運動控制系統(tǒng)

1、 運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計論文 題 目： 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 系 別： 專 業(yè)： 自動化 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 論文成績： 2015年12月 12 日目錄1. 摘要 22. 引言23. 技術(shù)要求44. 技術(shù)指標(biāo).45. 電路設(shè)計.56. 保護(hù)電路.147. 調(diào)速的實現(xiàn).178. 實驗體會189. 參考文獻(xiàn)18摘要隨著社會的發(fā)展和人民的生活水平提高，人們對交通工具的需求也在不斷發(fā)展和提高。電動自行車作為一種“綠色產(chǎn)品”已經(jīng)在全國各省市悄然興起，進(jìn)入千家萬戶，成為人們，特別是中老年人和女士們理想的交通工具，受到廣大使用者的喜愛。MC33035的典型控制功能包括PWM開環(huán)速度控

2、制、使能控制(起動或停止)、正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動控制。此芯片具有過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、欠流保護(hù)、又因此芯片低成本、高智能化、從而簡化系統(tǒng)構(gòu)成、降低系統(tǒng)成本、增強(qiáng)系統(tǒng)性能、滿足更多應(yīng)用場合的需要。設(shè)計的直流無刷電機(jī)控制器是采用MC33035芯片控制的，以本次設(shè)計結(jié)果表明，MC33035的典型控制功能帶有可選時間延遲鎖存關(guān)斷模式的逐周限流特性以及內(nèi)部熱關(guān)斷等特性。電動自行車作為一種新型交通工具已經(jīng)在社會上引起很大的影響并受到廣大使用者的喜愛。 關(guān)鍵詞：電動自行車 MC33035 無刷直流電動機(jī)引言隨著城市外延的擴(kuò)大，交通機(jī)動化的需求不斷增加，交通工具便利與否左右著人們的活動空間。電動自行車由于輕便、

3、快捷、價位等優(yōu)勢異軍突起，日益成為自行車交通工具使用者的一種理想的并廣受歡迎的個人交通工具。由于電動自行車自身所具有的優(yōu)點和近幾年來行業(yè)內(nèi)技術(shù)的不斷進(jìn)步，決定了其將會有較為廣闊的市場前景，尤其在中國這個人口大國，更是有它的用武之地。依靠科技進(jìn)步，發(fā)展電動自行車，對抑制石油漲價，支持國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，降低環(huán)境污染;促進(jìn)人與地球的和諧發(fā)展，方便尋常百姓出行，緩解城市交通擁堵，都具有重要的歷史意義和現(xiàn)實意義本系統(tǒng)設(shè)計采用MOTOROLA公司MC33035無刷電機(jī)專用控制芯片實現(xiàn)無刷直流電動車啟動、調(diào)速、剎車控制，并實現(xiàn)保護(hù)功能。利用MC33035內(nèi)部的轉(zhuǎn)子位置信號譯碼電路、溫度補(bǔ)償控制電路、頻率外部

4、調(diào)整的鋸齒波發(fā)生器、PWM 調(diào)制放大器、過流保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、芯片過熱保護(hù)電路、輸出驅(qū)動電路，外加電源驅(qū)動電路設(shè)計無刷電機(jī)控制器?；贛C33035 的電動自行車控制器設(shè)計一、 技術(shù)要求：設(shè)計基于MC33035的電動自行車控制器，具有剎車斷電，電池欠電壓保護(hù)，調(diào)速功能，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。具體功能要求如下：1.調(diào)速功能： 1-4.4V霍爾調(diào)速手把，電子剎把或機(jī)械剎把。優(yōu)化的PWM控制提高整車運行效率， 可實現(xiàn)加速、減速停車。2.電機(jī)限流保護(hù)：保證流進(jìn)電機(jī)的電流不超過規(guī)定值，避免電流過大使電機(jī)及控制器受損。3.剎車斷電：剎車開關(guān)在剎車時連通，線路將剎車信號送入控制器，控制器會自動關(guān)閉輸出。

5、4.控制器欠壓保護(hù)功能：當(dāng)控制器電壓下降到額定電壓的80（欠壓值）時，應(yīng)能使電動機(jī)斷電不工作，可避免短時重載欠壓停車及臨界欠壓狀態(tài)下不正常的運行振蕩。5.電機(jī)限流保護(hù)：保證流進(jìn)電機(jī)的電流不超過規(guī)定值，避免電流過大使電機(jī)及控制器受損。二、技術(shù)指標(biāo)1.電源電壓：48V2.欠壓保護(hù)：電壓值的903.過流保護(hù)：12A4.剎車：CMOS/TTL電平、高電平有效5.調(diào)速：調(diào)速信號電壓由低到高（1.3V5.0V)控制器功耗: 3W6.控制器功耗: 3三、電路設(shè)計1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)：根據(jù)題目要求，控制器基本框圖可以概括為：以主控芯片為核心，外設(shè)電源電路、保護(hù)電路、驅(qū)動電路?？刂破骺驁D如下：無刷直流電機(jī)保護(hù)電路驅(qū)

