電動(dòng)車無刷直流電機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題　　目: 無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)自行車</p><p>　　的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　?！　I(yè):　 數(shù)控技術(shù) </p><p><b>　　摘 要</b><

2、/p><p>　　近年來，燃油交通工具因尾氣排放問題已造成城市空氣的嚴(yán)重污染。于是發(fā)展綠色交通工具已經(jīng)成為一個(gè)重要的課題?？紤]到我國的國情，發(fā)展電動(dòng)自行車具有重要的環(huán)保意義。隨著電機(jī)技術(shù)及功率器件性能的不斷提高，電動(dòng)自行車的控制器發(fā)展迅速。本文設(shè)計(jì)采用無刷直流電機(jī)專用控制芯片MC33033為控制芯片，以功率器件MOSFET為開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的控制。設(shè)計(jì)出了電路原理圖、印制板電路圖和電路板實(shí)物的3維

3、效果圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 無刷直流電機(jī) MC33033 原理圖 印制板電路圖</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air poll

4、ution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking into account China's national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the

5、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 </p><p>　　

6、Keywords：brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第

7、1章 引言5</b></p><p>　　1.1課題的研究背景及發(fā)展?fàn)顩r5</p><p>　　1.1.1當(dāng)今社會(huì)的能源問題5</p><p>　　1.1.2無刷直流電機(jī)的發(fā)展過程5</p><p>　　1.1.2無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)6</p><p>　　1.2電動(dòng)自行車的組成 部分7<

8、/p><p>　　1.3課題研究的內(nèi)容7</p><p>　　第2章 電動(dòng)自行車的主要技術(shù)9</p><p>　　2.1電動(dòng)自行車的基本性能9</p><p>　　2.2電動(dòng)自行車的主要技術(shù)參數(shù)10</p><p>　　2.2.1整車主要技術(shù)參數(shù)10</p><p>　　2.2.2蓄電池

9、主要技術(shù)參數(shù)10</p><p>　　2.2.3電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)11</p><p>　　2.2.4控制器主要技術(shù)參數(shù)11</p><p>　　2.3電動(dòng)自行車的電機(jī)控制技術(shù)12</p><p>　　2.4無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理12</p><p>　　2.5無刷直流電機(jī)的調(diào)速方法14</p>

10、;<p>　　2.6無刷直流電機(jī)的位置檢測15</p><p>　　第3章 系統(tǒng)元器件選擇17</p><p>　　3.1控制芯片MC3303317</p><p>　　3.2功率器件MOSFET20</p><p>　　3.3無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IR210322</p><p>　　3.4閉環(huán)無

11、刷電機(jī)適配器MC3303923</p><p>　　3.5蓄電池的選擇24</p><p>　　第4章 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.1普通無刷電動(dòng)機(jī)控制電路27</p><p>　　4.2主電路設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.2.1電源電路設(shè)計(jì)28</p><p>

12、　　4.2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.2.3剎車電路設(shè)計(jì)29</p><p>　　4.2.4調(diào)速電路設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.2.5鑰匙開關(guān)設(shè)計(jì)31</p><p>　　4.2.6整體電路圖32</p><p>　　第5章 印制電路板設(shè)計(jì)34</p><p&g

13、t;　　5.1確定元件封裝34</p><p>　　5.2生成網(wǎng)絡(luò)表35</p><p>　　5.3印制電路板環(huán)境設(shè)置35</p><p>　　5.4繪制PCB板36</p><p><b>　　結(jié) 論38</b></p><p><b>　　致　　謝39</b&

14、gt;</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40</b></p><p><b>　　附 錄 141</b></p><p><b>　　附 錄 242</b></p><p><b>　　附 錄 343</b></p><

15、;p><b>　　第1章 引言</b></p><p>　　1.1課題的研究背景及發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　1.1.1當(dāng)今社會(huì)的能源問題</p><p>　　能源是人類社會(huì)存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)今社會(huì)，能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為困擾人類社會(huì)進(jìn)步和發(fā)展的重大課題。自從英國工業(yè)革命以來，以煤炭、石油和天然氣等化石燃料為一次能源的供能系統(tǒng)極

16、大地促進(jìn)和推動(dòng)了世界各國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但與此同時(shí)，大量使用化石燃料所帶來的嚴(yán)重后果：資源枯竭、環(huán)境污染、生態(tài)資源破壞等。</p><p>　　自從20世紀(jì)70年代發(fā)生能源危機(jī)以來，人類探尋一種新的、清潔、安全可靠的可持續(xù)能源系統(tǒng)，世界各國對新能源與可再生能源日益重視，不斷加大人力和物力的投入力度，促進(jìn)了新能源與可再生資源利用技術(shù)和裝置的研發(fā)，加快了新能源與可再生資源的商業(yè)化進(jìn)程。</p><p&

17、gt;　　進(jìn)入21世紀(jì)，我國的能源問題，尤其是石油問題，也變得日益嚴(yán)重。我國的礦物能源儲(chǔ)量比較豐富，但是人均能源資源卻只有世界人均能源資源的二分之一左右。二十多年來，我國經(jīng)濟(jì)快速、持續(xù)發(fā)展，其發(fā)展速度與質(zhì)量為世界所矚目。但同時(shí)又面臨著有限的化石燃料資源和更高的環(huán)境保護(hù)要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，目前我國已經(jīng)世界第二大石油進(jìn)口國，能源問題十分緊迫。</p><p>　　由此可發(fā)現(xiàn)在交通方面發(fā)展一種綠色可再生的能源已顯得非常重要

18、。</p><p>　　1.1.2無刷直流電機(jī)的發(fā)展過程</p><p>　　一個(gè)多世紀(jì)以來，電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)三種。由于傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)均采用電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換向，因而存在相對的機(jī)械摩擦，由此帶來了噪聲、火化、無線電干擾以及壽命短等弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)，從而

19、大大限制了它的應(yīng)用范圍。</p><p>　　針對上述傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的弊病，早在上世紀(jì)30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機(jī)械換向的直流無刷電動(dòng)機(jī)。經(jīng)過了幾十年的努力，直至上世紀(jì)60年代初終于實(shí)現(xiàn)了這一愿望。進(jìn)入 70 年代晶閘管開始形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品，普通晶閘管不能自關(guān)斷的半控型器件，被稱為第一代電力電子器件。隨著電力電子技術(shù)理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量和類型

20、等方面得到了很大發(fā)展，是電力電子技術(shù)的又一次飛躍，先后研制出GTR、GTO、功率MOSFET等自關(guān)斷全控型第二代電力電子器件。而以絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為代表的第三代電力電子器件，開始向大容易高頻率、響應(yīng)快、低損耗方向發(fā)展。而進(jìn)入 90 年代電力電子器件正朝著復(fù)臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)模塊化、智慧化、功率集成的方向發(fā)展。正是由于功率器件GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現(xiàn)和發(fā)展，以及高性能永磁材料的問世，均為直流無刷電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用

