基于MC33035芯片的无刷直流电机驱动系统设计解读.docx

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基于MC33035芯片的无刷直流电机驱动系统设计解读

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，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

THEBRUSHLESSDCMOTORDRIVESYSTEMDESIGNBASEDONMC33035CHIP

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentoftechnology,newenergytechnologiesinrecentyearshavebeenwidelyused.Forexample,thesmallsize,lightweight,highefficiency,lownoise,largecapacityandhighreliabilityfeaturessuchaspermanentmagnetbrushlessDCmotor-drivenbike.

MC33035TypicalcontrolfunctionsincludeopenloopPWMspeedcontrolsothatitcancontrol（startorstop）,reversingcontrolandbrakingcontrol.Thischipisovercurrentprotection,undervoltageprotection,undercurrentprotection,andthereforechipcost,highintelligence,whichsimplifiesthesystemstructure,lowersystemcosts,increasesystemperformancetomeettheneedsofmoreapplications.

ThedesignofthebrushlessDCmotorcontrolleriscontrolledbyMC33035chiptothisdesignresultsshowthat,MC33035typicaltimedelaycontrolwithanoptionallatch-by-weekshutdownmodecurrentlimitingcharacteristics,andinternalthermalshutdowncharacteristics.Electricbicyclesasamodeoftransportationhascausedagreatimpactonsocietyandlovedbythemajorityofusers.

KEYWORDS:

electric-bicycle,brushlessDCmotor,MC33035,positionsensors

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

4.1MC33035芯片介绍25

4.2MC33035芯片内部功能27

4.3MC33035芯片的内部结构及工作原理29

4.3.1MC33035芯片的内部结构及特点29

4.3.2MC33035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，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，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E－Tour计划，推动电动车辆的发展，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，国家强制性规定（国标GB17761－1999）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。

（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。

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=5.76N·M，即电机的输出转矩应为5.76N·M。

图2－９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=（M1＋M2）gsinα+F=1078*sinα+18.9

而Vu=p/Fu=126/（1078*sinα+18.9）

当α=1°时，Vu=3.34M/S=12.03Km/h；

当α=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K1K2—K2K3—K3K4—K4K5—K5K6—K6K1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，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2－2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/220V），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（Q1～Q6）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2－4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20km／h。

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