1、 毕业设计（论文） 题 目 : 无刷电机驱动的电动 自行车 的控制系统设计 I 摘 要 近年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成城市空气的严重污染。于是发展绿色交通工具已经成为一个重要的课题。考虑到我国的国情，发展电动自行车具有重要的环保意义。随着电机技术及功率器件性能的不断提高，电动自行车的控制器发展迅速。本文设计采用无刷直流电机专用控制芯片 MC33033 为控制芯片，以功率器件 MOSFET 为开关器件驱动电机，实现对无刷直 流电机的控制。设计出了电路原理图、印制板电路图和电路板实物的 3维效果图。 关键词： 无刷直流电机 MC33033 原理图 印制板电路图 II Abstract I
2、n recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking into account Chinas national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the
3、 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 control chip MC33033 chip, in order to power MOSFET devices as the switching device drive motor, to ac
4、hieve control of the electric bike. Design a circuit diagram, PCB circuit diagrams and circuit board real 3-D renderings. Keywords： brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 引言 . 5 1.1 课题的研究背景及发展状况 . 5 1.1.1 当今社会的能源问题 . 5 1.1.2 无刷直流电机的发展过程 . 5 1.1.2 无刷直流电机的
5、特点 . 6 1.2 电动自行车的组成 部分 . 7 1.3 课题研究的内容 . 7 第 2 章 电动自行车的主要技术 . 9 2.1 电动自行车的基本性能 . 9 2.2 电动自行车的主要技术参数 . 10 2.2.1 整车主要技术参数 . 10 2.2.2 蓄电池主要技术参数 . 10 2.2.3 电动机主要技术参数 . 11 2.2.4 控制器主要技术参数 . 11 2.3 电动自行车的电机控制技术 . 12 2.4 无刷直流电机的结构与原理 . 12 2.5 无刷直流电机的调速方法 . 14 2.6 无刷直流电机的位置检测 . 15 第 3 章 系统元器件选择 . 17 3.1 控制芯
6、片 MC33033 . 17 3.2 功率器件 MOSFET . 20 3.3 无刷电机驱动芯片 IR2103 . 22 3.4 闭环无刷电机适配器 MC33039 . 23 3.5 蓄电池的选择 . 24 第 4 章 系统电路设计 . 27 4.1 普通无刷电动机控制电路 . 27 4.2 主电路设计 . 28 4.2.1 电源电路设计 . 28 4.2.2 驱动电路设 计 . 28 4.2.3 刹车电路设计 . 29 4.2.4 调速电路设计 . 30 4.2.5 钥匙开关设计 . 31 4.2.6 整体电路图 . 32 第 5 章 印制电路板设计 . 34 5.1 确定元件封装 . 34
7、 5.2 生成网络表 . 35 5.3 印制电路板环境设置 . 35 IV 5.4 绘制 PCB 板 . 36 结 论 . 38 致 谢 . 39 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附 录 1 . 40 附 录 2 . 41 附 录 3 . 42 5 第 1 章 引言 1.1课题的研究背景及发展状况 1.1.1当今社会的能源问题 能源是人类社会存在和发展的物质基础。 当今社会，能源和环境问题已经成为困扰人类社会进步和发展的重大课题。 自从英国工业革命以来，以煤炭、石油和天然气等化石燃料为一次能源的供能系 统极大地促进和推动了世界各国的经济发展。但与此同时，大量使用化石燃料所带来的严重后果：资
8、源枯竭、环境污染、生态资源破坏等。 自从 20世纪 70年代发生能源危机以来，人类探寻一种新的、清洁、安全可靠的可持续能源系统，世界各国对新能源与可再生能源日益重视，不断加大人力和物力的投入力度，促进了新能源与可再生资源利用技术和装置的研发，加快了新能源与可再生资源的商业化进程。 进入 21 世纪，我国的能源问题，尤其是石油问题，也变得日益严重。 我国的矿物能源储量比较丰富，但是人均能源资源却只有世界人均能源资源的二分之一左右。二 十多年来，我国经济快速 、 持续发展，其发展速度与质量为世界所瞩目。但同时又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战，目前我国已经世界第二大石油进口国
9、，能源问题十分紧迫 。 由此 可发现在交通方面发展一种绿色可再生的能源已显得非常重要。 1.1.2 无刷直流电机的发展过程 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。 由 于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来 了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。 针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪 30年代就有人开始研制以电子6 换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力
10、，直至上世纪 60年代初终于实现了这一愿望。进入 70 年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术 的又一次飞跃，先后研制出 GTR、 GTO、功率 MOSFET 等自关断全控型第二代电力电子器件 。 而以绝缘栅双极晶体管（ IGBT）为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。而进入 90 年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智慧化、功率集成的方向发展。 正是由于功率器件 G
