畢業(yè)設計---無刷電機驅(qū)動的電動自行車的控制系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　畢業(yè)設計（論文）</b></p><p>　　題　　目: 無刷電機驅(qū)動的電動自行車</p><p>　　的控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　?！　I(yè):　 數(shù)控技術 </p><p>　　班　　級:

2、 </p><p>　　學　　號: </p><p>　　姓　　名: </p><p>　　指導老師: </p><p><b>　　摘 要</b></p>

3、<p>　　近年來，燃油交通工具因尾氣排放問題已造成城市空氣的嚴重污染。于是發(fā)展綠色交通工具已經(jīng)成為一個重要的課題?？紤]到我國的國情，發(fā)展電動自行車具有重要的環(huán)保意義。隨著電機技術及功率器件性能的不斷提高，電動自行車的控制器發(fā)展迅速。本文設計采用無刷直流電機專用控制芯片MC33033為控制芯片，以功率器件MOSFET為開關器件驅(qū)動電機，實現(xiàn)對無刷直流電機的控制。設計出了電路原理圖、印制板電路圖和電路板實物的3維效果圖。<

4、/p><p>　　關鍵詞： 無刷直流電機 MC33033 原理圖 印制板電路圖</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution le

5、vels. 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 te

6、chnology 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 </p><p>　　Keywords

7、：brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 引言5

8、</b></p><p>　　1.1課題的研究背景及發(fā)展狀況5</p><p>　　1.1.1當今社會的能源問題5</p><p>　　1.1.2無刷直流電機的發(fā)展過程5</p><p>　　1.1.2無刷直流電機的特點6</p><p>　　1.2電動自行車的組成 部分7</p>

9、<p>　　1.3課題研究的內(nèi)容7</p><p>　　第2章 電動自行車的主要技術9</p><p>　　2.1電動自行車的基本性能9</p><p>　　2.2電動自行車的主要技術參數(shù)10</p><p>　　2.2.1整車主要技術參數(shù)10</p><p>　　2.2.2蓄電池主要技術參數(shù)1

10、0</p><p>　　2.2.3電動機主要技術參數(shù)11</p><p>　　2.2.4控制器主要技術參數(shù)11</p><p>　　2.3電動自行車的電機控制技術12</p><p>　　2.4無刷直流電機的結(jié)構(gòu)與原理12</p><p>　　2.5無刷直流電機的調(diào)速方法14</p><p

11、>　　2.6無刷直流電機的位置檢測15</p><p>　　第3章 系統(tǒng)元器件選擇17</p><p>　　3.1控制芯片MC3303317</p><p>　　3.2功率器件MOSFET20</p><p>　　3.3無刷電機驅(qū)動芯片IR210322</p><p>　　3.4閉環(huán)無刷電機適配器MC

12、3303923</p><p>　　3.5蓄電池的選擇24</p><p>　　第4章 系統(tǒng)電路設計27</p><p>　　4.1普通無刷電動機控制電路27</p><p>　　4.2主電路設計28</p><p>　　4.2.1電源電路設計28</p><p>　　4.2.2驅(qū)

13、動電路設計28</p><p>　　4.2.3剎車電路設計29</p><p>　　4.2.4調(diào)速電路設計30</p><p>　　4.2.5鑰匙開關設計31</p><p>　　4.2.6整體電路圖32</p><p>　　第5章 印制電路板設計34</p><p>　　5.1確

14、定元件封裝34</p><p>　　5.2生成網(wǎng)絡表35</p><p>　　5.3印制電路板環(huán)境設置35</p><p>　　5.4繪制PCB板36</p><p><b>　　結(jié) 論38</b></p><p><b>　　致　　謝39</b></

15、p><p><b>　　參考文獻40</b></p><p><b>　　附 錄 141</b></p><p><b>　　附 錄 242</b></p><p><b>　　附 錄 343</b></p><p>&l

16、t;b>　　第1章 引言</b></p><p>　　1.1課題的研究背景及發(fā)展狀況</p><p>　　1.1.1當今社會的能源問題</p><p>　　能源是人類社會存在和發(fā)展的物質(zhì)基礎。當今社會，能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為困擾人類社會進步和發(fā)展的重大課題。自從英國工業(yè)革命以來，以煤炭、石油和天然氣等化石燃料為一次能源的供能系統(tǒng)極大地促進和推動了

17、世界各國的經(jīng)濟發(fā)展。但與此同時，大量使用化石燃料所帶來的嚴重后果：資源枯竭、環(huán)境污染、生態(tài)資源破壞等。</p><p>　　自從20世紀70年代發(fā)生能源危機以來，人類探尋一種新的、清潔、安全可靠的可持續(xù)能源系統(tǒng)，世界各國對新能源與可再生能源日益重視，不斷加大人力和物力的投入力度，促進了新能源與可再生資源利用技術和裝置的研發(fā)，加快了新能源與可再生資源的商業(yè)化進程。</p><p>　　進入2

18、1世紀，我國的能源問題，尤其是石油問題，也變得日益嚴重。我國的礦物能源儲量比較豐富，但是人均能源資源卻只有世界人均能源資源的二分之一左右。二十多年來，我國經(jīng)濟快速、持續(xù)發(fā)展，其發(fā)展速度與質(zhì)量為世界所矚目。但同時又面臨著有限的化石燃料資源和更高的環(huán)境保護要求的嚴峻挑戰(zhàn)，目前我國已經(jīng)世界第二大石油進口國，能源問題十分緊迫。</p><p>　　由此可發(fā)現(xiàn)在交通方面發(fā)展一種綠色可再生的能源已顯得非常重要。</p&

19、gt;<p>　　1.1.2無刷直流電機的發(fā)展過程</p><p>　　一個多世紀以來，電動機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領域以及人們的日常生活中。其主要類型有同步電動機、異步電動機和直流電動機三種。由于傳統(tǒng)的直流電動機均采用電刷以機械方法進行換向，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來了噪聲、火化、無線電干擾以及壽命短等弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點，從而大大限制了它的應

20、用范圍。</p><p>　　針對上述傳統(tǒng)直流電動機的弊病，早在上世紀30年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向的直流無刷電動機。經(jīng)過了幾十年的努力，直至上世紀60年代初終于實現(xiàn)了這一愿望。進入 70 年代晶閘管開始形成由低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品，普通晶閘管不能自關斷的半控型器件，被稱為第一代電力電子器件。隨著電力電子技術理論研究和制造工藝水平的不斷提高，電力電子器件在容量和類型等方面得到了很大