6、動電路主控芯片 調(diào)速剎車電源部分圖1 基于MC33035 的控制機(jī)構(gòu)框圖 2.主控芯片：MC33035 控制引腳功能鍵入文檔的引述或關(guān)注點的摘要。您可將文本框放置在文檔中的任何位置。請使用“繪圖工具”選項卡更改引言文本框的格式。圖2. MC33035 管腳排列及典型接法、如圖2 中三相位置檢測信號輸入（SA、SB、SC）接無刷直流電機(jī)霍爾傳感器，接收無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動霍爾信號送入MC33035 處理；底部驅(qū)動輸出（AB、BB、CB）和頂部驅(qū)動輸出（AT、BT、CT）接驅(qū)動輸入；VDD 和VC 管腳接一個15V 的電源；管腳7（OE）作為輸出使能，接保護(hù)電路的信號輸出端和剎車的控制輸出，控制電動機(jī)運

7、轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)；誤差放大器同相輸入即管腳11（ERA+）接調(diào)速電路，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；此控制器為開環(huán)控制，管腳12（ERA-）和管腳13（FR/PWM）相連接；管腳8（REF）接電機(jī)霍爾傳感器，為其提供電源，另為保護(hù)電路提供參考電壓，還振蕩器的定時電路為電容充電；如果選用電機(jī)傳感器為3 個，則60/120選擇即管腳22 接地（低電平），電路工作在120傳感器電氣相位輸入；管腳10（OSC）接一個電容和電阻來控制振蕩頻率；管腳14（ Fault ）解接一個LED 用作故障指示，當(dāng)出現(xiàn)無效的傳感器輸入碼、過流、欠壓、芯片內(nèi)部過熱、使能端為低電平時，LED 發(fā)光報警，同時自動封鎖系統(tǒng)，只有故障排除后，經(jīng)系統(tǒng)

8、復(fù)位才能恢復(fù)正常工作。該控制器工作過程為：從電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測器PS 送來的三相位置檢測信號(SA、SB、SC)一方面送入MC33035，經(jīng)芯片內(nèi)部譯碼電路結(jié)合正反轉(zhuǎn)控制端、起?？刂贫?、制動控制端、電流檢測端等控制邏輯信號狀態(tài)，經(jīng)過運算后，產(chǎn)生逆變器三相上、下橋臂開關(guān)器件的六路原始控制信號，其中，三相下橋開關(guān)信號還要按無刷直流電機(jī)調(diào)速機(jī)理進(jìn)行脈寬調(diào)制處理。處理后的三相下橋PWM 控制信號(AB、BB、CB)及三相上橋控制信號(AT、BT、CT)經(jīng)過驅(qū)動放大后，施加到逆變器的六個開關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機(jī)正常運行所需的三相方波交流電流。在控制電機(jī)運轉(zhuǎn)的過程，如有出現(xiàn)過流或欠壓的情況，MC33035

9、 就會控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，來保護(hù)電機(jī)和電池。計算過程：【1.】發(fā)光二極管串阻值R= 給發(fā)光二極管供電采用Vcc=5V，查閱資料，得到發(fā)光二極管的導(dǎo)通壓降Vd=1.6V,又可得發(fā)光二極管最大允許工作做電流I=20mA，故所需要串接的電阻R可由公式（1）求得，此處為保證安全，取R=200 【2.】RC 時鐘震蕩電路W . f=根據(jù)產(chǎn)生自激震蕩的條件，由式（2）可設(shè)計出符合要求的時鐘震蕩頻率，合理調(diào)節(jié)R ,C 的大小即可。3.低電平剎車電路 圖3.剎車電路圖3為為剎車電路原理圖，剎車電路信號輸出連接到MC33035使能輸出端OE，當(dāng)此管腳無信號輸入時，內(nèi)部有上拉電流源使該內(nèi)部置高，輸出驅(qū)動電路正常工作。進(jìn)

