無刷電機驅動的電動自行車的控制系統設計-資料下載頁

【導讀】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。展綠色交通工具已經成為一個重要的課題。考慮到我國的國情，發展電動自行車。具有重要的環保意義。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為開關器件驅動電機，實現對無刷直流電機的控制。電路原理圖、印制板電路圖和電路板實物的3維效果圖。

　　

【正文】 極相通，導通時 V1柵極存儲的電荷被泄放掉，保證場效 應晶體管 V1可靠地截止。 以上為 A相 的 一個工作周期，當控制芯片不斷輸出勵磁信號， IR2103 重復上述過程 。 27 剎車電路設計 MC33033 專用芯片的閘把剎車實質上就是一個開關，當剎車開關斷開時，電機出于正常工作狀態，當閘把閉合使 MC33033 的 19 腳接地，上驅動輸出處于截止狀態，下驅動輸出處于低電平狀態，這樣使電機慣性轉動直至停止由此實現剎車斷電。 剎車電路的設計如下： 圖 44 剎車電路 這里選擇了防水性能較好、性價比較高的展翔 SJ002 剎把，其實物圖如圖 45。 圖 45 展翔 SJ002 剎把實物圖 28 調速電路設計 本設計的調速轉把選用的是技術較為成熟的、 市場上 大量 使用的 霍爾轉把 ，它輸出的調速信號是一種電壓信號，霍爾轉把輸出電壓的大小，取決于霍爾組件周圍的磁場強度。轉動轉把，改變了霍爾組件周圍的磁場強度，也就改變了霍爾轉把的輸出電壓。然后把這個電壓輸入控制器，控制器再根據這個信號的大小進行 PWM 脈寬調制。從而控制無刷電機轉速的大小。 本設計選用圣捷牌的 V03 型霍爾轉把，該轉把可以輸出 范圍內的控制電壓來調節無刷電機的轉速。 調速電路的設計如 圖 45，霍爾轉把的實 物如圖 46 圖 46 調速電路 圖 47 霍爾轉把實物圖 鑰匙開關設計 電動自行車不使用時為了防盜需要切斷電路電源，所以在電源電路中設計一個鑰匙開關，當使用者使用時只需用鑰匙打開開關即可使電路通電。其電路圖設計如下： 29 圖 48 鑰匙電路 經過綜合比較，本設計選用 TACLEX 公司生產的 S216 型鑰匙開關，該型號開關工作穩定、使用壽命長、價格比較便宜。實物圖如圖 49。 圖 49 S216 型鑰匙開關實物圖 整體電路圖 由于本系統選用的專用芯片 MC33033，它不但具有電路簡單，工作可靠的特點，而且還具有欠壓鎖定、限流的功能，所以該芯片的運用可大大減少外圍電路，由此該系統的整體電路圖設計如下： 30 圖 410 系統 整體電路 原理圖 在圖 410整體電路中展示了以專用芯片 MC33033為核心的控制系統電路圖。該系統的 PWM波在 MC33033中產生，電機控制信號由 MC33033的 20腳和 1 117腳分別輸出到 3個專用驅動芯片 IR2103， 通過 IR2103驅動每項的上下 MOS管。由AR1和 R3R6組成的電路為過流采集電路，該電路通過采集繞組電流，經過 簡單處理，輸入 MC33033的 12腳 并與片內基準電壓相比較，如果電流超過門 限 值， 控制芯片 使導通狀態終止。剎車電路通過對芯片 19腳接地，來實現芯片的剎車斷電功能。霍爾轉把通過改變轉把內霍爾組件周圍磁場強度來改變輸出到芯片 9腳電壓的大小來改變電機的轉速。 第 5章 印制電路板設計 電路設計的最終目的是設計出點子產品，而點子產品的物理結構式通過印制電路板來實現的。因此，印制電路板設計師電路圖設計中相當重要、關鍵的一步。通常情況下需要設計電路板的大小、外形和各種環境參數等。由此本設計的印制電路板設計過程如下 ： 確定元件封裝 簡單來說電子元件的封裝就 是電子元件的外形 ，在 電路設計做 PCB時 就 是根據 31 電子元件 外形尺寸和引腳的大小而畫的 PCB焊接圖 。 經過查閱相關資料，本次設計個元件的封裝形式如表 51。 