21、發(fā)展，是電力電子技術的又一次飛躍，先后研制出GTR、GTO、功率MOSFET等自關斷全控型第二代電力電子器件。而以絕緣柵雙極晶體管（IGBT）為代表的第三代電力電子器件，開始向大容易高頻率、響應快、低損耗方向發(fā)展。而進入 90 年代電力電子器件正朝著復臺化、標準模塊化、智慧化、功率集成的方向發(fā)展。正是由于功率器件GTR、MOSFET、IGBT、IPM等相繼出現(xiàn)和發(fā)展，以及高性能永磁材料的問世，均為直流無刷電動機的廣泛應用奠定了堅實的基礎

22、。采用霍爾組件位置傳感器的無刷直流電機結(jié)構(gòu)簡單、適應性好、信號容易控制，因此，霍爾組件位置傳感器始終是無刷直流電機位置傳感器的主流。</p><p>　　目前隨著計算機進入控制領域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開關功率組件進行脈沖調(diào)制(pulse width modulation，簡稱PWM)控制電機已成為主流 ?，F(xiàn)在國外一些公司相繼推出了用于電機調(diào)速的數(shù)字信號處理（DSP）芯片，在電冰箱

23、、洗衣機、空調(diào)等家用電器領域及工業(yè)變頻控制領域，以其結(jié)構(gòu)緊湊、使用便捷、可靠性高、功能強和成本低等優(yōu)勢而被廣泛使用。</p><p>　　1.1.2無刷直流電機的特點</p><p>　　無刷直流電機（ BLDCM : Brushless Direct Current Motor ）是指無機械電刷和換向器（或集電環(huán)）的直流電機，又稱無換向器直流電機，它以電子換向器代替機械電刷和換向器實現(xiàn)直

24、流電機的換向。無刷直流電機克服了有刷直流電機由于電刷環(huán)流而引起的磨損，產(chǎn)生火花而又引起噪音，及其對周圍電路帶來惡劣影響。無刷直流電機回饋裝置簡單，功率密度更高，輸出轉(zhuǎn)矩更大，控制結(jié)構(gòu)更為簡單，使電機和逆變器各自潛力得到充分發(fā)揮。且調(diào)速性能優(yōu)越，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)動慣量小，不存在勵磁損耗。同時，無刷直流電機既具備交流電機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便的一系列優(yōu)點，又具備有刷直流電機的運行效率高等諸多特點，同時克服了有刷直流電機由于機械電刷

25、和換向器的存在所帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等弊病，且降低了制造成本，簡化了電機維修。</p><p>　　進入九十年代以來，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多高性能半導體功率器件，如 GTR 、 MOSFET 、IGBT 、MCT 等相繼問世，以及微處理器、大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，逆變裝置也發(fā)生了根本性的變化。這些開關器件本身向著高頻化、大容量、智能化方向發(fā)展，并出現(xiàn)集半導體開關、信號處理、自我保護等

26、功能為一體的智能功率模塊（IPM）和大功率集成電路，使無刷直流電動機的關鍵部件逆變器的成本降低，且向高頻化、小型化發(fā)展。無刷直流電機的應用和開發(fā)進入一個新階段，目前正朝著超高速、高轉(zhuǎn)矩、高功能化、微型化方向發(fā)展。所以無刷直流電機在當今國民經(jīng)濟各個領域，如醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、及計算機驅(qū)動器以及家用電器等方面得到了廣泛的應用。</p><p>　　1.2電動自行車的組成 部分</p><p&

27、gt;　　電動自行車一般由動力部分、傳動部分、行車部分、操縱制動部分、電氣儀表部分組成。</p><p><b>　　動力部分</b></p><p>　　電動自行車的動力部分通常由蓄電池和電機構(gòu)成，是電動自行車的動力來源。其性能的好壞，直接影響電動自行車的動力性和經(jīng)濟性.</p><p><b>　　傳動部分</b>&l

28、t;/p><p>　　電動自行車傳動部分的作用是將動力部分輸出的功率傳遞給驅(qū)動輪，驅(qū)使電動自行車行駛。通過變速器或調(diào)速器，使電動自行車獲得行駛所需要的驅(qū)動力和速度，并保證電動自行車的平穩(wěn)起步和停車。它由變速器、后傳動裝置組成。</p><p><b>　　行車部分</b></p><p>　　行車部分的作用是使電動自行車構(gòu)成一個整體，支撐全車的總重

29、量，將傳動部分傳遞的扭矩轉(zhuǎn)換成驅(qū)使電動自行車行駛的牽引力，同時承受吸收和傳遞路面作用于車輪上的各種反力，確保電動自行車正常、安全行駛。它主要由車架、前減震器、前后輪、座墊等組成。</p><p><b>　　操縱制動部分</b></p><p>　　操縱制動部分的作用是直接控制行車方向、行駛速度、制動等，以確保電動自行車行駛安全。它由車把、制動裝置、調(diào)速手把等組成。電

30、氣儀表裝置是保證車輛安全行駛并反映車輛運動狀態(tài)的主要裝置，它使騎行者能正確、有效地對車輛行駛適時地進行控制。它由數(shù)據(jù)顯示裝置、充電器等組成。</p><p>　　1.3課題研究的內(nèi)容</p><p>　　由于直流無刷電機具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具有直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多特點，在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工、輕紡以及家用電器等方

31、面的應用得到日益普及。</p><p>　　因此，本文設計開發(fā)了一套無刷直流電機驅(qū)動的電動自行車的控制系統(tǒng)，36V電源供電，采用MC33033作為主控制芯片，功率器件MOSFET起開關作用驅(qū)動電機，采用PWM方式調(diào)速實現(xiàn)對電動自行車的控制。</p><p>　　第2章 電動自行車的主要技術</p><p>　　2.1電動自行車的基本性能</p>&l

32、t;p>　　按照國家標準《電動自行車通用技術條件》，電動自行車是以蓄電池為輔助能源，具有兩個車輪，能實現(xiàn)人力騎行、電動或電力助動功能的特種自行車；根據(jù)《道路安全法》，把電動自行車劃分為非機動車輛，電動自行車的性能不能超出非機動車輛標準。下面介紹《電動自行車通用技術條件》中重要條款。</p><p>　　電動自行車采用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)把，通過控制器可以對電動機進行調(diào)速控制，電動車最高時速20Km/h。電動自行車必須具有

