毕业设计：无 刷 直 流 电 机 控 制 器 设 计
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我国的无刷直流电机应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等。由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。我国目前是世界最大的永磁体（生产无刷电机的主要原材料）生产供应基地，中国还将要成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应用。
由于直流无刷电机具备交流电动机的结构简单、运行可靠、ห้องสมุดไป่ตู้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。
随着科技的发展，无刷直流电机的控制器经历了模拟控制系统、模拟数字混合控制电路、数字控制系统等阶段。传统的无刷直流电机控制器一般由模拟器件以硬接线的方式构成。然而模拟元件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元器件的老化和温漂问题等，由于采用了硬接线，系统升级困难，使它很难满足现代电子系统的设计要求。因此，数字控制系统应运而生，最初的数字控制系统都是以单片机为主控芯片，单片机的种类很多，其中以51系列、96系列单片机最为普遍。在单片机控制系统发展的同时，一些厂家开发出了电机控制专用芯片，如用于无刷直流电机控制的UCC3626、摩托罗拉高性能微控制器中的智能化外围模块MC33039等。这类芯片价格便宜，执行速度快，但是所能实现的控制功能简单，难以满足高性能控制场合的需要。从目前的发展趋势来看，以双闭环控制代表无刷直流电机控制器的发展方向。在过去20多年的时间里，直流无刷电机在国际上己得到较为充分的发展，控制技术已经比较成熟。由于无刷直流电机的应用前景广阔，各国都加快对无刷直流电机新产品开发的速度和占领市场的力度，尤其美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造和控制技术。日本在民用方面比较突出，而美国则在军用方面更加先进。
第二章
2.1选题来源
生产/社会实际
2.2当前能源问题
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。自英国工业革命以来，以石油、煤炭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。然而大量化石燃料的使用会带来严重问题：资源枯竭、环境污染、生态资源破坏等。
第三章
3.1电动自行车的电机控制技术
电动自行车是具有电力驱动，脚踏驱动，电力和脚踏并用等功能的绿色环保交通工具。电动自行车的工作原理和结论都不复杂，可以认为是在自行车的基础上加一套电机驱动机构组成的。电动自行车的控制框图如图3-1所示，蓄电池通过控制器给电机供电，电机旋转带动自行车行进。电动自行车的控制器连接有一个调速手柄，转动调速手柄可以改变控制器输入端信号的电压值，控制器根据电压值的大小，调节输出给电机的电压的高低，从而控制电机的转速。
由此可以知道在交通方面发展一种绿色可再生的能源已显得尤为重要。
2.3无刷直流电机研究现状
1955年，美国D.哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电机机械换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电机的雏形[2]。随后又经过人们多年的努力，通过霍尔元件来实现换向的直流无刷电机终于在1962年问世。80年代以来，微电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合产生了高频化全控型器件，从而使电力电子技术的发展进入了一个新的阶段，新的电力电子器件使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现。目前，电力电子装置朝着集成化的方向发展，把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，便构成了功率集成电路，这些使得电机的驱动电路设计简化及体积更小。电力电子工业的发展，使半导体大功率管的价格不断下降而其性能却不断提高，这些都将使无刷直流电机的应用更加普及[3]。
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逐渐重视，人力和物力的投入不断加大，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，目前我国已经是世界第二大石油进口国，能源问题十分紧迫。
[关键词]无刷直流电机 MC33033电路图
[Abstract]
In 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 China's national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the 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 achieve control of the electric bike. This design not only to achieve the electric bicycle in normal use should have the basic performance, but also by adding under-voltage detection circuit, an overcurrent protection circuit, a synchronous rectifier circuit and other measures to improve the stability and reliability of the operation of the motor, brushless DC motor with a more lasting vitality.
