無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)教材

1、指導(dǎo)教師:時(shí) 間：20140332014.05.30目錄長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書錯(cuò)誤!未定義書簽。畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告錯(cuò)誤!未定義書簽。長江大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）指導(dǎo)教師評審意見錯(cuò)誤!未定義書簽。長江大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評閱教師評語錯(cuò)誤!未定義書簽。長江大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）答辯記錄及成績評定錯(cuò)誤!未定義書簽。無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。AbstractXIII1前言12選題背景22. 1選題來源22.2當(dāng)前能源問題22.3無刷直流電機(jī)研究現(xiàn)狀22.4發(fā)展趨勢33方案論證43. 1電動自行車的電機(jī)控制技術(shù)43.2無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理53. 2.1無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)53. 2

2、.2無刷直流電機(jī)的原理63. 2.3無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性83.3無刷直流電機(jī)的調(diào)速方法113.4無刷直流電機(jī)的位置檢測124元器件選擇144. 1 控制芯片 MC33033 144. 1. 1 MC33033 特點(diǎn)144. 1.2 MC33033 引腳功能154. 1.3 MC33033 控制原理164. 2功率器件MOSFET174. 2. 1 MOSFET 的結(jié)構(gòu)174. 2.2 MOSFET的基本特性174. 2. 3功率器件的選擇194. 3無刷電機(jī)驅(qū)動芯片IR2103204.4閉環(huán)無刷電機(jī)適配器MC33039 215硬件電路設(shè)計(jì)225. 1普通無刷電動機(jī)控制電路225.2主電路設(shè)計(jì)

3、235. 2. 1電源電路設(shè)計(jì)235.2.2驅(qū)動電路設(shè)計(jì)245.2.3剎車電路設(shè)計(jì)255.2.4調(diào)速電路設(shè)計(jì)265. 2. 5鑰匙開關(guān)設(shè)計(jì)275. 2.6整體電路圖286結(jié)論與展望29致謝30參考文獻(xiàn)30副教授1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)2. 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)起止時(shí)間2014年3月3日2014年5月30日3. 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)(指導(dǎo)教師選定部分)(1) 無刷直流電機(jī)相關(guān)資料(2) 電力電子技術(shù)相關(guān)資料(3) 硬件電路、元器件手冊4. 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)應(yīng)完成的主要內(nèi)容(1) 無刷直流電機(jī)工作原理無刷直流電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)5. 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的目標(biāo)及具體要求

4、(1) 設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)主硬件電路(2) 設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制電路(3) 繪制參數(shù)測控系統(tǒng)軟件框圖（4）編寫監(jiān)控程序 6、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所需的條件及上機(jī)時(shí)數(shù)要求單片機(jī)開發(fā)裝置和相關(guān)元器件上機(jī)200機(jī)時(shí)任務(wù)書批準(zhǔn)日期2014年2月20日 教研室（系）主任（簽字）任務(wù)書下達(dá)日期2014年2月27日指導(dǎo)教師（簽字）_完成任務(wù)日期2014年5月30日學(xué)生（簽名）_I生產(chǎn)/社會實(shí)際2研究目的和意義無刷直流電機(jī)利用電子換向代替機(jī)械換向，解決了傳統(tǒng)直流電機(jī)因?yàn)殡娝⒛Σ炼?產(chǎn)生的眾多問題并因其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維修方便等優(yōu)點(diǎn),使得它的應(yīng)用越來越 廣泛1,如在儀器儀表、家用電氣和醫(yī)療器械等方面的應(yīng)用成為

5、研究的熱點(diǎn)，因而對電 機(jī)運(yùn)行性能的要求也越來越高，因此圍繞改善電機(jī)性能方面的研究也是多方向的。早期的電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)多采用專用硬件控制設(shè)備，需設(shè)計(jì)專用的控制芯片及其 它硬件電路以滿足不同控制對象的需要，這種封閉式結(jié)構(gòu)使電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的體積 大、開發(fā)成本高、開發(fā)周期長，可靠性、可擴(kuò)展性和易用性都很差，并且升級困難。 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)提出了更高的要求，既希望能夠根據(jù) 不同的應(yīng)用需求，迅速、經(jīng)濟(jì)地構(gòu)建面向客戶的控制系統(tǒng)，乂希望大幅度降低系統(tǒng)維 護(hù)費(fèi)用改變以往封閉式設(shè)計(jì)模式，使底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更為簡便和有效?，F(xiàn)代 電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)正朝著開放性、實(shí)時(shí)性和可靠性方向發(fā)展。

6、無刷直流電機(jī)大多釆用MCU （單片機(jī)）或者DSP （數(shù)字信號處理器）來研制電 機(jī)控制器，因?yàn)橐恍㎝CU和DSP中預(yù)置了用于電機(jī)控制的指令、接口和外設(shè)，應(yīng)用 較為方便。但是，在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，在高溫、低溫和強(qiáng)電磁干擾或者有 放射性粒子輻射的太空環(huán)境中，MCU和DSP無法正常工作2。所以引入了 FPGA （FieldProgianmiable Gate Airay）,即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 PAL、GAL、CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中 的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，乂克服了原有可編程器件門 電路數(shù)有限的缺點(diǎn)