33、可靠的剎車斷電功能。電動自行車騎行剎車制動時，剎車信號先送到控制器內(nèi)，切斷控制器輸出到電動機的電源，電動機停止輸出動力，然后機械剎車系統(tǒng)制動，確保騎行者安全。</p><p>　　電動自行車整車質(zhì)量不超過40Kg。電動自行車比普通自行車多了蓄電池、電動機等質(zhì)量較大的部件，因此比普通自行車重了許多，但不應大于40Kg這一非機動車標準上限，超過了就不能納入非機動車管理范圍。</p><p>　

34、　電動自行車一般采用單塊為12V/12Ah鉛蓄電池串聯(lián)組成電動自行車電源，每塊鉛酸蓄電池電磁質(zhì)量約4.1Kg，24V電源兩塊電池加外殼約7.8Kg；36V電源三塊電池加外殼質(zhì)量約13Kg。</p><p>　　低速電動機輪廓較重，質(zhì)量約5Kg，告訴電動機加減速齒輪構(gòu)成的輪廓質(zhì)量約3.5Kg。電池質(zhì)量加電動機質(zhì)量約占整車質(zhì)量一半，留給自行車車體部分的約20Kg。而電動自行車在較快速度下運行的交通工具，質(zhì)量比自行車大

35、，其結(jié)構(gòu)強度要求比自行車高。</p><p>　　電動自行車必須具有腳踏行駛功能。電動自行車納入非機動車管理范疇，腳踏功能是比不可少。在平坦的瀝青或混凝土路面風速不大于3m/s，電動自行車30min腳踏行駛距離不應小于7Km。</p><p>　　電動自行車電池容量應保證一次充滿電后續(xù)駛里程應不小于25Km。電動自行車企業(yè)的產(chǎn)品說明書講一次充電后可行駛40-50Km，其依據(jù)是電池放電時間在

36、120min以上，最高車速20Km/h，這樣算來可以行駛40Km。一組優(yōu)質(zhì)的電池應能保證使用一年后電池容量能維持續(xù)駛里程大于25Km。</p><p>　　電動自行車以電動騎行，100Km的電能消耗應不大于1.2KWh。電動自行車電動機的額定連續(xù)輸出功率一般選用120-200W，最大應補大于240W。</p><p>　　電動自行車常用蓄電池組標稱電壓一般為24V、36V、48V，常用為3

37、6V，最高應不大于48V。</p><p>　　電動自行車載重一般為75Kg，有的達到100Kg左右，載重增加，就要求蓄電池能提供更多的能源，電動機控制器必須增加功率，滿足載重要求。</p><p>　　2.2電動自行車的主要技術參數(shù)</p><p>　　電動自行車主要技術參數(shù)包括四部分：整車主要技術參數(shù)；蓄電池主要技術參數(shù)；電動機主要技術參數(shù)；控制器主要技術參數(shù)。

38、這些參數(shù)必須在說明書中注明。</p><p>　　2.2.1整車主要技術參數(shù)</p><p>　　1、外形尺寸：長×寬×高（mm）</p><p>　　千鶴牌：24in1840×590×1100 英克萊牌：24in1735×590×1050</p><p>　　22i

39、n1790×590×1100 22in1650×630×1045</p><p>　　2、前后輪中心距（mm）</p><p><b>　　24in1230</b></p><p><b>　　22in1205</b></p><

40、;p>　　3、整車品質(zhì)（Kg，不應大于40Kg）</p><p>　　一輛電動自行車的整車質(zhì)量一般為30-35Kg。</p><p>　　4、最大載重量（Kg）</p><p>　　一輛電動自行車的最大載重在75-100Kg。</p><p>　　5、最高車速（Km/h）</p><p>　　一輛電動自行車的最高

41、車速為20Km/h左右。</p><p>　　6、續(xù)駛里程（Km）</p><p>　　一輛電動自行車的續(xù)駛里程采用24V（24V/12Ah）供電為20-25；采用36V(36V/12Ah)供電為45-60Km。</p><p>　　2.2.2蓄電池主要技術參數(shù)</p><p>　　1、蓄電池的類型：在電動自行車中，常用的蓄電池有鉛酸電池，還

42、有鎳氫電池，鋰電池。</p><p>　　2、蓄電池容量：在電動自行車中，常用的蓄電池容量有10Ah、12Ah、14Ah、17Ah。</p><p>　　3、標稱電壓：在電動自行車中，常見蓄電池的標稱電壓有24V、36V、48V三種。一般標配為36V。</p><p>　　同時蓄電池使用壽命也是本系統(tǒng)的一個重要因素，影響蓄電池壽命的因素可分為三個方面：首先是蓄電池本

43、身的性能和質(zhì)量；其次是電動自行車系統(tǒng)中的各個因素；第三方面是使用者的使用情況。</p><p>　　同時在電動自行車系統(tǒng)中，影響蓄電池使用壽命的最主要因素有兩個，1、電動機的效率狀態(tài)2、充電器的設計。如果電動機效率范圍窄，經(jīng)常工作在低效率區(qū)，電動機內(nèi)部容易發(fā)熱，當溫度過高時，磁性材料就會出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的退磁，久而久之效率進一步下降，從而進入惡性循環(huán)，即使跟換了電池也會無濟于事。</p><p&g

44、t;　　2.2.3電動機主要技術參數(shù)</p><p>　　1、電動機額定連續(xù)輸出功率</p><p>　　電動機額定連續(xù)輸出功率一般為120-200W，最大不應大于400W。</p><p><b>　　3、電動機額定電壓</b></p><p>　　常見的電動機額定電壓時36V，少數(shù)電動機的額定電壓時24V或48V。&

45、lt;/p><p>　　4、輪廓額定輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）</p><p>　　電動自行車的輪廓額定輸出轉(zhuǎn)矩為</p><p>　　24in輪廓額定轉(zhuǎn)矩>7.4</p><p>　　22in輪廓額定轉(zhuǎn)矩>6.8</p><p>　　2.2.4控制器主要技術參數(shù)</p><p>&l