无刷直流电机控制器设计
这些年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成严重的空气污染。于是绿色交通工具的发展已经成为一个很重要的课题。结合我国的国情，电动自行车的发展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。本文设计主要采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片，用功率器件MOSFET为开关器件驱动电机，实现对无刷直流电机的控制。该设计不仅要实现电动自行车正常使用时应具备的基本性能，还要通过增加欠压检测电路、过流保护电路、同步整流电路等措施来提升电机运行可靠性与稳定性，使电动自行车用无刷直流电机具备更持久的生命力。
[Keywords] brushless DC motorMC33033Circuit diagram
第一章
一个多世纪以来，作为机电能量转换装置的电动机，其广泛应用于国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。电动机主要类型有直流电机、异步电动机和同步电机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，从而存在一定的的机械摩擦，由此带来了火花、噪音、寿命短以及无线电干扰等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而其应用范围大大的收到了限制。
2.4发展趋势
随着石油能源的日趋紧张以及人们环保意识的增强, 电动自行车越来越受欢迎。用无刷电机驱动已成为电动车的发展方向。永磁直流无刷电机是近年来迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。该电机由定子、转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成, 既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点, 又具有直流电机良好的调速特性,并且无机械式换相器, 现已广泛应用于各种调速场合。无刷直流电机因其体积小、转矩高、可靠性高、维护方便等优点, 在电动自行车等家用设备中得到了广泛的应用。 以前没有一个专用控制芯片能够对霍尔传感器检测出的位置信号进行译码, 它本身更不具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能, 因此设计者最初采用分立元件组成的庞大的模拟电路来对它进行控制, 使得系统的设计、调试相当复杂, 而且要占用很大面积的电路板, 有时候与把控制器内嵌到电机内部的要求相矛盾。后来MOTOROLA公司研制了无刷电机控制专用芯MC33035, 它集译码、过流、过热、欠压、正反转选择诸功能于一身, 组成的系统所需外围电路比较简单。无刷直流电机控制器结构有多种形式, 最初是采用分离元件组成的庞大而复杂的模拟控制电路, 由于调试难度大, 稳定性差, 已逐渐被淘汰 以微机(单片机) 为核心构成的数字控制电路调速控制功能强, 但存在着运算速度慢的缺陷, 一般只适用于复杂的运行控制场合新型电机控制专用芯片的出现, 给无刷直流电机调速装置的设计带来了极大的便利, 这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定, 组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强, 特别适用于工作环境恶劣、对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。
在我国，无刷直流电机的发展时间较短，但随着技术的日益成熟与完善也得到了迅猛的发展。我国直流无刷电机的研制工作始于二十世纪70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，有待进一步的研究和开发。
针对上述传统直流电动机的缺点，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子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，直至上世纪60年代初这一愿望终于实现了。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，第一代电力电子器件是传统晶闸管不能自关断的半控型器件。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GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现和发展，以及高性能永磁材料的出现，均为直流无刷电动机的广泛应用打下了坚实的基础。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。
当今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。目前在国外的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，在空调、洗衣机、电冰箱等家用电器领域及工业变频控制领域，以其使用便捷、可靠性高、结构紧凑、成本低和功能强等优势而被广泛使用。
由于直流无刷电机具备交流电动机的结构简单、运行可靠、ห้องสมุดไป่ตู้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。
随着科技的发展，无刷直流电机的控制器经历了模拟控制系统、模拟数字混合控制电路、数字控制系统等阶段。传统的无刷直流电机控制器一般由模拟器件以硬接线的方式构成。然而模拟元件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元器件的老化和温漂问题等，由于采用了硬接线，系统升级困难，使它很难满足现代电子系统的设计要求。因此，数字控制系统应运而生，最初的数字控制系统都是以单片机为主控芯片，单片机的种类很多，其中以51系列、96系列单片机最为普遍。在单片机控制系统发展的同时，一些厂家开发出了电机控制专用芯片，如用于无刷直流电机控制的UCC3626、摩托罗拉高性能微控制器中的智能化外围模块MC33039等。这类芯片价格便宜，执行速度快，但是所能实现的控制功能简单，难以满足高性能控制场合的需要。从目前的发展趋势来看，以双闭环控制代表无刷直流电机控制器的发展方向。在过去20多年的时间里，直流无刷电机在国际上己得到较为充分的发展，控制技术已经比较成熟。由于无刷直流电机的应用前景广阔，各国都加快对无刷直流电机新产品开发的速度和占领市场的力度，尤其美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造和控制技术。日本在民用方面比较突出，而美国则在军用方面更加先进。
第二章
2.1选题来源
生产/社会实际
2.2当前能源问题
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。自英国工业革命以来，以石油、煤炭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。然而大量化石燃料的使用会带来严重问题：资源枯竭、环境污染、生态资源破坏等。
第三章
3.1电动自行车的电机控制技术
电动自行车是具有电力驱动，脚踏驱动，电力和脚踏并用等功能的绿色环保交通工具。电动自行车的工作原理和结论都不复杂，可以认为是在自行车的基础上加一套电机驱动机构组成的。电动自行车的控制框图如图3-1所示，蓄电池通过控制器给电机供电，电机旋转带动自行车行进。电动自行车的控制器连接有一个调速手柄，转动调速手柄可以改变控制器输入端信号的电压值，控制器根据电压值的大小，调节输出给电机的电压的高低，从而控制电机的转速。
由此可以知道在交通方面发展一种绿色可再生的能源已显得尤为重要。
2.3无刷直流电机研究现状
1955年，美国D.哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电机机械换向器换向的专利，这就是现代直流无刷电机的雏形[2]。随后又经过人们多年的努力，通过霍尔元件来实现换向的直流无刷电机终于在1962年问世。80年代以来，微电子技术和电力电子技术在各自发展的基础上相结合产生了高频化全控型器件，从而使电力电子技术的发展进入了一个新的阶段，新的电力电子器件使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现。目前，电力电子装置朝着集成化的方向发展，把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，便构成了功率集成电路，这些使得电机的驱动电路设计简化及体积更小。电力电子工业的发展，使半导体大功率管的价格不断下降而其性能却不断提高，这些都将使无刷直流电机的应用更加普及[3]。
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逐渐重视，人力和物力的投入不断加大，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，目前我国已经是世界第二大石油进口国，能源问题十分紧迫。
[关键词]无刷直流电机 MC33033电路图
[Abstract]
In 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 China's national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the 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 achieve control of the electric bike. This design not only to achieve the electric bicycle in normal use should have the basic performance, but also by adding under-voltage detection circuit, an overcurrent protection circuit, a synchronous rectifier circuit and other measures to improve the stability and reliability of the operation of the motor, brushless DC motor with a more lasting vitality.
