毕业设计论文无刷直流电机控制器的设计.docx
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毕业设计论文无刷直流电机控制器的设计
1绪论
电动自行车的概述
1.1.1电动自行车的产生
我国改革开放的深入和社会随着生产力的发展,人们生活节奏的加快,活动范围的不断扩大,人们希望获得一种轻便快捷、简单安全的交通工具，因此开发无污染的绿色环保电动自行车成为目前的一大发展趋势。
前几年,人们选择了燃油助动车,但由于燃油助动车采用小容量二冲程汽油发动机为动力,其废气排放浓度是一般轿车的3～5倍,其污染问题引起了社会各界和主管部门的高度重视。
电动自行车并不是简单地在自行车上加上电池和电动机,而是包括电池、控制系统、传动系统、电机四大块,并且采用了很多的新技术和新材料。
单从其驱动装置——电机来看就有很高的技术含量。
电动自行车的电机经过十多年的发展,曾经有变频电机、开关磁阻电机、有刷直流电机、无刷电机等多种驱动方案。
经过市场验证,目前较为成熟的有两大类:
一类是带减速齿轮的有刷电机,有盘式结构和圆柱结构两种；另一类是不带减速齿轮的直接驱动的无刷直流电机。
1.1.2电动自行车种类
电动自行车一般分为两类，一种是“零启动电动自行车”，一般称为电动自行车，这种电动自行车尽管有脚踏骑行功能，但可以完全靠电动骑行。
还有一种是“智能型电动自行车”，这种智能型电动自行车不能完全电动骑行，是需要人力骑行的助力电动自行车，一般为一比一助力即人机对等出力。
不过现在有些电动车控制器将这两种功能综合在一起，通过功能选择按键可以选择相应的骑行模式。
上世纪九十年代，电动自行车在国内露面，尽管不少城市采取“不鼓励、不禁止”的双不政策，但短短几年，便风靡一时。
在城市公交拥挤不堪，私家车花费太高的现实下，人们发现，快捷、省力的电动自行车不失为理想的代步工具。
但是，现在绝大多数电动自行车使用铅酸电池，废弃后若得不到有效处理，将严重污染环境，其危害甚至比汽车尾气还要大。
而铅酸电池，主要由铅、硫酸、部分其他金属及塑料组成，其内部所含硫酸浓度接近于纯硫酸，酸液具有高溶解性，这种酸液里含有大量的铅、无机盐，随意排放将严重污染土壤和水源，并产生铅蒸气，对空气环境、生态平衡造成破坏。
据统计，一组电动车的废电池会污染上万吨水。
铅不易被排出体外，还会引发人体代谢、生殖及神经等方面的疾病，而人体的铅含量一旦超标，就会导致智力下降、胎儿畸形，易诱发儿童的恶性肿瘤，甚至导致死亡。
因此，目前有部分厂商开始使用锂电池作为电动车的动力源，但锂电池的价格普遍会比铅酸电池高很多，厂家推出这类产品后，是否能够被消费者接收还有待市场的检验。
1.2发展趋势及其应用
目前，一些跨行业的大集团，特别是摩托车、家电等行业都注意电动自行车的市场空间，组织人力、财力的投入，研究、开发电动自行车，再加上一批装配型的小型企业出现，现在全国有近300家的生产厂，电动自行车产业大有一哄而起、蜂拥而上的趋势。
但电动自行车的第三次升温，首先得益于政府的支持，交通管理部门将电动自行车列为非机动车，使其享受与自行车相同的上牌、管理待遇。
市民购买使用电动自行车如同购买自行车一样方便，无需行使证、驾驶证，无需每年验车。
电动自行车第三次“起跑”的关键动力是市场需求，近年来，市场范围不断扩大，部分工薪族购买省力轻便的代步工具的需求越来越旺，各城市注重城市环境，对燃油车停止上牌，逐步淘汰。
随着各企业回收废旧电池、统一处理，认同电动自行车是绿色环保交通工具的政府部门以及消费者也越来越多，这就进一步促使电动自行车走进了千家万户，电动自行车虽然前景喜人，但各路诸侯市场分割，市场竞争将日趋激烈，甚至白炽化。
总之，如果说2006年以前的电动车厂家和电脑装机商一样，就是采购回来一堆东西，组装成车子而没有什么可圈可点的技术含量的话，那么2007年恐怕就是一个分水岭，随着竞争的激烈和品牌效应的逐渐形成，更加重要的是零配件供货的涨价将在最大程度上压缩整个厂家的利润，优胜劣汰的速度必将加剧。
本课题主要介绍以MC33035为核心构成的无刷直流电机控制器的设计,主要涉及核心控制电路的构成、IR2103的驱动、调速电路的实现、保证系统运行可靠性的抗干扰等方面的内容。
而研究出高效率的绿色环保的电动自行车才是本课题的最终目的。
2无刷直流电动机概述
无刷直流电机的发展
近年来,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、正反转选择等诸功能于一身,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、对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。
无刷直流电机的电枢线圈是经由电子换向器接到直流电源的，因而可以归为直流电机的一种。