46、t;b>　　1、控制的額定電壓</b></p><p>　　控制器的額定電壓一般為24V、36V、48V三檔。</p><p>　　2、控制器的欠電壓保護值</p><p>　　控制器的欠電壓保護值</p><p>　　控制器欠電壓保護值根據(jù)額定電壓不同而不同：</p><p>　　額定電壓為24V的

47、控制器，其次電壓保護值為20V</p><p>　　額定電壓為36V的控制器，其欠電壓保護值為31.5V</p><p>　　額定電壓為48V的控制器，其欠電壓保護值為41.5V</p><p><b>　　3、過流保護值</b></p><p>　　過流保護值一般由24V/10A和36V12A（16A）兩種。</

48、p><p>　　2.3電動自行車的電機控制技術</p><p>　　電動自行車是具有電力驅(qū)動，腳踏驅(qū)動，電力和腳踏并用等功能的綠色環(huán)保交通工具。電動自行車的工作原理和結(jié)論都不復雜，可以認為是在自行車的基礎上加一套電機驅(qū)動機構(gòu)組成的。電動自行車的控制框圖如圖2-1所示，蓄電池通過控制器給電機供電，電機旋轉(zhuǎn)帶動自行車行進。電動自行車的控制器連接有一個調(diào)速手柄，轉(zhuǎn)動調(diào)速手柄可以改變控制器輸入端信號的

49、電壓值，控制器根據(jù)電壓值的大小，調(diào)節(jié)輸出給電機的電壓的高低，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2-1 電動自行車控制框圖</p><p>　　電動自行車控制器由外圍器件和主芯片組成，主芯片是由PWM發(fā)生器電路，功率器件驅(qū)動電路，處理電路，過流與欠壓保護電路，控制功率管導通時間的驅(qū)動電路以及輸入輸出端口等集成在一起而構(gòu)成的計算機芯片。外圍器件是一些功能器件，如電源電路，功率器件，信

50、號采集電路，執(zhí)行器件和采樣器件等，包括電阻，傳感器和橋式開關電路，以及專用集成電路來共同完成控制過程。</p><p>　　控制器的設計質(zhì)量，特性，所采用的微處理器的功能，功率開關器件電路及周邊器件布局等，直接關系到整車的性能和運行狀態(tài)，也影響著控制器本身的性能和效率。不同質(zhì)量的控制器同在同一輛車上，也會在使用上顯示出較大差別。</p><p>　　2.4無刷直流電機的結(jié)構(gòu)與原理</

51、p><p>　　無刷直流電機的基本工作原理是利用轉(zhuǎn)子的位置信號和驅(qū)動電路，驅(qū)動功率開關組件，使電樞繞組依一定順序通電，從而在旋轉(zhuǎn)磁場，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置信號按一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實現(xiàn)無刷直流電動機的能量轉(zhuǎn)換。</p><p>　　無刷直流電機的結(jié)構(gòu)原理如圖 2-2 所示。</p><p>　　圖2-2 無刷直流電機的結(jié)構(gòu)原理&

52、lt;/p><p>　　從圖2-2可見，無刷直流電動機組件主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分構(gòu)成。其線圈繞在定子上，一般定子繞組制成多相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。電動機本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機相似，但沒有籠型繞組和其它起動裝置。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等）,本設計選用常用的三相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定的極對數(shù)（2p= 2 , 4 ， … … ）組成。定子繞組分別與電子開關線路中相應的功率

53、開關器件聯(lián)接，位置傳感器與電動機轉(zhuǎn)軸相聯(lián)接。</p><p>　　當定子繞組的某一相通電時，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號變換成電信號，去控制電子開關線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開關線路的導通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。</p><

54、p>　　因此平常所說的無刷直流電動機，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認為是一臺由電子開關線路、電動機本體及位置傳感器三部分組成的電動機系統(tǒng)。無刷直流電機的工作原理簡圖如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 無刷直流電機的工作原理簡圖</p><p>　　無刷直流電機借助轉(zhuǎn)子的位置傳感器信號，通過電子換相線路去驅(qū)動相應的功率開關組件，使電樞繞組依次得電，從而在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，拖動

55、永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷的送出信號，改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電機的無接觸式換流過程的實質(zhì)。</p><p>　　無刷直流電機為了實現(xiàn)無電刷換相，首先要求把一般直流電機的電樞繞組放在定子上，這與有刷直流電機的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅僅這樣還不行，因為用一般直流電源給定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場，但不能與運動中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場相互

56、作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。所以，無刷直流電機除了由定子、轉(zhuǎn)子組成電機本體外，還需要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電機的運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永久磁場，在空間始終保持在左右的電角度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動電機旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　2.5無刷直流電機的調(diào)速方法</p><p>　　眾所周知，直流電動機轉(zhuǎn)速

57、 n 的表達式為</p><p>　　式中 U 表示電樞端電壓；</p><p><b>　　I表示電樞電流；</b></p><p>　　R 表示電樞電路總電阻；</p><p><b>　　表示每極磁通量；</b></p><p>　　K 表示一電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)。</

58、p><p>　　因此可知，直流電動機的調(diào)速方法有三種：</p><p>　　(1) 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U 。改變電樞供電電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，這種方法最好。 I 的變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應，但是需要大容量可調(diào)直流電源。</p><p>　　(2) 改變電機的主

59、磁通。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。因為無刷直流電動機的定子磁場多由永磁鐵產(chǎn)生，所以這種調(diào)速方法不適用于無刷直流電動機。 </p><p>　　(3) 改變電樞回路電阻 R 。在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，設備簡單，操作方便。但只能是有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；在調(diào)速電阻上消耗大量的電能。改變電阻調(diào)速缺點很多，

60、目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。</p><p>　　因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用，而對于無刷直流電動機，其調(diào)速多采用調(diào)壓調(diào)速。本設計采用的就是通過調(diào)整PWM波的占空比，實現(xiàn)對無刷直流電機電樞電壓的控制，間接地控制

61、了電機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　2.6無刷直流電機的位置檢測</p><p>　　無刷直流電機運行是通過逆變器功率器件隨轉(zhuǎn)子不同位置相應改變其不同觸發(fā)狀態(tài)來實現(xiàn)的。因此準確檢測轉(zhuǎn)子位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置準時切換功率器件觸發(fā)組合狀態(tài)是控制無刷直流電機的關鍵。轉(zhuǎn)子的位置檢測最直接、有效的方法就是利用位置傳感器得到不同的轉(zhuǎn)子位置信號。</p><p>　　位置傳感器對直流

