无刷直流电机控制系统的设计.doc

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1、1 引言无刷直流电机最本质特征是没有机械换向器与电刷所构成机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波/梯形波直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波/梯形波直流电机与正弦波直流电机都是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制自同步旋转电机”，其换相电路可以是独立或集成于电机本体上。本次设计采用第一种定义，把具有方波/梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从20世纪90年代开始，由于人们生活水平不断提高与现代化生产、办公自动化发展，家用电器、工业机器人等设备都

2、向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备重要组成部分，必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机应用也发展迅速1。1.1 无刷直流电机发展概况无刷直流电动机是由有刷直流电动机基础上发展过来。19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不断发展，直流电机进入成熟阶段，并且运用广泛。1955年，美国D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机机械电刷专利，形成了现代无刷直流电动机雏形。在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器与电子换向线路发现，标志着真正无刷直流电机出现。20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机性能控

3、制水平得到进一步提高，极大地推动了电机在高性能领域应用。1987年，在北京举办德国金属加工设备展览会上，西门子与博世两公司展出了永磁自同步伺服系统与驱动器，引起了我国有关学者注意，自此我国开始了研制与开发电机控制系统与驱动热潮。目前，我国无刷直流电机系列产品越来越多，形成了生产规模。无刷直流电动机发展主要取决于电子电力技术发展，无刷直流电机发展初期，由于大功率开关器件发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料与驱动控制技术约束，这让无刷直流电动机问世以后很长一段时间内，都停留在实验阶段，无法推广到实际中使用，1970年以后，半导体快速发展，许多新型全控型半导体功率器件（如MOSFET、I

4、GBT等）不断出现，而且高性能永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现2，这些都为无刷直流电机广泛应用提供了有利条件。由于无刷直流电机广泛使用，无刷直流电机理论也不断得到修改完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电机作了系统总结，这样标志着无刷直流电机在理论上走向成熟。1.2 无刷直流电机1.2.1 无刷直流电机结构 无刷直流电机主要由用永磁材料制造转子、带有线圈绕组定子与位置传感器组成。它与有刷直流电机有着很多共同点，定子与转子结构相似（原来定子变为转子，转子变为定子），绕组接线一样3。然而，结构上有明显区别：无刷直流电机没有有刷直流电机中换向器与电刷，取而代之是位置传感器。这样

5、，电机结构简单，减少了电机制造与维护成本，但无刷直流电机不会自动换相，这使电机控制器成本提高。 图1.1 无刷直流电机模型图所示为小功率三相、星形连接无刷直流电机，定子在内，转子在外，结构及直流电机很相似。另一种无刷直流电机结构刚好相反，转子在内，定子在外。1.2.2 无刷直流电机工作原理无刷直流电机定子是线圈绕组，转子是永磁体。检测电机转子位置，根据转子位置给电机相应线圈通电，使定子产生方向均匀变化旋转磁场，转子才可以跟着磁场转动起来。 如图1.2 无刷直流电机转动原理如图所示为无刷直流电机转动原理示意图，定子线圈一端接电源，其余三相接功率管，位置传感器导通时功率管G极接+12V，功率管导通

6、，对应相线圈通电。三个位置传感器随转子转动，依次导通，对应线圈也依次通电，从而定子产生磁场不断地变化，电机转子也转动起来，这就是无刷直流电机转动原理。1.2.3 无刷直流电机磁路结构与定子绕组磁路是指磁通能通过路径，无刷直流电机中，转子上安装永磁体，作为磁极，电机转子磁极多是4个或6个永磁体。转子数目增加，相应定子绕组也增加，但不需要增加驱动电路数目。主磁场一般由转子永磁体产生，从S极回到N极而闭合。绕组是指按照一定规律连接起来一组线圈总体。绕组导电以后，与转子产生磁场相互作用，产生力或力矩，将电能转换成机械能，故又将定子绕组称为电枢绕组。1.3 无刷直流电机应用近年来，我国中小型电机与微特电

