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八极九槽无刷直流电动机
五邑大学本科毕业设计 第 1 章 绪论1.1 课题背景和选题意义低速大转矩电动机淘汰了笨重的减速机构，避免了减速机构带来的结构复杂、转动惯 量大、效率降低、噪声增加、润滑油泄露、传动间隙、磨损维护频繁等各种不利影响。因 此这类直接驱动电动机作为传统电动机加减速器系统的替代产品得到了很大的重视，并己 得到一定程度的应用. 在各种各样的直接驱动电机中，与其它类型低速大转矩直接驱动相比，直接驱动永磁 无刷电机具有更高的功率密度和转矩密度，具有更高的运行效率，因此更具应用前景。低 速大转矩永磁无刷电机尽管在结构和原理上等同于传统的高速永磁无刷电机，但随着现代 科技的发展，人们对其性能要求发生了很大变化，如对转矩脉动要求严格，同时为适应目 前的节能大背景，对其效率指标也提出了新的要求。其次，由于该种电机体积较大，电机 的有效材料消耗量大，如何提高该种电机的有效材料利用率是该种电机研制开发的一个重 要课题。 过去，永磁无刷电机大多采用整数槽绕组的设计，近年分数槽绕组技术在无刷直流电 动机上应用日益广泛，而且具有自己的一些特点。与整数槽相比，无刷电机采用分数槽特 别是采用每极每相槽数小于 1 的分数槽绕组甚至分数槽集中绕组有如下好处： 1）在电机设计时，电机的齿部磁密应尽可能均匀，这样才可以充分利用电机的有效 材料，充分利用电机的有效空间 2)平均每极下槽数减少，以较少数目的大槽代替较多数目的小槽，有利于槽满率的提 高、线圈周长和绕组端部缩短，使电动机绕组较少、铜损降低，进而提高电动机的效率、 降低温升、降低时间常数、提高快速性、增加功率密度等。 3)增加绕组的短距和分布效应，改善电动势波形的正弦性。每极每相槽数 4)由于分数槽电机齿槽转矩频率较高，齿槽效应转矩幅值通常比整数槽绕组小，有利 于降低振动和噪声 5)分数槽绕组电机有可能得到线圈节距了=1 的设计(集中绕组)。 每个线圈只绕在一个 齿上，缩短了线圈周长和绕组端部伸出长度，减低用铜量;各个线圈端部没有重叠，不必 设相间绝缘。 采用高性能的永磁材料，就可满足电机的尺寸、重量和性能之间的协调要求，多极磁 路可减小磁扼，因而可减小电机的体积与重量，多相供电可以增加电机的电负荷，提高绕 组的利用率。 因此本文研究的多相供电分数槽集中绕组的永磁无刷直流电机同时研究其他相关控 制和设计计算问题具有重要理论意义和现实意义。本文研究的课题为三相供电八极九槽永 磁无刷直流电机。1五邑大学本科毕业设计1.2 永磁无刷电动机分数槽绕组结构的应用研究现状最近几年开发的直接驱动洗衣机基本上都采用集中绕组分数槽无刷电动机，例如，日 本东芝公司采用 PZ为 36/24 方案;哈尔滨工业大学在其直接驱动洗衣机的无刷电动机多个专利中公布了所采用的有 2P=27/26、27/24、21/20、24/22、18/16 多个方案;也有采用P Z=18/20 方案的。中外航模专用无刷电动机采用 12/14、12/8、9/6、6/8、6/4 等方案。电动自行车和摩托车用无刷直流电动机采用 24/22、21/20、21/22、36/40、51/46 等方案; 磁盘机采用 9/8、12/10 方案等等。 目前对低速大转矩分数槽集中绕组永磁无刷电机的研究很广泛， 从不同极/槽配合电机 的性能对比而得到该种电机的设计准则，到根据其电感参数的特点而引起的其特殊应用研 究，还有为进一步提高电机的转矩密度、降低电机的齿槽转矩而采用多相分数槽集中绕组 结构，对电机的不平衡磁拉力进行了研究。目前的研究或者固定电机的气隙直径和有效长 度、或者固定电机的外径尺寸，改变槽数及极数进行电机的性能比较，忽视了电机极数变 化对电机结构尺寸的影响。分数槽集中绕组由于电感的增加而导致最大功率降低，显然在 某些应用领域出于对过载能力的要求而不能采用分数槽集中绕组电机，为此需要降低电机 的电感，也就是应该提高分数槽绕组电机的 q 值，目前很少有文献对从低速大转矩分数槽 集中绕组电机(一般 q&0.5)到 q=1 电机进行综合比较。1.3 论文的主要内容本文的主要内容包括以下几个方面: 1)研究三相八极九槽永磁无刷直流电机，着重研究这种电机的理论、运行机理、电机 结构、实现方法，并对这种电机的换向状态进行详细的讨论。 2)研究一套基于 MC33035 专用芯片的三相八极永磁无刷直流电机的控制系统，包括保 护电路、驱动电路和逆变电路，着重研究这种方法的理论基础、实现方法，以及如何对电 机各性能参数进行控制。1.4 论文预计进程：4 月完成电机的定子转子尺寸结构，绕线组，和电机外壳等相关设计。 5 月份完成电机控制系统，包括反馈系统，基于 MC33035 芯片控制模块和功率驱动模 块等。2五邑大学本科毕业设计1.5 需要对下列问题着重进行研究分析：1)磁路结构和设计计算。必须建立新的设计概念，重新分析和改进磁路结构和控制 系统;应用现代的设计方法，研究新的分析计算方法，以提高设计计算的准确度;采用先进 的测试方法和制造工艺。 2)控制问题。 永磁电机制成后不需要外界能量即可维持其磁场， 但造成从外部调节、 控制其磁场极为困难，然而，随着电力电子器件和控制技术的迅猛发展，大多数永磁电机 在应用中，可以不必进行磁场控制而只进行电枢控制。 3)不可逆退磁问题。在设计和制造时，要分析各种不同结构形式的抗去磁能力，采用 相应措施保证永磁电机不失磁 。 4)成本问题。在设计时既需根据具体使用场合和要求，进行性能、价格的比较后取舍， 又要进行结构工艺的创新和设计优化以降布氏成本。3五邑大学本科毕业设计第2章八极九槽无刷直流电动机的结构和工作原理概述2.1 电机的基本组成部分2.1.1 电机结构本课题研究三相八极九槽永磁无刷直流电机由下列几部分组成:电机本体(带有电枢绕 组的定子和永磁转子)、 位置传感器和电子换向线路。 这种电机本身结构简单紧凑、 体积小、 重量轻，无机械换向。它不仅保留了直流电机优良的调速性能和机械特性，而且避免了直 流电机由于机械换向带来的一系列问题。其结构框图如图 2-1 所示。图 2.1 无刷直流电动机组成框图4五邑大学本科毕业设计图 2.2 无刷直流电动机简略原理图2.1.2 电机本体本文设计转子由永久磁钢按 4 对数组成，其定子绕组为三相，根据绕线法则和分析计 算确定具体的绕线组方案。图 2.2 中为无刷直流电机简略结构原理图，电动机本体为三相 两极结构， 三相定子绕组与电子换向线路中相应的功率开关器件连接， 在图中 A 相、 相、 B C 相绕组分别与逆变器功率开关管 V1、V2、V3 相接。 构成无刷直流电机转子的永久磁钢与永磁有刷电机中所使用的永久磁钢的作用相似， 都是在电机的气隙中建立足够的磁场。其不同之处在于，无刷直流电机中永久磁钢装在转 子上，而有刷直流电机的磁钢装在定子上。永久磁钢目前多使用稀土永磁材料，如钱铁硼 (NdPeB)和衫钻(SmCo)等。由于转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可 近似分为正弦波和方波(梯形波)两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势也 有两种形式，一种为正弦波形，另一种为方波(梯形波)。习惯上将反电动势为正弦波电动 机称为正弦型永磁同步电动机(PMSM);而方波(梯形波)电动机在原理和控制方式上基本与 直流电动机类似，故称为无刷直流电机(BLDCM)。