运动控制系统

《运动控制系统》 课程设计论文

题目： 系别：

专业： 自动化 班级： 姓名： 学号：

指导教师： 论文成绩：

2015年12月 12 日

1. 摘要……………………………………………………………………………………………2 2. 引言……………………………………………………………………………………………2

3. 技术要求……………………………………………………………………………4

4. 技术指标…………………………………………………………………………………..4 5. 电路设计…………………………………………………………………………………..5 6. 保护电路…………………………………………………………………………………..14 7. 调速的实现……………………………………………………………………………….17 8. 实验体会……………………………………………………………………………………18 9. 参考文献………………………………………………………………………………………18

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 MC33035 无刷直流电动机

引言

随着城市外延的扩大，交通机动化的需求不断增加，交通工具便利与否左右着人们的活动空间。电动自行车由于轻便、快捷、价位等优势异军突起，日益成为自行车交通工具使用者的一种理想的并广受欢迎的个人交通工具。由于电动自行车自身所具有的优点和近几年来行业内技术的不断进步，决定了其将会有较为广阔的市场前景，尤其在中国这个人口大国，更是有它的用武之地。依靠科技进步，发展电动自行车，对抑制石油涨价，支持国家能源发展战略，降低环境污染; 促进人与地球的和谐发展，方便寻常百姓出行，缓解城市交通拥堵，都具有重要的历史意义和现实意义

本系统设计采用MOTOROLA 公司MC33035无刷电机专用控制芯片实现无刷直流电动车启动、调速、刹车控制，并实现保护功能。利用MC33035内部的转子位置信号译码电路、温度补偿控制电路、频率外部调整的锯齿波发生器、PWM 调制放大器、过流保护电路、欠压保护电路、芯片过热保护电路、输出驱动电路，外加电源驱动电路设计无刷电机控制器。

基于MC33035 的电动自行车控制器设计

一、 技术要求：

设计基于MC33035的电动自行车控制器，具有刹车断电，电池欠电压保护，调速功能，结构简单，性能可靠。具体功能要求如下： 1. 调速功能： 1-4.4V霍尔调速手把，电子刹把或机械刹把。优化的PWM 控制提高整车运行效率，可实现加速、减速停车。

2. 电机限流保护：保证流进电机的电流不超过规定值，避免电流过大使电机及控制器受损。

3. 刹车断电：刹车开关在刹车时连通，线路将刹车信号送入控制器，控制器会自动关闭输出。

4. 控制器欠压保护功能：当控制器电压下降到额定电压的80（欠压值）时，应能使电动机断电不工作，可避免短时重载欠压停车及临界欠压状态下不正常的运行振荡。

5. 电机限流保护：保证流进电机的电流不超过规定值，避免电流过大使电机及控制器受损。

二、技术指标

1. 电源电压：48V

2. 欠压保护：电压值的90％ 3. 过流保护：12A

4. 刹车：CMOS/TTL电平、高电平有效

5. 调速：调速信号电压由低到高（1.3V —5.0V) 控制器功耗:

三、电路设计

1. 系统总体结构：

根据题目要求，控制器基本框图可以概括为：以主控芯片为核心，外设电源电路、保护电路、驱动电路。控制器框图如下：

图1基于MC33035 的控制机构框图

2. 主控芯片：

MC33035 控制引脚功能

图2. MC33035 管脚排列及典型接

如图2 中三相位置检测信号输入（SA 、SB 、SC ）接无刷直流电机霍尔传感器，接收无刷电机的转动霍尔信号送入MC33035 处理；底部驱动输出（AB 、BB 、CB ）和顶部驱动输出（AT 、BT 、CT ）接驱动输入；VDD 和VC 管脚接一个15V 的电源；管脚7（OE ）作为输出使能，接保护电路的信号输出端和刹车的控制输出，控制电动机运转和停转；误差放大器同相输入即管脚11（ERA+）接调速电路，控制电机的转速；此控制器为开环控制，管脚12（ERA-）和管脚13（FR/PWM

）相连接；

管脚8（REF ）接电机霍尔传感器，为其提供电源，另为保护电路提供参考电压，还振荡器的定时电路为电容充电；如果选用电机传感器为3 个，则60°/120°选择即管脚22 接地（低电平），电路工作在120°传感器电气相位输入；管脚10（OSC ）接一个电容和电阻来控制振荡频率；管脚14（ Fault ）解接一个LED 用作故障指示，当出现无效的传感器输入码、过流、欠压、芯片内部过热、使能端为低电平时，LED 发光报警，同时自动封锁系统，只有故障排除后，经系统复位才能恢复正常工作。

该控制器工作过程为：从电机转子位置检测器PS 送来的三相位置检测信号(SA、SB 、SC) 一方面送入MC33035，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件的六路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥PWM 控制信号(AB、BB 、CB) 及三相上桥控制信号(AT、BT 、CT) 经过驱动放大后，施加到逆变器的六个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需的三相方波交流电流。在控制电机运转的过程，如有出现过流或欠压的情况，MC33035 就会控制电机停转，来保护电机和电池。 计算过程：