7、机行业发展迅速，是由于其本身具有高效率、寿命长、低噪音与较好转矩-转速特性优点。特别在汽车、航空、家用电器等行业中发展较好15。车用无刷直流电机：电机可以作为驱动核心部件，而且还可以用在汽车空调、雨刮器、电动车门、安全气囊、电动座椅等驱动上。航空航天用无刷直流电机：利用电机驱动设备代替气动与液压传动装置已成为航空航天发展中一种趋势。航空航天电机由于其应用场合特殊性，一般要求所用电机体积小，结构简单。无刷直流电机在家用电机中应用：家用电气电子驱动电机每年约30%增幅发展，现代电器朝着节能、低噪音、智能化与高可靠性方向发展。空调与冰箱中都有压缩机电机，传统压缩机一般是异步电机，其效率与功率因数较低

8、，采用变频技术以后，情况有所改善。VCD、DVD、CD机等家用电器主轴驱动电机也使用无刷直流电机，这类电机一般采用盘式无铁心电机结构，现已经大规模生产，价格便宜。无刷直流电机不仅能克服传统家用电机部分缺点，给人们居家生活带来更高舒适性，还能降低能源耗损，更好实现能源可持续利用。无刷直流电机在办公自动化中应用：计算机外设与办公自动化设备用电机，绝大部分为先进制造技术与新兴微电子技术相结合高档精密无刷直流电机，是技术密集化产品。这种高性能无刷直流电机伺服控制系统采用能大大改善产品质量，提高产品价值。无刷直流电机在数码相机上也得到广泛应用，如日本TOSHIBA与SANYO公司已生产出无刷直流电机驱动

9、相机。无刷直流电机驱动激光打印机产品也已经有了较长历史，它转速可以在每分钟几千到几万转范围内精确控制，具有很好技术与市场竞争力。另外，无刷直流电机在计算机、录音机与CD影碟机等设备产品中也有很好应用7 10。1.4 无刷直流电机发展趋势 新电子技术、新器件、新材料及新控制方法出现将进一步推动无刷直流电机发展与应用11 14。 (1) 电子电力及微处理器技术对无刷直流电机发展影响 这使电机向小型化及集成化、控制器全数字化、绿色PWM控制及其高效化发展。 (2) 永磁材料对无刷直流电机发展影响 电机小型化、轻量化及高效化及磁性材料发展息息相关。每当出现新永磁材料，就会使电机结构与功能出现新变革，促

10、进电机设计理论、计算方法与结构工艺研制水平提高到一个新台阶。 (3) 新型无刷直流电机开发 在无刷直流电机控制系统中，速度与转矩波动一直是需要进一步解决问题，尤其是用于视听设备、航空电气、计算机中无刷直流电机，更要求其具有运行平稳、精度高、噪声小等特点。总之从结构上研究与开发新型电机必然是今后无刷直流电机发展方向之一。 (4) 先进控制策略应用 现代工业中对电机性能要求越来越高，无刷直流电机性能改善可以通过电机本体优化设计及电力电子装置控制来实现，也可以利用各种先进控制策略来实现。全面实现无刷直流电机控制系统朝微型化、轻量化、高智能化与节能化方向发展。 本设计课题任务与内容 (1) 学习无刷直

11、流电机基本原理、磁路结构、定子绕组特点与设计计算方法。(2) 研究与讨论典型三相无刷直流电机运行控制方式与检测方法及仿真。(3) 设计输出功率小于100W三相无刷直流电机控制与检测系统。(a) 无刷直流电机三相半控电路。(b) 无刷直流电机三相Y型连接全控电路。(c) 无刷直流电机三相型连接全控电路。 (4) 采用专用集成电路实现三相无刷直流电机换相、正反转与PWM转速控制。 (5) 采用Protel 99SE绘出几种运行控制方式与检测方法电气原理图。 (6) 绘出专用集成电路控制方式PCB图与三维仿真图。(7) 三相无刷直流电机几种运行控制方式与检测方法讨论。1.6 本章总结本章介绍了无刷直

12、流电机发展、结构、工作原理、应用及发展趋势，最后明确了本课题设计任务与内容。2 无刷直流电机控制系统设计方案2.1 无刷直流电机控制系统设计 专用芯片控制无刷直流电机控制系统主要由硬件部分组成。硬件部分由电源路、驱动电路、微处理器控制电路及保护电路等组成。如图2.1有位置传感器无刷直流电机硬件系统框图，现对无刷直流电动机各部分基本结构说明如下。图2.1 有位置传感器无刷直流电机硬件系统框图(1) 电源路电源路主要由直流电源组成。(2) 驱动电路当前，无刷直流电动机驱动桥一般运用6个IGBT或MOSFET等器件构成全控桥，或者用3个IGBT或MOSFET等器件构成半控桥，为了提高驱动桥可靠性可以