2.1.3 转子位置传感器位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供 正确的换相信号， 即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号， 然后去控制定子绕组换相。 位置传感器种类很多， 目前在无刷直流电动机常用的有电磁式位置传感器、 光电式传感器、 磁敏式位置传感器和旋转变压器等。 电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置，有开口变压器、铁磁谐振电路、 接近开关电路等多种类型。它具有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要求小等优点， 但这种传感器体积较大，信噪比较低，同时其输出波形为交流，一般需要经整流、滤波方 可使用。 光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电机转子一起旋转的遮光部分和固定不动 的光源等部件组成，有绝对式编码器和增量式编码器之分。它具有定位精度高、价格便宜、 易加工等特点，但对恶劣环境的适应能力较差，输出信号需加整形电路处理。 磁敏式位置传感器是利用某些半导体敏感元件 的电参数按一定规律随周围磁场变化 而变化的原理制成。常见的类型有霍尔元件、磁敏电阻和磁敏二极管等。一般说来，它对 环境适应能力较强，输出信号好，成本低廉，但精度不高。 根据控制系统的精度要求及其实用性，我们采用霍尔元件为电机转子位置传感器。5五邑大学本科毕业设计2.1.4 控制芯片在无刷直流电动机的控制中，最早用模拟电路及分离式元件组成的电路来控制电机， 由于其控制电路复杂，且存在零点漂移现象，稳定性不强。因此，逐步被高级的数字控制 方式所取代，这些高级的数控方式主要采用单片机或 DSP 控制。近来随着电子器件工艺水 平的提高及集成度的提高，高性能的专用模拟芯片由于其低廉的控制成本，用这些芯片来 控制电机又逐渐越来越多。以下简要介绍这几种控制芯片。 (l)单片机控制 与复杂的模拟电路相比，单片机具有以下特点。①电路更简单，运算快，程序修改方 便，绝大多数控制逻辑可以通过软件实现。微处理器有更强的逻辑功能，运算速度快，精 度高，另外单片机灵活性和适应性强，微处理器的控制方式是由软件完成的，非常方便。 ②无零点漂移，控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论 被控量的大或小，都可以保证足够的控制精度。③多机联网工作使单片机有较强的控制功 能、低廉的成本。人们在选择电动机控制器时，常常是在满足功能的需要的同时，优先选 择成本低的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标。 (2)DSP 控制 数字信号处理器是近年来迅猛发展的新一代数字微处理器，随着价格的大幅度下降， 逐渐进入运动控制领域。逐渐进入运动控制领域。美国 TI 公司的 c2O00 系列、AD 公司的 汕珑系列、 公司的 dsPIC 系列， PIC 这些都是以 DSP 为内核的集成电动机控制嵌入式芯片。 DSP 不但具有高速信 DSP 号处理能力和数字控制功能， 而且还具有电动机控制所必需的外 围功能。不但具有高速信在电动机控制控制器种采用 DSP，不但可以实现诸如矢量控制、 直接转矩控制等控制算法，而且也为现代控制理论及智能控制理论的实现提供了硬件条 件。 (3)高性能专用集成芯片 随着 IC 技术的发展，模拟器件的集成度也越来越高，性能也越来越好。行业专用模拟 芯片由于其价格低廉，定制方便，因此大量使用在一些对控制性能要求不是很高的场合。 MicroLinear 公司 ML 无位置传感器无刷电动机专用控制芯片、 安森美公司的 330 系列等。这些芯片满足基本的电动机调速及控制功能，价格比起数字式芯片又具有一定优 势，因此，低端市场很大。 （4）无刷直流电机专用控制芯片 MC33035 作为单片直流无刷电机控制的高性能系列芯片之一的 MC33035。它内部具备实现一个 有限特征、开环、三相或四相电动机控制系统所需要的全部功能，此外，它还可控制直流 有刷电机。MC33035 采用双极性模拟工艺制造，可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品 质和高稳定性。 本文采用基于 MC33035 芯片的控制方案，配合 MC33039 电子测速器组成无刷直流电 动机闭环速度控制集成电路 。6五邑大学本科毕业设计2.1.5 逆变器件逆变器件是换相的执行环节，从加世纪 50 年代普通的反向阻断型晶闸管研发出来后， 随着电子技术和半导体制造工艺的发展， 先后有 GTR、 GTO、 MOSFET、 IGBT、 IPM、 IGCT 等开始了应用。在逆变电路中，可供选择的器件有:SCR、GTO、GTR、MOSFET、(BT 等。 其中，SCR 为半控型器件，CTO、GTR、MOSFET、IGBT 是全控型器件。GTR 的应用， 使电力电子电路由半控型转为全控型， 并在不同程度上克服了 SCR 电路存在的缺点， 因而 在中小功率领域中出现了 GTR 电路取代 SCR 电路的局面。和 MOSFET 相比较，GTR 具 有导通内阻低和阻断电压高的优点，但其输入特性却远逊于 MOSFET。因为 GTR 是一种 电流控制型器件，其开通增益很低，这对大功率器件控制电路的电磁干扰的消除、制作工 艺和电能消耗都是沉重负担。在硬开关环境中，GTR 的典型开关频率仅为 5kHz，这显然 无法满足上述要求;与此相反，MOSFET 是一种电压型器件，消耗的功率极低;同时它又是 一种高频器件，工作频率可达 100kHz，完全能在超音频硬开关环境中工作。但 MOsFET 管正常工作时，其工作在欧姆区，导通电阻比较大，单管容量有限，一般只适用于电压较 低、电流较小的小功率电路中。GTR 和 MOSFET 的优缺点具有明显的互补性，而 IGBT 的输入特性和开关频率与 MOSFET 相似，而输出特性和开关容量则与 GTR 相似，实际上 它是一种用 MOS 门控制的晶体管。但带来良好性能的同时，IGBT 管的价格也增加不少， 比 MOSFET 管、CTO 管高出很多。目前在小功率且工作电压较低的逆变控制器中，还是 MOSFET 管的市场占有率比较高。于是从实用和成本角度考虑，本次逆变器件选用 MOSFET 管2.2 电机的运行原理有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的 磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。无刷直流电机的运 行原理和有刷直流电机基本相同。 无刷直流电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动 与定子绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生 旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，改变定子绕组 的通电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使 无刷直流电机运转起来。 无刷直流电机控制器主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特 点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电 1/3 的时间，另外那时间处于 断开状态，没有得到充分的利用,所以我们采用三相全控式电路。