7、。由于FPGA運(yùn)用了硬件電路軟件化設(shè)計(jì)的理念，使得FPGA設(shè)計(jì) 具有良好的可重復(fù)性和修改性。模塊的硬件描述語言（HDL）不拘泥于某一型號FPGA 或某一廠商的FPGA,只需要經(jīng)過簡單的設(shè)置就可重復(fù)利用己有的電路模塊，乂因?yàn)?FPGA具有優(yōu)異的可重復(fù)編程的能力，可以很簡單的對算法進(jìn)行修改和升級。從而極 大地縮短了控制器的設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約了產(chǎn)品升級換代的成本。FPGA有從商用到航天 等不同級別的芯片，環(huán)境適用范圍廣泛。無刷直流電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 低噪聲：因?yàn)闆]有了機(jī)械電刷或滑環(huán)式電刷，無刷直流電機(jī)消除了除支承、 連接以及負(fù)載以外的機(jī)械噪聲：2) 高效率：無刷直流電機(jī)是目前電機(jī)中最高效率的一種電機(jī)

8、，這要?dú)w功于其利 用永磁體長生的恒定、持續(xù)的磁場的緣故。在合適的操作條件下永磁無刷直流電機(jī)的 永磁體具有非常小的去磁系數(shù)：3) 無勵磁需要：如上所述，無刷直流電機(jī)利用永磁體產(chǎn)生恒定磁場，省去了傳 統(tǒng)電機(jī)的電勵磁部分：4) 易維護(hù)、壽命長：消除了機(jī)械電刷和換相器的無刷直流電機(jī)比傳統(tǒng)直流電機(jī) 構(gòu)造簡單，更易維護(hù)，而且電機(jī)壽命更長：5) 控制結(jié)構(gòu)簡單：無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于電機(jī)電流，反饋裝置簡單，不需 要釆用絕對位置編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器，因此較之交流電機(jī)更易于控制。正式因?yàn)檫@個(gè) 原因，目前己有很多半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)了適合無刷直流電機(jī)控制需要的專用集成電路控 制芯片：目前，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用越來越普遍，國

9、內(nèi)近年來在無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)和控 制方面有很多的研究，但與國外成熟的產(chǎn)品化相比還有很多地方只得提高。3閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱1 張琛直流無刷電動機(jī)原理及應(yīng)用M.北京機(jī)械工業(yè)出版社，200&2 胡文靜.永磁無刷直流電動機(jī)的發(fā)展與展望J.微電機(jī)，2002, 35(4):37-38.華建軍.基于FPGA永磁同步電機(jī)控制器的研究D】碩士論文.江蘇:江南大 學(xué)，200&4 Ying-Yu Tzhou、Hau-Jean Hsu. FPGA Realization of Space Vector PWM Control IC fb r Tluee-phase PWM Iiiverteis J IEEE

10、 Transact ion on Power Electronics, 1997, 12( 6 )5 貢俊，陸國林.無刷直流電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用前景和發(fā)展J.微特電機(jī)， 2000(5):14-17. 6 Wong C G Martin A J, and Thomas R Ail aichitecnne for asvnchionou s FPGAs、IEEE International Coiifeience on Proceedings 2003、Tokyo, 2003: 170-177.7田耘，徐文波,張延偉.無線通信FPGA設(shè)計(jì)M.北京：電子工業(yè)出版社，2008.8 林壽英，基于FPGA的

11、直流電機(jī)控制器的研究與實(shí)現(xiàn)J福建農(nóng)機(jī)，2009(4):31-34.9 徐光輝，程東旭，黃如.基于FPGA的嵌入式開發(fā)與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社.10 Luca Mostaiduu,Luca BacciarelltLoreiizo Benuu.FPGA-based Low-cost System for Automatic Tests on Digital CircuitsC.IEEE International Conference on Electionic, Ciicu it sand Systems,2007(14):911-914.11 蔣昊,李哲英.基于多種EDA工具的FPGA設(shè)計(jì)流程J

12、微計(jì)算機(jī)信息， 2007,23(32):201-203.12 薛鵬飛，張衛(wèi)東.基于Fusion FPGA無刷直流電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)J,研究與設(shè)計(jì)，2011,27(8):1-4.13 吳磊.基于雙DSP和FPGA的無刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D：碩士論文電子科技大學(xué)，2010.14 Chakiavanhy, N. Jizhong Xiao. FPGA-based Control System for MimanneRobots C . bitelligent Robots and System s, 2006 IEEE /RSJ Liternational Co nfeience on O ct

13、, 2006國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢4.1國內(nèi)外現(xiàn)狀有刷直流電動機(jī)作為最早的電動機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，由于其寬 闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，在需要調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位，但機(jī)械換相裝置的 存在，限制了其發(fā)展和應(yīng)用范圍。直流電動機(jī)的機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，造 成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問題，影響了直流電動機(jī)的調(diào)速精度 和性能?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍，開關(guān)型晶體管的研制成功 為創(chuàng)造新型的無刷直流電動機(jī)帶來生機(jī)。“無刷直流電機(jī)”的概念己有最初的具有 電子換相器的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。 現(xiàn)今，無刷直流電機(jī)集電機(jī)、

14、變速機(jī)構(gòu)、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為 新一代的電動調(diào)速系統(tǒng)。無刷直流電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在：調(diào)速方 便（可無級調(diào)速），調(diào)速范圍寬，低速性能好（起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流?。\(yùn)行平穩(wěn), 噪音低，效率高，應(yīng)用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、 抽油煙機(jī)、豆?jié){機(jī)、小型清污機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等。由于無刷直流電機(jī)具有這些v優(yōu)點(diǎn)，因此在2004年的國際電機(jī)會議上提出了有刷電機(jī)將被無刷電機(jī)取代這一發(fā)展 趨勢。我國目前是世界最大的永磁體（生產(chǎn)無刷電機(jī)的主要原材料）生產(chǎn)供應(yīng)基地， 中國還將要成為全球最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用小功率 電機(jī)的需求