【1. 】发光二极管串阻值R

给发光二极管供电采用Vcc=5V，查阅资料，得到发光二极管的导通压降Vd=1.6V,又可得发光二极管最大允许工作做电流I=20mA，故所需要串接的电阻R 可由公式（1）求得，此处为保证安全，取R=200 【2. 】RC 时钟震荡电路

根据产生自激震荡的条件，由式（2）可设计出符合要求的时钟震荡频率，合理调节R ,C

的大小即可。 3. 低电平刹车电路

图3为为刹车电路原理图，刹车电路信号输出连接到MC33035使能输出端OE ，当此管脚无信号输入时，内部有上拉电流源使该内部置高，输出驱动电路正常工作。进行刹车操作时，关闭刹车开关，输出一低电平至MC33035使能输出端OE ，产生制动信号，使电动机停止工作。进

图3. 刹车电路

行刹车时，输出一低电平，至使能输出端

OE 产生制动信号。 4. 霍尔信号电路

图3. 霍尔传感器电路

霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。

在该控制其中，MC3305需根据电机的霍尔信号来控制电动机运转。直流无刷电动机和霍尔传感器和电动机本体一样，也是静止部分和运

动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。其转子与电动机转子一同旋转，以指示电动机转子的位置。若干个霍尔元件按一定的间隔，等距离地安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。

位置传感器是无刷直流电动机系统的组成部分之一，其基本功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数，检测转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位置信号换成电信号，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，以控制他们的导通与截至，使电动机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向，驱动永磁转子连续不断的旋转。

三相永磁无刷直流电动机转子位置传感器输出信号A 、B 、C 在每360 度电角度内给出了6 个代码，按其顺序排列，6 个代码是101、100、110、010、011、001。设计的霍尔信号反馈电路就是要采集这6 个信号，而MC3303 有专门的霍尔信号输入接口。电机的3 个霍尔传感器和MC33035 的传感器输入脚（SA 、SB 、SC ）相连，将转子位置信号传送到MC33035 中，MC33035 根据这个信号来控制电动机的运转。

（1）在无刷直流动机中常用的转子位置传感器

转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部件。它对电机转子位置进行检测，其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机转子的位置；其定子固定于电机本体定子或端盖上，以感应和输出转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值、精度，响应速度，

工作温度，抗干扰能力，损耗，体积重量，安装方便性以及可靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。

（2）霍尔器件在无刷直流电机中的应用

当霍尔传感器用作无刷直流电机转子位置信息检测装置时，将其安放在电机定子的适当位置，霍尔器件的输出与控制部分相连。当无刷直流电机的永磁转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令霍尔器件输出一个电压信号，该信号被送到控制部分，由控制部分发出信号使得定子绕组供电电路导通，给相应的定子

绕组供电，从而产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。当转子到下一位置时，前一位置的霍尔器件停止工作，下一位置的霍尔器件输出电压信号，控制部分使得对应定子绕组通电，产生推斥场使转子继续转动，如此循环，维持电机运转。

5. IR2103 驱动电路及H 桥控制器

6. 驱动电路 图5. R2103 和NMOS 管构成的H 桥电路

（1

）驱动芯片功能

IR2103 是美国IR 公司生产的大功率MOSFET 和IGBT 专用驱动集成电路，驱动信号延时为ns 级，开关频率在20kHz 以上，其主要特点和性能为：集成度高，六路驱动，所需外围元件少；偏置电压最大600V ，驱动电流200mA/ 420mA ，栅压范围10～20V ，开关时间120ns/ 94ns (典型值) ，死区时间2.5μs (典型值) ；具有过流关断、欠压封锁功能；

单电源工作，六路驱动仅用一个+ 15V～20V 直流电压电源，IR2103 内部应用自举技术来实现同一集成电路可同时输出两个驱动逆变桥中高压侧与低压侧的通道信号，它的内部为自举操作设计了悬浮电源， 悬浮电源保证了IR2103 直接可用于母线电压为-4～+500V 的系统中来驱动功率MOSFET 或IGBT ，其中上半桥臂功率管驱动利用自举电容电压供电，下半桥臂功率管与芯片共用一个电源。IR2103 内部电路如图6所示。

图6. IR2103 内部电路图

（2）IR2103 的管脚各个基本功能有：

HIN 高电平侧门极驱动输出的逻辑输入端

LIN 低电平侧门极驱动输出的逻辑输出端

VB 高电平侧浮动供压

HO 高电平侧门极驱动输出

VCC 低电平侧和逻辑固定供压

LO 低电平侧门极驱动输出

COM 低电平侧回流

7. 主电路

（1）器件由于驱动器和MOSFET 栅极之间的引线、地回路的引线等所产生的电感，以及IC （集成电路）和FET 内部的寄生电感，在开启时会在MOSFET 栅极出现振铃，一方面增加MOSFET 的开关损耗，同时电磁干扰（ElectromagneticInterference 简称EMI ）方面不好控制。在MOSFET 的栅极和驱动IC 的输出之间串联一个电阻。