11、TR、 MOSFET、 IGBT、 IPM等相继出现和发展，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。采用霍尔组件位置传感器的无刷直流电机结构简单、适应性好、信号容易控制，因此，霍尔组件位置传 感器始终是无刷直流电机位置传感器的主流。 目前随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率组件进行脉冲调 制 (pulse width modulation，简称 PWM)控制电机已成为主流 。 现在国外一些公司相继推出了用于电机调速的数字信号处理（ DSP）芯片，在电冰箱、洗衣机、空调等家用电器领域及工业变频控制领域，以其结构紧凑、
12、使用便捷、可靠性高、功能强和成本低等优势而被广泛 使用。 1.1.2 无刷直流电机的特点 无刷直流电机（ BLDCM : Brushless Direct Current Motor ）是指无机械电刷和换向器（或集电环）的直流电机，又称无换向器直流电机，它以电子换向器代替机械电刷和换向器实现直流电机的换向 。 无刷直流电机克服了有刷直流电机由于电刷环流而引起的磨损，产生火花而又引起噪音，及其对周围电路带来恶劣影响。无刷直流电机回馈装置简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和逆变器各自潜力得到充分发挥。且调速性能优越，体积小，重量轻，转动惯量小，不存在励磁损耗。同时，无刷直流
13、电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便的一系列优点，又具 备有刷直流电机的运行效率高等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病，且降低了制造成本，简化了电机维修。 进入九十年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如 GTR 、 MOSFET 、 IGBT 、 MCT 等相继问世，以及微处理器、大规模集7 成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化 。 这些开关器件本身向着高频化、大容量、智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、自我保护等功能为一体的智能功率模块（ IPM）和大功率集 成电
14、路，使无刷直流电动机的关键部件逆变器的成本降低，且向高频化、小型化发展。无刷直流电机的应用和开发进入一个新阶段，目前正朝着超高速、高转矩、高功能化、微型化方向发展。所以无刷直流电机在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、及计算机驱动器以及家用电器等方面得到了广泛的应用 。 1.2 电动自行车的组成 部分 电动自行车一般由动力部分、传动部分、行车部分、操纵制动部分、电气仪表部分组成。 1. 动力部分 电动自行车的动力部分通常由蓄电池和电机构成，是电动自行车的动力来源。其性能的好坏，直接影响电动自行车的动 力性和经济性 . 2. 传动部分 电动自行车传动部分的作用是将动力部分输出的功率
15、传递给驱动轮，驱使电动自行车行驶。通过变速器或调速器，使电动自行车获得行驶所需要的驱动力和速度，并保证电动自行车的平稳起步和停车。它由变速器、后传动装置组成。 3. 行车部分 行车部分的作用是使电动自行车构成一个整体，支撑全车的总重量，将传动部分传递的扭矩转换成驱使电动自行车行驶的牵引力，同时承受吸收和传递路面作用于车轮上的各种反力，确保电动自行车正常、安全行驶。它主要由车架、前减震器、前后轮、座垫等组成。 4. 操纵制动部分 操纵制动部分的作用是 直接控制行车方向、行驶速度、制动等，以确保电动自行车行驶安全。它由车把、制动装置、调速手把等组成。电气仪表装置是保证车辆安全行驶并反映车辆运动状态
16、的主要装置，它使骑行者能正确、有效地对车辆行驶适时地进行控制。它由数据显示装置、充电器等组成。 1.3 课题研究的内容 由于直流无刷电机具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特8 点，在医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用得到日益普及。 因此，本文设计开发了一套无刷直流电机 驱动的电动自行车的控制系统， 36V电源供电， 采用 MC33033 作为主控制芯片，功率器件 MOSFET 起开关作用 驱动电机 ，采用 PWM 方式调速实现对电动自行车的控制。 9 第 2章 电动自行车的主要技术 2.1
17、电动自行车的基本性能 按照国家标准电动自行车通用技术条件，电动自行车是以蓄电池为辅助能源，具有两个车轮，能实现人力骑行、电动或电力助动功能的特种自行车；根据道路安全法，把电动自行车划分为非机动车辆，电动自行车的性能不能超出非机动车辆标准。下面介绍电动自行车通用技术条件中重要条款。 电动自行车采用旋 转转把，通过控制器可以对电动机进行调速控制，电动车最高时速 20Km/h。 电动自行车必须具有可靠的刹车断电功能。电动自行车骑行刹车制动时，刹车信号先送到控制器内，切断控制器输出到电动机的电源，电动机停止输出动力，然后机械刹车系统制动，确保骑行者安全。 电动自行车整车质量不超过 40Kg。 电动自行
18、车比普通自行车多了蓄电池、电动机等质量较大的部件，因此比普通自行车重了许多，但不应大于 40Kg 这一非机动车标准上限，超过了就不能纳入非机动车管理范围。 电动自行车一般采用单块为 12V/12Ah 铅蓄电池串联组成电动自行车电 源，每块铅酸蓄电池电磁质量约 4.1Kg， 24V 电源两块电池加外壳约 7.8Kg； 36V 电源三块电池加外壳质量约 13Kg。 低速电动机轮廓较重，质量约 5Kg，告诉电动机加减速齿轮构成的轮廓质量约 3.5Kg。 电池质量加电动机质量约占整车质量一半，留给自行车车体部分的约20Kg。 而电动自行车在较快速度下运行的交通工具，质量比自行车大，其结构强度要求比自行车高。 电动自行车必须具有脚踏行驶功能。电动自行车纳入非机动车管理范畴，脚踏功能是比不可少。 在平坦的沥青或混凝土路面风速不大于 3m/s，电动自行车30min 脚踏行驶 距离不应小于 7Km。 电动自行车电池容量应保证一次充满电后续驶里程应不小于 25Km。 电动自行车企业的产品说明书讲一次充电后可行驶 40-50Km，其依据是电池放电时间在120min 以上，最高车速 20Km/h，这样算来可以行驶 40Km。 一组优质的电池应能保证使用一年后电池容量能维持续驶里程大于 25Km。 电动自行车以电动骑行， 100Km 的电能消耗应不大于 1.2KWh。 电动自行车电