如下图 2.3 所示：7五邑大学本科毕业设计图 2.3 三相全控式逆变电路 这里选定主回路为三相桥式全控星型连接无刷直流电动机主回路，其导通方式主要有 两种，一种是二二导通方式，一种是三三导通方式。在两两导通时，每个时刻都有两个功 率开关管导通，每隔 60°电角度换相一次，每个功率开关管导通 120°电角度。如果认定 流入绕组的电流产生的力矩方向为正，则从另一个绕组流出的电流产生的力矩方向为负， 则它们的合成力矩图如图 2.4 所示，其合成力矩为 3 Ta。 在三三导通时，每个时刻都有三个功率开关管导通，每隔 600 电角度换相一次，每个 功率开关管导通 180 电角度。如果认定流入绕组的电流产生的力矩方向为正，则从另一个 绕组流出的电流产生的力矩方向为负，则它们的合成力矩图如图 2.5 所示，其合成力矩为 1.5Ta。图 2.4(a) 二二导通(A,-C 通电)图 2.4(b) 二二导通(-C,B 通电)8五邑大学本科毕业设计图 2.5(a) 三三导通(A,-B,-C 通电) 图 2.5(b) 三三导通(A, B,-C 通电) 另外，比较两种通电方式可见：在二二通电方式下，每个管子均有 60°角度的不导通 时间，不可能发生直接短路故障。而在三三通方式下，因每个管子的导通时间为 180°角 度，一个管子的导通和关断稍有延迟，就会发生器件损坏。而且，两相导通三相六状态工 作方式很好地利用了方波气隙磁场的平顶部分，使电机出力很大，转矩平稳性好。2.3 本章小结本章简述了电机具体构成部分和各器件延伸介绍以及本次设计初定选用的器件，在介 绍电机运行原理中，通过控制回路的效率分析，采用三相全控式逆变电路，而通电方式的 选采中，考虑到工作时器件的安全性和有效力矩的比较，决定选用二二通电方式9五邑大学本科毕业设计 第 3 章 无刷直流电机本体的设计3.1 电机设计的主要设计指标[1] 额定输出功率 [2] 额定电压 [3] 额定转速 [4] 额定效率P N ＝1000 WU N ＝ 220 V n N ? 3000 r / min? N ? 87 %I N＝ PN ＝ 1000 0 . 87 ? 220 ＝ 5 . 22 A于是，有：[5] 额定电流 [6] 计算功率P ＝（‘?NU N1＋ 2 ? N / 100 3 ? N / 100Ea ?） PN ?'1 ? 2 ? 0 . 87 / 100 3 ? 0 . 87 / 1 0 0? 201 . 15 V? 1 0 0 0? 1 0 5 W 0[7] 感应电动势初值计算P?1050 5 . 22IN3.2 电机转子及永磁体和定子的尺寸计算转子方面 [8] 极对数 p=4 钕铁硼 钕铁硼，是应用最多的新型永磁材料，在正常温度下，其[9] 永磁材料类型剩磁 B r 可达 1.29T，矫顽力 H c 可达 987KA/M，这种材料退磁曲线也呈线性，是用来制造永 磁电机的理想材料。但是它的温度系数较高，在高温下容易退磁，所以这种材料制作的电 机在低温下运行特性很稳定。 [10] 电枢铁心材料 D23硅钢片本身为软磁材料，软磁材料的磁滞效应较小，其较高的磁导率，使得磁阻很小， 这样，小磁阻和高磁导使得电机在通入交流电时铁心损耗很小。10五邑大学本科毕业设计通过集中材料性价比的综合考虑，定子铁心、转子铁心采用了 D23 号钢。B (tesla) 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0 00 H(ampere-turns per meter ) 铸铁D23硅钢片 铸钢软磁材料 B-H 磁化曲线 [11] 长径比预估值? ＝ 0 . 80[12] 在给定的功率和转速下，电机的主要尺寸基本取决于电磁负荷的选取，其关系为：D a Lef ? L ef Da26 . 1 ? 104 '? i A B?'?P' nN? ?电机长径比的选择对电机的性能、 重量、 成本有很大影响。 在用次直流电机设计中，L ef Da一般取 ? ? 0 . 6 ~ 1 . 5 。将 ? ?6 . 1 P ? 10' 3 ' ' 4代入公式 3.10 可得到电枢直径 Da 的计算公式：6 . 1 ? 1050 ? 104电枢直径Da ?? i A B? n N ??30 . 74 ? 213 ? 0 . 4 ? 3000 ? 0 . 8? 7 . 5 cm[13] 电枢长度 [14] 极距?＝L a ? ? D a ? 0 . 8 ? 7 . 5 ? 6 cm?D a2p?3 . 14 ? 7 . 5 2?4? 2 . 94 cm[15] 气隙长度 ? ＝ 0 . 15 cm 永磁电机的气隙长度是影响制造成本和性能的重要设计参数，为使电机安全运行，一般 将气隙确定在 0.5～1 毫米之间。对于钕铁硼永磁材料 H c 很高， ? 可以取的大一些。 [16] 永磁磁极结构 瓦片形11五邑大学本科毕业设计[17] 极弧系数?p? 0 .7[18] 磁瓦圆心角 ? p对于瓦片形结构 ? p ? ? p ? 180 ? ? 0 . 7 ? 180 ? ? 126h M ? 0 . 3 cm?[19] 永磁体充磁方向长度永磁体充磁方向长度 h M 与气隙 ? 大小有关。通常先根据电机的磁动势平衡关系预估 h M 初值，再根据具体的电磁性能计算进行调整； h M 的大小决定了电机的抗去磁能力。 [20] 永磁体轴向长度L M ? L a ? 6 . 0 cm对于稀土永磁材料，一般取永磁体轴向长度 L M 与电枢铁心长度 L a 相同。 [21] 电枢计算长度 L ef ? L a ? 2 ? ? 3 . 0 ? 2 ? 0 . 15 ? 6 . 3 cm [22] 永磁体内径 D mi ? D a ? 2 ? ? 2 h p ? 7 . 5 ? 2 ? 0 . 15 ? 2 ? 0 ? 7 . 8 cm [23] 永磁体外径 [24] 电枢圆周速度 [25] 齿高 h t 取 0.6cm [26] 工作气隙 ? ＝ 0 . 15 cm [27] 转子外径D e 2 ? 7 . 2 cm L M ? L a ? 6 . 0 cm D mo ? D mi ? 2 h M ? 7 . 8 ? 2 ? 0 . 3 ? 8 . 4 cmVa ??D a n N6000?3 . 14 ? 7 . 5 ? ? 11 . 7 7 5 / s m[28] 圆柱形转子磁钢的轴向长[29] 磁钢的中心截面积 2 S M ? b M L M ? 6.4 ? 6＝38.4 cm 2 [30] 磁钢沿磁场方向一对磁极的平均长度 L Mj ? 5.4cm 电枢冲片材料选用 LJ22定子方面 [31] 电枢冲片外径D e 1＝10 . 0cm12五邑大学本科毕业设计[32] 电枢冲片内径 [33] 电枢铁芯长度 [34] 距极 [35] 齿数 [36] 齿距 [37] 齿宽?＝ ? D i12pD l1 ? 7 .5cml t 1 ? 6 . 0 cm? 3 . 14 ? 7 . 5 2?4 ? 2 . 94 cmZ ?9t ?? D i1Z?3 . 14 ? 7 . 5 9? 2 . 62cmbt ?tB ? B t K Fe?2 . 62 ? 0 . 4 1 . 4 ? 0 . 93? 0 . 8 cm[38] 电枢轭部高度h j1 ?? ? ? 104?6 . 06 2 ? 6 . 0 ? 1 . 8 ? 0 . 93＝ 0 . 