1、电动车无刷直流电机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 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： 无刷直流电机 MC33033 原理图 印制板电路图AbstractIn rec
2、ent 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 moto
3、r 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
4、 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
5、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
6、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子换向代替电刷机械换向
7、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
8、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
9、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
10、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）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
11、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驱动轮，驱使电动自行车行驶。通过变速器或调速器，使电
12、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
13、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，电动自行车是以蓄电池为辅助能源，具有两个车轮，能实现人力骑
14、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
15、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
16、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。电动自行车载重一般为75Kg，有的达到100Kg左右，载重增加，就
17、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车质量一般为30-35Kg。4、最大载重量（Kg）一
18、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。同时蓄电池使用寿命也是本系统的一个重要因素，影响蓄
19、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
20、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电动自行车的电机控制技术电动自行车是具有电力驱动，脚踏驱动，电力和脚
21、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。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
22、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
23、。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互作用而产生转矩，驱动转子
24、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。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
25、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
26、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
27、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
28、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
29、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
30、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： 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
31、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MC33033MC33033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
32、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