15、增長帶動了以永磁無刷直流電機(jī)為主體的車用小功率電機(jī)的興起，我國正 在成為世界電動汽車制造業(yè)的主要供應(yīng)用。4.2發(fā)展趨勢隨著石油能源的日趨緊張以及人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，電動自行年越來越受歡迎。 用無刷電機(jī)驅(qū)動己成為電動車的發(fā)展方向。永磁直流無刷電機(jī)是近年來迅速成熟起來 的一種新型機(jī)電一體化電機(jī)。該電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子位置檢測元件霍爾傳感器等 組成，既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的特點(diǎn)，乂具有直流電機(jī)良好 的調(diào)速特性，并且無機(jī)械式換相器，現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速場合。無刷直流電機(jī)因其 體積小、轉(zhuǎn)矩高、可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在電動自行車等家用設(shè)備中得到了廣 泛的應(yīng)用。以前沒有一個(gè)專用控

16、制芯片能夠?qū)魻杺鞲衅鳈z測出的位置信號進(jìn)行譯 碼，它本身更不具備過流、過熱、欠壓、正反轉(zhuǎn)選擇等輔助功能，因此設(shè)計(jì)者最初釆 用分立元件組成的龐大的模擬電路來對它進(jìn)行控制，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試相當(dāng)復(fù)雜, 而且要占用很大面積的電路板，有時(shí)候與把控制器內(nèi)嵌到電機(jī)內(nèi)部的要求相矛盾。后 來MOTOROLA公司研制了無刷電機(jī)控制專用芯MC33035,它集譯碼、過流、過熱、 欠壓、正反轉(zhuǎn)選擇諸功能于一身，組成的系統(tǒng)所需外圍電路比較簡單。無刷直流電機(jī) 控制器結(jié)構(gòu)有多種形式，最初是采用分離元件組成的龐大而復(fù)雜的模擬控制電路，由 于調(diào)試難度大，穩(wěn)定性差，已逐漸被淘汰 以微機(jī)（單片機(jī)）為核心構(gòu)成的數(shù)字控制 電路調(diào)速控

17、制功能強(qiáng)，但存在著運(yùn)算速度慢的缺陷，一般只適用于復(fù)雜的運(yùn)行控制場 合新型電機(jī)控制專用芯片的出現(xiàn)，給無刷直流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)帶來了極大的便 利，這種集成模擬控制芯片控制功能強(qiáng)、保護(hù)功能完善、工作性能穩(wěn)定，組成的系統(tǒng) 所需外圍電路簡單、抗干擾能力強(qiáng)，特別適用于工作環(huán)境惡劣、對控制器體積、價(jià)格 性能比要求較高的場合。5要研究內(nèi)容、關(guān)鍵問題，及解決思路5.1直流無刷電動機(jī)基本組成及工作原理轉(zhuǎn)速給定單元電子測速器MC33039霍爾反饋VF/V圖1 MC33033和MC33039構(gòu)成的控制器5.2三相閉環(huán)無刷直流電機(jī)控制電路的控制從電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測器送來的三相位置檢測信號一方面送入MC33033,經(jīng)芯片

18、 內(nèi)部譯碼電路結(jié)合正反轉(zhuǎn)控制端、起?？刂贫恕⒅苿涌刂贫?、電流檢測端等控制邏輯 信號狀態(tài)，經(jīng)過運(yùn)算之后，產(chǎn)生逆變器三相上、下臂開關(guān)器件的6路原始控制信號， 其中，三相下橋開關(guān)信號還要按無刷直流電機(jī)調(diào)速機(jī)理進(jìn)行脈寬調(diào)制處理。處理后的 三相下橋PWM控制信號經(jīng)過驅(qū)動電路整形、放大后，施加到由6個(gè)功率開關(guān)器件組 成的MPM3OO3的6個(gè)開關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機(jī)正常運(yùn)行所需的三相方波交流電 流。另一方面，轉(zhuǎn)子位置檢測信號還送入MC33039,經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換，得到一個(gè)頻率與 電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號FBo FB通過簡單的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后形成轉(zhuǎn)速反饋信號， 利用MC33033中的誤差放大器即可構(gòu)成一個(gè)簡單的P

19、調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán) 控制，以提高電機(jī)的機(jī)械特性硬度。實(shí)際應(yīng)用中，還可外接各種HI,PID調(diào)節(jié)電路以 實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。注意事項(xiàng)：（1） MC33033供給集成電路的正電源與供下側(cè)驅(qū)動輸出正電源為同一個(gè)電 源，其取值范圍為：1030Vo（2）集電極開路輸出用來驅(qū)動三相橋上側(cè)功率管，接入電阻可根據(jù)應(yīng)用的功 率管進(jìn)行選擇。其下側(cè)驅(qū)動輸出由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可直接接功率管，建議 接入幾十歐的電阻，防止電流沖擊。同時(shí)，可在下側(cè)輸出端與地接IS1588 穩(wěn)壓二極管。（3）由于內(nèi)部振蕩器振蕩頻率由外接定時(shí)元件CT、RT決定。建議使用振蕩器 頻率為20一30KHz,以兼顧過低則有可聞噪聲，過高則開

