運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

1、 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)論文 題 目： 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系 別： 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 論文成績(jī)： 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(jì).56. 保護(hù)電路.147. 調(diào)速的實(shí)現(xiàn).178. 實(shí)驗(yàn)體會(huì)189. 參考文獻(xiàn)18摘要隨著社會(huì)的發(fā)展和人民的生活水平提高，人們對(duì)交通工具的需求也在不斷發(fā)展和提高。電動(dòng)自行車作為一種“綠色產(chǎn)品”已經(jīng)在全國(guó)各省市悄然興起，進(jìn)入千家萬(wàn)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PW

2、M開環(huán)速度控制、使能控制(起動(dòng)或停止) 、正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動(dòng)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(jiǎn)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(chǎng)合的需要。 設(shè)計(jì)的直流無(wú)刷電機(jī)控制器是采用 MC33035 芯片控制的，以本次設(shè)計(jì)結(jié)果表明，MC33035的典型控制功能帶有可選時(shí)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(dòng)自行車作為一種新型交通工具已經(jīng)在社會(huì)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(dòng)自行車 MC33035 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)引言隨著城市外延的擴(kuò)大，交通機(jī)動(dòng)化的

3、需求不斷增加，交通工具便利與否左右著人們的活動(dòng)空間。電動(dòng)自行車由于輕便、快捷、價(jià)位等優(yōu)勢(shì)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(gè)人交通工具。由于電動(dòng)自行車自身所具有的優(yōu)點(diǎn)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(huì)有較為廣闊的市場(chǎng)前景，尤其在中國(guó)這個(gè)人口大國(guó)，更是有它的用武之地。依靠科技進(jìn)步，發(fā)展電動(dòng)自行車，對(duì)抑制石油漲價(jià)，支持國(guó)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(shí)意義本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用MOTOROLA公司MC33035無(wú)刷電機(jī)專用控制芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)車啟動(dòng)、調(diào)速、剎車控制，并實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

4、利用MC33035內(nèi)部的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)譯碼電路、溫度補(bǔ)償控制電路、頻率外部調(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(dòng)電路，外加電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)無(wú)刷電機(jī)控制器。基于MC33035 的電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì)一、 技術(shù)要求：設(shè)計(jì)基于MC33035的電動(dòng)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(jiǎn)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(yùn)行效率， 可實(shí)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

5、：剎車開關(guān)在剎車時(shí)連通，線路將剎車信號(hào)送入控制器，控制器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉輸出。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(shí)，應(yīng)能使電動(dòng)機(jī)斷電不工作，可避免短時(shí)重載欠壓停車及臨界欠壓狀態(tài)下不正常的運(yùn)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(hào)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(jì)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

6、主控芯片為核心，外設(shè)電源電路、保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路?？刂破骺驁D如下：無(wú)刷直流電機(jī)保護(hù)電路驅(qū)動(dòng)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(diǎn)的摘要。您可將文本框放置在文檔中的任何位置。請(qǐng)使用“繪圖工具”選項(xiàng)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(cè)信號(hào)輸入（SA、SB、SC）接無(wú)刷直流電機(jī)霍爾傳感器，接收無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)霍爾信號(hào)送入MC33035 處理；底部驅(qū)動(dòng)輸出（AB、BB、CB）和頂部驅(qū)動(dòng)輸出（AT、BT、CT）接驅(qū)動(dòng)輸入；VDD 和VC 管腳接一個(gè)15V

7、的電源；管腳7（OE）作為輸出使能，接保護(hù)電路的信號(hào)輸出端和剎車的控制輸出，控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(shí)電路為電容充電；如果選用電機(jī)傳感器為3 個(gè)，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(gè)電容和電阻來控制振蕩頻率；管腳14（ Fault ）解接一個(gè)LED 用作故障指示，當(dāng)出

8、現(xiàn)無(wú)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(shí)，LED 發(fā)光報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)封鎖系統(tǒng)，只有故障排除后，經(jīng)系統(tǒng)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(cè)器PS 送來的三相位置檢測(cè)信號(hào)(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(dòng)控制端、電流檢測(cè)端等控制邏輯信號(hào)狀態(tài)，經(jīng)過運(yùn)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(hào)，其中，三相下橋開關(guān)信號(hào)還要按無(wú)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(hào)(AB、BB、CB)及三相上橋控制信號(hào)(AT、BT、CT)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)放大后，施加到逆變器的

9、六個(gè)開關(guān)管上，使其產(chǎn)生出供電機(jī)正常運(yùn)行所需的三相方波交流電流。在控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程，如有出現(xiàn)過流或欠壓的情況，MC33035 就會(huì)控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，來保護(hù)電機(jī)和電池。計(jì)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(shí)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(jì)出符合要求的時(shí)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

10、電路信號(hào)輸出連接到MC33035使能輸出端OE，當(dāng)此管腳無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，內(nèi)部有上拉電流源使該內(nèi)部置高，輸出驅(qū)動(dòng)電路正常工作。進(jìn)行剎車操作時(shí)，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(dòng)信號(hào)，使電動(dòng)機(jī)停止工作。進(jìn)行剎車時(shí)，輸出一低電平，至使能輸出端OE產(chǎn)生制動(dòng)信號(hào)。4.霍爾信號(hào)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(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。所謂霍爾效應(yīng)，是指磁場(chǎng)作用于載流金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體中的載流子時(shí)，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(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流通過金屬箔片時(shí)，若在垂直于電流的方

11、向施加磁場(chǎng)，則金屬箔片兩側(cè)面會(huì)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)的霍爾效應(yīng)。在該控制其中，MC3305需根據(jù)電機(jī)的霍爾信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和霍爾傳感器和電動(dòng)機(jī)本體一樣，也是靜止部分和運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。若干個(gè)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(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。位置傳感器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成部分之一，其基本功能是在電動(dòng)機(jī)的每一個(gè)電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，檢測(cè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)換成