3022 l t 1 B j 1 K Fecm，取 h j 1 ? 0.3cm式中 K Fe DD冲片迭装系数； B t DD齿磁密； B j 1 DD轭部磁密。 [39] 机座材料 铸钢 [40] 机座长度L j ? ( 2 . 0 ~ 3 . 0 ) L a ? 2 . 5 ? 6 . 0 ? 15 cm[41] 机座厚度hj ?? a i? L ef B ?'2L jB' j?1 . 065 ? 0 . 7 ? 2 . 94 ? 3 . 3 ? 0 . 4 2 ? 15 ? 1 . 5?0.6cm3.3 电机绕组，排列方式以及其性能计算电机电枢绕组的详细计算 电动机采用三相星形绕组和全桥式电子换向电路，组成“星形三相状态” 。按照技术条 件， T ? 9550 由P n得负载力矩为 3.1833N/m,电动机转速稳定在 3000r/min。 根据经验和分析，当电源电压为 220V 时，电动机在没有稳速的情况下，应在 4000r/min 上运行。若选启动力 矩为额定力矩的 4.6 倍，即 14.6432N/m,就可作出机械特性，并可求得理想空载转速n0 ?5110r/min。[53] 为便于磁路计算，将轴向分布不均匀的气隙磁密径向分量等效为均匀分布的矩形波，13五邑大学本科毕业设计其高度为 B ? ,宽度为 L ef 。根据换算前后磁通不变的原则，有 B ? ? [54] 电枢绕组每相匝数W1 ? 10 (U ? 2 ? U T ) pn 0 K dp ? ? ? 10 ? 210 4 ? 5110 ? 0 . 958 ? 0 . 00055 ＝194 . 98??L ef?0 . 33 6? 0 . 055Wb，式中?n0 ?5110r/minK dp ? K sk K d=0.992 ? 0.966 ＝ 0.958 ， 其 中Ksk?s i n 2?2?0.992 ， ? ??mq??3? 2??6，Kd ?sin ? q sin?2?sin 30 2 ? sin? ?? 0 . 96630 2， ? ＝ 30 ? ，取 W 1 ? 196 ; q=2。[42]电枢绕组的导体数N 0 ? 2 mW 1 =1176[43]每槽导体数1176 9Wy ? Ns 2 ? 65Ns ?? 130[44] 每元件匝数[45] 电枢绕组每相电阻计算值R1 ?’3 pW 1? ?? ??M2 'emav? ? 3 ? ?? ? ? 3 ?U ? ? U T ? ? E m ? ? ?? ? 4 3 ?? ? ? ?? ?=?? ?? ??3 ? 4 ? 196 ? 0 . 00055 3 . 142? 3 . 14 ? 1 . 732 ? ?1 . 732 ? 220 － 5 ?－129 . 67 ? ＋ 3 ? 0 . 65 ? 3 . 3022 ? 4 ?2 ? 4 . 44 60 pn N W 1 K dp ? ?=11( ? )＝129 . 67 V ） （式中 E m ?Memav=1 . 414 ? 4 . 44 ? 4 ? 3000 ? 196 ? 0 . 958 ? 0 . 00055 60 ? 3 . 1833?1 ? 3? 4?Mav=1＋ 3 ? 0 . 87 4 ? 0 . 87=3.3022? ? 0 . 87Mav? 3 . 1833 N / m[46] 电枢绕组导体截面积S0 ? 2 ? W 1l c a R1?v＝2 ? 0 . 0175 ? 196 ? 0 . 25 4 . 33=0.396 mm2式中? DD 20 C 时电工铜的电阻率， ? ＝0.0175 ? ? mm142/m；五邑大学本科毕业设计l cav ? l t 1 ? K? D avZy1 ? 2l E av＝6＋ 1 . 1 ?3 . 14 ? 7 . 8 9?6＋2 ? 0.5＝25cm；lc avDD平均半匝长度（cm） D av DD电枢槽高平均直径（cm） ； ；； y 1 DD电枢绕组的第一节距（用槽数表示）lk avDD电枢绕组端部伸出的平均长度（cm） KDD经验系数。 ；[47] 电枢绕组导线规格的选定导线牌号 铜 线 公 称 直 径d c （mm）截面积S c （ mm21 欧姆的长度 ）r c ( 20 C?绝缘导线最大直径) m/ ? ） d i （mm） （ 0.34QZ0.29 六根并绕0.06613.77绕组排列方式 在无刷直流电机中采用双层短距绕组，不仅可以消除谐波，还可以适当提高电机的转 速。双层绕组的线圈数等于槽数，每个槽有上下两层，双层有叠绕和波绕，这里选择叠绕,z ? 9 槽、 p ? 4，并联支路数 a=1, 无刷电机中的分数槽绕组，该绕组的线圈嵌放在定子铁芯槽中，与转子上 N-S 极交替排布的磁极相对应，绕组的节距为 1 槽距，双层叠绕。1 2 N 3 S 4 5 N 6 S 7 8 9-C A-A B-B C-C A-A B-B C-C A-A B-B CC相流入A相流入 B相流入 C相流入绕线方式[48] 电枢绕组每相实际电阻值（ 20 ? C ）15五邑大学本科毕业设计R1 ? 2W 1 l cav rc ( 20 C )?? 10?2=2 ? 196 ? 25 6 ? 3 . 77? 10?2=4.33( ? )[49] 槽形为半梨形槽，槽口宽度为 0.16cm,槽口高度为 0.08cm，槽上部半径为 0cm，槽下 部半径为 0.13cm，槽上部倒角半径为 0.1cm，槽上部高度为 0.1cm，槽上部宽度为 0.57cm， 槽下部宽度为 0.26cm，槽上部倒角圆心距为 0.37cm。 槽满率 K s ?(6N? di Ss2＝6 ? 130 ? 0 . 34 150 . 92＝0.60?D d1Z式中 S s ? =[? bt ) ? ( 2?D 2Z? bt ) ?D d1 ? D 2 2?[? (D d1 ? D 2 )2Z? bt ] ?D d1 ? D 2 23 . 14 ?8＋ 6 . 2 ? 18－ 0 .8 ] ?8 ? 6 .2 2?1.509性能计算 [50] 平均电枢电流I av ? 1 . 5 ?U ? 2 ? U T R1 I st ? U ? ?U T R1?? 1 . 432Em R1 ?=1 . 5 ? 220 －10 ? 4 . 33－1 . 432 ?129 . 67 4 . 33＝ 29 . 86 A[51] 起动电流 [52] 起动力矩Mst215 4 . 33? 49 . 65 A? 0 . 911pW 1? ?? ? R1'?U? 2?U T??0 . 911 ? 196 ? 4 ? 0 . 00055 ? 210 0 . 65 ? 4 . 33? 2 . 931 N ? m[53] 理想空载转速 [54] 式中 线负荷NcaAs ?按技术条件的要求可求得理想空载转速 n 0 ? 4000 r / minN cav I av n ? D il ? 1176 ? 29 . 86 16 ? 3 . 14 ? 7 . 5 ? 93 . 19 A / cmvDD电枢绕组平均通电导体数； nDD导线并联根数。3.4 本章小结本章先初定该电机的主要设计参数：极数槽数，额定输出功率，额定电压等并参考资 料完成电机本体各部分（转子，定子）的材料选用，尺寸计算，绕组匝数和排列方式的确 定，并通过技术资料的对比，选取最优方案。最后电枢性能的计算为电机控制系统的部分 参数和部件的选定作了充分准备。