13、使用集成功率模块与智能功率模块。IR2110芯片主要有三个功能：逻辑输入;电平平移及输出保护。IR2110特点，可以为装置设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源设计，可以大大减少驱动电源数目，即一组电源即可实现对上下端控制。为了避免隔上臂短路，在电路中加入离二极管与自举电容。(3) 位置检测器位置检测器是检测转子磁极相对及定子绕组位置信号，为驱动桥提供换相信号。位置检测包括有位置传感器与无位置传感器检测两种方式。转子位置传感器由定子与转子两部分组成，转子及电机本体同轴，跟踪电机本体转子磁极位置；定子固定在电机本体定子或端盖上，检测与输出转子位置信号。霍尔元件按功能分可分来线性霍尔元件与开关霍

14、尔元件。前者输出模拟量，后来输出数字量。线性霍尔元件精度高、线性度好，温度范围宽；开关霍尔元件无触点、无磨损、输出小形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高、温度范围宽。(4) MC33035专用芯片MC33035专用芯片是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能指挥中心，它主要完成以下功能：（a）可控制电机正反转；（b）实现电机刹车制动；（c）启停功能；（d）可选择三相无刷直流电机传感器相位差60或120； （e）欠压封锁保护，IC过热保护与故障输出。(5)保护电路 由于在电机启动时，转速比较低，反电动势很小，启动电流大，对电机损害较大，必须要设计保护电路，避免设备短路、过载及防治电缆线路

15、短路。2.2 无刷直流电动机控制系统设计方案比较无刷直流电动机调整与起动性能好以及结构简单无需定期修护特点，因此在可靠性高电机调速中得到了广泛认可。在电机转速控制方面，数字调速系统已取代模拟调速系统。当前，数字调速系统主要运用两种控制方案:一种是以单片机为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制，应用广范，且方便灵活。另一种采用专用集成电路。这种方案可以降低成本，提高可靠性，但在灵活方面不是很理想。电机控制器是无刷直流电机实现各种伺服功能指挥核心，它主要功能有以下几种:对输入信号进行处理，给驱动电路提供相应控制信号，实现电机正反转、PWM调速、欠压保护与过载保护等。控制器专用芯片是电动车驱动

16、系统，它是电动车核心。其主要作用是保证电动车正常工作，提高电机与蓄电池效率、节省能源、保护电机及蓄电池与减少电动车在受到损伤。目前，市场上常用电动车无刷直流电机控制系统主要采用专用集成电路为主控系统，如MOTOLORA公司研制专用集成电路MC33035，该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换相，根据电机内位置传感器信号，决定换相顺序与时间，从而决定电机转向与转速。该控制系统缺点是智能性不高，保护措施一般，系统升级空间不大。本设计将采用MC33035作为主控芯片。MC33035为直流无刷电机驱动专用芯片，具有使用方便、价格便宜、抗干扰性强等特点，同时也具有不

17、够灵活、功能实现困难等问题，在应用上有一定限制性需要通过增加附加电路，可改善控制功能与扩展应用。无刷直流电机控制方法主要是有位置与无位置控制两种控制方式。有位置控制方式中，由于霍尔传感器价格便宜，安装方便，作为主要无刷直流电机位置传感器。目前，国内外对无刷直流电机无位置控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法等。但是由于无位置控制方法在低速转动时不可以实现精确速度调控，所以现阶段在电动车领域只是处于实验阶段，不能推广到实用中。绕组不同组合会产生不同性能与成本。以下三个指标有利于我们做出选择：（1）绕组利用率。不同于普通直流电动机，无刷直流电动机各相绕组是间断通电。增加通电导体数，电阻下降，效率提

18、高可以提高绕组利用率。三相绕组优于四相与五相绕组。 （2）转矩脉动。无刷直流电动机输出转矩脉动大于普通直流电动机。相数越多，转矩脉动越小。桥式主电路比非桥式主电路转矩脉动小。（3）电路成本。相数越多，驱动桥使用开关管越多，成本就高。桥式全控主电路所用开关管比桥式半控多一倍，成本高；多相电动机驱动桥复杂，成本高。所以，三角形，星形连接三相桥式主电路。2.3 本章总结本章介绍了本方案主要采用MC33035专用芯片，霍尔元件，IR2110驱动芯片，场效应管（MOSFET），三相绕组型与Y型接法，相应保护电路等来实现本设计任务要求。硬件设计系统方案框图如图2.1。3 无刷直流电动机控制系统硬件设计3.

