1、摘要I本科毕业论文（20 届）采用集成电路的无刷电机控制系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要II摘 要无刷直流电动机是现代工业设备中重要的运动部件，保留了有刷直流电动机宽阔而且平滑的调速性能，同时又克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点，在各个领域中得到广泛应用。本论文阐述了无刷直流电动机的系统构成和工作原理，分析了无刷直流电动机的数学模型、等效电路、传递函数以及调速原理。采用转速电流双闭环控。与串励或者并励有刷直流电机驱动系统相比，永磁无刷电机有着明显的优势，功率密度大、体积小、效率高、结构简单牢固、易于维护等，且驱动系统运行和维
2、护成本都比较低，因此，对于目前电动汽车市场需求和已经达到的科技状况，开发出比较可行、运行良好，同时能够控制生产成本的电动使用汽车永磁无刷电机驱动系统，于电动汽车行业的促进有着深刻的意义。本文首先论述了无刷直流电机的组成，工作原理和数学模型，然后基于 MOTOROLA 公司的专用控制芯片 MC33035 进行了无刷电机控制系统的硬件设计。主要有主电路和控制电路，其中包括转子位置检测电路，电流检测电路，驱动电路等。本设计拟用在电动汽车，作为电动汽车的调速系统。关键词： 无刷电机；MC33035；PWM 控制AbstractIIIABSTRACTBrushless DC Motor(BLDC)is
3、an important moving part of modern industry equipments BLDC retains the performance of broad and smoothspeed control，at the same time BLDC overcomes a series of disadvantagesbrought by the Brush DC Motor mechanical commentatorTherefore，BLDC is widely used in various fieldsI n this paper， the system
4、composition and working principle of BLDC is expanded The mathematical model， equivalent circuit and transfer function of BLDC is derived The speed control principle of BLDC is analyzed Speed、 current closedloop control and the method of pulse width modulation are used to drive BLDC The series-excit
5、ed or by brush dc motor drive system is compared, permanent brushless motor has obvious advantages, power densities, small size, high efficiency, simple structure, easy maintenance firm, and drive system operation and maintenance cost is low, therefore, based on the electric car market development n
6、eeds and technical status , design and development and reliable, low cost of electric car permanent brushless motor drive system, for the development of electric vehicle industry has important practical significance. This paper first discusses of brushless dc motor composition, working principle and
7、 mathematical model, then based on the special control chip MOTOROLA company MC33035 brushless motor control system for the hardware design. The main circuit and control circuit, including the rotor position detection circuit, the electric current detection circuit, drive circuit. This design to be
8、in the electric car, as electric vehicle control system.Key words：BLDC；MC33035；PWM control目录IV目录摘 要 . ABSTRACT .II目录 .III第一章 绪论 .11.1 课题选择的背景及意义 .11.2 电动汽车发展现状 .21.2.1 我 国 电 动 汽 车 的 发 展 .21.2.2 国 际 电 动 汽 车 的 发 展 .21.3 无刷电机在电动汽车中的应用 .31.3.1 鼠 笼 式 交 流 异 步 电 动 机 .31.3.2 永 磁 无 刷 直 流 电 动 机 .31.3.3 开 关 磁
9、阻 电 动 机 .41.4 无刷电机发展现状和控制研究现状 .41.5 本人在毕业设计中完成的任务 .6第二章 无刷直流电机工作原理 .82.1 无刷直流电动机的概述 .82.2 无刷直流电动机本体 .102.2.1 无 刷 电 机 的 定 子 部 分 .102.2.2 电 动 机 转 子 .122.3 转子位置检测 .132.3.1 位 置 传 感 器 检 测 法 .132.3.2 无 位 置 传 感 器 检 测 法 .162.4 PWM 调制技术 .162.5 无刷直流电动机的运行特性 .192.5.1 机 械 特 性 .192.5.2 调 节 特 性 .202.5.3 工 作 特 性 .