16五邑大学本科毕业设计 第 4 章 基于专用芯片 MC33035 的无刷直流电动机控制器4.1 MC33035 芯片及外围电路简介4.1.1 MC33035 芯片MC33035 是 MOTOROLA 公司的第二代无刷直流电机器专用集成电路系列， 外接功率 开关器件后，可用来控制三相、两相或四相无刷直流电机，还可以对有刷直流电机进行控 制;配合 MC33039 闭电子测速器作 F/V 转换，引入测速反馈后，还可构成闭环速度调节控 制器。 MC33035 无刷直流电机控制器采用双极性模拟工艺制造， 可在任何恶劣的工业环境条件下 保证高品质和高稳定性。该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对 传感器的温度进行补偿的参考电平，同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个 误差信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用 于驱动功率场效应管（MOSFET）的大电流图腾柱式底部输出器。此外，MC33035 还有欠 锁定功能，同时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。 其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、以及运行使能等。 MC33035 采用 24 脚 DIP 封装，其引脚功能具体见表 4.1。17五邑大学本科毕业设计表 4.1 MC33035 引脚功能图 其内部结构原理图见图 4.2。图 4.2 MC33035 内部结构原理图4.1.2 MC33035 引脚功能介绍（1）电动机起停由 7 脚使能端实现。当 7 脚悬空时，内部 25?A 电流源使输出电路工 作正常。当 7 脚接地时，三个上侧驱动输出开路，三个下侧输出强制为低电平，使电动机 失去激励而停车，同时故障信号输出为零。 （2）制动信号:当加到 23 脚上的制动信号为高电平时，电动机进行制动操作。它使三 个上侧驱动输出开路，下侧三个驱动输出为高电平，外接逆变桥的下三路导通，使电动机 三个绕组端对地短接，实现能耗制动。当加到 23 脚上的信号是低电平时，经过一个非门 后，使加到控制器上的信号都起作用，从而使电动机正常工作。 （3）误差放大器:该芯片内设有高性能、全补偿的误差放大器。在作开环速度控制时， 一般将增益为 1 的电压跟随器，将 12 脚、13 脚短接。 （4） 锯齿波震荡器:内部震荡器震荡频率由外接定时元件 Ct 和 Rt 决定。 每个震荡周期 由基准电压 Vref 经 Rt 向 Ct 冲电，然后 Ct 上电荷通过内部一晶体管迅速放电而形成锯齿 波震荡信号。一般情况下，其震荡频率设定为 20~30kHz。 （5）脉宽调制器:由内部电路图可知，误差放大器与震荡器输出锯齿波信号比较后， 产生脉宽调制信号，控制三个下侧驱动输出。改变输出脉冲宽度，相当于改变开关管的导 通时间，从而改变加到电动机绕组上的平均电压，电动机转速就发生改变。 （6）电流限制:在内部原理图中，100mV 基准电压，作为电流限流基准。当 9 脚输入 电压超过 100mV 时，则比较器翻转，使下端 RS 触发器重置，将使控制器关闭，以限制电 流继续增加。 （7）欠电压保护:在三种情况下，关闭驱动输出，本芯片 Vcc 电压不足、Vc 不足(典型18五邑大学本科毕业设计值低于 9.1V)， 基准电压不足(典型值低于 4.5V)， 以保证芯片内部全部工作正常和向下侧驱 动输出提供足够的驱动电压。另外，欠电压没有锁存功能，电压恢复后，控制器会正常工 作。在调试中，经常可以看见 MC33035 的故障灯会经常闪烁，就是此原因。 （8）故障信号输出:14 脚是故障输出信号脚，它是 OC 门输出，可外接 LED 作故障显 示。当有不正常的位置传感器输入状态、过电流输入、欠电压、芯片过热、使能端为低电 平时，14 脚则为低电平。 （9）驱动输出:1、2、24 脚是 OC 门输出，驱动上三路开关管，在实际应用中，需要 外加上拉电阻，吸入电流能力为 50mA，耐压为 40V;19、20、21 为下三路驱动输出，输出 是推挽输出，内部带有+12V 电源，可直接驱动下三路驱动开关管。4.1.3 电子测速器 MC33039MC33039 电子测速器是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路。采用 MC33039， 系统不必再使用较高价格的电磁式或光电式测速机， 就可实现精确的调速控制。 MC33039 可直接利用三相无刷直流电动机转子位置 F/V 将其变换成传感器的三个输出信 号，并经正比于电动机转速的电压。MC33039 是一个 8 脚双列直插窄式集成电路块,如图 5.4 所示。其中，1、2、3 脚是带有低压限位的施密特触发器输入的输入信号接收引脚 5 脚 输出的 Fout 信号其直流分量与转速成正比。 MC33039 是一款高性能的闭环速度控制芯片，如图 5.5 所示，该芯片包含三个输入缓 冲，每路输入缓冲都带有一个延时器以提高抗干扰能力，此外，MC33039 还带有三个数字 信号边沿检测器,一个可编程单稳态以及一个内部并联调节器。 同时该芯片还包含一个变换 器输出，故可满足要求传感器进行相位转换的系统。虽然 MC33039 芯片主要与 MC33035 芯片构成无刷电机控制器， 但也可以有效地、 廉价地在其它闭环速度控制中应用。 MC33039 的主要特点如下： （1）可对每个输入变化进行数字检测，以用于改进低速电机的工作； （2）与 TTL 输入兼容，带滞后； （3） 可直接由 MC33035 参考源供电，运行电压可低至 5.5V； （4）内部旁路稳压器允许从非稳压的电源中获得电源； （5）带倒相器输出，可提供方便的 60°/300°或 120°/240°传感器相位转换。图 4.4 MC33039 引脚图19五邑大学本科毕业设计图 4.5 MC33039 内部结构图4.1.4 反向器 4584由于后一级驱动电路采用 R2103 来实现，R2103 驱动六路 N 沟道功率 MOSFET 或 IGBT，而现在的信号输出驱动的是上三桥是 N 沟道功率 MOSFET 或 IGBT，下三桥是 P 沟道功率 MOSFET 或 IGBT， 因此下三桥需要进行反向变换。 MC33035 输出信号是 CMOS 信号， 所以选用 CMOS 电路反向器 4584。4.2 转子位置反馈4.2.1 霍尔传感器原理霍尔元件的工作原理：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。 把霍尔元件集成的开关按预定位置有规律地布置在物体上，当装在运动物体上的永磁 体经过它时，可以从测量电路上测得脉冲信号。根据脉冲信号列可以传感出该运动物体的 位移。若测出单位时间内发出的脉冲数，则可以确定其运动速度。 其原理图和元件图如图 5.6 和图 5.7 所示。20五邑大学本科毕业设计图 4.6 霍尔元件原理图图 4.7 霍尔元件元件图4.2,2 霍尔传感器反馈在本控制器中，在转子位置信号的位置反馈上选用霍尔集成电路传感器，霍尔集成电 路传感器分为两大种，开关性霍尔传感器和线性性霍尔传感器。根据控制器的需要，我们 选用开关性霍尔传感器，在开关性霍尔传感器中，又细分为“锁存性”开关霍尔传感器和 “开关性”开关传感器，其动作特性分别见图 5.6，图 5.7。图 4.8 “锁存性”开关霍尔元件动作特性 图 4.9 “开关型”开关霍尔元件动作特性 “开关型”开关霍尔元件释放点是 S 极消失的时候， “开关型”没有锁存功能，也就是 说，当 S 极由远到近接近霍尔元件时，霍尔元件附近的场强(B)越来越大，当 B 高于 Bop 时， “开关型”的 OC 门输出开始导通。