20、關(guān)損耗過大 的矛盾。5.3欠壓鎖定雙欠壓鎖定用來預(yù)防ic和外部電力開關(guān)晶體管的損害。在低電壓條件下，它保 證IC和傳感器充分發(fā)揮作用，并且有充足的底部驅(qū)動輸出電壓。對IC的正向電源 （VCC）被&9V門限電壓進(jìn)行檢測。在這個(gè)電平保證當(dāng)MOSFET設(shè)備工作時(shí)，有充足 的門驅(qū)動和必要低的RDS（on）o當(dāng)直接地供給霍爾傳感器動力，不正當(dāng)?shù)膫鞲衅鞑僮?可能使參考電壓下跌到4.5V以下。如果兩個(gè)比較器都識別到這種欠壓狀態(tài)，頂面驅(qū) 動器被關(guān)閉并且底部驅(qū)動器被維持在一個(gè)很低的狀態(tài)。當(dāng)通過他們各自的門限電壓 時(shí)，每臺比較器都有滯后作用以防止振動。6完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所必須具備的工作條件（如工具 書、計(jì)算機(jī)

21、、輔助設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件等） 及解決的辦法。工作條件解決方法工具書購買及租借電腦學(xué)校機(jī)房提高所需計(jì)算機(jī)軟件學(xué)校機(jī)房提高7工作的主要階段、進(jìn)度與時(shí)間安排具體時(shí)間安排如下：2014.2.25 20143.152014.3.152014.4.252014.4.25 2014.5.012014.5.012014.5.312014.5.312014.6.32014.6.3 后撰寫開題報(bào)告做外文翻譯理論了解及實(shí)際操作撰寫論文論文修改、定稿審查，答辯8指導(dǎo)教師審查意見摘要這些年來，燃油交通工具因尾氣排放問題己造成嚴(yán)重的空氣污染。于是綠 色交通工具的發(fā)展己經(jīng)成為一個(gè)很重要的課題。結(jié)合我國的國情，電動

22、自行車的發(fā)展 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，電動自行車的控制 器發(fā)展迅速。本文設(shè)計(jì)主要釆用無刷直流電機(jī)專用控制芯片MC33033為控制芯片， 用功率器件MOSFET為開關(guān)器件驅(qū)動電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的控制。該設(shè)計(jì)不 僅要實(shí)現(xiàn)電動自行車正常使用時(shí)應(yīng)具備的基本性能，還要通過增加欠壓檢測電路、過 流保護(hù)電路、同步整流電路等措施來提升電機(jī)運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性，使電動自行車用 無刷直流電機(jī)具備更持久的生命力。關(guān)鍵詞無刷直流電機(jī) MC33033電路圖Brushless de motor controller designAbstract hi recent years, tr

23、ansportation fiiel emission problem lias been caused by urban an pollution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking uito account Chinas national conditions, development of electric bicycles has unpoftant envuomnental significance. With the motor teclmologv

24、and continuously unprove the peifonnaiice of power devices, the xapid development of electiic bicycle contioller Tlus design uses a bnishless DC motor for the control of dedicated control chip MC33033 chip, in older to power MOSFET devices as the switching device diive motoi; to aclueve control of t

25、he electiic bike. Tlus design not only to aclueve the electric bicycle in nonnal use should have the basic peifbnnaiice, but also by adding undei-voltage detection ciicuit, an oveicunent protection ciicuit, a syncluonous fectifier circuit and other measuies to linpiove the stability and reliability

26、of the operation of the motoi; bnishless DC motor with a more lastmg vitality.Keywoids bmsliless DC motor MC33033 Ciicuit diagram1前言無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)1前言一個(gè)多世紀(jì)以來，作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置的電動機(jī)，其廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各 個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。電動機(jī)主要類型有直流電機(jī)、異步電動機(jī)和同步電機(jī) 三種。由于傳統(tǒng)的直流電動機(jī)均釆用電刷以機(jī)械方法進(jìn)行換向，從而存在一定的的機(jī) 械摩擦，由此帶來了火花、噪音、壽命短以及無線電干擾等弱點(diǎn)，再加上制造成本高 及維修困

27、難等缺點(diǎn)，從而其應(yīng)用范圍大大的收到了限制。針對上述傳統(tǒng)直流電動機(jī)的缺點(diǎn)，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機(jī)。經(jīng)過了兒十年的努力，直至上世紀(jì)60年代 初這一愿望終于實(shí)現(xiàn)了。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，第一代電力電子器件是傳統(tǒng)晶閘管不能自關(guān)斷的半控型器件。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等方面 得到了很大發(fā)展，是電力電子技術(shù)的乂一次飛躍，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

28、，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 磁材料的出現(xiàn)，均為直流無刷電動機(jī)的廣泛應(yīng)用打下了堅(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。當(dāng)今隨著計(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。目

29、前在國外的一些公司相繼推出了用于電機(jī)調(diào)速的數(shù)字信號處理 （DSP）芯片，在空調(diào)、洗衣機(jī)、電冰箱等家用電器領(lǐng)域及工業(yè)變頻控制領(lǐng)域，以其 使用便捷、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低和功能強(qiáng)等優(yōu)勢而被廣泛使用。2選題背景2選題背景2.1選題來源生產(chǎn)/社會實(shí)際2.2當(dāng)前能源問題能源是人類社會存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)今社會，能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為困 擾人類社會進(jìn)步和發(fā)展的重大課題。自英國工業(yè)革命以來，以石油、煤炭和天然氣等 化石燃料為一次能源的供能系統(tǒng)極大地促進(jìn)和推動了世界各國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。然而大量 化石燃料的使用會帶來嚴(yán)重問題：資源枯竭、環(huán)境污染、生態(tài)資源破壞等。從20世紀(jì)70年代發(fā)生能源危機(jī)以來，人類探尋一

30、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逐漸重視，人力和物力的投入不斷加 大，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。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)乂 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)，目前我國己經(jīng)是世界 第二大石油進(jìn)口國，能源問題十分緊迫。由此可以知道在交通方面發(fā)展一種綠色可再生的能源己顯得尤為重要。2.3無

