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1、 I 基于 MC33035 的无刷直流电机驱动控制系统设计 摘 要 随着社会的发展和人民的生活水平提高，人们对交通工具的需求也在不断发 展和提高。电动自行车作为一种“绿色产品”已经在全国各省市悄然兴起，进入 千家万户，成为人们，特别是中老年人和女士们理想的交通工具，受到广大使用 者的喜爱。 MC33035 的典型控制功能包括 PWM 开环速度控制、使能控制(起动或停止) 、 正反转控制和能耗制动控制。此芯片具有过流保护、欠压保护、欠流保护、又因 此芯片低成本、高智能化、从而简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、 满足更多应用场合的需要。 设计的直流无刷电机控制器是采用 MC33035 芯片
2、控制的， 以本次设计结果表 明， MC33035 的典型控制功能带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及 内部热关断等特性。电动自行车作为一种新型交通工具已经在社会上引起很大的 影响并受到广大使用者的喜爱。 关键词：电动自行车，无刷直流电机，MC33035，位置传感器 II 目 录 前 言 1 第 1 章 电动自行车简介 . 2 1.1 电动自行车的发展 . 2 1.1.1 电动自行车的发展前景 2 1.1.2 电动自行车的未来 . 2 1.2 电动自行车的结构 . 3 1.3 电动自行车的动力分析 . 5 第 2 章 电动自行车无刷电机原理分析 7 2.1 电动自行车无刷直流电动机的发
3、展 7 2.2 无刷直流电机（BLDCM）的基本结构与工作原理 . 7 2.2.1 无刷直流电机的工作原理 8 2.2.2 无刷直流电机的基本结构 10 2.3 直流无刷电机的控制原理 . 11 第 3 章 电动自行车控制器单元电路分析 13 3.1 电动自行车控制器的功能 . 13 3.2 无刷电机控制器单元电路分析 14 3.2.1 无刷直流电机调速原理 14 3.2.2 速度调速器的结构 . 15 3.2.3 速度把 . 17 3.3 限速电路 . 20 3.4 刹车电路 . 21 3.5 防飞车电路 23 3.6 巡航电路 . 24 第 4 章无刷直流电机 MC33035 芯片及其工作
4、原理 25 4.1 MC33035 芯片介绍 . 25 4.2 MC33035 芯片内部功能 . 27 4.3 MC33035 芯片的内部结构及工作原理 29 4.3.1 MC33035 芯片的内部结构及特点 29 III 4.3.2 MC33035 芯片的工作原理 31 第 5 章 基于 MC33035 芯片的电动自行车控制器电路 33 5.1 电动自行车控制器的研究及发展 . 33 5.2 基于 MC33035 芯片的无刷控制器电路 35 5.2 三相六步电机控制电路 . 37 5.3 有刷电机控制电路 . 39 结 论 42 谢 辞 . 错误错误!未定义书签。未定义书签。 参考文献 43
5、 外文资料翻译 . 错误错误!未定义书签。未定义书签。 1 前 言 当交通拥堵、空气污染日益成为困扰现代都市的老大难问题时，电动 自行车作为一种环保、便捷、健康的绿色交通工具应运而生。我们应该以 “无污染、能耗小”为目标研究更加适用于现代社会的高科技产品。 自八十年代至今，电动自行车行业由于其特殊性得到了飞速的发展， 而且电力电子、微电子、计算机控制、电机等技术的迅速发展，又为电动 自行车的开发研制提供了良好的条件。新型特种自行车，因其无污染、低 噪音、低能耗、占道少、方便快捷等特点而成为国际上流行和大力推广的 绿色私人交通工具已经风靡全国。 近年在一片争议声中，电动车行业已迅猛发展、欣欣向荣