近年来，有人从供电变流器的角度将它归为交流同步电机的一种，因为无刷直流电机的转速变化以及电枢绕组中的电流变化是和变流器的频率一致的。
因此，按照它们的工作特性，可以把无刷直流电机分为以下两类：
（1）具有直流电动机特性的无刷直流电动机
这类电动机有直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，所检测出的信号去触发相应的电子换向线路以实现无接触式换流。
显然这种无刷直流电机与普通有刷直流电机相似，具有效率高、起动性能好和调速性能好等优点。
（2）具有交流电动机特性的无刷直流电动机
这类电动机由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的异步电动机或同步电动机，它采用控制逆变器的频率来控制电动机的速度，因此它们具有异步电动机或同步电动机的各种运行特性。
更一般的是无刷直流电动机系统可以分为方波驱动和正弦波驱动。
无刷直流电机的工作原理
从实质上讲,所谓无刷电机,就是通过半导体变流装置将工频的电源功率转变为频率可变的交流电功率,对同步电机进行变频调速的系统。
与一般的交流异步电机不同,无刷电机在运行过程中,转子磁场的转速与定子电流产生的旋转磁场的转速相等,即保持同步。
无刷电机的频率不是独立调节的,而是受安装在转子轴上的位置检测器的控制。
随着转子位置的不同,位置检测器产生的信号也不同,这些信号经过处理后用来控制逆变桥的正确换流,从而改变电机定子绕组电流的频率,即控制电机转速。
一般所说的有刷直流电动机是指具有换向器和电刷的直流电动机。
在这种电动机中定子侧安装固定主磁极和电刷,转子侧安放电枢绕组和换向器。
直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组,产生电枢电流,电枢电流与主磁场相互作用产生转矩,带动负载。
然而由于电刷和换向器的存在,结果产生了一系列致命的弱点:
a结构复杂,可靠性差,故障多,需要维护,维护又困难,寿命短；b换向火花形成电磁干扰。
无刷直流电动机就是在保留有刷直流电动机的优良性能的基础上,为去除电刷和换向器而研究开发的。
由于无刷直流电动机没有电刷和换向器,它的绕组里电流的通断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。
要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩,就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。
为实现这一点,就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。
一般采用位置传感器来完成,由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号,然后去驱动功率器件,控制相应绕组电流的通断。
与有刷直流电动机不同,无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上,而电枢绕组安装在定子上。
位置传感器也有相应的两部分,转动部分和电动机本体中转子同轴连接（转动部分通常由电机转子代替）,固定部分与定子相连。
如图2-1所示,在电动机装配过程中,首先调整好位置传感器的三个信号元件（a、b、c）与电机定子三相绕组（AX,BY,CZ）之间的相对位置,使得转子磁场转到定子某相绕组下时,该相绕组才导通,以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。
图2-1无刷直流电动机原理示意图
当电动机转子N极位于A（a）处,则传感器a元件感应出信号,使功率晶体管V1导通,A相绕组中便有电流通过,设其方向为A（流入）、X（流出）,便产生水平向左的定子磁场,与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩,驱动转子逆时针旋转；当N极旋转至B（b）处,b元件输出信号使晶体管V2导通而其余关断,B相绕组通过电流,同样产生逆时针方向的电磁转矩,当磁极旋转至C（c）处,其动作过程与前两处相同。
如此反复循环,电动机即可旋转起来。
由于传感器元件安装位置为空间互差120°电角度,因此三相绕组轮流通电时间也为每相120°。
因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的,所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应,在电机安装时应加以注意。
无刷直流电机的特点与优势
无刷直流电动机刚开始商品化时就曾经以“没有电刷而特性完全和直流电动机一样”的佳品电动机而著称。