无刷直流电机控制器设计
这些年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成严重的空气污染。于是绿色交通工具的发展已经成为一个很重要的课题。结合我国的国情，电动自行车的发展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。本文设计主要采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片，用功率器件MOSFET为开关器件驱动电机，实现对无刷直流电机的控制。该设计不仅要实现电动自行车正常使用时应具备的基本性能，还要通过增加欠压检测电路、过流保护电路、同步整流电路等措施来提升电机运行可靠性与稳定性，使电动自行车用无刷直流电机具备更持久的生命力。
[Keywords] brushless DC motorMC33033Circuit diagram
第一章
一个多世纪以来，作为机电能量转换装置的电动机，其广泛应用于国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。电动机主要类型有直流电机、异步电动机和同步电机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，从而存在一定的的机械摩擦，由此带来了火花、噪音、寿命短以及无线电干扰等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而其应用范围大大的收到了限制。
2.4发展趋势
随着石油能源的日趋紧张以及人们环保意识的增强, 电动自行车越来越受欢迎。用无刷电机驱动已成为电动车的发展方向。永磁直流无刷电机是近年来迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机。该电机由定子、转子和转子位置检测元件霍尔传感器等组成, 既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便的特点, 又具有直流电机良好的调速特性,并且无机械式换相器, 现已广泛应用于各种调速场合。无刷直流电机因其体积小、转矩高、可靠性高、维护方便等优点, 在电动自行车等家用设备中得到了广泛的应用。 以前没有一个专用控制芯片能够对霍尔传感器检测出的位置信号进行译码, 它本身更不具备过流、过热、欠压、正反转选择等辅助功能, 因此设计者最初采用分立元件组成的庞大的模拟电路来对它进行控制, 使得系统的设计、调试相当复杂, 而且要占用很大面积的电路板, 有时候与把控制器内嵌到电机内部的要求相矛盾。后来MOTOROLA公司研制了无刷电机控制专用芯MC33035, 它集译码、过流、过热、欠压、正反转选择诸功能于一身, 组成的系统所需外围电路比较简单。无刷直流电机控制器结构有多种形式, 最初是采用分离元件组成的庞大而复杂的模拟控制电路, 由于调试难度大, 稳定性差, 已逐渐被淘汰 以微机(单片机) 为核心构成的数字控制电路调速控制功能强, 但存在着运算速度慢的缺陷, 一般只适用于复杂的运行控制场合新型电机控制专用芯片的出现, 给无刷直流电机调速装置的设计带来了极大的便利, 这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定, 组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强, 特别适用于工作环境恶劣、对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。
在我国，无刷直流电机的发展时间较短，但随着技术的日益成熟与完善也得到了迅猛的发展。我国直流无刷电机的研制工作始于二十世纪70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，有待进一步的研究和开发。
针对上述传统直流电动机的缺点，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子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，直至上世纪60年代初这一愿望终于实现了。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，第一代电力电子器件是传统晶闸管不能自关断的半控型器件。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GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相继出现和发展，以及高性能永磁材料的出现，均为直流无刷电动机的广泛应用打下了坚实的基础。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。
当今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。目前在国外的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，在空调、洗衣机、电冰箱等家用电器领域及工业变频控制领域，以其使用便捷、可靠性高、结构紧凑、成本低和功能强等优势而被广泛使用。