62、無刷電動機（BLDC）測定轉(zhuǎn)子位置的起著十分重要的作用，因為直流無刷電動機的換相是依據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來的，轉(zhuǎn)子現(xiàn)在的位置將決定下個激磁相，所以換相完全是由轉(zhuǎn)子位置來決定的。直流無刷電動機（BLDC）的位置傳感器主要包括三種：光點式位置傳感器、電磁式位置傳感器、以及霍爾式位置傳感器。</p><p>　　電磁式位置傳感器利用電磁效應來進行位置測量，特點是輸出信號大，工作可靠，適應性強，但是它的體積大，輸出的是交流信號，

63、還需要經(jīng)過整流和濾波后才能用。所以，在早期時候用的多，現(xiàn)在已逐漸退出應用。</p><p>　　光電式位置傳感器，是由發(fā)光二極管，光敏接受組件，遮關板組成，其中，發(fā)光二極管和光敏接受組件分別安裝在遮光板的兩側(cè)，固定不動；遮光板安裝在轉(zhuǎn)子上隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。遮光板上開有120度的扇形開口，數(shù)目等于無刷直流電動機轉(zhuǎn)子磁極的級對數(shù)。當遮光板的扇行開口對著某個光敏接受組件時，該組件接收到對面二極管發(fā)出的光而產(chǎn)生光電流輸出，其它

64、的則沒有輸出。這樣，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，遮光板使光敏接收組件輪流接收光信號，產(chǎn)生不同的輸出，所以根據(jù)輸出就可以判斷轉(zhuǎn)子所處的位置。</p><p>　　霍爾式位置傳感器是利用“霍爾”效應工作的，利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機的永磁轉(zhuǎn)子，同時也是霍爾式位置傳感器的轉(zhuǎn)子?；魻栃?，在長方形半導體薄片上通入電流I，當在垂直于薄片的方向上施加磁感應強度為B的磁場時，則在與電流I和磁場強度B構(gòu)成的平面相垂直的方向上產(chǎn)

65、生一個電動勢E，稱為霍爾電動勢，其大小為：</p><p><b>　　其中K為靈敏度系數(shù)</b></p><p>　　當磁場強度方向與半導體薄片不垂直，而是成角時，霍爾電動勢大的大小改為：</p><p>　　圖2-4 霍爾位置傳感器的工作原理圖</p><p>　　所以，利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場，對霍爾半導體通入直流電，

66、當轉(zhuǎn)子的磁場大小和方向隨著它的位置不同而發(fā)生變化時，霍爾半導體就會輸出霍爾電動勢，其大小和相位隨轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用。常用開關式霍爾集成電路作為傳感器件，它的外行像一只普通晶體管，特點是結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，成本低，是目前在無刷直流電動機上應用最廣的一種位置傳感器。在本次開發(fā)的控制系統(tǒng)中，也是采用霍爾式傳感器來檢測電動機的轉(zhuǎn)子位置。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)元器件選擇</

67、p><p>　　3.1控制芯片MC33033</p><p>　　MC33033是MOTOROLA公司生產(chǎn)的低價格第二代無刷直流電動機控制器，它是由MC33034和MC33035演變而成的，具備無刷直流電機控制所必需的功能，現(xiàn)將其特點和引腳功能作如下說明。</p><p>　　3.1.1MC33033特點</p><p>　　1、工作電壓范圍寬，

68、10V-30V</p><p>　　2、片內(nèi)含有欠壓鎖定</p><p>　　3、片內(nèi)有基準電壓源</p><p>　　4、具有熱保護和限流電路</p><p><b>　　5、大電流驅(qū)動器</b></p><p>　　6、能方便地選擇相角</p><p>　　7、外圍控制

69、電路簡單</p><p><b>　　8、使用和調(diào)節(jié)方便</b></p><p><b>　　9、性價比高</b></p><p>　　圖3-1 MC33033引腳圖</p><p>　　3.1.2MC33033引腳功能</p><p>　　MC33033是一種20引腳雙列

70、直插式封裝，其引腳圖如圖3-1所示。各引腳功能如下：</p><p>　　1、2、20腳：上臂驅(qū)動輸出端。</p><p>　　3腳：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)輸人端，它可改變電動機轉(zhuǎn)向。</p><p>　　4、5、6腳：傳感器信號輸入端。</p><p>　　7腳：這是基準電壓輸出端。</p><p>　　8腳：振蕩器輸出端。&l

71、t;/p><p><b>　　9腳：轉(zhuǎn)速控制端。</b></p><p>　　10腳：內(nèi)部大器反相輸入端。</p><p>　　11腳：內(nèi)部放大器輸出端。</p><p>　　12腳：過流信號輸入端。</p><p><b>　　13腳：地。</b></p><

72、;p><b>　　14腳：電源</b></p><p>　　15、l6、l7腳：下臂驅(qū)動輸出端。</p><p>　　18腳：相角調(diào)整端。</p><p>　　19腳：使能端，用做剎車斷電及保護作用。</p><p>　　3.1.3MC33033控制原理</p><p>　　MC33033內(nèi)

73、部結(jié)構(gòu)圖如圖3-2所示．該芯片由轉(zhuǎn)子位置譯碼器、具有傳感器供電的基準電壓源、振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制（PWM）比較器、集電極開路輸出的三個上驅(qū)動輸出和具有大電流輸出的三個下驅(qū)動輸出、負電壓保護、過熱和過流保護等組成?，F(xiàn)對其中主要部分作些分析：</p><p><b>　　1、轉(zhuǎn)子位置譯碼器</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子位置譯碼器的傳感器信號輸入端為引腳4、5、

74、6，譯碼器能使上下驅(qū)動以適當?shù)捻樞蚬ぷ?。由于傳感器輸入端直接與集電極的霍爾開關或光耦合器界面，另外片內(nèi)有上拉電阻，所以能減少芯片外圍所器器件的個數(shù)。該譯碼器有專門設計的角度選擇腳(22腳)，它可以選擇傳感器最常用的電相角60º、120º、240º或360º，因為有三個傳感器輸入，所以譯碼器共有8種可能的輸入組合碼，但只有6種是有效的轉(zhuǎn)子位置，其他兩種是由傳感器開路或短路引起的，因而是無效的。因為有