21、奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。采用霍爾組件位置傳感器的無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性好、信號(hào)容易控制，因此，霍爾組件位置傳感器始終是無刷直流電機(jī)位置傳感器的主流。</p><p>　　目前隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開關(guān)功率組件進(jìn)行脈沖調(diào)制(pulse width modulation，簡稱PWM)控制電機(jī)已成為主流 ?，F(xiàn)在國外一些公司相繼推出了用于電機(jī)調(diào)速的數(shù)字信號(hào)處理（DSP

22、）芯片，在電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等家用電器領(lǐng)域及工業(yè)變頻控制領(lǐng)域，以其結(jié)構(gòu)緊湊、使用便捷、可靠性高、功能強(qiáng)和成本低等優(yōu)勢而被廣泛使用。</p><p>　　1.1.2無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)</p><p>　　無刷直流電機(jī)（ BLDCM : Brushless Direct Current Motor ）是指無機(jī)械電刷和換向器（或集電環(huán)）的直流電機(jī)，又稱無換向器直流電機(jī)，它以電子換向器代替機(jī)械電

23、刷和換向器實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的換向。無刷直流電機(jī)克服了有刷直流電機(jī)由于電刷環(huán)流而引起的磨損，產(chǎn)生火花而又引起噪音，及其對周圍電路帶來惡劣影響。無刷直流電機(jī)回饋裝置簡單，功率密度更高，輸出轉(zhuǎn)矩更大，控制結(jié)構(gòu)更為簡單，使電機(jī)和逆變器各自潛力得到充分發(fā)揮。且調(diào)速性能優(yōu)越，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，不存在勵(lì)磁損耗。同時(shí)，無刷直流電機(jī)既具備交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備有刷直流電機(jī)的運(yùn)行效率高等諸多特點(diǎn)，同時(shí)克服了有刷直流

24、電機(jī)由于機(jī)械電刷和換向器的存在所帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弊病，且降低了制造成本，簡化了電機(jī)維修。</p><p>　　進(jìn)入九十年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導(dǎo)體功率器件，如 GTR 、 MOSFET 、IGBT 、MCT 等相繼問世，以及微處理器、大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化。這些開關(guān)器件本身向著高頻化、大容量、智能化方向發(fā)展，并出現(xiàn)集半導(dǎo)體開關(guān)、信號(hào)

25、處理、自我保護(hù)等功能為一體的智能功率模塊（IPM）和大功率集成電路，使無刷直流電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件逆變器的成本降低，且向高頻化、小型化發(fā)展。無刷直流電機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新階段，目前正朝著超高速、高轉(zhuǎn)矩、高功能化、微型化方向發(fā)展。所以無刷直流電機(jī)在當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，如醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、及計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及家用電器等方面得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.2電動(dòng)自行車的組成 部分</p>

26、<p>　　電動(dòng)自行車一般由動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、行車部分、操縱制動(dòng)部分、電氣儀表部分組成。</p><p><b>　　動(dòng)力部分</b></p><p>　　電動(dòng)自行車的動(dòng)力部分通常由蓄電池和電機(jī)構(gòu)成，是電動(dòng)自行車的動(dòng)力來源。其性能的好壞，直接影響電動(dòng)自行車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性.</p><p><b>　　傳動(dòng)部分<

27、/b></p><p>　　電動(dòng)自行車傳動(dòng)部分的作用是將動(dòng)力部分輸出的功率傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)使電動(dòng)自行車行駛。通過變速器或調(diào)速器，使電動(dòng)自行車獲得行駛所需要的驅(qū)動(dòng)力和速度，并保證電動(dòng)自行車的平穩(wěn)起步和停車。它由變速器、后傳動(dòng)裝置組成。</p><p><b>　　行車部分</b></p><p>　　行車部分的作用是使電動(dòng)自行車構(gòu)成一個(gè)整體

28、，支撐全車的總重量，將傳動(dòng)部分傳遞的扭矩轉(zhuǎn)換成驅(qū)使電動(dòng)自行車行駛的牽引力，同時(shí)承受吸收和傳遞路面作用于車輪上的各種反力，確保電動(dòng)自行車正常、安全行駛。它主要由車架、前減震器、前后輪、座墊等組成。</p><p><b>　　操縱制動(dòng)部分</b></p><p>　　操縱制動(dòng)部分的作用是直接控制行車方向、行駛速度、制動(dòng)等，以確保電動(dòng)自行車行駛安全。它由車把、制動(dòng)裝置、調(diào)

29、速手把等組成。電氣儀表裝置是保證車輛安全行駛并反映車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要裝置，它使騎行者能正確、有效地對車輛行駛適時(shí)地進(jìn)行控制。它由數(shù)據(jù)顯示裝置、充電器等組成。</p><p>　　1.3課題研究的內(nèi)容</p><p>　　由于直流無刷電機(jī)具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、輕紡

30、以及家用電器等方面的應(yīng)用得到日益普及。</p><p>　　因此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)自行車的控制系統(tǒng)，36V電源供電，采用MC33033作為主控制芯片，功率器件MOSFET起開關(guān)作用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用PWM方式調(diào)速實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)自行車的控制。</p><p>　　第2章 電動(dòng)自行車的主要技術(shù)</p><p>　　2.1電動(dòng)自行車的基本性能</p

31、><p>　　按照國家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)自行車通用技術(shù)條件》，電動(dòng)自行車是以蓄電池為輔助能源，具有兩個(gè)車輪，能實(shí)現(xiàn)人力騎行、電動(dòng)或電力助動(dòng)功能的特種自行車；根據(jù)《道路安全法》，把電動(dòng)自行車劃分為非機(jī)動(dòng)車輛，電動(dòng)自行車的性能不能超出非機(jī)動(dòng)車輛標(biāo)準(zhǔn)。下面介紹《電動(dòng)自行車通用技術(shù)條件》中重要條款。</p><p>　　電動(dòng)自行車采用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)把，通過控制器可以對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，電動(dòng)車最高時(shí)速20Km/h。電