31、刷直流電機(jī)研究現(xiàn)狀1955年，美國D.哈利森等人首次申請了應(yīng)用晶體管換向代替電機(jī)機(jī)械換向器換 向的專利，這就是現(xiàn)代直流無刷電機(jī)的雛形2。隨后乂經(jīng)過人們多年的努力，通過 霍爾元件來實(shí)現(xiàn)換向的直流無刷電機(jī)終于在1962年問世。80年代以來，微電子技術(shù) 和電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合產(chǎn)生了高頻化全控型器件，從而使電力電 子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段，新的電力電子器件使電路的控制性能大為改善， 使以前難以實(shí)現(xiàn)的功能也得以實(shí)現(xiàn)。目前，電力電子裝置朝著集成化的方向發(fā)展，把 驅(qū)動、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，便構(gòu)成了功率集成電路，這些使得電 機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)簡化及體積更小。電力電子工業(yè)的發(fā)

32、展，使半導(dǎo)體大功率管的價(jià)格 不斷下降而其性能卻不斷提高，這些都將使無刷直流電機(jī)的應(yīng)用更加普及3。隨著科技的發(fā)展，無刷直流電機(jī)的控制器經(jīng)歷了模擬控制系統(tǒng)、模擬數(shù)字混合控 制電路、數(shù)字控制系統(tǒng)等階段。傳統(tǒng)的無刷直流電機(jī)控制器一般由模擬器件以硬接線 的方式構(gòu)成。然而模擬元件的物理特性決定了它們具有一些本質(zhì)上的缺陷，例如元器 件的老化和溫漂問題等，由于采用了硬接線，系統(tǒng)升級困難，使它很難滿足現(xiàn)代電子 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。因此，數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，最初的數(shù)字控制系統(tǒng)都是以單片機(jī) 為主控芯片，單片機(jī)的種類很多，其中以51系列、96系列單片機(jī)最為普遍。在單片 機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的同時(shí)，一些廠家開發(fā)出了電機(jī)控制專用

33、芯片，如用于無刷直流電機(jī) 控制的UCC3626、摩托羅拉高性能微控制器中的智能化外圍模塊MC33039等。這類 芯片價(jià)格便宜，執(zhí)行速度快，但是所能實(shí)現(xiàn)的控制功能簡單，難以滿足高性能控制場 合的需要。從目前的發(fā)展趨勢來看，以雙閉環(huán)控制代表無刷直流電機(jī)控制器的發(fā)展方 向。在過去20多年的時(shí)間里，直流無刷電機(jī)在國際上己得到較為充分的發(fā)展，控制 技術(shù)己經(jīng)比較成熟。由于無刷直流電機(jī)的應(yīng)用前景廣闊，各國都加快對無刷直流電機(jī) 新產(chǎn)品開發(fā)的速度和占領(lǐng)市場的力度，尤其美國和日本具有較先進(jìn)的無刷直流電機(jī)制 造和控制技術(shù)。日本在民用方面比較突出，而美國則在軍用方面更加先進(jìn)。在我國，無刷直流電機(jī)的發(fā)展時(shí)間較短，但隨著

34、技術(shù)的日益成熟與完善也得到了 迅猛的發(fā)展。我國直流無刷電機(jī)的研制工作始于二十世紀(jì)70年代初期，主要集中在 一些科研院所和高等院校。限于我國元器件水平及相關(guān)理論與實(shí)踐相結(jié)合的程度還比 較低，尤其是制造工藝和加工設(shè)備距離國際水準(zhǔn)差距較大，所以目前我國無刷電機(jī)綜 合水平仍低于國際水平，有待進(jìn)一步的研究和開發(fā)。我國的無刷直流電機(jī)應(yīng)用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、 電梯、抽油煙機(jī)、豆?jié){機(jī)、小型清污機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等。由于無刷直流電機(jī)具 有這些優(yōu)點(diǎn)，因此在2004年的國際電機(jī)會議上提出了有刷電機(jī)將被無刷電機(jī)取代這 一發(fā)展趨勢。我國目前是世界最大的永磁體（生產(chǎn)無刷電機(jī)的主要原材料）生

35、產(chǎn)供應(yīng) 基地，中國還將要成為全球最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用 小功率電機(jī)的需求增長帶動了以永磁無刷直流電機(jī)為主體的車用小功率電機(jī)的興起， 我國正在成為世界電動汽車制造業(yè)的主要供應(yīng)用。2.4發(fā)展趨勢隨著石油能源的日趨緊張以及人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，電動自行車越來越受歡迎。 用無刷電機(jī)驅(qū)動己成為電動車的發(fā)展方向。永磁直流無刷電機(jī)是近年來迅速成熟起來 的一種新型機(jī)電一體化電機(jī)。該電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子位置檢測元件霍爾傳感器等 組成，既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的特點(diǎn)，乂具有直流電機(jī)良好 的調(diào)速特性，并且無機(jī)械式換相器，現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速場合。無刷直流電機(jī)因其 體積

36、小、轉(zhuǎn)矩高、可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在電動自行車等家用設(shè)備中得到了廣 泛的應(yīng)用。以前沒有一個(gè)專用控制芯片能夠?qū)魻杺鞲衅鳈z測出的位置信號進(jìn)行譯 碼，它本身更不具備過流、過熱、欠壓、正反轉(zhuǎn)選擇等輔助功能，因此設(shè)計(jì)者最初釆 用分立元件組成的龐大的模擬電路來對它進(jìn)行控制，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試相當(dāng)復(fù)雜, 而且要占用很大面積的電路板，有時(shí)候與把控制器內(nèi)嵌到電機(jī)內(nèi)部的要求相矛盾。后 來MOTOROLA公司研制了無刷電機(jī)控制專用芯MC33035,它集譯碼、過流、過熱、 欠壓、正反轉(zhuǎn)選擇諸功能于一身，組成的系統(tǒng)所需外圍電路比較簡單。無刷直流電機(jī) 控制器結(jié)構(gòu)有多種形式，最初是采用分離元件組成的龐大而復(fù)雜的模擬