19、1 专用芯片介绍MC33035是MOTOROLA公司第2代无刷直流电机控制专用芯片，内含转子位置传感器译码电路，温度补偿内部电压基准源，误差放大器，频率可调锯齿波振荡器，PWM比较器，芯片欠压，输出驱动电路，过热保护电路及限流电路。典型功能包括PWM调速，起动，停止控制，正反转控制与能耗制动控制，广泛应用于两相、三相及多相无刷直流电机驱动控制。MC33035工作电源电压范围很宽，在10V-30V之间，芯片内含有基准电压6.25V。MC33035内部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与低端驱动输入正确时序。传感器输入可直接及集电极开路型霍尔效应开关相连接。用MC3

20、3035系列产品控制三相电机可在最常见四种传感器相位下工作。MC33035提供60/120选择可使MC33035很方便地控制拥有有60、120、240或300传感器相位电机。这三个传感器输入有八种编码组合,当中六种是有效编码组合,还有两种编码组合无效，通过有效输入编码可使译码器在使用60度电气相位窗口中识别出电机转子当前位置。MC33035无刷直流电机控制器正向/反向输出可通过改变定子绕组上电流方向来改变电机转向。当输入状态改变时,相应传感器输入编码会由高电平转变为低电平,从而改变整流时序,来使电机旋转方向改变。电机转动/停止可由输出使能来控制,当该管脚开路时,连接到正电源内置上拉电阻将会启动

21、顶部与底部驱动输出时序。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,从而使电动机停止。MC33035中振荡器、脉冲宽度调制、误差放大器、电流限制电路、欠压锁定电路、片内电压参考、驱动输出电路与热关断电路工作原理与操作方法及其它同类芯片基本相似。3.1.1 MC33035组成，脚管及应用1 MC33035组成（1）转子位置译码器；（2）限流保护电路；（3）温度补偿；（4）电阻、电容锯齿波振荡电路；（5）脉宽调制比较器；（6）误差放大器；（7）输出驱动电路；（8）欠压、过载保护与故障电平输出。 2 MC33035脚管功能说明:图 3.1 MC33035表3.1 MC33035各引脚说

22、明引脚号引脚名称功能说明1，2，24BT，AT，CT三个集电极开路顶端驱动输出，驱动外部上端功率开关晶体管正向/反向输入，改变电机转向。4，5，6SA,SB,SC 三个传感器输入，控制整流序列。7 OoutputEnable 输出使能，高电平有效。8Reference Output 此输出为振荡器定时电容提供充电电流，并为误差放大器提供参考电压，还向传感器提供电源。9Current Sense Noninverting Input 电流检测同向输入。10Oscillator 振荡器引脚，振荡频率由定时元件R与C 所选择参数值决定。11ErrorAmp Noninverting Input 误差

23、信号放大器同向输入。通常连接到速度设置电位器上12ErrorAmp Noninverting Input误差信号放大器反向输入。13 ErrorAmp Out/PWMInput 误差放大器输出/PWM 输入。14Fault Output 故障输出端。15Current Sense Inverting Input 电流检测反向输入端。16Gnd 该管脚用于为控制电路提供一个分离接地点，并可以作为参考返回到电源地。17 Vcc正电源。Vcc在10V30V 范围内，控制器均可正常工作。18Vc 底部驱动输出高端电压是由该管脚提供，它工作范围从10V30V。19，20，21CB,BB,AB 这三个图腾

24、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。2260/120Select 此管脚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）传感器电气相位输入状态下。23Brake输出使能。该管脚为高时允许马达运行，为低时马达运行停止。3.2 驱动桥主电路设计全桥是由6个MOSFET管组成，半桥只有3个MOSFET管组成。俩者优缺点：全桥，控制简单，效率可以做比较高。半桥及全桥差不多，不过效率没全桥那么高，成本比全桥要便宜点。3.2.1 驱动开关元件选择MOSFET是由贝尔实验室D. Kahng与Martin 在1960年首次实验成功，MOSFET操作原理与1947年