32、動(dòng)自行車必須具有可靠的剎車斷電功能。電動(dòng)自行車騎行剎車制動(dòng)時(shí)，剎車信號(hào)先送到控制器內(nèi)，切斷控制器輸出到電動(dòng)機(jī)的電源，電動(dòng)機(jī)停止輸出動(dòng)力，然后機(jī)械剎車系統(tǒng)制動(dòng)，確保騎行者安全。</p><p>　　電動(dòng)自行車整車質(zhì)量不超過40Kg。電動(dòng)自行車比普通自行車多了蓄電池、電動(dòng)機(jī)等質(zhì)量較大的部件，因此比普通自行車重了許多，但不應(yīng)大于40Kg這一非機(jī)動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)上限，超過了就不能納入非機(jī)動(dòng)車管理范圍。</p>&l

33、t;p>　　電動(dòng)自行車一般采用單塊為12V/12Ah鉛蓄電池串聯(lián)組成電動(dòng)自行車電源，每塊鉛酸蓄電池電磁質(zhì)量約4.1Kg，24V電源兩塊電池加外殼約7.8Kg；36V電源三塊電池加外殼質(zhì)量約13Kg。</p><p>　　低速電動(dòng)機(jī)輪廓較重，質(zhì)量約5Kg，告訴電動(dòng)機(jī)加減速齒輪構(gòu)成的輪廓質(zhì)量約3.5Kg。電池質(zhì)量加電動(dòng)機(jī)質(zhì)量約占整車質(zhì)量一半，留給自行車車體部分的約20Kg。而電動(dòng)自行車在較快速度下運(yùn)行的交通工具

34、，質(zhì)量比自行車大，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求比自行車高。</p><p>　　電動(dòng)自行車必須具有腳踏行駛功能。電動(dòng)自行車納入非機(jī)動(dòng)車管理范疇，腳踏功能是比不可少。在平坦的瀝青或混凝土路面風(fēng)速不大于3m/s，電動(dòng)自行車30min腳踏行駛距離不應(yīng)小于7Km。</p><p>　　電動(dòng)自行車電池容量應(yīng)保證一次充滿電后續(xù)駛里程應(yīng)不小于25Km。電動(dòng)自行車企業(yè)的產(chǎn)品說明書講一次充電后可行駛40-50Km，其依據(jù)

35、是電池放電時(shí)間在120min以上，最高車速20Km/h，這樣算來可以行駛40Km。一組優(yōu)質(zhì)的電池應(yīng)能保證使用一年后電池容量能維持續(xù)駛里程大于25Km。</p><p>　　電動(dòng)自行車以電動(dòng)騎行，100Km的電能消耗應(yīng)不大于1.2KWh。電動(dòng)自行車電動(dòng)機(jī)的額定連續(xù)輸出功率一般選用120-200W，最大應(yīng)補(bǔ)大于240W。</p><p>　　電動(dòng)自行車常用蓄電池組標(biāo)稱電壓一般為24V、36V、

36、48V，常用為36V，最高應(yīng)不大于48V。</p><p>　　電動(dòng)自行車載重一般為75Kg，有的達(dá)到100Kg左右，載重增加，就要求蓄電池能提供更多的能源，電動(dòng)機(jī)控制器必須增加功率，滿足載重要求。</p><p>　　2.2電動(dòng)自行車的主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　電動(dòng)自行車主要技術(shù)參數(shù)包括四部分：整車主要技術(shù)參數(shù)；蓄電池主要技術(shù)參數(shù)；電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)；控制

37、器主要技術(shù)參數(shù)。這些參數(shù)必須在說明書中注明。</p><p>　　2.2.1整車主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　1、外形尺寸：長×寬×高（mm）</p><p>　　千鶴牌：24in1840×590×1100 英克萊牌：24in1735×590×1050</p><p&

38、gt;　　22in1790×590×1100 22in1650×630×1045</p><p>　　2、前后輪中心距（mm）</p><p><b>　　24in1230</b></p><p><b>　　22in1205</b></p&

39、gt;<p>　　3、整車品質(zhì)（Kg，不應(yīng)大于40Kg）</p><p>　　一輛電動(dòng)自行車的整車質(zhì)量一般為30-35Kg。</p><p>　　4、最大載重量（Kg）</p><p>　　一輛電動(dòng)自行車的最大載重在75-100Kg。</p><p>　　5、最高車速（Km/h）</p><p>　　一輛

40、電動(dòng)自行車的最高車速為20Km/h左右。</p><p>　　6、續(xù)駛里程（Km）</p><p>　　一輛電動(dòng)自行車的續(xù)駛里程采用24V（24V/12Ah）供電為20-25；采用36V(36V/12Ah)供電為45-60Km。</p><p>　　2.2.2蓄電池主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　1、蓄電池的類型：在電動(dòng)自行車中，常用的蓄電

41、池有鉛酸電池，還有鎳氫電池，鋰電池。</p><p>　　2、蓄電池容量：在電動(dòng)自行車中，常用的蓄電池容量有10Ah、12Ah、14Ah、17Ah。</p><p>　　3、標(biāo)稱電壓：在電動(dòng)自行車中，常見蓄電池的標(biāo)稱電壓有24V、36V、48V三種。一般標(biāo)配為36V。</p><p>　　同時(shí)蓄電池使用壽命也是本系統(tǒng)的一個(gè)重要因素，影響蓄電池壽命的因素可分為三個(gè)方面

42、：首先是蓄電池本身的性能和質(zhì)量；其次是電動(dòng)自行車系統(tǒng)中的各個(gè)因素；第三方面是使用者的使用情況。</p><p>　　同時(shí)在電動(dòng)自行車系統(tǒng)中，影響蓄電池使用壽命的最主要因素有兩個(gè)，1、電動(dòng)機(jī)的效率狀態(tài)2、充電器的設(shè)計(jì)。如果電動(dòng)機(jī)效率范圍窄，經(jīng)常工作在低效率區(qū)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部容易發(fā)熱，當(dāng)溫度過高時(shí)，磁性材料就會(huì)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的退磁，久而久之效率進(jìn)一步下降，從而進(jìn)入惡性循環(huán)，即使跟換了電池也會(huì)無濟(jì)于事。</p>

43、<p>　　2.2.3電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)</p><p>　　1、電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)輸出功率</p><p>　　電動(dòng)機(jī)額定連續(xù)輸出功率一般為120-200W，最大不應(yīng)大于400W。</p><p><b>　　3、電動(dòng)機(jī)額定電壓</b></p><p>　　常見的電動(dòng)機(jī)額定電壓時(shí)36V，少數(shù)電動(dòng)機(jī)的額定電壓時(shí)2

44、4V或48V。</p><p>　　4、輪廓額定輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）</p><p>　　電動(dòng)自行車的輪廓額定輸出轉(zhuǎn)矩為</p><p>　　24in輪廓額定轉(zhuǎn)矩>7.4</p><p>　　22in輪廓額定轉(zhuǎn)矩>6.8</p><p>　　2.2.4控制器主要技術(shù)參數(shù)</p><