10、行剎車操作時，關(guān)閉剎車開關(guān)，輸出一低電平至MC33035使能輸出端OE，產(chǎn)生制動信號，使電動機(jī)停止工作。進(jìn)行剎車時，輸出一低電平，至使能輸出端OE產(chǎn)生制動信號。4.霍爾信號電路 圖3.霍爾傳感器電路霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時，產(chǎn)生橫向電位差的物理現(xiàn)象。金屬的霍爾效應(yīng)是1879年被美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側(cè)面會出現(xiàn)橫向電位差。半導(dǎo)體中的霍爾效應(yīng)比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現(xiàn)極強(qiáng)的霍

11、爾效應(yīng)。在該控制其中，MC3305需根據(jù)電機(jī)的霍爾信號來控制電動機(jī)運轉(zhuǎn)。直流無刷電動機(jī)和霍爾傳感器和電動機(jī)本體一樣，也是靜止部分和運動部分組成，即位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電動機(jī)轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電動機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。若干個霍爾元件按一定的間隔，等距離地安裝在傳感器定子上，以檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。位置傳感器是無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)的組成部分之一，其基本功能是在電動機(jī)的每一個電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，檢測轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號換成電信號，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，以控制他們的導(dǎo)通與截至，使電動機(jī)電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換向，驅(qū)動

12、永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)。三相永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號A、B、C 在每360 度電角度內(nèi)給出了6 個代碼，按其順序排列，6 個代碼是101、100、110、010、011、001。設(shè)計的霍爾信號反饋電路就是要采集這6 個信號，而MC3303 有專門的霍爾信號輸入接口。電機(jī)的3 個霍爾傳感器和MC33035 的傳感器輸入腳（SA、SB、SC）相連，將轉(zhuǎn)子位置信號傳送到MC33035 中，MC33035 根據(jù)這個信號來控制電動機(jī)的運轉(zhuǎn)。（1）在無刷直流動機(jī)中常用的轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器是永磁無刷直流電機(jī)的關(guān)鍵部件。它對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測，其輸出信號經(jīng)過邏輯變換后去控制開關(guān)管的

13、通斷，使電機(jī)定子各相繞組按順序?qū)?，保證電機(jī)連續(xù)工作。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置；其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋上，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。轉(zhuǎn)子位置傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)為：輸出信號的幅值、精度，響應(yīng)速度，工作溫度，抗干擾能力，損耗，體積重量，安裝方便性以及可靠性等。其種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。（2）霍爾器件在無刷直流電機(jī)中的應(yīng)用當(dāng)霍爾傳感器用作無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息檢測裝置時，將其安放在電機(jī)定子的適當(dāng)位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當(dāng)無刷直流電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近時，永磁轉(zhuǎn)子的磁場

14、令霍爾器件輸出一個電壓信號，該信號被送到控制部分，由控制部分發(fā)出信號使得定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，從而產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場極性相同的磁場，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子到下一位置時，前一位置的霍爾器件停止工作，下一位置的霍爾器件輸出電壓信號，控制部分使得對應(yīng)定子繞組通電，產(chǎn)生推斥場使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動，如此循環(huán)，維持電機(jī)運轉(zhuǎn)。圖4.霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)圖 5. IR2103 驅(qū)動電路及H 橋控制器 圖5. R2103 和NMOS 管構(gòu)成的H 橋電路 6.驅(qū)動電路（1）驅(qū)動芯片功能IR2103 是美國IR 公司生產(chǎn)的大功率MOSFET 和IGBT 專用驅(qū)動集成電路，驅(qū)動信號延時為ns 級，開關(guān)頻率在

15、20kHz 以上，其主要特點和性能為：集成度高，六路驅(qū)動，所需外圍元件少；偏置電壓最大600V，驅(qū)動電流200mA/ 420mA，柵壓范圍1020V，開關(guān)時間120ns/ 94ns (典型值)，死區(qū)時間2.5s (典型值)；具有過流關(guān)斷、欠壓封鎖功能；單電源工作，六路驅(qū)動僅用一個+ 15V20V 直流電壓電源，IR2103 內(nèi)部應(yīng)用自舉技術(shù)來實現(xiàn)同一集成電路可同時輸出兩個驅(qū)動逆變橋中高壓側(cè)與低壓側(cè)的通道信號，它的內(nèi)部為自舉操作設(shè)計了懸浮電源，懸浮電源保證了IR2103 直接可用于母線電壓為-4+500V 的系統(tǒng)中來驅(qū)動功率MOSFET 或IGBT，其中上半橋臂功率管驅(qū)動利用自舉電容電壓供電，下