75、6種有效輸入碼，譯碼器以60º電角度為l步可以計算出轉(zhuǎn)子的位置。</p><p>　　用正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的輸入(引腳3)來改變電動機的旋轉(zhuǎn)方向。例如當輸入碼為100時，引腳3的電平從高變低就使得具有相同的字母標號的上驅(qū)動和下驅(qū)動輸出內(nèi)容相互交換，即AT、AB、BT和BB、CB、CT相互交換，這樣就改變了換流順序，從而改變了電動機的轉(zhuǎn)向。</p><p>　　電動機開/關控制是輸出使能引

76、腳19來控制的。當?shù)?9腳斷開時，電動機處于正常工作狀態(tài)當?shù)?9腳接地時．上驅(qū)動輸出處于截止狀態(tài)，下驅(qū)動輸出處于低電平狀態(tài)，這樣電機慣性轉(zhuǎn)動直至停止。</p><p><b>　　2、誤差放大器</b></p><p>　　誤差放大器具有直流電壓增益高(80dB)、輸入共模電壓范圍寬和增益帶寬為0.6MHz的特點，因此在大多數(shù)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，可把該放大器設計成電壓跟隨

77、器，其同相輸入連至設定速度的電壓源。在死循環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，能方便地利用該放大器所具有的高性能全補償特點來進行控制。</p><p><b>　　3、欠壓鎖定</b></p><p>　　片內(nèi)具有雙欠壓鎖定電路，該電路能防止在欠電壓情況下?lián)p壞集成塊和外部功放晶體管，并能保證集成電路和傳感器的正常運行。另外，還能輸出足夠的驅(qū)動電壓。當與功率MOSFET器件接口時，該電壓能確

78、保獲得低接通漏源電阻所需要的柵極驅(qū)動。當直接驅(qū)動霍爾傳感器件時。如基準電壓輸出低于4.5V，那末傳感器將不能正常運行．如果兩個比較器中有一個測出處于欠電壓的狀態(tài)，那么上驅(qū)動輸出截止，下驅(qū)動輸出為低電平，每一個比較器均有滯后環(huán)，以防跨越門限電壓時發(fā)生振蕩，從而可提高芯片的抗干擾能力。</p><p><b>　　4、驅(qū)動輸出</b></p><p>　　上驅(qū)動輸出(1、

79、2、20引腳)為NPN型晶體管．吸入電流為50mA．下驅(qū)動輸出(15、l6、l7腳)特別適合于驅(qū)動N溝道MOSFET或NPN雙極型晶體管。源電流和吸電流為100mA。</p><p><b>　　5、限流</b></p><p>　　電路中過流將導致過熱，從而毀壞電動機。輸出開關導通時檢測定子電流，一旦發(fā)生過電流很快地使開關斷開，圖中敏感電阻R5與Q4、Q5、Q6相連

80、．電阻上的電壓由引腳l2輸入并與片內(nèi)100mV基準電壓相比較，如果電流超過門限值，比較器使下部的鎖存器復位，從而使導通狀態(tài)終止。</p><p>　　3.2功率器件MOSFET</p><p>　　4.1.1MOSFET的結(jié)構(gòu)</p><p>　　MOSFET的種類結(jié)構(gòu)繁多，按導電溝道可分為P溝道和N溝道。當柵極電壓為零時漏源極之間存在導電溝道的稱耗盡型。對于N（P

81、）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱增強型。在MOSFET中，主要是N溝道增強型。</p><p>　　MOSFE的電氣圖形符號,如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 N溝道MOSFET（左）P溝道MOSFET（右）</p><p>　　MOSFET在導通時只有一種極性的載流子（也就是多子）參與導電，是單極型晶體管。</p>

82、<p>　　4.1.2MOSFET的基本特性</p><p><b>　?。?）靜態(tài)特性</b></p><p>　　MOSFET是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。MOSFET的漏極伏安特性。其可分為截止區(qū)，飽和區(qū)和非飽和區(qū)三個區(qū)域。如圖3-4所示。</p><p>　　其中： ，， ，分別表示漏極電流，柵源間電壓，

83、開啟電壓，漏源間電壓。MOSFET的工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。</p><p>　　MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，這一點對器件的并聯(lián)時均流有利。</p><p><b>　?。?）動態(tài)特性</b></p><p>　　MOSFET的開關過程波形，如圖3-5</p><p>　　圖3-4 M

84、OSFET的輸出特性</p><p>　　圖3-5 MOSFET的開關過程波形</p><p>　　當上升到開啟電壓時，開始出現(xiàn)漏極電流i。從前沿時刻到=并開始出現(xiàn)i的時刻這段時間稱為開通延遲時間。此后i隨的上升而上升。從開啟電壓上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓U這段時間稱為上升時間t。MOSFET的開通時間t為開通延遲時間與上升時間之和。即</p><p>&

85、lt;b>　　（3-1）</b></p><p>　　當脈沖電壓u下降到零時，柵極輸入電容C通過信號源內(nèi)阻R和柵極電阻R開始放電，柵極電壓按指數(shù)曲線下降，當下降到U時，漏極電流i才開始減小，這段時間稱為關斷延遲時間t。此后C繼續(xù)放電，從U繼續(xù)下降，i減小，到<時溝道才消失,i下降到零。。這段時間稱為下降時間t。MOSFET的的關斷時間t為關斷延遲時間和下降時間之和。即</p>

86、<p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　MOSFET是場控器件，在靜態(tài)是幾乎不需要輸入電流。但是，在開關過程中需要對輸入電容沖放電，仍需要一定的驅(qū)動功率。開關頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。</p><p>　　4.1.3功率器件的選擇</p><p>　　（1）門極可關斷晶閘管(GTO </p>

87、<p>　　目前已達9kV/25kA/800hZ及6hZ/6kA/1kHz 的水平。GTO有對稱、非對稱和逆導三種類型。與對稱 GTO 相比，非對稱GTO通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強、易于提高耐壓能力（3000v 以上）。在當前各種自關斷器件中，GTO容量最大、工作頻率最低。</p><p>　?。?）大功率晶體管（GTR） </p><p>　　GTR 是一種電流控制的雙極雙結(jié)

88、電力電子器件，產(chǎn)生于本世紀 70 年代，其額定值已達 1800V/800A /2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A /100kHz 。由它所組成的電路靈活、成熟、開關損耗小、開關時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應用廣泛。GTR的缺點是驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關電源和UPS內(nèi)，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。 </p><