25、萧克莱等人发明双载子晶体管不同，且制造成本低廉、使用面积较小与高整合度，在大型积体电路或是超大型积体电路领域里运用广泛。 由于MOSFET性能不断提升与改进，除了应用于微处理器、微控制器等讯号处理场合上，还有越来越多类比讯号处理模拟电路同样用MOSFET来实现。表3.2是常见驱动开关元件对比。表3.2 对IGBT、GTR、GTO 与MOSFET优缺点比较器 件优 点缺 点IGBT开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱与压降低开关速度低，为

26、电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低 MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW电力电子装置通过上述比较，我选择MOSFET。按照任务要求设计全控与Y，半控。3.2.2 三相半控，全控电路 图3.2 三相半控电路其工作原理：在三相半控电路中，要求磁极位置传感器输出信号1/3为高电平，2/3周期为低电

27、平，并且传感器信号之间相位差是1/3周期。当转子位置处于120，A为高电平，B、C为低电平。Q1导通，LA相绕组通电。在电磁作用下，转子顺时针方向旋转。当转子处于240时，B为高电平，A、C为低电平，Q2导通，LB相绕组通电，LA相绕组断电。转子磁铁同LB相绕组产生电磁力作用下，继续顺时针旋转。转子处于360时，C为高电平，A、B为低电平，Q3导通，LC相绕组通电，转子继续顺时针旋转，转子回到原来位置，继续以上过程。三相半控电路特点是简单，但电动机利用率很低，每个绕组只导通1/3周期，没有得到充分利用。 图3.3 三相全控Y电路图3.3是一种三相全控电路，电动机绕组为Y连接。Q1、Q2、Q3、

28、Q4、Q5、Q6为6只P型功率MOSFET管，起到绕组开关作用。Q1、Q2、Q3高电平有效，Q4、Q5、Q6为低电平有效。它们导通方式为三三导通。三三导通方式是任意时刻3个开关管同时导通，每隔60度电角度换相一次，每个功率管通电180a。经过60电角度后，换相到Q1、Q6、Q2通电，先关断Q5再打开Q2这时电流从Q1、Q2流入，经过LA、LB绕组，再流入LC相绕组，最后经Q6流出，合成转矩于LC反方向一致，经过60a。再经过60:图3.4 三三导通合成转矩其电压波形如图 图 Y连接三三导通方式电压波形图 图3.6 三相全空电路图3.6为三相全控电路，绕组为。三三导通时通电顺序为Q1、Q6、Q2

29、-Q6、Q2、Q4-Q2、Q4、Q3-Q4、Q3、Q5-Q3、Q5、Q1-Q5、Q1、Q6-Q1、Q6、Q2。当Q5、Q1、Q6导通时，电流从Q1管流入，经过LA、LB绕组，在从Q5、Q6管流出，LC相绕组中无电流通过，这相当于LA、LB俩相绕组并联。假设电流从LA到LB、LB到LC、LC到LA所产生转矩为正，而从LC到LB、LB到LA、LA到LC产生转矩为负。流入LA相绕组产生转矩为正，流入LB相绕组所产生转矩为负，最终转矩合力及图3.2.3相似，其大小为LA相。3.2.3 功率模块IR2110介绍(1) IR2110特点有：输出驱动隔离电压可达500V；芯片自身门输入驱动范围为1020V；

30、输入端带施密特触发电器；可实现两路分立驱动输出，可驱动高压高频器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作频率高可达500KHz ，开通、关断延迟小，分别为120ns与94ns；逻辑电源输入范围（脚9）5-15V，可方便及TTL，CMOS电平相匹配。 (2) IR2110 主要功能及技术参数IR2110 逻辑电源电压范围在5 V-20V以内 ,适应TTL 或CMOS 逻辑信号输入,具有独立高端与低端输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自通道上,容许逻辑电路参考地(USS) 及功率电路参考地(COM) 之间有- 5V与+ 5V 偏移量,并且可以屏蔽不大于50ns 脉冲,这样抗干扰效果