MOS 管的关断时间要比开启时间慢(开启充电，关断放电) ，因此就要改变MOS 管的关断速度，可以在栅极电阻上反向并联一个二极管(如图6 所示) ，当MOS 管关断时，二极管导通，将栅极电阻短路从而减少放电时间。由于VS 端可能出现负电压，在VS 端串入一个合适的电阻，可以在产生负电压时起到限流作用，针对负载电机为感性器件，在H 桥的输出端并一个小电容，并在局部供电部分加一个去藕电容（局部去藕电容可以取100uF ）十分必要。

8. 电源电路

电动自行车由一个蓄电池供电，蓄电池除了给直流电机供电外，控制器的电源也是由蓄电池提供的。控制器需要15V 和5V 的电压，故需要设计一个电路将蓄电池电压转变为15V 和5V 。

设计电源电路时，应用LM7815和LM7805来完成设计这次电源电路的电压转换。用LM7815将电池电压降为15V 电压供芯片，用LM7805将电压降为5V 为其他器件提供电源。

四、保护电路

过流保护电路以一比较放大器LM358为核心器件，连接其他元器件而组成。MC33035的管脚REF6为比较器供电，同时又为其管脚提供一个比较电压。驱动电路也为比较器的负端口提供一参考电压。比较器比较正端和负端的电压。正端高于负端电压时，说明没有出现过流现象，比较器输出高电平，这时输出端口所接的MC33035使能输出端OE 就处于高电平，电机正常运转；反之，负端电压高于正端电压，产生过流，比较器输出端口输出低电平，OE 接收低电平信号后，电机停转。

1、 欠压保护

图7. 电源电路

欠压保护的基本原理为，MC33035管脚REF6为比较器供电，同时又为其负端口提供门槛电压。比较器的正端口接电源电压。比较器比较这两个电压，如果电源电压高于门槛电压，比较器输出正电平，电机正常运转。反之，说明欠压，则输出一负电平，MC33035使电机停止运转。

欠压保护为电压的85%，当输入为电压值的85%时，实现欠压功能，即电压为20.4V ，现以REF6R2分压5V ，使得同相输入端也是5V 。 即20.4*X=5V

所以R11=3K,R12=1K

2. 过电流保护

图9. 过电流保护电路

经过康铜丝0.01Ω采样，假设达到最大电流12A ，则到CS 时电压为0.12V ，由于电压太小，故经过反相放大器放10倍 得到1.2V 。

五、调速的实现

调速电路设计方法调速电路输出连接到MC33035 的速度调节管脚ERA+上。调速手把内部为一个电位器，MC33035 管脚REF6 为电位器提供一个对地比

较电压。通过转动调速手把，改变电

位器的电阻来改变ERA+管脚对地电压，

MC33035 运算放大器由外部接成一

个跟随器的形式，所以ERA+管脚的对

地电压即为比较器的反相输入电压，

通过调速手把中电位器改变管脚ERA+

的对地电压从而改变比较器的输出方

波的占空比，即比较器的输出为我们

所需的PWM 信号。从而改变电机的

转速。

调速范围要求是1.1V-5V, 滑动变阻器从0开始调节，

当为0时，

6.25V*

得X=213Ω

图8. 调速电路

当滑动变阻器最大时

6.25V*

得X=3.785KΩ

所以滑动变阻器为3.785K Ω

六、实验体会

随着能源的紧缺，环境污染的严重，世界各国都在积极寻求一种可以代替石油、煤等的新型能源。电动自行车以其低消耗、低污染、高效能等特点越来越受人们的喜爱。

无刷直流电机的控制问题是无刷直流电机控制领域研究的热点。我们通过查阅大量的国内外文献，在理解无刷直流电动机的工作原理以及无刷直流电机的有传感器控制技术的基础上，结合系统的功能需求，设计了基于BLDCM 的电动车用控制器。它以MC33035为控制核心，采用霍尔位置传感器检测作为电动机转子位置信息的检测方案。

（1） 本次设计采用了基于MC33035芯片控制直流无刷电机来控制电

动自行车，由于MC33035具有过流保护、欠压保护、以及限流保护。能实现快速、精确的调速，且系统可靠性强，调试方便。

（2） 采用IR2103芯片使MC33035控制芯片输出的控制信号转换成可

以驱动直流无刷电机的大电流，从而来控制直流无刷电机。

七、主要参考文献

[1]周志敏、周纪海. 开关电源实用技术. 北京：人民邮电出版社，2003

[2]杨威, 张金栋. 主编>,重庆大学出版社，2002

[3]朱仁初、万伯任，自动控制系统设计手册，机械工业出版社，1994