6、，年增长率 高达 15%-20%，这已是有目共睹的事实。据不完全统计，目前中国电动车 行业生产制造领域，大量中小投资创业者集聚，生产厂商已超过 1200 家， 配件厂商超过 2300 家， 从业人员达 100 万以上，年产销量约为 1250 万辆， 创造着每年 200 亿元以上的直接经济效益和难以估量的间接经济效益。 我国是举世公认的“自行车王国”,在相当长时期内,自行车仍将是老 百姓出行最常用的交通工具。 近年来,出现了一种以磁无刷直流电动机为驱 动的自行车作为代步工具的普遍现象。 2 第 1 章 电动自行车简介 1.1 电动自行车的发展 1.1.1 电动自行车的发展前景 从 70 年代起，
7、我国电动车辆的研究开发便一直在进行，在 1993 年， 电动车被确定为国家十大重点科技工程，并制定了电动汽车的发展目标。 与汽车相比，灵活方便的中短途个人交通工具，如自行车、助动车和摩托 车等，在全球依然占据绝大多数。全世界每天在役的自行车约为 10 亿辆， 每年仍有 1 亿辆新自行车进入市场。 从八十年代至今，电动车的相关技术如电力电子、微电子、计算机控 制、电机等技术的迅速发展为其开发研制提供了良好的条件。以欧、美、 日为代表的发达国家的科研机构、车辆公司在政府的支持下纷纷投巨资开 始研制，并成功推出了一批性能良好的概念车。预计未来 3 至 4 年内，电 动自行车将成为欧洲自行车商下一阶段
8、推出的主要产品，仅欧洲市场每年 的销量就可在 300 万至 400万辆。 欧盟委员会在欧洲 10国赞助一项 ETour 计划，推动电动车辆的发展，此计划以电动自行车为主。通过将 1300 辆电 动自行车发给大城市，以此刺激欧洲大城市环保交通工具的使用。在美国， 三大汽车集团公司通用（GM） 、福特（FORD） 、戴姆克莱斯勒（CHRYSER）成 为美国开发与推广电动车的主力成员。在日本，商品化的电动自行车由日 本雅马哈公司率先于 1994 年推出，并随着本田、三洋、松下等知名公司的 参与，生产规模日益扩大。 1.1.2 电动自行车的未来 短短数年时间，在难以计数的“胆大冒险、嗅觉灵敏”的中小投
9、资创业 者的不懈努力下，诞生了一个新兴行业中国电动自行车行业！ 未来似乎是无限美好的，但是这无限美好的背后，显然不能只看到眼 前短暂的经济效益，更要找到一条行业发展的最佳路径，那么这条路径到 底在哪里呢？让我们共同探讨！ 3 产品技术将不断创新： 1. 无污染电动自行车是以蓄电池发出的电能作为驱动能源， 以电动机 作为动力，运行过程中没有废气排放因此和摩托车、燃油助动车相比，没 有污染。 2. 低噪音、振动小：电动自行车是由电动机驱动的，电动机在运行中 产生的噪音比较小，运行比较平稳。而摩托车、燃油助动车是由燃油发动 机驱动，其汽缸产生的噪音比较大，由于受到体积限制，其发电机的缸数 较少，运行
10、时不够平稳，振动较大。 3. 最高时速 20 公里，行驶安全：摩托车、燃油助动车的速度快，在 机动车道上行驶，事故率较高而电动自行车，国家强制性规定（国标 GB177611999）其速度不能超过 20km/h，并且电动自行车一般不能在机 动车道上行驶，因此相比之下安全很多。 4. 效率高：摩托车、燃油助动车的效率一般只有 30左右，而电动 自行车的效率可以达到 70以上。 5. 结构简单、轻便，易维护、维修：电动自行车一般是有蓄电池、控 制板、电机和车身组成；蓄电池用的是免维护的，电机的故障率较低，基 本上不要维护，控制板由于现代的电力电子技术比较成熟，损坏率也比较 低，另外电动自行车没有机械
11、传动结构，无污染、体积小、重量轻，因此 相比摩托车、燃油助动车来说，其日常的维护、维修量少得多。 电动自行车作为耐用消费品，技术是其产品的核心。虽然现在电动自 行车行业的厂家多如牛毛，产品琳琅满目，但仔细观察就会发现真正有技 术含量、有卖点的产品是少之又少。具有自主开发能力，重视技术创新的 电动自行车企业更如凤毛麟角。 1.2 电动自行车的结构 电动自行车由车体、电驱动装置（电机） 、可充电电池、充电器和控制 系统五大部分组成。不同种类的车，其电池置放位置、控制器形式等有所 不同。 1、车体：由于国家标准规定电动自行车的电驱动方式大体上有三类： 4 (1) 摩擦传动式：由电机转轴上的靠轮直接加