31、较为理想。IR2110 浮置电源采用自举电路,其高端工作电压可达500V ,工作频率可达到500kHz。两路通道均带有欠压锁定功能。其典型工作参数如表3.3所示。 表3.3IR2110 工作参数参数最小值/ V最大值/ VVBVS + 10VS + 20VS- 4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC + 4. 5VCC + 20VSS- 5+ 5HIN ,SD ,LINVSSVDDIR2110功能概述。IR2110驱动器将相应信号送到对应低阻抗输出。其高端输出HO与低端输出LO分别以浮置电位VSS与固定电位VCC为基准。逻辑电路为高端电路与低端电路输出提供对应脉冲。HO与L

32、O输出及HIN与LIN输入相位相同。当SD输入高电平时两路都关闭。当VDD低于欠电压阀值，欠电压UV检测电路并关闭两电路输出。还有，当VSS低于规定欠电压时，欠电压检测电路也可以让高端输出中断。逻辑输入采用带有0.1VDD滞后触发电路，用以提高抗干扰能力。高抗噪声平移位电路可以将逻辑信号送到输出驱动级。低端延时电路可使控制脉冲定时要求，两路输出传播延时匹配简化。当Vs电压为500V或小于500V时，高端功率MOSFET管关断。输出驱动MOSFET管接成源极跟随器，而另一只输出驱动MOSFET管则接成共源极电路，高端脉冲发生器驱动HV电平转化器还触发RS闩锁置位或复位。每个高电压DMOS电平转换

33、器只能在很狭窄脉冲持续期内导通，所以功率不高。3.2.4 IR2110各个脚管 图3.7 IR2110以下是IR2110引脚介绍：VDD（引脚9） : 逻辑电源电压HIN（引脚10）: 逻辑高端输入SD （引脚11）: 关断LIN（引脚12）: 逻辑低端输入VSS（引脚13）: 逻辑电路地电位端，其值可以为0VNC（引脚4）: 空端NC（引脚8）: 空端HO （引脚7）: 高端输出VB (引脚6) : 高端浮置电源电压VS（引脚5）: 高端浮置电源偏移电压NC （引脚14）: 空端VCC（引脚3）: 低端固定电源电压COM（引脚2）: 公共端LO （引脚1）: 低端输出3.2.5 驱动电路图

34、图3.8 全控型驱动电路 图3.9 全控Y型驱动电路 图3.10 半控驱动电路本设计在驱动电路中增加了隔离二极管与自举电容，避免上臂短路.以上图为例，当下管导通上管截止时，IR2110LO输出为高，HO为低，隔离二极管D6导通，自举电容C8充电；当下管截止上管导通时，隔离二极管D6截止，自居电容C8储存电荷供电，IR211HO为高，三极管导通，驱动MOSFET管栅极，使上管保持导通。3.3 开关电路图3.11 开关电路开关S2闭合时电机转动，S4闭合时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）传感器电气相位输入,S4闭合可改变电流流向实现电机正反转。3.4 稳压电

35、路 稳压电路此电路主要是由稳压二极管组成，该电路为MC3303517引脚与18引脚提供稳定电压10V-30V。17引脚正电源使控制器正常工作，18引脚Vc底部驱动输出高端电压。3.5 调速电路图3.13 调速电路电路通过改变PWM输入，即改变脉冲宽度输入，通过专用芯片来均匀改变电机每相电压大小进行调速。3.6 RC振荡电路 RC振荡电路振荡原理：建立振荡就是要是电路产生自激，从而产生持续振荡，由直流电变为交流电。对于RC来说，直流电源就是能源。3.7 过流保护在控制系统工作过程中，经常会发生很多异常情况，为了防止这些情况电路设计中必须加入保护电路。通常有欠压保护电路与过流保护电路。因为MC33

36、035已经有欠压保护了，所以主要讨论过电流保护。 当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时,会引起电流过大，使管子功耗增大,发热,若没有过流保护装置,大功率开关三极管就有可能损坏。故而在开关稳压器中过电流保护是常用。 在线性稳压器中常用限流保护与电流截止保护在开关稳压器中均能应用。但是,根据开关稳压器特点,这种保护电路输出不能直接控制开关三极管,而必须使过电流保护输出转换为脉冲指令,去控制调制器以保护开关三极管。为了实现过电流保护一般均需要用取样电阻串联在电路中。由于在电机启动时，转速比较低，反电动势很小，启动电流大，对电机损害较大，因此通常要在电机控制电路中加入如图示过电流保护。此电