37、控制電路，由 于調(diào)試難度大，穩(wěn)定性差，已逐漸被淘汰 以微機(jī)（單片機(jī)）為核心構(gòu)成的數(shù)字控制 電路調(diào)速控制功能強(qiáng)，但存在著運(yùn)算速度慢的缺陷，一般只適用于復(fù)雜的運(yùn)行控制場 合新型電機(jī)控制專用芯片的出現(xiàn)，給無刷直流電機(jī)調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)帶來了極大的便 利，這種集成模擬控制芯片控制功能強(qiáng)、保護(hù)功能完善、工作性能穩(wěn)定，組成的系統(tǒng) 所需外圍電路簡單、抗干擾能力強(qiáng)，特別適用于工作環(huán)境惡劣、對控制器體積、價(jià)格 性能比要求較高的場合。由于直流無刷電機(jī)具備交流電動機(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)，乂具有直流電動機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，在醫(yī) 療器械、儀器儀表、化工、輕紡以及家用電

38、器等方面的應(yīng)用得到日益普及。因此，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套無刷直流電機(jī)驅(qū)動的電動自行車的控制系統(tǒng)，36V電 源供電，釆用MC33033作為主控制芯片，功率器件MOSFET起開關(guān)作用驅(qū)動電機(jī)， 采用PWM方式調(diào)速實(shí)現(xiàn)對電動自行午的控制。3方案論證3.1電動自行車的電機(jī)控制技術(shù)電動自行車是具有電力驅(qū)動，腳踏驅(qū)動，電力和腳踏并用等功能的綠色環(huán)保交通 53方案論證工具。電動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)動機(jī)構(gòu)組成的。電動自行車的控制框圖如圖1所示，蓄電池通過控制器給電機(jī) 供電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動自行車行進(jìn)。電動自行車的控制器連接有一個(gè)調(diào)速手柄，轉(zhuǎn)動調(diào) 速手柄可以改變控制器

39、輸入端信號的電壓值，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。圖1電動自行車控制框圖電動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 電源電路，功率器件，信號釆集電路，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?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)質(zhì)量，特性，所釆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

40、的性能和效率。 不同質(zhì)量的控制器同在同一輛車上，也會在使用上顯示出較大差別。3.2無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理3.2.1無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)具備的旋轉(zhuǎn)的電樞和固定的磁場相反，無刷直流電機(jī)具有旋 轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞，所以無刷直流電動機(jī)不需要像有刷直流電機(jī)一樣必須使用電圖2無刷直流電機(jī)組成框圖刷與換向器來使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。圖2是無刷直流電機(jī)的組成框圖:無 刷 直 流 電 機(jī)電機(jī)本體的主要部件有定子（A、B、C三相）和轉(zhuǎn)子。定子部分最重要的部件是電子的繞組（見圖3.2.1右邊的圖形）當(dāng)電機(jī)接上電源 后，電流流入繞組，產(chǎn)生磁動勢，后者與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的勵磁磁場相互作用而產(chǎn)生電功率, 并通過轉(zhuǎn)子

41、輸出一定的機(jī)械功率從而實(shí)現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能這個(gè)過程。電機(jī)的轉(zhuǎn)子是產(chǎn)生勵磁磁場的部件，由三部分組成：導(dǎo)磁體、永磁體和支撐零部 件。永磁體和導(dǎo)磁體是產(chǎn)生磁場的核心，由導(dǎo)磁材料和永磁材料組成。無刷直流電機(jī)要旋轉(zhuǎn)，除了電機(jī)本體外，還需要轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相電路 的共同配合。轉(zhuǎn)子位置傳感器的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置，并將位置信號提供給電 機(jī)控制器，為其正確驅(qū)動電子換相電路提供依據(jù)。電子換相電路的任務(wù)是將位置傳感器的輸出信號進(jìn)行解調(diào)、預(yù)放大、功率放大， 然后去觸發(fā)末級功率晶體管，使電樞繞組按一定的邏輯程序通電，保證電機(jī)的可靠運(yùn) 行1。3.2.2無刷直流電機(jī)的原理無刷直流電機(jī)的工作過程是電機(jī)本體、轉(zhuǎn)

42、子位置傳感器和電子換向電路三者協(xié)同 工作的過程，只要有任何一方出了差錯(cuò)，都會對電機(jī)的運(yùn)行造成很大的影響。三者的 工作原理圖如圖3所示：圖3無刷直流電機(jī)工作原理框圖在無刷電機(jī)中，借助反映主轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器器的輸出信號，通過電子換相 電路去驅(qū)動與電樞繞組連接的相應(yīng)的功率開關(guān)器件，使電樞繞組依次通電，從而在定 子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷 送出信號，然后通過控制器對這些信號的判斷，不斷送出驅(qū)動信號控制相應(yīng)的功率器 件開關(guān)，以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)的無接觸式換相過程。無刷直流電機(jī)的電樞