89、;p>　　（3）功率 MOSFET</p><p>　　功率MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管，它是通過柵極電壓來控制漏極電流的，因而它的一個顯著特點是驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率??；僅由多數(shù)載流子導電，無少子存儲效應，高頻特性好，工作頻率高達100kHz 以上，為所有電力電子器件中頻率之最，因而最適合應用于開關電源、高頻感應加熱等高頻場合；沒有二次擊穿問題，安全工作區(qū)廣，耐破壞性強。功率 MOSFET 的缺

90、點是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運用于大功率裝置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz 。</p><p>　?。?）絕緣門極雙極型晶體管（IGBT) </p><p>　　IGBT 可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應晶體管的復合。通過施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體管基極電流使IGBT導通；反之，若提供反向門極電壓則可消除溝道、使IGBT 因

91、流過反向門極電流而關斷。IGBT集GTR通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率 MOSFET驅(qū)動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為提高電力電子裝置的性能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。比較而言，IGBT的開關速度低于功率MOSFET，卻明顯高于GTR ; IGBT 的通態(tài)壓降同 GTR 相近，但比功率 MOSFET 低得多；IGBT的電流、電壓等級與 GTR 接

92、近，而比功率 MOSFET高。</p><p>　　綜合本文設計的要求，選擇MOSFET最為適合。因為MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的第一個特點就是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。其二顯著特點就是開關速度快，工作頻率高。另外MOSFET的熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。同時MOSFET不存在二次擊穿的問題。但是MOSFET的電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。而本系統(tǒng)設計的就是

93、小功率的無刷直流電機調(diào)速，故滿足系統(tǒng)的要求。</p><p>　　3.3無刷電機驅(qū)動芯片IR2103</p><p>　　IR2103是IOR公司生產(chǎn)的N溝道MOSFET柵極專用驅(qū)動電路芯片，為雙列直插式8腳塑封。該芯片是把邏輯電路產(chǎn)生的三相勵磁信號放大機電平移動，滿足三相橋式場效應晶體管輸出電路上、下管飽和導通要求。</p><p>　　IR2103引腳功能如圖3

94、-6所示。</p><p>　　主要引腳功能說明：①電源；②上管驅(qū)動輸入；③下管驅(qū)動輸入；④地；</p><p>　?、葑耘e升壓端；⑥上管驅(qū)動輸出；⑦接上管源極；⑧下管驅(qū)動輸出。</p><p>　　3-6 N溝道MOSFET柵極專用驅(qū)動芯片</p><p>　　使用該芯片構(gòu)成無刷電動機控制器驅(qū)動電路，驅(qū)動功率損耗小，外圍電路簡單，元器件少

95、，提高了驅(qū)動電路的可靠性。</p><p>　　圖3-7 IR2103運用實例</p><p>　　3.4閉環(huán)無刷電機適配器MC33039</p><p>　　MC33039是MOTOROLA生產(chǎn)的高性能閉環(huán)速度控制適配器，專門為用于無刷直流電機控制系統(tǒng)。實現(xiàn)允許精確地速度調(diào)整而不需要磁性或光學速度計。</p><p>　　MC33039用于

96、無刷電機的閉環(huán)調(diào)速時向MC33033輸入與電動機轉(zhuǎn)速成正比例的電壓，有此不需要價格昂貴的測速電機，從而大大提高系統(tǒng)性價比。MC33039的電源電壓為6.25V,由MCC33033的第7腳提供，霍爾傳感器信號連到MC33033轉(zhuǎn)子位置譯碼器，同時也連到MC33039的1、2、3端?；魻杺鞲衅餍盘栐诰€的正負沿跳變將使得MC33039產(chǎn)生一定幅度和寬度的脈沖，其參數(shù)由外接電阻和電容決定。產(chǎn)生的輸出脈沖由MC33039的引腳5輸出，并送到MC3

97、3033的誤差放大器，從而產(chǎn)生了與電動機轉(zhuǎn)速成正比例的直流電壓，建立脈寬調(diào)制的基準電壓，從而構(gòu)成死循環(huán)控制回路。</p><p>　　MC33039引腳圖如圖3-6各引腳說明如下：</p><p>　　1、2、3腳：電機轉(zhuǎn)子各項信號輸入端。</p><p><b>　　8腳：電源VCC。</b></p><p><

98、b>　　7腳：接地。</b></p><p>　　6腳：外接電阻、電容腳。</p><p>　　5腳：輸出端，與MC33033相連。</p><p><b>　　4腳：為空置腳。</b></p><p>　　圖3-8 MC33039引腳圖</p><p><b>　　

99、3.5蓄電池的選擇</b></p><p>　　目前能夠被電動自行車采用的有以下四種動力蓄電池，即閥控鉛酸免維護蓄電池、膠體鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。 </p><p><b>　　1、鉛酸蓄電池</b></p><p>　　目前市場上鉛酸蓄電池是使用最多的蓄電池。它的性能可靠，生產(chǎn)工藝成熟，價格也較低。目前已商品化的電

100、動自行車的絕大多數(shù)是使用的密封式鉛酸蓄電池，使用中不需要補充水分，免維護。其主要化學反應是：PbO2+2H2SO4+Pb←充電、放電→PhSO4+2H2O+PhSO4。</p><p>　　鉛酸蓄電池重量比能量為28-40 Wh/Kg，體積比能量64-72 Wh/I，太重、太大，而能提供的電能較少，使用壽命較短，作為電動自行車的動力電源一般只能夠使用一年左右，若是性能差或使用不當?shù)闹挥卸?、三個月。此外，鉛酸蓄電池

101、還有深度放電能力和低溫放電能力較差，不能快速充電，廢電池對環(huán)境有一定污染等缺點。但是鉛酸蓄電池的現(xiàn)在性價比比較高使它占據(jù)了電動車的大片市場。</p><p><b>　　2、膠體鉛酸蓄電池</b></p><p>　　膠體蓄電池是對液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸蓄電池的改進。它采用凝膠狀電解質(zhì)，內(nèi)部無游離的液體存在, 在同等體積下電解質(zhì)容量大，熱容量大，熱消散能力強，能避免一般