37、路优点是不用通过处理器判断是否过流，可以实时作出反应，在电机启动过程中，可有效保护系统不受损害。 图3.15 过电流保护电路3.8 本章总结本章主要设计了驱动桥与驱动电路以及MC33035周边开关电路，稳压电路，调速电路，RC振荡电路。实现了三相无刷直流电机换相、正反转与PWM转速控制。本章是介绍了过电流保护原理与作用以及电路图。4 传感器选择霍尔传感器是一种磁传感器。按霍尔器件功能可以分为:线性霍尔器件与开关霍尔器件。线性霍尔器件输出模拟量，开关霍尔器件输出数字量，都可用于电机磁场测量。霍尔器件有很多特点，比如它们体积小巧，重量很轻，寿命很长，安装简单，功耗较小，频率较高 ,耐震动，不怕污染

38、或腐蚀。霍尔开关器件没有触点、不会磨损、输出稳定、不抖动、不会回跳、位置精度高。并且，它可以在-55oC到150oC范围内正常工作。（1） 无刷直流电动机中常用转子位置传感器转子位置传感器是无刷直流电机中重要组成部分。它对电机转子进行位置检测，输出信号经过逻辑变换后去控制功率开关管导通或关闭，这样可以让电机定子绕组按顺序导通，确保电机连续转动。转子位置传感器也由定子、转子组成，其转子与电机本体同轴安装，可跟踪检测电机转子位置；其定子安装于电机本体定子上或端盖上，可以检测与输出转子位置信号。转子位置传感器技术指标主要为：输出信号精度，幅值，工作温度，抗干扰能力，响应速度，损耗，安装方便性，体积重

39、量以及可靠性等。其种类包括电磁式、光电式、磁敏式、正余弦旋转变压器式、接近开关式以及编码器等。常用传感器主要有以下几种：（a）霍尔元件式位置传感器霍尔元件式位置传感器是磁敏式半导体位置传感器。它是用霍尔效应制成。当霍尔元件按要求安装于外磁场中并通以工作电流，可以输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，霍尔电势信号就不会输出。通常有两种方式用霍尔元件作转子位置传感器。一种方式是将霍尔元件安装于电机端盖内表面，电机轴同轴永磁体靠近霍尔元件并及之有一小间隙。对于三相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间上相隔120电角度，永磁体圆弧宽度为180电角度。这样，当电机转子转动时，三个霍尔元件

40、会轮流输出三个宽度为180电角度、相位之间差120电角度矩形波信号。另一种方式是直接将霍尔元件安装在定子电枢铁心表面或绕组端部靠近铁心处，利用安装在电机转子上永磁体主极作为位置传感器永磁体，按照霍尔元件输出信号来判断转子磁极位置。如图4.1所示，霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低，但工作温度有一定要求，还有霍尔元件要靠近传感器永磁体，不然输出信号电平低，不能正常工作。所以，在对性能与环境要求不高永磁无刷直流电机运用场合中大量使用霍尔元件式位置传感器。图 霍尔元件式位置传感器结构（b）电磁式位置传感器电磁式位置传感器定子是由磁芯、高频激磁与输出绕组组成。转子由扇形磁芯及非导磁衬套组成。

41、电机转动时，输入绕组中输入高频激磁电流，当转子扇形磁芯位于输出绕组下面时，输入及输出绕组通过定子、转子磁芯耦合，输出绕组中感应到高频信号，经过滤波整形与逻辑处理，可以控制逆变器工作。这种传感器强度很高，可经得起较大振动冲击，一般多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号很大，一般不要经过放大就可以直接驱动功率开关管，但是输出电压是交流，必须经过整流。因为这种传感器很复杂笨重，所以大大限制了它在普通条件下运用。（c）光电式位置传感器光电式位置传感器是由固定在定子上数个光电耦合开关及在转子轴上遮光盘所构成。数个光电耦合开关沿圆周均匀分布，每只光电耦合开关是由相对红外发光二极管与光敏三极管构成。遮