45、;p><b>　　1、控制的額定電壓</b></p><p>　　控制器的額定電壓一般為24V、36V、48V三檔。</p><p>　　2、控制器的欠電壓保護(hù)值</p><p>　　控制器的欠電壓保護(hù)值</p><p>　　控制器欠電壓保護(hù)值根據(jù)額定電壓不同而不同：</p><p>　　額

46、定電壓為24V的控制器，其次電壓保護(hù)值為20V</p><p>　　額定電壓為36V的控制器，其欠電壓保護(hù)值為31.5V</p><p>　　額定電壓為48V的控制器，其欠電壓保護(hù)值為41.5V</p><p><b>　　3、過流保護(hù)值</b></p><p>　　過流保護(hù)值一般由24V/10A和36V12A（16A）

47、兩種。</p><p>　　2.3電動(dòng)自行車的電機(jī)控制技術(shù)</p><p>　　電動(dòng)自行車是具有電力驅(qū)動(dòng)，腳踏驅(qū)動(dòng)，電力和腳踏并用等功能的綠色環(huán)保交通工具。電動(dòng)自行車的工作原理和結(jié)論都不復(fù)雜，可以認(rèn)為是在自行車的基礎(chǔ)上加一套電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的。電動(dòng)自行車的控制框圖如圖2-1所示，蓄電池通過控制器給電機(jī)供電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)自行車行進(jìn)。電動(dòng)自行車的控制器連接有一個(gè)調(diào)速手柄，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)速手柄可以改變控

48、制器輸入端信號(hào)的電壓值，控制器根據(jù)電壓值的大小，調(diào)節(jié)輸出給電機(jī)的電壓的高低，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2-1 電動(dòng)自行車控制框圖</p><p>　　電動(dòng)自行車控制器由外圍器件和主芯片組成，主芯片是由PWM發(fā)生器電路，功率器件驅(qū)動(dòng)電路，處理電路，過流與欠壓保護(hù)電路，控制功率管導(dǎo)通時(shí)間的驅(qū)動(dòng)電路以及輸入輸出端口等集成在一起而構(gòu)成的計(jì)算機(jī)芯片。外圍器件是一些功能器件，如電源電

49、路，功率器件，信號(hào)采集電路，執(zhí)行器件和采樣器件等，包括電阻，傳感器和橋式開關(guān)電路，以及專用集成電路來共同完成控制過程。</p><p>　　控制器的設(shè)計(jì)質(zhì)量，特性，所采用的微處理器的功能，功率開關(guān)器件電路及周邊器件布局等，直接關(guān)系到整車的性能和運(yùn)行狀態(tài)，也影響著控制器本身的性能和效率。不同質(zhì)量的控制器同在同一輛車上，也會(huì)在使用上顯示出較大差別。</p><p>　　2.4無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)

50、與原理</p><p>　　無刷直流電機(jī)的基本工作原理是利用轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)組件，使電樞繞組依一定順序通電，從而在旋轉(zhuǎn)磁場，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)按一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換。</p><p>　　無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖 2-2 所示。</p><p>　　圖2-2 無刷直流

51、電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理</p><p>　　從圖2-2可見，無刷直流電動(dòng)機(jī)組件主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分構(gòu)成。其線圈繞在定子上，一般定子繞組制成多相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒有籠型繞組和其它起動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等）,本設(shè)計(jì)選用常用的三相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定的極對數(shù)（2p= 2 , 4 ， … … ）組成。定子繞組分別與電子開關(guān)

52、線路中相應(yīng)的功率開關(guān)器件聯(lián)接，位置傳感器與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。</p><p>　　當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號(hào)變換成電信號(hào)，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。</p&g

53、t;<p>　　因此平常所說的無刷直流電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開關(guān)線路、電動(dòng)機(jī)本體及位置傳感器三部分組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。無刷直流電機(jī)的工作原理簡圖如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 無刷直流電機(jī)的工作原理簡圖</p><p>　　無刷直流電機(jī)借助轉(zhuǎn)子的位置傳感器信號(hào)，通過電子換相線路去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率開關(guān)組件，使電樞繞組依次得電，從而在定子上產(chǎn)

54、生旋轉(zhuǎn)磁場，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，位置傳感器不斷的送出信號(hào)，改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電機(jī)的無接觸式換流過程的實(shí)質(zhì)。</p><p>　　無刷直流電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換相，首先要求把一般直流電機(jī)的電樞繞組放在定子上，這與有刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅僅這樣還不行，因?yàn)橛靡话阒绷麟娫唇o定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場，但不能與運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)

55、生的永磁磁場相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。所以，無刷直流電機(jī)除了由定子、轉(zhuǎn)子組成電機(jī)本體外，還需要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電機(jī)的運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永久磁場，在空間始終保持在左右的電角度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　2.5無刷直流電機(jī)的調(diào)速方法</p><p>　　眾所周知

56、，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為</p><p>　　式中 U 表示電樞端電壓；</p><p><b>　　I表示電樞電流；</b></p><p>　　R 表示電樞電路總電阻；</p><p><b>　　表示每極磁通量；</b></p><p>　　K 表示一電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

57、參數(shù)。</p><p>　　因此可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：</p><p>　　(1) 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U 。改變電樞供電電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，這種方法最好。 I 的變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。</p><p>　　(2

58、) 改變電機(jī)的主磁通。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場多由永磁鐵產(chǎn)生，所以這種調(diào)速方法不適用于無刷直流電動(dòng)機(jī)。 </p><p>　　(3) 改變電樞回路電阻 R 。在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但只能是有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性軟；空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用；在調(diào)速電阻上消耗大量的電能。改變電

59、阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。</p><p>　　因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用，而對于無刷直流電動(dòng)機(jī)，其調(diào)速多采用調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用的就是通過調(diào)整PWM波的占空比，實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)電樞電壓的

60、控制，間接地控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2.6無刷直流電機(jī)的位置檢測</p><p>　　無刷直流電機(jī)運(yùn)行是通過逆變器功率器件隨轉(zhuǎn)子不同位置相應(yīng)改變其不同觸發(fā)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。因此準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)時(shí)切換功率器件觸發(fā)組合狀態(tài)是控制無刷直流電機(jī)的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)子的位置檢測最直接、有效的方法就是利用位置傳感器得到不同的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。</p><p>　　