当 S 极远离霍尔元件时，霍尔元件附近的磁感应强 度(B)越来越小，当 B 低于释放值 Brp 时，OC 门开始由导通变为截止。在“锁存型”霍尔 元件中，它的导通动作和“开关型”的导通动作是一样的，但它的截至动作是不一样，当 S 极到来霍尔元件导通后，在 S 极离开以后，霍尔元件的导通并不改变，而是继续保持， 就相当于把开关状态锁存起来。据其两特性，本系统选择“开关型”开关霍尔元件。4.2.3 霍尔传感器在电机中的应用与安装如图 5.10 所示，在电机定子的适当位置放置三个霍尔传感器件，每个按 60°/120° 的角度间隔放置，要在垂直转轴的同一平面上，其位置传感器转子放在该平面的转子上， 霍尔传感器件的输出与相应的定子绕组的供电电路相连（此处为芯片 MC33039 的三个位置 信号输入端） 。当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一 个电压使定子绕组供电电路相通，给相应的定子绕组供电，产生和转子磁场相同的磁场，21五邑大学本科毕业设计推斥转子继续转动。到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下位的霍尔器件导通， 使下一绕组通电，转子继续转动。如此循环，维持电机的工作。 在这里霍尔器件起传感器的作用，检测转子的磁极位置，它的输出使定子绕组供电电 路通断，又起开关作用。另外，利用霍尔效应的表达式：Uh=KhIB,当被测圆盘装上 N 只磁 性体时，圆盘每转一周磁场就变化 N 次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电逝 通过放大，整形和记数电路（MC33039）就可以测量被测物体的转速。 根据多极电机中霍尔元件传感器空间位置按照电角度来放置的原则，本系统（8 极） 三个霍尔元件传感器隔 120°电角度放置， 4 极电机空间相隔的角度为 60°的机械角度。 如图 4.10 霍尔传感器的安装4.3 功率器件 IR2103此驱动电路采用三相六步全桥驱动, 功率元件采用 N 沟道 MOSFET , 而驱动元件采用 美国 IR 公司栅极驱动专用电路 IR2103, 其独有的 HVIC（High- Voltage Integrated Circuit）技术使得它可以用来驱动工作在母线电压高达 600 V 的电路中的器件。如 5.11 图所示,VCC(1 脚)为芯片的工作电源, 它为低压侧和逻辑固定电源,VB（8 脚）通过上面所 设计的开关电源为高压侧提供悬浮电压,HIN（2 脚）和 LIN（3 脚）分别为驱动上下桥臂的 逻辑输入信号,HO（7 脚）和 LO（5 脚）分别输出高压侧和低压侧 MOS 器件的驱动信号, 逻 辑输入信号与 CMOS 电平兼容, 输出栅极驱动电压的范围为 10～20V , 开关时间的典型值 为 Ton=680ns, Toff=150ns, 死区时间的典型值为 520ns, 死区时间是用来防止由于器件 关断延时造成的直臂导通现象。 图 5.12 中的功率驱动电路为本系统三相全桥驱动电路中的一相, 其余两相的驱动电 路与此相相同。图 4.11 IR2103 的引脚图22五邑大学本科毕业设计图 4.12 IR2103 的功率功率驱动电路 (1)MOSFET 具有工作频率高(几十千赫至几百千赫，低压管可达兆赫)，开关损耗很小， 安全工作区宽，几乎不存在二次击穿问题，漏极电流为负温度特性(易并联)，输入阻抗大， 是电压控制自关断的器件，但由于其导通电阻与 U 2.5 成正比，随着电压的增加，开关管上 的压降会成 2.5 次方上升，损耗的功率就会非常大，这就限制了 MOSFET 管在高频大功率 中的应用。 (2)IGBT 具有 MOS 和双极型器件的突出优点，可以实现高压、大电流的应用，一般情 况下其最大工作频率为 20kHz 左右，价格较贵。 (3)IPM 是在 IGBT 的基础上加上保护信号，因此称为智能功率模块，价格最贵。 由于本系统设定的额定电压个额定转速都不高，从成本角度出发，选用 MOSFET 中的 IRF3205 低阻场效应管作为逆变器件4.4 无刷直流电机闭环速控系统设计4.4.1 系统原理MC33035 和 MC33039 这两种集成芯片也可以方便地完成无刷直流电动机的正反转、运 转起动以及动态制动、过流保护、三相驱动信号的产生、电动机转速的简易闭环控制等。 利用专用集成芯片构成的无刷直流电机控制系统，具有集成度高、速度快及完善的保护功 能等特点。驱动电路结构简单，因而整个线路外围元件少、走线简单，可大大减小逆变器 体积。 该闭环速度控制系统用三个霍尔集成电路作为转子位置传感器。用 MC33035 的 8 脚参 考电压（6.24V）作为它们的电源，霍尔集成电路输出信号送至 MC33035 和 MC33039。系统 控制结构框图如图 5.13 所示，MC33039 的输出经低通滤波器平滑，引入 MC33035 的误差放 大器的反相输入端， 而转速给定信号经积分环节输入 MC33035 的误差放大器的同相输入端， 从而构成系统的转速闭环控制。23五邑大学本科毕业设计图 4.13 系统控制原理图4.4.2 控制电路设计采用上述专用控制芯片设计的无刷电机控制系统的硬件电路如图 5.13 所示。 （其最高 转速设置为 3000r/min，即 50r/s）图 4.13 无刷电机控制系统电路原理图 电路说明：24五邑大学本科毕业设计电容：C1=C2=C3=C5=C7=0.1?F,C4=750Pf,C6=10MF,C8=0.01?F 电 阻 ： R1=R4=1M Ω , R2=5.1k Ω , R5=10k Ω , R3=100k Ω , R6=R13=1k Ω , R7=400 Ω , R8=R9=20Ω , R10=100Ω , R11=33Ω , R12=0.05Ω /1W,4.4.2 系统信号驱动原理该系统的无刷直流电机内置有 3 个霍尔效应传感器用来检测转子位置,一旦决定电机 的换相,并可以根据该信号来计算电机的转速。传感器的输出端直接接 MC33035 的 4、5、6 管脚。当电机正常运行时,通过霍尔传感器可得到 3 个脉宽为 180 度电角度的互相重叠的 信号,这样就得到 6 个强制换相点,MC33035 对 3 个霍尔信号进行译码,使得电机正确换相。 从电机转子位置检测器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。另一 方面，转子位置检测信号还送入 MC33039，经 F/V 转换，得到一个频率与电机转速成正比 的脉冲信号 FOUT，其通过简单的阻容网络滤波后形成转速反馈信号，利用 MC33035 中的误 差放大器即可构成一个简单的 P 调节器，实现电机转速的闭环控制。 MC33039 由 MC33035 的 6.25V 参考电平(引脚 8)供电。 而被 MC33035 用作转子位置译码 的霍尔传感器的输出信号，也同样可以被 MC33039 使用。在任何一个传感器上，每一个霍 尔传感器信号的正或负的跳变，都可以使 MC33039 产生一个有一定幅度和持续时间脉冲， 其参数由外部电阻 R5 和电容 C2 确定。MC33039 的引脚 5 的输出脉冲串波被 MC33035 的误 差放大器 (预置为积分器)积分，便可以产生一个直流电平，该电平与电机转速成正比。 这种与速度成正比的电压可在 MC33035 电机控制器的引脚 13 处建立一个 PWM 参考电平， 并将其闭合成反馈环路。