43、繞組的聯(lián)結(jié)方式基本上有封閉式繞組和星形繞組兩類，這里 介紹星形繞組。星形聯(lián)結(jié)方式是把所有繞組的首端或尾端接在一起，與它們相配合的 電子換相電路為橋式聯(lián)結(jié)，也可以為非橋式聯(lián)結(jié)，3-3即為三相橋式星形聯(lián)結(jié)?，F(xiàn)以圖4所示的三相橋式星形聯(lián)結(jié)方式來介紹一下無刷直流電機(jī)的工作過程。假設(shè)此時(shí)無刷直流電機(jī)的三個(gè)位置傳感器的物理位置是相互之間間隔120 ,那 么在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時(shí)其中的位置傳感器就會感應(yīng)出特定的信號來。以霍爾傳感器為例，當(dāng) 轉(zhuǎn)子處于正轉(zhuǎn)的狀態(tài)時(shí)，三個(gè)霍爾傳感器H 1、H2、H3感應(yīng)出的信號分別為101 100、 110、010、011、001,然后進(jìn)行下一輪循環(huán)。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于一種反轉(zhuǎn)的狀態(tài)時(shí)，三個(gè)霍 爾

44、傳感器感應(yīng)出的信號則與正轉(zhuǎn)時(shí)感應(yīng)的相反，這里不再贅述。圖4三相橋式星形聯(lián)結(jié)示意圖無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動離不開電子換相電路的支持。當(dāng)電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器感知 出一個(gè)信號后，電子換相電路要及時(shí)獲取這個(gè)信號，并且很快地根據(jù)這個(gè)信號來正確 判斷輸出與其相應(yīng)的驅(qū)動信號。以無刷直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)為例，當(dāng)電機(jī)的霍爾傳感器輸 出信號為101時(shí)，打開VI、V4,使A、B相導(dǎo)通；當(dāng)信號為100時(shí)，打開VI、V6, 使A、C相導(dǎo)通；當(dāng)信號為110時(shí)，打開V3、V6,使B、C想導(dǎo)通；當(dāng)信號為010 時(shí)，打開V3、V2,使B、A相導(dǎo)通；當(dāng)信號為011時(shí)，打開V5、V2,使C、A相 導(dǎo)通；當(dāng)信號為001時(shí)，打開V5、V4,使C、

45、B相導(dǎo)通。只有電子換相電路實(shí)時(shí)跟 進(jìn)電機(jī)內(nèi)部霍爾傳感器捕獲的信號，電機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)1。323無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性在此主要介紹其啟動特性和調(diào)速特性。討論各種電機(jī)的 運(yùn)行特性時(shí)，一般都從轉(zhuǎn)速公式、電動勢平衡方程式、轉(zhuǎn)矩公式和轉(zhuǎn)矩平衡方程式出 發(fā)。對于無刷直流電機(jī)，其電動勢平衡方程式為錯(cuò)誤!未找到引用源。（3-1）式中，U是電源電壓（V）； E是電樞繞組反電動勢（V）； Iacp是平均電樞 電流（A）；錯(cuò)誤!未找到引用源。是電樞繞組的平均電阻（Q）； AU是功率晶體管飽 和管壓降（V）,對于橋式換相線路為2AUo對于不同的電樞繞組形式和換相線路形式，電樞繞組反電動勢有不同的等

46、效表達(dá) 式，但不論哪一種繞組和線路結(jié)構(gòu)，均可表示為錯(cuò)誤!未找到引用源。（3-2）式中，n是電機(jī)轉(zhuǎn)速（i/min）；錯(cuò)誤!未找到引用源。是反電動勢系數(shù)（V/r/111111）0 由式（1 1 ） 式（1 2）可知：錯(cuò)誤!未找到引用源。（3-3）在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為錯(cuò)誤!未找到引用源。（3-4）式中，M2是輸出轉(zhuǎn)矩（N-m） Mo是摩擦轉(zhuǎn)矩（N-m） ,M是電磁轉(zhuǎn)矩。這里,錯(cuò)誤!未找到引用源。（3-5）T = K,”Kin為轉(zhuǎn)矩系數(shù)（N m / A）o在轉(zhuǎn)速變化的情況下，則M= M2+Mo + J#錯(cuò)誤!未找到引用源。（3-6）式中，J是轉(zhuǎn)動部分（包括電機(jī)本體轉(zhuǎn)子及負(fù)載）的轉(zhuǎn)動慣量（kg

47、。2m）； 3是 轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度（iad/s）。電機(jī)在起動時(shí)，由于反電動勢為零，因此電樞電流（即啟動電流）為錯(cuò)誤!未找到引用源。（3-7）其數(shù)值是正常情況下工作電樞電流的兒倍到兒十倍，由式（3-5）可知，此時(shí)電樞的電磁 轉(zhuǎn)矩非常大，電機(jī)能很快起動。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電動勢E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低, 加速轉(zhuǎn)矩減小，最后進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。為了防止在起動時(shí)因起動電流過大而燒壞 了電機(jī)，這就要求控制器在控制電機(jī)起動時(shí)必須要使PWM驅(qū)動波保持在一個(gè)比較合 理的占空比上，并設(shè)置電流反饋控制，在保證電機(jī)能快速起動的基礎(chǔ)上乂盡量讓電機(jī) 保持在一個(gè)電機(jī)能接受的范圍內(nèi)。另外，當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，這時(shí)電機(jī)也會有很大的