61、位置傳感器對直流無刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）測定轉(zhuǎn)子位置的起著十分重要的作用，因?yàn)橹绷鳠o刷電動(dòng)機(jī)的換相是依據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來的，轉(zhuǎn)子現(xiàn)在的位置將決定下個(gè)激磁相，所以換相完全是由轉(zhuǎn)子位置來決定的。直流無刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）的位置傳感器主要包括三種：光點(diǎn)式位置傳感器、電磁式位置傳感器、以及霍爾式位置傳感器。</p><p>　　電磁式位置傳感器利用電磁效應(yīng)來進(jìn)行位置測量，特點(diǎn)是輸出信號(hào)大，工作可靠，適應(yīng)性強(qiáng)，但是它的體積大，輸

62、出的是交流信號(hào)，還需要經(jīng)過整流和濾波后才能用。所以，在早期時(shí)候用的多，現(xiàn)在已逐漸退出應(yīng)用。</p><p>　　光電式位置傳感器，是由發(fā)光二極管，光敏接受組件，遮關(guān)板組成，其中，發(fā)光二極管和光敏接受組件分別安裝在遮光板的兩側(cè)，固定不動(dòng)；遮光板安裝在轉(zhuǎn)子上隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。遮光板上開有120度的扇形開口，數(shù)目等于無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的級(jí)對數(shù)。當(dāng)遮光板的扇行開口對著某個(gè)光敏接受組件時(shí)，該組件接收到對面二極管發(fā)出的光而產(chǎn)生

63、光電流輸出，其它的則沒有輸出。這樣，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，遮光板使光敏接收組件輪流接收光信號(hào)，產(chǎn)生不同的輸出，所以根據(jù)輸出就可以判斷轉(zhuǎn)子所處的位置。</p><p>　　霍爾式位置傳感器是利用“霍爾”效應(yīng)工作的，利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，同時(shí)也是霍爾式位置傳感器的轉(zhuǎn)子?；魻栃?yīng)，在長方形半導(dǎo)體薄片上通入電流I，當(dāng)在垂直于薄片的方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場時(shí)，則在與電流I和磁場強(qiáng)度B構(gòu)成的平面

64、相垂直的方向上產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢E，稱為霍爾電動(dòng)勢，其大小為：</p><p><b>　　其中K為靈敏度系數(shù)</b></p><p>　　當(dāng)磁場強(qiáng)度方向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是成角時(shí)，霍爾電動(dòng)勢大的大小改為：</p><p>　　圖2-4 霍爾位置傳感器的工作原理圖</p><p>　　所以，利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場，對霍爾半

65、導(dǎo)體通入直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場大小和方向隨著它的位置不同而發(fā)生變化時(shí)，霍爾半導(dǎo)體就會(huì)輸出霍爾電動(dòng)勢，其大小和相位隨轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用。常用開關(guān)式霍爾集成電路作為傳感器件，它的外行像一只普通晶體管，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，成本低，是目前在無刷直流電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最廣的一種位置傳感器。在本次開發(fā)的控制系統(tǒng)中，也是采用霍爾式傳感器來檢測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)元器

66、件選擇</p><p>　　3.1控制芯片MC33033</p><p>　　MC33033是MOTOROLA公司生產(chǎn)的低價(jià)格第二代無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器，它是由MC33034和MC33035演變而成的，具備無刷直流電機(jī)控制所必需的功能，現(xiàn)將其特點(diǎn)和引腳功能作如下說明。</p><p>　　3.1.1MC33033特點(diǎn)</p><p>　　1、

67、工作電壓范圍寬，10V-30V</p><p>　　2、片內(nèi)含有欠壓鎖定</p><p>　　3、片內(nèi)有基準(zhǔn)電壓源</p><p>　　4、具有熱保護(hù)和限流電路</p><p><b>　　5、大電流驅(qū)動(dòng)器</b></p><p>　　6、能方便地選擇相角</p><p>

68、　　7、外圍控制電路簡單</p><p><b>　　8、使用和調(diào)節(jié)方便</b></p><p><b>　　9、性價(jià)比高</b></p><p>　　圖3-1 MC33033引腳圖</p><p>　　3.1.2MC33033引腳功能</p><p>　　MC33033是

69、一種20引腳雙列直插式封裝，其引腳圖如圖3-1所示。各引腳功能如下：</p><p>　　1、2、20腳：上臂驅(qū)動(dòng)輸出端。</p><p>　　3腳：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)輸人端，它可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。</p><p>　　4、5、6腳：傳感器信號(hào)輸入端。</p><p>　　7腳：這是基準(zhǔn)電壓輸出端。</p><p>　　8腳：振

70、蕩器輸出端。</p><p><b>　　9腳：轉(zhuǎn)速控制端。</b></p><p>　　10腳：內(nèi)部大器反相輸入端。</p><p>　　11腳：內(nèi)部放大器輸出端。</p><p>　　12腳：過流信號(hào)輸入端。</p><p><b>　　13腳：地。</b></p&

71、gt;<p><b>　　14腳：電源</b></p><p>　　15、l6、l7腳：下臂驅(qū)動(dòng)輸出端。</p><p>　　18腳：相角調(diào)整端。</p><p>　　19腳：使能端，用做剎車斷電及保護(hù)作用。</p><p>　　3.1.3MC33033控制原理</p><p>　　

72、MC33033內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示．該芯片由轉(zhuǎn)子位置譯碼器、具有傳感器供電的基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制（PWM）比較器、集電極開路輸出的三個(gè)上驅(qū)動(dòng)輸出和具有大電流輸出的三個(gè)下驅(qū)動(dòng)輸出、負(fù)電壓保護(hù)、過熱和過流保護(hù)等組成?，F(xiàn)對其中主要部分作些分析：</p><p><b>　　1、轉(zhuǎn)子位置譯碼器</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子位置譯碼器的傳感器信號(hào)輸入

73、端為引腳4、5、6，譯碼器能使上下驅(qū)動(dòng)以適當(dāng)?shù)捻樞蚬ぷ?。由于傳感器輸入端直接與集電極的霍爾開關(guān)或光耦合器界面，另外片內(nèi)有上拉電阻，所以能減少芯片外圍所器器件的個(gè)數(shù)。該譯碼器有專門設(shè)計(jì)的角度選擇腳(22腳)，它可以選擇傳感器最常用的電相角60º、120º、240º或360º，因?yàn)橛腥齻€(gè)傳感器輸入，所以譯碼器共有8種可能的輸入組合碼，但只有6種是有效的轉(zhuǎn)子位置，其他兩種是由傳感器開路或短路引起的，因而

74、是無效的。因?yàn)橛?種有效輸入碼，譯碼器以60º電角度為l步可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置。</p><p>　　用正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的輸入(引腳3)來改變電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。例如當(dāng)輸入碼為100時(shí)，引腳3的電平從高變低就使得具有相同的字母標(biāo)號(hào)的上驅(qū)動(dòng)和下驅(qū)動(dòng)輸出內(nèi)容相互交換，即AT、AB、BT和BB、CB、CT相互交換，這樣就改變了換流順序，從而改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)開/關(guān)