12、電信號(hào)，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(dòng)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(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷的旋轉(zhuǎn)。三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)A、B、C 在每360 度電角度內(nèi)給出了6 個(gè)代碼，按其順序排列，6 個(gè)代碼是101、100、110、010、011、001。設(shè)計(jì)的霍爾信號(hào)反饋電路就是要采集這6 個(gè)信號(hào)，而MC3303 有專門的霍爾信號(hào)輸入接口。電機(jī)的3 個(gè)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(hào)傳送到MC33035 中，MC33035 根據(jù)這個(gè)信號(hào)來控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。（1）在無(wú)刷直流動(dòng)機(jī)中常用

13、的轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器是永磁無(wú)刷直流電機(jī)的關(guān)鍵部件。它對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，其輸出信號(hào)經(jīng)過邏輯變換后去控制開關(guān)管的通斷，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(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)為：輸出信號(hào)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(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用當(dāng)霍爾傳感器用作無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息檢測(cè)裝

14、置時(shí)，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(wú)刷直流電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)令霍爾器件輸出一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)被送到控制部分，由控制部分發(fā)出信號(hào)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(chǎng)極性相同的磁場(chǎng)，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子到下一位置時(shí)，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(hào)，控制部分使得對(duì)應(yīng)定子繞組通電，產(chǎn)生推斥場(chǎng)使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，如此循環(huán)，維持電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4.霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)圖 5. IR2103 驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路（1）驅(qū)動(dòng)芯片

15、功能IR2103 是美國(guó)IR 公司生產(chǎn)的大功率MOSFET 和IGBT 專用驅(qū)動(dòng)集成電路，驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)為ns 級(jí)，開關(guān)頻率在20kHz 以上，其主要特點(diǎn)和性能為：集成度高，六路驅(qū)動(dòng)，所需外圍元件少；偏置電壓最大600V，驅(qū)動(dòng)電流200mA/ 420mA，柵壓范圍1020V，開關(guān)時(shí)間120ns/ 94ns (典型值)，死區(qū)時(shí)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(dòng)僅用一個(gè)+ 15V20V 直流電壓電源，IR2103 內(nèi)部應(yīng)用自舉技術(shù)來實(shí)現(xiàn)同一集成電路可同時(shí)輸出兩個(gè)驅(qū)動(dòng)逆變橋中高壓側(cè)與低壓側(cè)的通道信號(hào)，它的內(nèi)部為自舉操作設(shè)計(jì)了懸浮電源，懸浮電源保證了IR2103 直

16、接可用于母線電壓為-4+500V 的系統(tǒng)中來驅(qū)動(dòng)功率MOSFET 或IGBT，其中上半橋臂功率管驅(qū)動(dòng)利用自舉電容電壓供電，下半橋臂功率管與芯片共用一個(gè)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(gè)基本功能有：HIN 高電平側(cè)門極驅(qū)動(dòng)輸出的邏輯輸入端LIN 低電平側(cè)門極驅(qū)動(dòng)輸出的邏輯輸出端VB 高電平側(cè)浮動(dòng)供壓HO 高電平側(cè)門極驅(qū)動(dòng)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(dòng)輸出COM 低電平側(cè)回流7.主電路（1）器件由于驅(qū)動(dòng)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

17、電感，在開啟時(shí)會(huì)在MOSFET柵極出現(xiàn)振鈴，一方面增加MOSFET 的開關(guān)損耗，同時(shí)電磁干擾（ElectromagneticInterference 簡(jiǎn)稱EMI）方面不好控制。在MOSFET 的柵極和驅(qū)動(dòng)IC 的輸出之間串聯(lián)一個(gè)電阻。MOS 管的關(guān)斷時(shí)間要比開啟時(shí)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(gè)二極管(如圖6 所示)， 當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí)，二極管導(dǎo)通，將柵極電阻短路從而減少放電時(shí)間。由于VS 端可能出現(xiàn)負(fù)電壓，在VS 端串入一個(gè)合適的電阻， 可以在產(chǎn)生負(fù)電壓時(shí)起到限流作用，針對(duì)負(fù)載電機(jī)為感性器件，在H 橋的輸出端并一個(gè)小電容，并在局部供電

18、部分加一個(gè)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(dòng)自行車由一個(gè)蓄電池供電，蓄電池除了給直流電機(jī)供電外，控制器的電源也是由蓄電池提供的。控制器需要15V和5V的電壓，故需要設(shè)計(jì)一個(gè)電路將蓄電池電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?5V和5V。設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，應(yīng)用LM7815和LM7805來完成設(shè)計(jì)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(shí)又為其管腳提供一個(gè)比較電壓。驅(qū)動(dòng)電路也為比較

19、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(shí)，說明沒有出現(xiàn)過流現(xiàn)象，比較器輸出高電平，這時(shí)輸出端口所接的MC33035使能輸出端OE就處于高電平，電機(jī)正常運(yùn)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(hào)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(shí)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(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)。反之，說明欠壓，則輸出一負(fù)電平，MC33035使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。欠壓保護(hù)為電壓的85%，

20、當(dāng)輸入為電壓值的85%時(shí)，實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)調(diào)速電路設(shè)計(jì)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(gè)電位器，MC33035 管腳REF6 為電位器提供一個(gè)對(duì)地比較電壓。通過轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)速手把，改變電位器的電阻來改變ERA+管腳對(duì)地電壓，MC33035 運(yùn)算放大器由外部接成一個(gè)跟隨器的形式， 所以ERA+管腳的對(duì)地電壓即為比較器的反相輸入電壓，通過