有刷直流电动机的前提是具有电刷和整流子，无刷直流电动机的最大特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触机构。
另外，它通常采用永磁体为转子，没有激磁损耗；发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，这样，热阻小，散热容易。
现将有刷直流电动机和无刷直流电动机作比较，具体区别如表2-1所示：
表2-1有刷直流电机和无刷直流电机的比较
有刷直流电动机
无刷直流电动机
机械结构
起磁场作用的磁铁作为定子
起磁场作用的磁铁作为转子，与交流同步电动机相似
优点
反应特性好，控制特性好
具有有刷直流电机的各种特性，寿命长，维护简单
换流方法
电刷和整流子机械接触
通过晶体管等电子开关
转子位置传感
电刷自行渐进进行
采用霍尔元件等
反转方法
利用改变端电压极性方法
改变晶体管等电子元件的开关状态
无刷直流电动机取消了电刷和换向器之间的滑动接触，因而没有换向火花，没有无线点干扰，寿命长、可靠性高、噪声低，能用于防爆场所。
它既具有交流电动机的结构简单、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的调速性能，并兼有起动转矩大、加速度快、动态制动简单、效率高以及无励磁损耗等优点。
此外，它的转速不受机械换向的限制，如采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万的速度中运行。
由于无刷直流电动机具有上述一系列的优点，因此，它的用途远比有刷直流电动机广泛，在国民经济各个领域的应用日益普及。
它从最初的宇航、军事设施应用领域扩展到工业和民用领域。
目前，小功率无刷直流电动机主要应用于计算机外围设备、办公室自动化设备和音响影视设备中。
近年来，无刷直流电动机在汽车电子应用方面开始出现了势头，在家用电器中的空调、冰箱的应用中也出现了苗头。
在工业控制领域，如数控机床的进给伺服控制，机器人关节驱动和自动生产线电子产品加工设备上也使用各种中小功率的无刷直流电动机。
3MC33035控制器的结构
总体结构介绍
本课题主要是利用专用芯片MC33035设计电动车控制器，其总体结构可以分为几个模块，分别是电源模块、驱动模块、控制模块、保护模块等。
整个电路的总体框图如下图3-1所示：
MC33035
欠压保护
驱动
三相桥
无刷电机
过流保护
刹车信号
光耦
调速信号
控制信号
图3-1系统整体框图
电源部分主要是通过芯片7815将48V电压转换成15V的电压，用来提供电压。
控制电路通过芯片MC33035来控制电路的各个功能模块，包括正向/反向，起/停控制等。
参考电压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。
电流检测反向输入端用于给内部100mV门限电压提供参考地，该管脚连接到电流检测电阻的底端。
故障输出端是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。
输出使能管脚为低时允许马达运行，为高时马达运行停止。
保护电路则通过欠压和过流保护实现，欠压保护通过电源分压与参考电压做比较，当电源电压小于参考电压时关闭电机输出，从而起到保护电机的作用。
而过流保护也是同样的道理，当相线电流超过电机能够承受的最大限值时，即刻关断。
而刹车电路是通过一个光电耦合器来实现的。
驱动部分框图结构如图3-2所示：
驱动
三相桥
无刷电机
位置传感器
脉宽
调制器
换向控制器逻辑电路
方向信号
速度控制信号
图3-2无刷直流电机驱动系统
驱动部分的工作过程为：
无刷直流电机的转子位置传感器输出信号Ha、Hb、Hc在每360电角度内给出6个组合代码，换向控制逻辑电路接收这六个组合代码，并对其进行译码处理，给出电子换向器主回路中6个开关管的驱动控制信号。
Ha、Hb、Hc给出的6个代码顺序与电动机的转动方向有关，如果转向反了，代码出现的顺序也将倒过来。
6个驱动信号在MC33035中包括3个顶部驱动和3个底部驱动，整个驱动电路用3个IR2103来驱动6个MOSFET，通过上下管的导通来控制电机的转动。
各单元结构间的关系
通过以上分析我们了解了各个模块的基本功能与作用，现在分析各个模块之间的关系。
首先控制模块控制整个电路，包括调速和刹车电路，分别通过可变电阻的调节和光耦来控制实现。
驱动模块是用3个IR2103驱动6个MOSFET来控制电机的转动，而保护模块包括过流与欠压保护，分别接到MC33035使能开关上随时控制电机的关断。
电源模块则为整个电路提供电源。
控制模块是整个电路的中枢神经，包括了关键的换相电路和调速电路，驱动模块是整个系统的执行单元，驱动的好坏直接影响到电机转动的平稳性。