MC33035 的输出用于驱动功率管。 3 个功率管的下桥三路驱动信号可直接驱动 N 沟通功率 MOSFET 的 IRF3205(下侧功率 MOSFET 由高电平驱动)，上桥三路驱动信号可直接驱动 P 沟通功率 MOSFET 的 IRF3205。 MC33035 的 1、2、24 脚的信号经过 IR2103 放大，19、20、21 脚的信号经过 IRF3205 得到 的信号驱动无刷直流电动机转动。U、V、W 分别与无刷直流电动机三相绕组成星形接法。 每次各有一个上侧功率 MOSFET 和一个下侧功率 MOSFET 导通且受 MC33035 的控制。正常工 作时，上下两个导 MOSFET 应不在同一桥臂上。4.4.2以 MC33035 为核心的控制单元MC33035 直流无刷电机控制器的正向/反向输出可通过翻转定子绕组上的电压来改变电 机转向。当输入状态改变时,指定的传感器输入编码将从高电平变为低电平,从而改变整流 时序,以使电机改变旋转方向。电机通/断控制可由输出使能来实现,当该管脚开路时,连接25五邑大学本科毕业设计到正电源的内置上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序。而当该脚接地时,顶端驱动 输出将关闭,并将底部驱动强制为低,从而使电动机停转 MC33035 芯片的外围电路十分简单，所需的外围元件连接设计主要有以下两种： (1)振荡器 MC33035 的振荡器元件参数为：R2 选 5.1kΩ ，C2 选 0.01μ F，PWM 频率约 为 24kHz。其连接方式如图 5.14 所示 (2)误差放大器 MC33035 中的误差放大器外围电路参数如图 5.15 所示。开关闭合时，则为开环速度控 制，此时放大器被接成增益为 1 的电压跟随器；而开关断开时，则为闭环速度控制，此时 放大器增益为 10。图中的电容 C3 起平滑滤波作用。图 4.14 MC33035 振荡器外围连接图图 4.15 MC33035 误差放大器外围连接图4.4.3 速度检测与给定（1）速度检测 通过 MC33039 可利用转子位置传感器的输出信号，经变换得到正比于电动机转速的脉 冲信号 FB，并将该信号反馈给控制器，即可形成转速闭环控制。其连接方式是将 MC33039 的管脚 1、2、3 接 5 的输出接 MC33035 位置传感器三个信号；管脚的 12 脚 (即误差放大 器反相输入端)；管脚 7 接地；管脚 8 接 MC33035 的管脚 8(即其基准电压)；管脚 6 和 8 则 连接定时元件 R1、C1。由于该设计中的电动机是八极的，因而从 MC33039 的管脚 5 输出的 脉冲数是电动机每一转输出的 (3×8=24 个)脉冲数。 本设计是按电动机的最高转速来选择 定时元件。 设计中， 电动机的最高转速为 3000r/min(即 50r/s)。 此时每秒输出 50×24=1200 个，即频率约为 1200Hz，周期的脉冲数是约为 0.83ms。根据 MC33039 的说明书，可取定 时元件 Rl 为 1MΩ 、Cl 为 750pF、单稳态电路产生脉冲的宽度为 950μ s。 （2）速度给定 速度给定是速度环的一个组成部分。本系统采用的是电位器给定的方式，电位器接在 0~6.2V 之间，给出的模拟电压幅值在 0~6.25V 之间。在管脚 8 与 11 之间加一个电位器可 以控制速度的大小，两管脚之间的电阻越小，速度越快。图 4.16 为系统由匀速到加速的 时序图。26五邑大学本科毕业设计图 4.16 电机由匀速到加速的时序图。4.4.4 故障检测和保护本设计由于采用了专用芯片 MC33035，所以，故障检测和保护就显得比较容易。设计 中主要采取了以下几种检测和保护手段： （1）低压与过热保护 MC33035 的 17 管脚的输入电压低于 9.1V 时,由于 17 脚的输入连接内部一比较器的同 相输入端,该比较器的反相输入为内部一 9.1V 标准电压 ,此时 MC33035 通过与门将驱动下桥的三路输出全部封锁,下桥的三个功率三极管全部 关断,电机停止运行,起欠压保护作用。过热保护等功能是芯片内部的电路,无需设计外围 电路 （2）电流限制 采用分流电阻来进行电流检测的电路示意图如图 5.16 所示。 其中分流电阻接在功率驱 动桥的下 MC33035 的管脚 9 内端与功率板地线之间。因为部连接着比较器的正相输入端， 故该比较器的反相输入端可为芯片内部提供 100mV 的标准电压。分流电阻的阻值一般比较 小，本设计中采用康铜丝来代替， R12 取值为 0.05Ω /1W。图 4.17 MC33035 电流限制连接 事实上，由分压关系可得：R1 0 R1 1 ? Im a x * R 1 2 10027? 1 ,式中，Imax为电机最大允许电流 (设为 8A)；R12 为分流电阻；100(mV)代表的是过流检测比较器的反相输入端的输入电压，管五邑大学本科毕业设计脚 9 的输入电压为过流检测比较器的正相输入端，这样，通过选择合适的 R8、R9(阻值尽 量大)的值，并满足以上比例关系，便能起到很好的过流保护作用。对于本设计：R1 0 R1 1 ? Im a x * R 1 2 100 ?1 ? 8 * 0 .0 5 0 .1 ? 1 ? 3 。这样，可取R8 为 100Ω ，R9 为 33Ω 。图 4.13 中的 C5 为滤波电容。4.4.5 电机系统具体运行过程在控制器换相状态中，一共有 6 个状态，001、001、010、011、100、101、110;0 表 示霍尔元件的低电平状态， 表示霍尔元件的高电平状态。 1 空间霍尔元件分布如图 4.17 (a) 所示,取转子其中一对极为例。 功率开关管导通顺序为 VT1、 VT6?VT6、 VT5?VT5、 VT2?VT2、 VT3?VT3、VT4?VT4、VT1?VT1、VT6?循环导通。 如图 4.17 所示，三个霍尔元件传感器在空间的位置按相隔 120°电角度来放置。当在 图 4.17 (a)中时，转子磁极在 0°~60°电角度时，此时霍尔元件的反馈信号是 101，HI 霍尔元件传感器的反馈信号是 l，H2、H3 霍尔元件传感器反馈信号是 O、O;在此情况下， 导通的功率开关器件为 VT1、VT6。 当转子磁极转到 60°~120°时，如图 4.17 (b)所示，对于 H3 霍尔元件传感器，由于 转子磁极的 S 极到达 H3 的位置时，H3 反馈信号就从 l 变为 0，而 H2、Hl 的反馈信号不变， 此时反馈信号是 100。当反馈信号变为 100 时，导通的 VT1 功率开关管的触发信号 PWM 就 消失，Ql 管就关闭，同时 VT5 功率开关管就对应的 PWM 信号触发信号触发开，导通的功率 开关管就变为 VT6、VT5。图 4.17 (a)图 4.17 (b)当转子磁极转到 120°~180°时，如图 4.17 (c)所示，对于 HZ 霍尔元件传感器，由于 转子磁极的 N 极到达 H2 的位置时，H2 反馈信号就从 0 变为 1，而 Hl、H3 的反馈信号不变， 此时反馈信号是 110;当反馈信号变为 110 时， 导通的 VT6 功率开关管的触发信号 PWM 就消 失，VT6 管就关闭，同时 VT2 功率开关管就对应的 PWM 信号触发信号触发，导通的功率开 关管就变为 VT5、VT2。 