48、 93方案論證電樞電流流過，這時(shí)在控制器上設(shè)置一個(gè)過流保護(hù)電路也是很必要的?？傊瑢﹄娏?的檢測，一切都是為了電機(jī)的安全?，F(xiàn)討論電機(jī)的調(diào)速特性。當(dāng)電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速正常運(yùn)行時(shí)，此時(shí)電樞電流為：錯(cuò)誤!未找到引用源。(3-8)電磁轉(zhuǎn)矩為：錯(cuò)誤!未找到引用源。(3-9)由此看出，當(dāng)不記電源電壓U的變化和電樞反應(yīng)的影響時(shí)，式(3-9)等號右邊第一項(xiàng)是常數(shù)，所以電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加，如圖5所示：當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，即為起動轉(zhuǎn)矩；當(dāng)式(3-9)等號右邊兩相相等時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)矩M=0,即 電機(jī)運(yùn)行在空載的狀態(tài)。實(shí)際上由于電機(jī)損耗中可變部分以及電樞反應(yīng)的影響，輸出 轉(zhuǎn)矩會偏離直線變化l4o當(dāng)在同一轉(zhuǎn)速下改變電

49、源電壓，亦即控制住(3-9)等號右邊的第一項(xiàng)，這時(shí)就 能很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩M,也很容易在同一負(fù)載下改變轉(zhuǎn)速。所以無刷直流電機(jī) 的調(diào)速性能很好，可以通過改變電源電壓實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但此時(shí)電子換相線路及其他 控制線路的電源電壓仍能保持不變。無刷電機(jī)的這個(gè)運(yùn)行特性就和有刷電機(jī)很相似了，他們都有著良好的伺服控制性能，這也為無刷直流電機(jī)用PWM波控制其轉(zhuǎn)速提 供了理論基礎(chǔ)。3.3無刷直流電機(jī)的調(diào)速方法眾所周知，直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為U-1Rn =K(3-10 )式中u表示電樞端電壓；I表示電樞電流；R表示電樞電路總電阻；表示每極磁通量；K表示一電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此可知，直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種：(

50、1) 調(diào)節(jié)電樞供電電壓U o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 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。(2) 改變電機(jī)的主磁通。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通， 從電動機(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機(jī)。(3) 改變電樞回路電阻R o在電動機(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。但只能是有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性軟；空載時(shí)兒

51、乎沒什 么調(diào)速作用；在調(diào)速電阻上消耗大量的電能。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少釆用, 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)間不長的傳動系統(tǒng) 中釆用。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。因此，自動控制的直流調(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機(jī)，其調(diào)速多釆用調(diào)壓調(diào)速。本設(shè) 計(jì)釆用的就是通過調(diào)整PWM波的占空比，實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)電樞電壓的控制，間 接地控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。1Jvcc所以，利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場，對霍爾半導(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

52、時(shí)，霍爾半導(dǎo)體就會輸出霍爾電動勢，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機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。r無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)4元器件選擇4.1控制芯片MC33033MC33033是MOTOROLA公司生產(chǎn)的低價(jià)格高性能直流電機(jī)控制器，它不僅具有 MC33034和MC33035控制器的功能，而且還具有開環(huán)、三相或四相電機(jī)所需要的功 能，是第二代無刷直流電機(jī)控制器的典型芯片。該芯片

53、內(nèi)含轉(zhuǎn)子位置譯碼器，并可為 傳感器工作提供帶有溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖蓟鶞?zhǔn)電壓。MC33033的另一個(gè)特點(diǎn)是內(nèi)含三個(gè) 集電極開路的頂部驅(qū)動器和為MOSFET驅(qū)動電源而設(shè)計(jì)的三個(gè)高電流推拉式底部驅(qū) 動器?，F(xiàn)將其特點(diǎn)和引腳功能作如下說明。4.1.1 MC33033特點(diǎn)1、具有1030V的電源電壓范圍；2、具有有欠壓鎖定功能3、片內(nèi)有基準(zhǔn)電壓源4、具有熱關(guān)斷功能5、大電流驅(qū)動器6、能方便地選擇相角7、外圍控制電路簡單8、使用和調(diào)節(jié)方便9、性價(jià)比高無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)1bt LAt叵 FWD/REV 叵Sa ESb ECTScREF 振蕩器 誤差放大器同相輸入 誤差放大器反相輸入EE電流檢測同相輸入ABBBC

54、BVCCGND回誤差放大器輸出/PWM輸入圖7 MC33033引腳圖4.1.2 MC33033引腳功能MC33033是一種20引腳雙列直插式封裝，其引腳圖如圖7所示。各引腳功能如下:1、2、20腳：上臂驅(qū)動輸出端。3腳：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)輸人端，它可改變電 動機(jī)轉(zhuǎn)向。4、5、6腳：傳感器信號輸入端。7腳：這是基準(zhǔn)電壓輸出端。8腳：振蕩器輸出端。9腳：轉(zhuǎn)速控制端。10腳：內(nèi)部大器反相輸入端。11腳：內(nèi)部放大器輸出端。12腳：過流信號輸入端。13腳：地。14腳：電源15、16、17腳:下臂驅(qū)動輸出端。18腳:相角調(diào)整端。19腳：使能端，用做剎車斷電及保護(hù) 作用。4.1.3 MC33033控制原理MC330

55、33內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖8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)動輸出和具有大電流輸出的三個(gè)下驅(qū)動輸出、負(fù)電壓保護(hù)、過熱和過流保護(hù) 等組成。現(xiàn)對其中主要部分作些分析：1、轉(zhuǎn)子位置譯碼器轉(zhuǎn)子位置譯碼器的傳感器信號輸入端為引腳4、5、6,譯碼器能使上下驅(qū)動以適 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60、120、240或360 ,因?yàn)橛腥?個(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，因而是無效的。因?yàn)橛?種有效輸入碼， 譯碼器以60電角度為1步可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置。用正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的輸入(引腳3)來改變電動機(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)號的上驅(qū)動和下驅(qū)動輸出內(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