保护模块为电机的正常运行提供了保障，一旦遇到过流和欠压的情况，电机停转，以防止异常情况对电机以及蓄电池造成损伤。
因此，各个功能模块之间都是相辅相成的关系，任何一个部分都不能缺少，它们共同构成一个完整的电动自行车控制系统。
4MC33035控制器的设计
芯片MC33035的介绍
4.1.1MC33035的发展背景
MC33035是美国安森美公司开发的高性能第二代单元无刷直流电机控器，它包含开环三相或四相电机控制所需的全部有效功能。
该器件由具有良好整流序列的转子位置译码器、可提供传感器功率的温度补偿参考、频率可编程的锯齿波振荡器、完全可访问的误差放大器以及三个非常适用于驱动大功率MOSFET的大电流推挽底部驱动器组成，因而是一种功能齐全的电机控制器。
MC33035无刷直流电机控制器采用双极性模拟工艺制造，可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品质和高稳定性。
该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对传感器的温度进行补偿的参考电平，同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管（MOSFET）的大电流图腾柱式底部输出器。
此外，MC33035还有欠锁定功能，带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性、内部热关断以及特有的可接入微处理器的错误指示等特性。
其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、运行使能以及阻尼式制动等。
MC33035设计为操作带60°/300°或120°/240°电传感器相位的无刷电机，并且还能有效的控制有刷直流电机。
4.1.2MC33035的工作原理
（1）MC33035的功能特点
A.10到30伏工作；B.欠压锁定；C.可作为传感器电源的6.25伏参考电压；D.完全可访问的误差放大器，用于闭环伺服应用；E.大电流驱动器，可控制外接三相MOSFET桥；F.逐周限流；G.带电流检测参考的引脚；H.内部热关断；I.可选60/300或120/240传感器相位；J.可与外部MOSFET半桥有效的控制有刷直流电机。
（2）MC33035芯片的管脚功能
MC33035的管脚排列如图4-1所示：
图4-1管脚定义图
根据以上管脚定义图，现将各个引脚的定义与功能列表如下，具体见表4.1：
表4-1MC33035的管脚功能定义
管脚编号
符 号
功能定义
1，2，24
BT，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
3
Fwd/Rev
正向/反向输入，用于改变电机转向
4，5，6
SA,SB,SC
三个传感器输入，用于控制整流序列
7
OutputEnable
输出使能，高电平有效。
该脚为高电平时，可使电机转动
8
ReferenceOutput
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
9
CurrentSenseNoninvertingInput
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
10
Oscillator
振荡器引脚，振荡频率由定时元件RT和CT所选择的参数值决定
11
ErrorAmpNoninvertingInput
误差信号放大器同向输入。
通常连接到速度设置电位器上
12
ErrorAmpNoninvertingInput
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
13
ErrorAmpOut/PWMInput
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
14
FaultOutput
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
15
CurrentSenseInvertingInput
电流检测反向输入端。
用于给内部100mV门限电压提供参考地，该管脚通常连接到电流检测电阻的底端
16
Gnd
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
17
Vcc
正电源。
Vcc在10V～30V的范围内，控制器均可正常工作
18
Vc
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10V～30V
19，20，21