当转子磁极转到 180°~240°时，如图 4.17 (d)所示，对于 Hl 霍尔元件传感器，由于 转子磁极的 S 极到达 Hl 的位置时，Hl 反馈信号就从 1 变为 0，而 H2、H3 的反馈信号不变， 此时反馈信号是 010;当反馈信号变为 010 时， 导通的 VT5 功率开关管的触发信号 PWM 就消 失，VT5 管就关闭，同时 VT3 功率开关管就对应的 PWM 信号触发信号触发，导通的功率开 关管就变为 VT2、VT3。28五邑大学本科毕业设计图 4.17 (c) 图 4.17 (d) 当转子磁极转到 240°~300°时，如图 4.17 (e)所示，对于 H3 霍尔元件传感器，由于 转子磁极的 N 极到达 H3 的位置时，H3 反馈信号就从 O 变为 1，而 Hl、H2 的反馈信号不变， 此时反馈信号是 011;当反馈信号变为 011 时， 导通的 VT2 功率开关管的触发信号 PWM 就消 失，VT2 管就关闭，同时 VT4 功率开关管就对应的 PWM 信号触发信号触发，导通的功率开 关管就变为 VT3、VT4。 当转子磁极转到 300°~360°时，如图 4.17(f)所示，对于甩霍尔元件传感器，由于转 子磁极的 S 极到达 H2 的位置时，H2 反馈信号就从 1 变为 0，而 Hl、H3 的反馈信号不变， 此时反馈信号是 001。当反馈信号变为 001 时，导通的 VT3 功率开关管的触发信号 PWM 就 消失，VT3 管就关闭，同时 Ql 功率开关管就对应的 PWM 信号触发信号触发导通的功率开关 管就变为 VT4、VT1。图 4.17 (e)图 4.17 (f)当转子磁极又转到 360°~420°即 0°~60°时，如图 4.17 (a)所示，对于 Hl 霍尔元 件器，由于转子磁极的 S 极又到达 H1 的位置时，Hl 反馈信号就从 0 变为 1，而 H2、H3 反 馈信号不变，此时反馈信号是 101。当反馈信号变为 101 时，导通的 VT4 功率开关管触发 信号 PWM 就消失，VT6 管就关闭，同时 VT6 功率开关管就对应的 PWM 信号触发信发，导通 的 功 率开 关管 就变为 VT1 、 VT6 。如 此循 环 反复 ，霍 尔元 件传 感 器的 导通 顺序 依为 101?100?110?010?011?001?101，则其对应的功率开关管导通的顺序依此为 VT1、 VT6?VT6、VT5?VT5、VT2?VT2、VT3?VT3、VT4?VT4、VT1?VT1、VT6。如下表格是电机 正反转开关导通顺序表。 电机正反转开关导通顺序表29五邑大学本科毕业设计位置传感信号（120°）SA SB SC正向/ 反向 F/R 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 VT1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0上侧驱动 VT3 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 VT5 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 VT4 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0下侧驱动 VT6 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 VT2 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 11 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 00 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 01 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1正向/反向：1 代表正向，0 代表反向；上下桥驱动：1 代表导通，0 代表关断。4.5 本章小结本章设计了基于专用芯片 MC33035 的无刷直流电动机控制器，转子位置传感器选用霍 尔传感器，功率开关管采用 MOSFET 管的低阻管 IRF3205，功率放大器 IR2103，并且设计 有 MC33039 转速反馈和过流保护等。并详细介绍各器件功能特性，和在系统电路中的工作 原理，最后详细论述了电机系统的运行过程。30五邑大学本科毕业设计结论本文完成的主要工作是三相八极九槽永磁无刷直流电机及其控制系统的研究，提出了 电机的具体设计方案;并设计了基于 MC 微控制器的数字控制系统。下面将本 人所做工作及论文内容总结如下: 1) 本文先初定该电机的主要设计参数：极数槽数，额定输出功率，额定电压等并参 考资料完成电机本体的材料选用，尺寸计算，绕组的确定，并通过技术资料的对比，选取 最优方案。 2)着重研究本电机系统的理论、实现方法，详细研究了三相电机的工作原理和换向过 程，成功地解决了三相无刷直流电机转子位置检测问题，合理地布置了三个霍尔传感器以 检测转子位置信号。 3）详细介绍了基于 MC 微控制器的数字控制系统三相八极九槽永磁无刷 直流电机控制系统软硬件结构。充分利用了 MC 专用控制功能，MC33035 能够 对霍尔传感器检测出的位置信号进行译码,它本身更具备过流、过热、欠压、正反转选择 等辅助功能, 组成的系统所需外围电路简单。MC33035 和 MC33039 这两种集成芯片也可以 方便地完成无刷直流电动机的正反转、运转起动以及动态制动、过流保护、三相驱动信号 的产生、电动机转速的简易闭环控制等功能，具有集成度高、速度快及完善的保护功能等 特点。 本课题虽然对该电机系统进行了研究，并得到了一定的结果，但是由于时间的缘故， 仍有一些工作需要进一步深入。如:1) 没有在数学模型的基础上建立了永磁无刷直流电动 机的 Matlab/Simulink 仿真模型，并对其正常运行和故障情况下进行了仿真研究。2)本文 没有对整个电机系统的抗干扰性能做详细的研究。3）为了使系统产品化、实用化、需要 对硬件部分做一些改进。如增加人机接口和通信模块、液晶显示模块、键盘输入模块等。31五邑大学本科毕业设计参考文献[1] [2] [3] [4] [5] 张珠.直流无刷电动机原理及应用.北京.机械工业出版社，1996 许上明.陈忠.微特电机设计程序. 电子工业部第二十一研究所 耿连发.吴延忠.现代永磁电机的发展趋势.沈阳工业大学学报，1999 王秀和.永磁电机.中国电力出版社，2007 濮良贵.纪名刚.机械设计.高等教育出版社，2005[6] 孙桓.陈作模.机械原理高等教育出版社，2005 [7] 张琛.直流无刷电动机原理及应用(第 2 版).机械工业出版社，2003 [8]Iman Edward.Analysis of PMSM drives for electric Vehieles,1998，SICE [9]P.Pilly.University of Neworlands，U.S.A.Design and evaluation of Current Controllers for PMSM.1990，IEEE32五邑大学本科毕业设计致谢值此论文完成之际，谨向所有关心、帮助我的老师、同学和朋友们致以最诚挚的谢意。 在李秀峰教授的悉心指导和谆谆教诲下，我们得以顺利地完成毕业设计论文，论文设 计过程中我们从老师和书籍中获取的知识将终身受用！ 此外，我要感激我的家人长久以来给予我的理解、关心和支持，正是他们的无私奉献， 我才得以逐步成长，顺利完成学业。 还要感谢各位评审老师抽出宝贵的时间对我们的论文进行审阅!33}