42、光盘位于发光二极管及光敏三极管之间，盘上有一定角度窗口。红外发光二极管导通之后发出红外光，当遮光盘随电机转子一同转动时，红外光交替照在光敏三极管上，使三极管不停导通与截至，其输出信号可以判断出转子位置。光电式位置传感器质量轻，安装可靠，抗干扰力好，调整简单，所以获得了广泛运用。目前，无位置传感器永磁无刷直流电机发展迅速。它不需要转子位置传感器，所以电机结构简单、体积小、可靠性较高。当电机体积小、位置传感器安装不便或电机工作在恶劣环境中导致位置传感器工作可靠性不能保证时，无位置传感器永磁无刷直流电机就显示出特别优越性。无位置传感器无刷直流电机弱点主要是起动转矩比较小，一般适用于空载条件下起动。（

43、2） 霍尔器件在无刷直流电机中运用当霍尔传感器用来作为无刷直流电机转子位置检测装置时，将它安装在电机定子适当位置，霍尔传感器输出及控制部分相连接。当无刷直流电机转子经过霍尔器件时，转子上永磁体磁场使霍尔传感器输出电压信号，该电压信号被送到控制部分，经控制部分发出相应信号来使定子绕组导通，从而产生及转子磁场极性相同磁场，排斥转子继续转动。当转子转到下一位置时，前一个位置霍尔传感器停止工作，转子所在位置霍尔传感器输出电压信号，控制部分发出对应信号使得对应定子绕组导通，产生相同磁场排斥转子继续转动实现电机不停运转。4.1 本章总结本章介绍了霍尔元件，光电式位置传感器，电磁式位置传感器，最后介绍了霍尔

44、元件在电机中应用。结束语本课题实现了三相无刷直流电机换相、正反转与PWM转速控制。我通过对专用芯片研究以及查找相关资料设计了：（1）开关电路，实现电机转动，正反转，以及控制电路工作高电平或低电平状态。（2）稳压电路，为17引脚与18引脚提供稳定10V-30V电压。（3）调速电路，实现PWM调速。（4）振荡电路，将电源直流电能，转变成一定频率交流信号电路。作用是产生交流电振荡，作为信号源。（5）IR2110全桥与半桥驱动电路，避免上臂短路，增加隔离二极管与自举电容。通过解了MC33035具有片内电流限制电路、片内电压参考、欠压锁定电路、驱动输出电路以及热关断等电路设计了过电流保护，选用合适霍尔元

45、件。通过学习无刷直流电机基本原理、磁路结构、定子绕组特点与设计计算方法。研究典型三相无刷直流电机运行控制方法与检测及仿真。学习Protel 99SE运用，设计了输出功率小于100W三相无刷直流电机控制与检测系统：（a）无刷直流电机三相Y型半控电路原理图。（b）无刷直流电机三相型半控电路原理图（c）无刷直流电机三相Y型连接全控电路原理图。（d）无刷直流电机三相型连接全控电路原理图。运用软件绘出了专用集成电路控制方式PCB图与三维仿真图。通过浏览书籍，查看文献资料，学习无刷直流电机原理基础上，并对无刷直流电机控制原理进行了研究，设计了电动自行车用无刷直流电机控制器。 本文所设计基于MC33035无

46、刷直流电机控制器具有硬件结构简单、保护功能完善。主要实现了如下功能: (1)采用MC33035作为主控芯片，加强电动车电机控制； (2)完善电机控制系统，实现了系统过流保护； (3)设计了驱动电路、硬件过流保护电路，提高系统可靠性; 本文所设计控制系统还有需要进一步改进，比如可采用无位置控制方法，运用软件检测电机反电动势，从而不需要位置传感器，减少硬件成本，提高可靠性;还可采用单片机来对无刷直流电机进行控制，使系统具更加灵活与稳定。致谢毕业设计完成期间，陈教师给了我不少指导与建议，使我对无刷电机控制系统有了不少了解，学到了不少对我有用东西。虽然他工作很忙，但他也抽出自己时间辅导我们，对我们所提出问题进行解答。通过这一阶段努力，我毕业论文终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上与思想上都受益非浅，这除了自身努力外，及各位教师、同学与朋友关心、支持与鼓励是分不开。在本论文写作过程中，我导师陈安明教师倾注了大量心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心与支持各位教师以及关心我同学与朋友。写作毕业论文是一次再系统学习过程，毕业论文完成，同样也意味着新学习生活开始。感谢各位专家批评指导参考文献1 张琛. 无刷直流电动机原理及应用M. 北京：机械工业出版社，