CB,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
22
60°/120°Select
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°（低电平状态）的传感器电气相位输入状态下
23
Brake
输出使能。
该管脚为低时允许马达运行，为高时马达运行停止
（3）MC33035芯片的内部工作原理
MC33035的内部框图如图4-2所示：
图4-2MC33035内部原理图
MC33035内部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入，以便系统能够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。
传感器输入可直接与集电极开路型霍尔效应开关或者光电耦合器相连接。
此外，该电路还内含上拉电阻，其输入与门限典型值为2.2V的TTL电平兼容。
用MC33035系列产品控制的三相电机可在最常见的四种传感器相位下工作。
MC33035所提供的60度/120度选择可使MC33035很方便地控制具有60度、120度、240度或300度的传感器相位电机。
其三个传感器输入有八种可能的输入编码组合，其中六种是有效的转子位置，另外两种编码组合无效。
通过六个有效输入编码可使译码器在使用60度电气相位的窗口内分辨出电机转子的位置。
MC33035无刷直流电机控制器的正向/反向输出可通过翻转定子绕组上的电压来改变电机转向。
当输入状态改变时，指定的传感器输入编码将从高电平变为低电平，从而改变整流时序，以使电机改变旋转方向。
电机通/断控制可由输出使能来实现，当该管脚开路时，连接到正电源的内置上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序。
而当该脚接地时，顶端驱动输出将关闭，并将底部驱动强制为低，从而使电动机停转。
根据图4-2中MC33035的原理框图，现逐一分析每一内部模块的特点与功能：
①转子位置译码器
内置转子位置译码器监控三个传感器输入（管脚4，5，6）以提供顶端、底部驱动输入的正确时序。
传感器输入被设计为直接与集电极开路类型霍尔效应开关或者光开槽耦合器连接。
包含了内置上拉电阻以使所需的外部器件最少。
输入与门限典型值为2.2伏的TTL电平兼容。
MC33035系列被设计用于控制三相电机，并且可以在最常见的四种传感器相位下工作。
提供的60/120选择（管脚22）可使MC33035很方便的控制具有60，120，240或300的传感器相位的电机。
对于三个传感器输入，有八种可能的输入编码组合，其中六种是有效的转子位置，另外两种编码组合无效，通常是由于传感器的开路或者短路所致。
利用6个有效输入编码，译码器可以在使用60度电气相位的窗口内分辨出电机转子的位置。
正向/反向输出（管脚3）通过翻转定子绕组上的电压用来改变电机转向。
当输入改变了状态，一个指定的传感器输入编码从高电平变为低电平（例如100），具有相同字母标志的可用顶部和底部驱动输出将互相转换（At变Ab，Bt变Bb，Ct变Cb）。
实际上，整流时序被反向，电机改变旋转方向。
电机通/断控制由输出使能（管脚7）实现，当该管脚开路时，内部的25uA电源电流将会启动顶部和底部驱动输出时序。
接地时，顶端驱动输出关闭并且底部驱动强制为低，使电动机停转，错误指示产生输出。
阻尼式的电机制动功能让最终产品的设计增加了新的安全保证。
当制动输入（管脚23）接高电位时，实施制动。
此时顶部驱动输出全部关断，底部驱动全部接通，电机短接产生EMF。
制动输入较所有的其他输入具有无条件的优先权。
内置的40千欧姆上拉电阻保证在开路或者断开的情况下实施制动，简化了与系统安全开关的接口。
图20显示的是换向逻辑真值表。
四个输入或非门电路用于检测制动输入以及三个顶部驱动输出晶体管的输入。
其目的是当顶部驱动输出达到高电位时，才能制动，防止顶部和底部电源同时开关导通。
在半波电动机驱动应用中，不需要顶端驱动输出，通常情况为令其不连接。
在此情况下，因为或非门是将底部电压传感到顶部驱动输出的晶体管，仍然是制动状态。
②误差放大器
提供高性能，全补偿误差信号放大器，具有可访问输入和输出端（管脚11，12，13）用来使闭环电机速度控制更易实现。
放大器具有80dB型直流电压增益，0.6MHz增益带宽，以及较宽的共模输入电压范围，可以从地扩展至Vref。
在大多数开环速度控制应用中，放大器被设置为增益电压跟随器，其同向输入连接到速度设置电压源。
③振荡器
内置锯齿波震荡器的频率可由定时元件Rt和Ct选择的参数值来确定电容Ct由参考输出（管脚8）通过电阻Rt充电并且由一个内部放电
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