10、21目录V2.6 数学模型 .21第三章 无刷电机的控制系统 .253.1 控制系统框图 .253.2 直流无刷电机控制系统的主电路设计 .263.2.1 逆 变 电 路 .263.2.2 逆 变 开 关 元 件 选 择 和 计 算 .263.3 基于 MC33035 的无刷直流电动机调速系统 .283.3.1 MC33035 无 刷 直 流 电 动 机 控 制 芯 片 .283.3.2 电 子 测 速 器 MC33039 .323.3.3 电 流 检 测 电 路 .333.3.4 过 流 保 护 电 路 .343.3.5 反 向 器 4584.353.3.6 驱 动 电 路 设 计 . 35
11、3.3.7 自 举 电 路 原 理 . 37结论 .38参考文献 .39致谢声明 .40第一章 绪论- 1 -第一章 绪论1.1 课题选择的背景及意义环境污染和石油资源匮乏是目前世界汽车工业可持续发展所面临的两大难题。汽车排放的废气主要含有铅化物二氧化碳、二氧化硫、碳氢化合物、氮氧化合物等，这些有害物质对人类的身体健康带来很大的威胁也严重污染了我们生存的环境，特别是近来人们对于国务院同意发布新修订的环境空气质量标准中关于 PM2.5 监测指标的关注，而 PM2.5 产生的主要来源，是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒物质。城市 80的污染噪声是
12、由燃油汽车造成的。目前汽车消耗的能源几乎完全依赖于石油制品，随着汽车工业的发展，汽车保有量和年产量迅速增加。20 世纪 70 年代以来电动汽车的研究再度在全世界范围内兴起，世界各国不惜投入大量的人力物力来研究和开发电动汽车。20 世纪 70 年代初，美国、英国、法国、德国、意大利和日本都开始发展电动汽车，20 时 70 年代后期，世界上许多国家的地区和公司，如澳大利亚、比利时、巴西、保加利亚、加拿大、中国、丹麦、法国、德国、荷兰、印度、意大利、日本、墨西哥、芬兰、瑞士、英国、美国和前苏联等都开始生产电动汽车，第一，因为新能源汽车的使用清洁，首先，电动汽车的清洁能源使用效果（对于电能的利用率）在
13、数字上优于燃油车辆，并且这种新能源车辆在运行中出现制动情况就不会再像内燃汽车一样继续消耗能量，在制动方面能够实现反馈制动，同时能够给电动汽车所使用的电池进行蓄电，这样的制动方式和运行方式必然可以提高相应的能源利用率。再次，电动汽车赖以使用的也是由地球储藏极大的煤炭、天然气、以及现在很多国家都在使用的核能清洁能源水能、太阳能、风能等多种能源得来。最后，电动汽车的能源补充也比较方便，白天用电高峰期的时候汽车一般都是行驶状态，等到夜晚的时候再进行充电这样不仅避免了用电高峰期，而且还不耽误正常的使用，现在很多大中型城市都配备了室外的电动汽车充电桩，随时第一章 绪论- 2 -随地可以充电，方便了消费者的
14、使用，节省了能源。电动汽车另一个比较大的特点就是其维护方便，结构简单。与内燃机相比较运动部件减少，在很大程度上减少了维修成本，而且电动汽车操作方便，维修简单，节省开支。1.2 电动汽车发展现状1.2.1 我国电动汽车的发展电动汽车有纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车三种类型。这是由不同的驱动原理设计的。我们国家对于电动汽车的研究还得追溯到二十世纪六七十年代，电动汽车控制系统的相关科研的创建“九五”期间，这对于美国和日本等国家的研究时间足足迟到了二十年。但是在最近的几年的研究，由于我国相关能源计划的（863 计划）的实施。使电动汽车的研究得以有序健康的发展，以至于近期以来我们国家的新能源
15、行业，特别是电动汽车得以迅速前进取得了长足的进步，在研发过程中取得了很多的关键技术，而且我们在日常生活中也随处可见由我国自行生产和研发的电动汽车产品，在有些领域已经大大缩小了与欧美国家电动汽车产品研发的差距，甚至能达到相同的水准。1.2.2 国际电动汽车的发展目前世界汽车行业已经进入了一个转变时期，与此同时带来的事电动汽车的快速发展，各国都开始对电动汽车的研发加大了投入，从上一节的数据来看，我国对电动车的发展可谓是不遗余力，电动汽车的发展不仅仅是节约了不可再生资源的利用，另一方面，电动汽车的使用代替了很大一部分燃油汽车，对解决很久以来困扰人类的新能源动力交通提供的很大的帮助。由于各个国家都意识
16、到了发展新能源汽车的必要性，都不遗余力的开始在技术层面加紧电动汽车的发展。从而出台了相应的电动汽车的发展策略以及相应的发展方向。美国政府开始实行能源新型政策，重视新能源汽车特别是电动汽车的发展，产业规划到 2015 年在全美推行一百万辆混合动力汽车。近年来各国开始重新制定燃油排放税制改革，加大了燃油汽车的收税力度，日本从 09 年月日开始实行第一章 绪论- 3 -新的燃油税制，同一时间英国也开始执行新的汽车消费税，同时对新能源汽车的使用给予一定的鼓励和补贴，从一个侧面反映出对新能源汽车的重视。为了加大产业发展加快电动汽车市场的认可各国政府提供信贷支持等措施。1.3 无刷电机在电动汽车中的应用电
17、 动 汽 车 的 核 心 部 分 还 是 它 的 驱 动 电 机 ， 利 用 驱 动 电 机 进 行 能 量 的 转 化 ，通 过 电 机 能 量 转 化 将 电 能 变 为 机 械 能 ， 利 用 汽 车 电 机 外 围 的 各 种 机 械 装 置 将传 动 ， 促 使 车 轮 转 动 。 到 现 在 为 止 ， 使 用 比 较 多 的 还 是 直 流 串 激 电 动 机 ，因 为 这 种 电 机 的 机 械 特 性 很 软 ， 单 相 串 励 电 动 机 属 于 单 相 交 流 异 步 电 动 机 ，是 交 直 流 两 用 的 ， 所 以 又 称 为 交 直 流 两 用 串 励 电 动 机
