路中设计一个钥匙开关，当使用者使用时只需用

60、钥匙打开开关即可使电路通电。其电路图设计如下：图4-8 钥匙电路 经过综合比较，本设计选用TACLEX公司生产的S216型钥匙开关，该型号开关工作稳定、使用寿命长、价格比较便宜。实物图如图4-9。图4-9 S216型钥匙开关实物图4.2.6整体电路图由于本系统选用的专用芯片MC33033，它不但具有电路简单，工作可靠的特点，而且还具有欠压锁定、限流的功能，所以该芯片的运用可大大减少外围电路，由此该系统的整体电路图设计如下：图4-10 系统整体电路原理图在图4-10整体电路中展示了以专用芯片MC33033为核心的控制系统电路图。该系统的PWM波在MC33033中产生，电机控制信号由MC33033

61、的1、2、20脚和15、16、17脚分别输出到3个专用驱动芯片IR2103，通过IR2103驱动每项的上下MOS管。由AR1和R3-R6组成的电路为过流采集电路，该电路通过采集绕组电流，经过简单处理，输入MC33033的12脚并与片内基准电压相比较，如果电流超过门限值，控制芯片使导通状态终止。刹车电路通过对芯片19脚接地，来实现芯片的刹车断电功能。霍尔转把通过改变转把内霍尔组件周围磁场强度来改变输出到芯片9脚电压的大小来改变电机的转速。第5章 印制电路板设计 电路设计的最终目的是设计出点子产品，而点子产品的物理结构式通过印制电路板来实现的。因此，印制电路板设计师电路图设计中相当重要、关键的一步。通常情况下需要设计电路板的大小、外形和各种环境参数等。由此本设计的印制电路板设计过程如下：5.1确定元件封装简单来说电子元件的封装就是电子元件的外形，在电路设计做PCB时就是根据电子元件外形尺寸和引脚的大小而画的PCB焊接图。经过查阅相关资料，本次设计个元件的封装形式如表5-1。表5-1 各元件封装形式元件名称封装形式元件名称封装形式MOS管V1TO-92A三极管Q1TO-126MOS管V2TO-92A三极管Q2TO-126MOS管V3TO-92A三极管Q3TO-126MOS管V4TO-92A电阻R10805MOS管V5TO