102、蓄電池易產(chǎn)生的熱失控現(xiàn)象；電解質(zhì)濃度低，對極板腐蝕弱；濃度均勻，不存在酸分層的現(xiàn)象。但是在同等使用情況下選擇膠體鉛酸蓄電池的費用比較高</p><p>　　3、鎳氫蓄電池（Ni-MH）</p><p>　　鎳氫蓄電池是九十年代涌現(xiàn)出的電池家族中新秀，發(fā)展迅猛。Ni-MH電池的電極反應為：</p><p>　　正極：Ni(OH)2+OH-= NiOOH+H20 +e-

103、</p><p>　　負極：M+H2O+e=MHab+OH-Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab</p><p>　　它和鎳鎘蓄電池同屬堿性蓄電池，只是以吸藏氫氣的合金材料（mh）取代鎳鎘蓄電池中的負極材料鎘cd、電動勢仍為1.32v。它具備鎳鎘蓄電池的所有優(yōu)異特性，而且能量密度還高于鎳鎘蓄電池。主要優(yōu)點是：比能量高（一次充電可行使的距離長）；比功率高，在大電流工作時也能平穩(wěn)放電（加速

104、爬坡能力好）；低溫放電性能好；循環(huán)壽命長；安全可靠，免維護；無記憶效應；對環(huán)境不存在任何污染問題，可再生利用，符合持續(xù)發(fā)展的理念。但是，Ni-MH蓄電池成本太高，價格昂貴。</p><p><b>　　4、鋰離子電池</b></p><p>　　鋰是世界最輕的金屬，構(gòu)成電池時，輸出電壓近4v。鋰離子電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場的新型高能蓄電池。其優(yōu)點是比

105、能量高，是當前比能量最高的蓄電池。已經(jīng)在便攜式信息產(chǎn)品中獲得推廣應用。</p><p>　　鋰離子電池被普遍認為具有如下的優(yōu)點：比能量大；比功率高；自放電小； 無記憶效應；循環(huán)特性好；可快速放電，且效率高；工作溫度范圍寬；無環(huán)境污染等，因此有望進入21世紀最好的動力電源行列。預計在2006～2012 年期間，當鋰離子電池進一步發(fā)展時，MH/Ni蓄電池的市場份額將縮小。鋰離子市場份額將會擴大。目前也已經(jīng)有采用鋰離子

106、蓄電池的電動自行車產(chǎn)品出售。但是目前鋰離子電池的價格也比較昂貴，現(xiàn)在使用還比較奢侈，鋰離子電池多用于高新技術。</p><p>　　由此，綜上分析本設計選用鉛酸蓄電池，同時選擇超威電動車電池18-DZM-12。該電池具有極強的耐深充深放循環(huán)能力、比能量高，放電性能優(yōu)越、正常使用無須加酸補水，免維護。18-DZM-12的參數(shù)如下：</p><p>　　表3-1 超威電池18-DZM-12參

107、數(shù)表</p><p>　　第4章 系統(tǒng)電路設計</p><p>　　4.1普通無刷電動機控制電路</p><p>　　電動自行車控制器是電動自行車的控制系統(tǒng)，是電動自行車的大腦。電動機的啟動、運行、加速、停止等工作狀態(tài)，都由控制器控制?？刂破鞴ぷ魇怯妹}沖信號控制功率管的開啟和關閉時間，決定電動機換向的順序和時間，從而決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。目前電動自行車的控制器，

108、普遍采用脈寬調(diào)速（PWM）方式，控制器內(nèi)部必須具有PWM發(fā)生器電路，電源電路，功率器件，功率器件驅(qū)動電路，控制部件（剎車、電動機霍爾傳感器等）信號的采集與過電流與欠電壓保護電路等。</p><p>　　圖4-1 無刷電動機控制原理圖</p><p>　　直流電動機的控制電路由主芯片、傳感器、橋式開關電路等組成。電動自行車的控制原理圖，如圖4-1所示。</p><p&g

109、t;<b>　　4.2主電路設計</b></p><p>　　4.2.1電源電路設計</p><p>　　電源電路從許蓄電池獲得電能，經(jīng)過一系列處理獲得電路系統(tǒng)所需的電壓。蓄電池電壓是36V控制芯片和驅(qū)動芯片電壓是15V，所以本系統(tǒng)選用的是7815集成電路以及部分電容、電阻。其電路圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 電源電路&l

110、t;/p><p>　　4.2.2驅(qū)動電路設計</p><p>　　由于IR2103為MOS管的專用驅(qū)動芯片，該芯片組成的驅(qū)動電路具有驅(qū)動功率損耗小，外圍電路簡單，元器件少，提高了驅(qū)動電路的可靠性的優(yōu)點。</p><p>　　由此該電路組成的驅(qū)動電路其中A相驅(qū)動電路如圖4-3。</p><p>　　圖4-3 電機A相驅(qū)動電路</p>

111、<p>　　當IR2103的LIN腳得到MC33033的17腳輸出的高電平時即下臂驅(qū)動信號，通過放大后從LO腳輸出高電平，經(jīng)R加到場效應晶體管V4柵極，V4飽和導通，此時無刷電機控制芯片不輸出上臂驅(qū)動信號，V1截止。V4飽和后其漏極與源極之間飽和壓降很小，電子開關V4接通，A點被V4接地。電流ILA1從A相繞組流出經(jīng)V4到地產(chǎn)生定子磁場.</p><p>　　當無刷電機控制芯片MC33033的2腳輸出

112、A相上臂驅(qū)動信號時，經(jīng)Q1反相后加到IR2103的HIN腳為高電平，在IR2103內(nèi)部有一個由IR2103的HIN腳控制的電子開關閉合，此電子開關連接IR2103的Ho和VB腳（此時MC33033無下臂驅(qū)動信號）。</p><p>　　充滿電荷的電容,其正端通過IR2103的HO腳和VB腳內(nèi)閉合的電子開關和R8加到A相上臂場效應晶體管的柵極，其負端接在V1的源極，電容放電，放電電流ICA2使V1柵極與源極之間電壓

113、為15V左右，M1飽和導通，作為上臂輸出電子開關接通。（無下臂驅(qū)動信號，V4截止）。</p><p>　　36V電壓通過接通的電子開關V1加到A相橋式輸出端，A點電壓為36V即VA=36V，電流ILA2從A相電子開關V1流入到A相線圈中，產(chǎn)生與下臂導通時極性相反的勵磁磁場，驅(qū)動轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。</p><p>　　當無刷電機控制芯片不輸出上臂勵磁信號時，IR2103的HIN腳恢復為低電平，其