75、控制是輸出使能引腳19來控制的。當(dāng)?shù)?9腳斷開時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于正常工作狀態(tài)當(dāng)?shù)?9腳接地時(shí)．上驅(qū)動(dòng)輸出處于截止?fàn)顟B(tài)，下驅(qū)動(dòng)輸出處于低電平狀態(tài)，這樣電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)直至停止。</p><p><b>　　2、誤差放大器</b></p><p>　　誤差放大器具有直流電壓增益高(80dB)、輸入共模電壓范圍寬和增益帶寬為0.6MHz的特點(diǎn)，因此在大多數(shù)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，可把該放大

76、器設(shè)計(jì)成電壓跟隨器，其同相輸入連至設(shè)定速度的電壓源。在死循環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，能方便地利用該放大器所具有的高性能全補(bǔ)償特點(diǎn)來進(jìn)行控制。</p><p><b>　　3、欠壓鎖定</b></p><p>　　片內(nèi)具有雙欠壓鎖定電路，該電路能防止在欠電壓情況下?lián)p壞集成塊和外部功放晶體管，并能保證集成電路和傳感器的正常運(yùn)行。另外，還能輸出足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)與功率MOSFET器件接

77、口時(shí)，該電壓能確保獲得低接通漏源電阻所需要的柵極驅(qū)動(dòng)。當(dāng)直接驅(qū)動(dòng)霍爾傳感器件時(shí)。如基準(zhǔn)電壓輸出低于4.5V，那末傳感器將不能正常運(yùn)行．如果兩個(gè)比較器中有一個(gè)測出處于欠電壓的狀態(tài)，那么上驅(qū)動(dòng)輸出截止，下驅(qū)動(dòng)輸出為低電平，每一個(gè)比較器均有滯后環(huán)，以防跨越門限電壓時(shí)發(fā)生振蕩，從而可提高芯片的抗干擾能力。</p><p><b>　　4、驅(qū)動(dòng)輸出</b></p><p>　　

78、上驅(qū)動(dòng)輸出(1、2、20引腳)為NPN型晶體管．吸入電流為50mA．下驅(qū)動(dòng)輸出(15、l6、l7腳)特別適合于驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET或NPN雙極型晶體管。源電流和吸電流為100mA。</p><p><b>　　5、限流</b></p><p>　　電路中過流將導(dǎo)致過熱，從而毀壞電動(dòng)機(jī)。輸出開關(guān)導(dǎo)通時(shí)檢測定子電流，一旦發(fā)生過電流很快地使開關(guān)斷開，圖中敏感電阻R5與Q4

79、、Q5、Q6相連．電阻上的電壓由引腳l2輸入并與片內(nèi)100mV基準(zhǔn)電壓相比較，如果電流超過門限值，比較器使下部的鎖存器復(fù)位，從而使導(dǎo)通狀態(tài)終止。</p><p>　　3.2功率器件MOSFET</p><p>　　4.1.1MOSFET的結(jié)構(gòu)</p><p>　　MOSFET的種類結(jié)構(gòu)繁多，按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間存在導(dǎo)電溝道的稱耗

80、盡型。對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道的稱增強(qiáng)型。在MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型。</p><p>　　MOSFE的電氣圖形符號(hào),如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 N溝道MOSFET（左）P溝道MOSFET（右）</p><p>　　MOSFET在導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（也就是多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。<

81、;/p><p>　　4.1.2MOSFET的基本特性</p><p><b>　　（1）靜態(tài)特性</b></p><p>　　MOSFET是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。MOSFET的漏極伏安特性。其可分為截止區(qū)，飽和區(qū)和非飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。如圖3-4所示。</p><p>　　其中： ，， ，分別表示漏極電

82、流，柵源間電壓，開啟電壓，漏源間電壓。MOSFET的工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。</p><p>　　MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，這一點(diǎn)對器件的并聯(lián)時(shí)均流有利。</p><p><b>　?。?）動(dòng)態(tài)特性</b></p><p>　　MOSFET的開關(guān)過程波形，如圖3-5</p><p>

83、　　圖3-4 MOSFET的輸出特性</p><p>　　圖3-5 MOSFET的開關(guān)過程波形</p><p>　　當(dāng)上升到開啟電壓時(shí)，開始出現(xiàn)漏極電流i。從前沿時(shí)刻到=并開始出現(xiàn)i的時(shí)刻這段時(shí)間稱為開通延遲時(shí)間。此后i隨的上升而上升。從開啟電壓上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓U這段時(shí)間稱為上升時(shí)間t。MOSFET的開通時(shí)間t為開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。即</p>&l

84、t;p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　當(dāng)脈沖電壓u下降到零時(shí)，柵極輸入電容C通過信號(hào)源內(nèi)阻R和柵極電阻R開始放電，柵極電壓按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到U時(shí)，漏極電流i才開始減小，這段時(shí)間稱為關(guān)斷延遲時(shí)間t。此后C繼續(xù)放電，從U繼續(xù)下降，i減小，到<時(shí)溝道才消失,i下降到零。。這段時(shí)間稱為下降時(shí)間t。MOSFET的的關(guān)斷時(shí)間t為關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。即<

85、;/p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　MOSFET是場控器件，在靜態(tài)是幾乎不需要輸入電流。但是，在開關(guān)過程中需要對輸入電容沖放電，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。</p><p>　　4.1.3功率器件的選擇</p><p>　?。?）門極可關(guān)斷晶閘管(GTO <

86、/p><p>　　目前已達(dá)9kV/25kA/800hZ及6hZ/6kA/1kHz 的水平。GTO有對稱、非對稱和逆導(dǎo)三種類型。與對稱 GTO 相比，非對稱GTO通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強(qiáng)、易于提高耐壓能力（3000v 以上）。在當(dāng)前各種自關(guān)斷器件中，GTO容量最大、工作頻率最低。</p><p>　?。?）大功率晶體管（GTR） </p><p>　　GTR 是一種電

87、流控制的雙極雙結(jié)電力電子器件，產(chǎn)生于本世紀(jì) 70 年代，其額定值已達(dá) 1800V/800A /2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A /100kHz 。由它所組成的電路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時(shí)間短，在電源、電機(jī)控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。GTR的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。 </p&

88、gt;<p>　?。?）功率 MOSFET</p><p>　　功率MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因而它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡單、驅(qū)動(dòng)功率??；僅由多數(shù)載流子導(dǎo)電，無少子存儲(chǔ)效應(yīng)，高頻特性好，工作頻率高達(dá)100kHz 以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應(yīng)用于開關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場合；沒有二次擊穿問題，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強(qiáng)。功率 M