16、半橋臂功率管與芯片共用一個電源。IR2103 內(nèi)部電路如圖6 所示。圖6. IR2103 內(nèi)部電路圖（2）IR2103 的管腳各個基本功能有：HIN 高電平側(cè)門極驅(qū)動輸出的邏輯輸入端LIN 低電平側(cè)門極驅(qū)動輸出的邏輯輸出端VB 高電平側(cè)浮動供壓HO 高電平側(cè)門極驅(qū)動輸出VCC 低電平側(cè)和邏輯固定供壓LO 低電平側(cè)門極驅(qū)動輸出COM 低電平側(cè)回流7.主電路（1）器件由于驅(qū)動器和MOSFET 柵極之間的引線、地回路的引線等所產(chǎn)生的電感，以及IC（集成電路）和FET 內(nèi)部的寄生電感，在開啟時會在MOSFET柵極出現(xiàn)振鈴，一方面增加MOSFET 的開關(guān)損耗，同時電磁干擾（Electromagnetic

17、Interference 簡稱EMI）方面不好控制。在MOSFET 的柵極和驅(qū)動IC 的輸出之間串聯(lián)一個電阻。MOS 管的關(guān)斷時間要比開啟時間慢(開啟充電，關(guān)斷放電)，因此就要改變MOS管的關(guān)斷速度， 可以在柵極電阻上反向并聯(lián)一個二極管(如圖6 所示)， 當(dāng)MOS管關(guān)斷時，二極管導(dǎo)通，將柵極電阻短路從而減少放電時間。由于VS 端可能出現(xiàn)負(fù)電壓，在VS 端串入一個合適的電阻， 可以在產(chǎn)生負(fù)電壓時起到限流作用，針對負(fù)載電機(jī)為感性器件，在H 橋的輸出端并一個小電容，并在局部供電部分加一個去藕電容（局部去藕電容可以取100uF）十分必要。8.電源電路電動自行車由一個蓄電池供電，蓄電池除了給直流電機(jī)供電

18、外，控制器的電源也是由蓄電池提供的?？刂破餍枰?5V和5V的電壓，故需要設(shè)計一個電路將蓄電池電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?5V和5V。設(shè)計電源電路時，應(yīng)用LM7815和LM7805來完成設(shè)計這次電源電路的電壓轉(zhuǎn)換。用LM7815將電池電壓降為15V電壓供芯片，用LM7805將電壓降為5V為其他器件提供電源。圖7.電源電路四、保護(hù)電路過流保護(hù)電路以一比較放大器LM358為核心器件，連接其他元器件而組成。MC33035的管腳REF6為比較器供電，同時又為其管腳提供一個比較電壓。驅(qū)動電路也為比較器的負(fù)端口提供一參考電壓。比較器比較正端和負(fù)端的電壓。正端高于負(fù)端電壓時，說明沒有出現(xiàn)過流現(xiàn)象，比較器輸出高電平，這時輸出端

19、口所接的MC33035使能輸出端OE就處于高電平，電機(jī)正常運轉(zhuǎn)；反之，負(fù)端電壓高于正端電壓，產(chǎn)生過流，比較器輸出端口輸出低電平，OE接收低電平信號后，電機(jī)停轉(zhuǎn)。1、 欠壓保護(hù)圖8.欠壓保護(hù)電路欠壓保護(hù)的基本原理為，MC33035管腳REF6為比較器供電，同時又為其負(fù)端口提供門檻電壓。比較器的正端口接電源電壓。比較器比較這兩個電壓，如果電源電壓高于門檻電壓，比較器輸出正電平，電機(jī)正常運轉(zhuǎn)。反之，說明欠壓，則輸出一負(fù)電平，MC33035使電機(jī)停止運轉(zhuǎn)。欠壓保護(hù)為電壓的85%，當(dāng)輸入為電壓值的85%時，實現(xiàn)欠壓功能，即電壓為20.4V，現(xiàn)以REF6R2分壓5V，使得同相輸入端也是5V。即20.4*X=5V X=所以R11=3K,R12=1K2.過電流保護(hù) 圖9.過電流保護(hù)電路經(jīng)過康銅絲0.01采樣，假設(shè)達(dá)到最大電流12A，則到CS時電壓為0.12V，由于電壓太小，故經(jīng)過反相放大器放10倍得到1.2V。五、調(diào)速的實現(xiàn)調(diào)速電路設(shè)計方法調(diào)速電路輸出連接到MC33035 的速度調(diào)節(jié)管腳ERA+上。調(diào)速手把內(nèi)部為一個電位器，MC33035 管腳REF6 為電位器提供一個對地比較電壓。通過轉(zhuǎn)動調(diào)速手把，改變電位器的電阻來改變ERA+管腳對地電壓，MC33035 運算放大器由外部接成一個跟隨器的形式， 所以ERA+管腳的