12、载于车轮胎，靠摩擦传 动。其优点是结构简单，成本低，但是轮胎磨损大，雨季容易打滑。 (2) 中轴驱动式：车架中轴处经特殊设计安放电机，通过减速机构带 动中轴，再由中轴通过链条带动后轮。其优点是电机重心合理，并能利用 自行车减速系统换档，但机械损耗较大。 (3)电动轮毂式：电机安装在车轮的轮毂里，可装在前轮或后轮，轮毂 由辐条与车圈连接，直接带动车轮转动。其优点是体积小、重量轻、能耗 低、效率比较高，但电机散热和传动齿轮润滑较困难。目前国内电动自行 车大多是这种方式。电机分为无刷电机和有刷电机两类。无刷电机主要是 低速大力矩电机，没有传动齿轮，避免了机械磨损，运行中几乎没有噪音， 但无刷电机启动
13、电流冲击较大，控制系统结构复杂，轮毂有刷电机采用先 进技术，提高了电刷寿命，电机效率较高，控制系统电子线路简单。 2、可充电电池：用于电动自行车的电池主要有三类，即小型密封式维 护铅酸蓄电池，镍镉电池和镍氢电池。小型密封式免维护铅酸电池使用成 本低、容量大，被国内企业普遍采用。 3、充电器：充电器设计采用恒流、恒压、浮充三个阶段自动转换方式， 对电池产生保护，有效地延长电池寿命。 4、控制系统：控制系统设计有多项保护功能，如电量显示、无级调速、 软启动、欠压保护、过流保护和刹车断电等。保护电机和电池，可使电流 有效地输出，产生所需动力，又不烧坏电机。目前国内开发的电动自行车， 大多是以手动调速
14、把手来自行决定电力供给方式。 电动自行车还可说成由动力部分、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、 5 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
15、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、坐垫等组成。 (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。 (5) 电气仪表部分 电气仪表装置是保证车辆安全行驶并反映车辆运动状态的主要装置， 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7。 1.3 电动自行车的动力分析 电动自行车作为交通工具，在行驶过程中经常会遇到上坡或下坡，在 衡量电动自行车性能时，其中有一项重要指标就
16、是爬坡性能，也就是电动 自行车的转矩性能。而电动自行车的驱动力主要来自于电机，因此电动自 行车电机的电磁转矩大小直接影响电动自行车爬坡性能的好坏。 为了方便起见，假定（1）电动自行车自重 35Kg，载重 75Kg，前后车 轮直径为 0.6lM； （2）电动自行车的效率为 70，电机功率为 180w； （3）路 面平坦、无风时最大速度为 20km/h。 当电动自行车在水平路面以最大速度行驶时， 由公式 P=F*V 可得电动 自行车的推动力 F=P/V=18.9N，那么电动自行车的转矩 T=F*R=5.76NM， 即电机的输出转矩应为 5.76NM。 6 Fu Fn G 坡度夹角a F G=(M1M2)gFu=G*sin Fu=(M1M2)gsin+F 图 2 受力分析 如图 2-9 当电动自行车在上坡路(坡面角为 a 时)面上行驶时，电动自行 车的推动力=水平路面上行驶时的推动力+载重和车重沿坡面的分量，即： Fu=(M1M2)gsin+F=1078*sin+18.9 而 Vu=p/Fu=126/(1078*sin+18.9) 当 =1