89、OSFET 的缺點(diǎn)是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運(yùn)用于大功率裝置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz 。</p><p>　?。?）絕緣門極雙極型晶體管（IGBT) </p><p>　　IGBT 可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應(yīng)晶體管的復(fù)合。通過施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導(dǎo)通；反之，若提供反向門極電壓則可消除溝道

90、、使IGBT 因流過反向門極電流而關(guān)斷。IGBT集GTR通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率 MOSFET驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為提高電力電子裝置的性能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。比較而言，IGBT的開關(guān)速度低于功率MOSFET，卻明顯高于GTR ; IGBT 的通態(tài)壓降同 GTR 相近，但比功率 MOSFET 低得多；IGBT的電流、電壓等

91、級(jí)與 GTR 接近，而比功率 MOSFET高。</p><p>　　綜合本文設(shè)計(jì)的要求，選擇MOSFET最為適合。因?yàn)镸OSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的第一個(gè)特點(diǎn)就是驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。其二顯著特點(diǎn)就是開關(guān)速度快，工作頻率高。另外MOSFET的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。同時(shí)MOSFET不存在二次擊穿的問題。但是MOSFET的電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。而

92、本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的就是小功率的無刷直流電機(jī)調(diào)速，故滿足系統(tǒng)的要求。</p><p>　　3.3無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IR2103</p><p>　　IR2103是IOR公司生產(chǎn)的N溝道MOSFET柵極專用驅(qū)動(dòng)電路芯片，為雙列直插式8腳塑封。該芯片是把邏輯電路產(chǎn)生的三相勵(lì)磁信號(hào)放大機(jī)電平移動(dòng)，滿足三相橋式場效應(yīng)晶體管輸出電路上、下管飽和導(dǎo)通要求。</p><p>　　IR210

93、3引腳功能如圖3-6所示。</p><p>　　主要引腳功能說明：①電源；②上管驅(qū)動(dòng)輸入；③下管驅(qū)動(dòng)輸入；④地；</p><p>　?、葑耘e升壓端；⑥上管驅(qū)動(dòng)輸出；⑦接上管源極；⑧下管驅(qū)動(dòng)輸出。</p><p>　　3-6 N溝道MOSFET柵極專用驅(qū)動(dòng)芯片</p><p>　　使用該芯片構(gòu)成無刷電動(dòng)機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)功率損耗小，外圍電

94、路簡單，元器件少，提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。</p><p>　　圖3-7 IR2103運(yùn)用實(shí)例</p><p>　　3.4閉環(huán)無刷電機(jī)適配器MC33039</p><p>　　MC33039是MOTOROLA生產(chǎn)的高性能閉環(huán)速度控制適配器，專門為用于無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)允許精確地速度調(diào)整而不需要磁性或光學(xué)速度計(jì)。</p><p>　　M

95、C33039用于無刷電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速時(shí)向MC33033輸入與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比例的電壓，有此不需要價(jià)格昂貴的測速電機(jī)，從而大大提高系統(tǒng)性價(jià)比。MC33039的電源電壓為6.25V,由MCC33033的第7腳提供，霍爾傳感器信號(hào)連到MC33033轉(zhuǎn)子位置譯碼器，同時(shí)也連到MC33039的1、2、3端?；魻杺鞲衅餍盘?hào)在線的正負(fù)沿跳變將使得MC33039產(chǎn)生一定幅度和寬度的脈沖，其參數(shù)由外接電阻和電容決定。產(chǎn)生的輸出脈沖由MC33039的引腳5輸

96、出，并送到MC33033的誤差放大器，從而產(chǎn)生了與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比例的直流電壓，建立脈寬調(diào)制的基準(zhǔn)電壓，從而構(gòu)成死循環(huán)控制回路。</p><p>　　MC33039引腳圖如圖3-6各引腳說明如下：</p><p>　　1、2、3腳：電機(jī)轉(zhuǎn)子各項(xiàng)信號(hào)輸入端。</p><p><b>　　8腳：電源VCC。</b></p><p

97、><b>　　7腳：接地。</b></p><p>　　6腳：外接電阻、電容腳。</p><p>　　5腳：輸出端，與MC33033相連。</p><p><b>　　4腳：為空置腳。</b></p><p>　　圖3-8 MC33039引腳圖</p><p><

98、;b>　　3.5蓄電池的選擇</b></p><p>　　目前能夠被電動(dòng)自行車采用的有以下四種動(dòng)力蓄電池，即閥控鉛酸免維護(hù)蓄電池、膠體鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。 </p><p><b>　　1、鉛酸蓄電池</b></p><p>　　目前市場上鉛酸蓄電池是使用最多的蓄電池。它的性能可靠，生產(chǎn)工藝成熟，價(jià)格也較低。

99、目前已商品化的電動(dòng)自行車的絕大多數(shù)是使用的密封式鉛酸蓄電池，使用中不需要補(bǔ)充水分，免維護(hù)。其主要化學(xué)反應(yīng)是：PbO2+2H2SO4+Pb←充電、放電→PhSO4+2H2O+PhSO4。</p><p>　　鉛酸蓄電池重量比能量為28-40 Wh/Kg，體積比能量64-72 Wh/I，太重、太大，而能提供的電能較少，使用壽命較短，作為電動(dòng)自行車的動(dòng)力電源一般只能夠使用一年左右，若是性能差或使用不當(dāng)?shù)闹挥卸⑷齻€(gè)月。

100、此外，鉛酸蓄電池還有深度放電能力和低溫放電能力較差，不能快速充電，廢電池對環(huán)境有一定污染等缺點(diǎn)。但是鉛酸蓄電池的現(xiàn)在性價(jià)比比較高使它占據(jù)了電動(dòng)車的大片市場。</p><p><b>　　2、膠體鉛酸蓄電池</b></p><p>　　膠體蓄電池是對液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸蓄電池的改進(jìn)。它采用凝膠狀電解質(zhì)，內(nèi)部無游離的液體存在, 在同等體積下電解質(zhì)容量大，熱容量大，熱消散能

101、力強(qiáng)，能避免一般蓄電池易產(chǎn)生的熱失控現(xiàn)象；電解質(zhì)濃度低，對極板腐蝕弱；濃度均勻，不存在酸分層的現(xiàn)象。但是在同等使用情況下選擇膠體鉛酸蓄電池的費(fèi)用比較高</p><p>　　3、鎳氫蓄電池（Ni-MH）</p><p>　　鎳氫蓄電池是九十年代涌現(xiàn)出的電池家族中新秀，發(fā)展迅猛。Ni-MH電池的電極反應(yīng)為：</p><p>　　正極：Ni(OH)2+OH-= NiOOH