18、 。 由 于 它 转 速 高 、 体 积小 、 启 动 转 矩 大 、 转 速 可 调 ， 既 可 在 直 流 电 源 上 使 用 ， 又 可 在 单 相 交 流 电 源上 使 用 ， 因 而 在 电 动 工 具 中 得 到 广 泛 的 应 用 。 但 是 由 于 存 在 电 刷 换 向 出现 火 花 ， 重 量 功 率 比 不 大 、 效 率 较 低 ， 保 养 成 本 高 ， 电 机 技 术 可 控 制 技 术日 新 月 异 的 今 天 一 定 会 被 直 流 无 刷 电 动 机 （ BCDM） 、 开 关 磁 阻 电 动 机（ SRM） 取 代 。1.3.1 鼠笼式交流异步电动机三相鼠笼
19、式交流异步电动机是目前应用得最广泛的电动机，转子上不需电刷，结构简单，其生产技术比较成熟，已经能够大批量的生产。它主要由定子和转子两部分组成，定、转子之间是气隙。 转子绕组是用作产生感应电势、并产生电磁转矩的，它分鼠笼式和绕线式两种。 鼠笼式转子绕组是自己短路的绕组，在转子在每个槽中放有一根导体（材料为铜或铝），导体比铁芯长，在铁芯两端用两个端环将导体短接，形成短路绕组。若将铁芯去掉，剩下的绕组形状似松鼠笼子，故称鼠笼式绕组。1.3.2 永磁无刷直流电动机永 磁无刷直流电动机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便地调速。与他
20、励式直流电动机相比，具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点，是小功率直流电动机的主要类型。 第一章 绪论- 4 -永磁无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。1. 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示
21、等等。1.3.3 开关磁阻电动机开关磁阻电动机（Switched Reluctance Drive ：SRD）是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。 英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数瓦直到数百千瓦，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。 1.4 无刷电机发展现状和控制研究现状目前世界上对无刷电机的定义可以两种
22、：其一是认为梯形波/方波无刷直流电机都是无刷直流电机。另一种则认为只有梯形波/ 方波无刷直流电机才可被称为无刷直流带电机，正弦波无刷直流电机则被称为永磁同步电机（PMSM）。电动机从分类来讲有两类，分别是交流电机和直流电机。其中直流电动机有着一系列的特性而被广泛运用，包括其比较好的起动性能，还有调速特性。就这些特点致使直流电机应用于电力机车以及其他等等常常需要进行调整速度的机器上。直流电动机的换向有一个显著的特点就是利用换向器进行变换电流。由于电机在使用过程中不免进行长期的转向换刷这就导致电刷的损耗非常严重，必须长期不定期的进行维护和更换电刷。电机的换向频繁会产生电火花和电磁第一章 绪论- 5
23、 -类干扰，对其他设备的运行极大不利。综述了以上直流有刷电机的缺点可以发现，无刷电机的产生就是一种必然，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。20 世纪 50 年代美国人首次提出了一项特有的专利，利用晶体管组成的换相电路代替有刷电机本来的结构，这一举动是无刷电机产生的前奏，现在的无刷电机由此开始有了发展方向。然而这中特点的无刷电机真正投入使用实在20 世纪的 70 年代后期，此时相应驱动器已经有了，世界上对这种电动机的研究也已经深入了一个层次，成功的开发出方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。在小型无刷直流电动机中，逆变器由晶体管组成。由于晶体管具有自关断能力，只要其基极上的控制信号消失，晶体
24、管就自行关断，所以控制比较简单。在容量较大的无刷直流电机中，逆变器由晶闸管组成。晶闸管没有自关断能力，不能靠除去触发信号使其关断。所以当一相电流需要截止，让另一相通电时，如何关断原先导通的晶闸管，把电流转移到新的一相晶闸管，即晶闸管之间的换流问题是晶闸管电机的技术关键。装在电动机轴上的转子位置检测器是无刷直流电机的重要部件。它决定着电枢各相绕组开始通电的时刻。它的作用相当于一般直流电机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻（相位），相当于直流电机中改变电刷在空间的位置，对无刷直流电机的特性有很大的影响。位置检测器的结构型式很多，它通常包括一组静止的探测元件和一个随电机转子一起转动的位置信号形成
25、器。在由霍耳元件构成的位置检测器中，霍耳元件就是探测元件，而电机转子磁极本身就是位置信号形成器。在其他的结构中，如电磁感应式、光电式、按近开关式中，常利用一个带缺口的圆盘作为位置信号形成器。在使用的对比中可以发现无刷电机很多的优点，运行时能够得到较好的扭矩转速特性和速度很快的动态响应；有比较高的效率；电机使用年限较长；高转速。此外，无刷电机有着独特的外形这是其一大优势，可以占据对体积要求和灵敏度要求较高的场合。 所以，在日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表无刷直流电机被广泛的用起初在高尖端领域才会使用到无刷电机，随着制造技术和电力电子技术的发展，生成无刷电机的工艺大大提高随之而来的事成本降低，直接导致无刷直流电机在工业和民用领域得到广泛的应用，目前在电脑硬盘、打印机、音箱、