102、+H20 +e-</p><p>　　負(fù)極：M+H2O+e=MHab+OH-Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab</p><p>　　它和鎳鎘蓄電池同屬堿性蓄電池，只是以吸藏氫氣的合金材料（mh）取代鎳鎘蓄電池中的負(fù)極材料鎘cd、電動(dòng)勢仍為1.32v。它具備鎳鎘蓄電池的所有優(yōu)異特性，而且能量密度還高于鎳鎘蓄電池。主要優(yōu)點(diǎn)是：比能量高（一次充電可行使的距離長）；比功率高，在大電流工作時(shí)也

103、能平穩(wěn)放電（加速爬坡能力好）；低溫放電性能好；循環(huán)壽命長；安全可靠，免維護(hù)；無記憶效應(yīng)；對環(huán)境不存在任何污染問題，可再生利用，符合持續(xù)發(fā)展的理念。但是，Ni-MH蓄電池成本太高，價(jià)格昂貴。</p><p><b>　　4、鋰離子電池</b></p><p>　　鋰是世界最輕的金屬，構(gòu)成電池時(shí)，輸出電壓近4v。鋰離子電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場的新型高能蓄

104、電池。其優(yōu)點(diǎn)是比能量高，是當(dāng)前比能量最高的蓄電池。已經(jīng)在便攜式信息產(chǎn)品中獲得推廣應(yīng)用。</p><p>　　鋰離子電池被普遍認(rèn)為具有如下的優(yōu)點(diǎn)：比能量大；比功率高；自放電小； 無記憶效應(yīng)；循環(huán)特性好；可快速放電，且效率高；工作溫度范圍寬；無環(huán)境污染等，因此有望進(jìn)入21世紀(jì)最好的動(dòng)力電源行列。預(yù)計(jì)在2006～2012 年期間，當(dāng)鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，MH/Ni蓄電池的市場份額將縮小。鋰離子市場份額將會(huì)擴(kuò)大。目前也

105、已經(jīng)有采用鋰離子蓄電池的電動(dòng)自行車產(chǎn)品出售。但是目前鋰離子電池的價(jià)格也比較昂貴，現(xiàn)在使用還比較奢侈，鋰離子電池多用于高新技術(shù)。</p><p>　　由此，綜上分析本設(shè)計(jì)選用鉛酸蓄電池，同時(shí)選擇超威電動(dòng)車電池18-DZM-12。該電池具有極強(qiáng)的耐深充深放循環(huán)能力、比能量高，放電性能優(yōu)越、正常使用無須加酸補(bǔ)水，免維護(hù)。18-DZM-12的參數(shù)如下：</p><p>　　表3-1 超威電池18

106、-DZM-12參數(shù)表</p><p>　　第4章 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1普通無刷電動(dòng)機(jī)控制電路</p><p>　　電動(dòng)自行車控制器是電動(dòng)自行車的控制系統(tǒng)，是電動(dòng)自行車的大腦。電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、加速、停止等工作狀態(tài)，都由控制器控制?？刂破鞴ぷ魇怯妹}沖信號(hào)控制功率管的開啟和關(guān)閉時(shí)間，決定電動(dòng)機(jī)換向的順序和時(shí)間，從而決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。目前電動(dòng)

107、自行車的控制器，普遍采用脈寬調(diào)速（PWM）方式，控制器內(nèi)部必須具有PWM發(fā)生器電路，電源電路，功率器件，功率器件驅(qū)動(dòng)電路，控制部件（剎車、電動(dòng)機(jī)霍爾傳感器等）信號(hào)的采集與過電流與欠電壓保護(hù)電路等。</p><p>　　圖4-1 無刷電動(dòng)機(jī)控制原理圖</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的控制電路由主芯片、傳感器、橋式開關(guān)電路等組成。電動(dòng)自行車的控制原理圖，如圖4-1所示。</p>

108、<p><b>　　4.2主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.2.1電源電路設(shè)計(jì)</p><p>　　電源電路從許蓄電池獲得電能，經(jīng)過一系列處理獲得電路系統(tǒng)所需的電壓。蓄電池電壓是36V控制芯片和驅(qū)動(dòng)芯片電壓是15V，所以本系統(tǒng)選用的是7815集成電路以及部分電容、電阻。其電路圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2

109、 電源電路</p><p>　　4.2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　由于IR2103為MOS管的專用驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片組成的驅(qū)動(dòng)電路具有驅(qū)動(dòng)功率損耗小，外圍電路簡單，元器件少，提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　由此該電路組成的驅(qū)動(dòng)電路其中A相驅(qū)動(dòng)電路如圖4-3。</p><p>　　圖4-3 電機(jī)A相驅(qū)動(dòng)電路<

110、;/p><p>　　當(dāng)IR2103的LIN腳得到MC33033的17腳輸出的高電平時(shí)即下臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過放大后從LO腳輸出高電平，經(jīng)R加到場效應(yīng)晶體管V4柵極，V4飽和導(dǎo)通，此時(shí)無刷電機(jī)控制芯片不輸出上臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，V1截止。V4飽和后其漏極與源極之間飽和壓降很小，電子開關(guān)V4接通，A點(diǎn)被V4接地。電流ILA1從A相繞組流出經(jīng)V4到地產(chǎn)生定子磁場.</p><p>　　當(dāng)無刷電機(jī)控制芯片MC33

111、033的2腳輸出A相上臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，經(jīng)Q1反相后加到IR2103的HIN腳為高電平，在IR2103內(nèi)部有一個(gè)由IR2103的HIN腳控制的電子開關(guān)閉合，此電子開關(guān)連接IR2103的Ho和VB腳（此時(shí)MC33033無下臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)）。</p><p>　　充滿電荷的電容,其正端通過IR2103的HO腳和VB腳內(nèi)閉合的電子開關(guān)和R8加到A相上臂場效應(yīng)晶體管的柵極，其負(fù)端接在V1的源極，電容放電，放電電流ICA2使V1柵

112、極與源極之間電壓為15V左右，M1飽和導(dǎo)通，作為上臂輸出電子開關(guān)接通。（無下臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，V4截止）。</p><p>　　36V電壓通過接通的電子開關(guān)V1加到A相橋式輸出端，A點(diǎn)電壓為36V即VA=36V，電流ILA2從A相電子開關(guān)V1流入到A相線圈中，產(chǎn)生與下臂導(dǎo)通時(shí)極性相反的勵(lì)磁磁場，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　當(dāng)無刷電機(jī)控制芯片不輸出上臂勵(lì)磁信號(hào)時(shí)，IR2103的HIN腳