表 51 各元件封裝形式 元件名稱 封裝形式 元件名稱 封裝形式 MOS管 V1 TO92A 三極管 Q1 TO126 MOS管 V2 TO92A 三極管 Q2 TO126 MOS管 V3 TO92A 三極管 Q3 TO126 MOS管 V4 TO92A 電阻 R1 0805 MOS管 V5 TO92A 電阻 R2 0805 MOS管 V6 TO92A 電阻 R3 0805 C9 0805 電阻 R4 0805 C7 0805 電阻 R5 0805 C10 0805 電阻 R6 0805 電容 C8 0805 電阻 R7 電容 C6 0805 電阻 R8 電容 C5 0805 電阻 R9 電容 C4 0805 電阻 R10 電容 C3 0805 電阻 R11 電容 C2 0805 電阻 R12 電容 C1 0805 電阻 R13 IR2103(3） DIP8 電阻 R14 IR2103(2） DIP8 電阻 R15 IR2103（ 1） DIP8 MC33033 DIP20 MC33039 DIP8 生成網絡表 利用 Protel制作印制板電路生成網絡表是必不可少的過程，整個設計過程中網絡表不僅是自動布線不可缺少的，也是原理圖與印制板電路之間 的橋梁。 網絡表中包含了各個元件的封裝形式以及元件之間的鏈接關系，因此裝入網絡表之后就得到了 PCB的后續設計的基礎 印制電路板 環境設置 在進行印制電路板設計前 都要 對 PCB的環境進行設置 ， 對自動布線操作 、板層性質 進行一定的約束，以保證 印制電路板 能一定程度上滿足要求。在設置過程中主要 包括以下內容。 安全間距限制設計規則 32 設置 PCB板的安全間距目的是使元件之間不會因為過近而產生干擾。安全限制設計規則是在保證電路板正常工作的前提下，設置導線與導線間、導線與焊盤間的最小距離。 導線轉角設計規則 在 Protel 99SE中提供了三種導線的轉角類型：直角形式、 45186。角形式和圓角形式。 其中由于 90186。拐角形式容易出現硬力集中現象，在 受力或受熱時容易斷裂、脫落；采用圓角形式時在多條導線連接情況下占用空間比較大；由此 本次 PCB設計中采用 45186。轉角形式。 工作層面選擇 信號層：信號層主要用于放置元件、導線等與電氣信號有關的電氣元素。如TopLayer為頂層銅膜 布線面，用于放置元件和布線， BottomLayer為底層銅膜布線面， MidLayer1— MidLayer30為中間布線層，用于布置信號線。 內部電源 /接地層：內部電源 /接地層主要用于布置電線和地線。 機械層： Protel 99SE最多支持 16個機械層，用于繪制制造和安裝細節說明以及標識 組焊錫膏防護層：阻焊層用于放置阻焊劑，可以防止在焊接時由于焊錫擴張引起的短路；錫膏防護層是專門為表面封裝器件板設置的。 絲印層： PCB中主要包含了兩個絲印層頂層絲印層和底層絲印層。主要用于顯示元件封裝輪廓和元件封裝文字。 板層設置 按照板的層數來分，電路板分為單層板、雙層板和多層板。隨著電路設計復雜程度的提高，多層板使用越來越頻繁。根據各種板層特點，本設計選用雙層板 。 繪制 PCB 板 已經完成印制板電路圖的前期準備后就可以開始繪制具體的 PCB圖了， 在這個階段中主要包括印制板外形尺寸大小的設計、網絡表 導入、元件布局和元件的連線等。 在繪制電路板外形尺寸時，由于事先并不清楚設計的電路板的大小，所以可以先暫繪制一個比較大的尺寸，再經過元件布局后可再修改印制電路板尺寸的大小。 在導入網絡表時，經常會因為原理圖中連線問題、封裝不正確或者 PCB未加載庫文件而報錯，所以在這里要再次修改檢查原理圖中的相關問題。由于本次設計的 PCB封裝均選自 Protel自帶的封裝形式，所以不會出現庫文件未加載而報錯。 33 成功導入網絡表后就可以進行元件的布局，元件的布局形式的好壞也將直接影響到電路板的使用情況，所以在元件布局時要遵循以下幾 個原則： 按照電路的流程安排各功能電路的位置，使信號流通方向盡可能保持一致。 以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞核心元件進行布局，使元件應整齊、緊湊地排列在印刷電路板上，并盡可能減少和縮短各元件之間的引線和連接。 在高頻下工作電路要考慮元器件之間的分布參數。應設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。 易受干擾的元器件不能放置太近，輸人、輸出元器件應盡量遠離。 一般電路應盡可能把元器件平行排列，這樣不但美觀，裝焊容易并且便于批量生產。 電路形狀以矩形為最佳，且長寬 比為 3:2 或 4:3為宜。 印制電路板的大小應適中。尺寸過大，印制線條長導致阻抗增加，抗干擾能力下降，同時成本也會相應增加；尺寸過小，則散熱不好且鄰近線路易受干擾。 有些元器件之間有較高的電位差，應加大它們之間的距離以減小共模輻射。 最后應根據電路的功能單元對電路的全部元件進行全局綜合考慮得出最佳布局方案。 電子元件的布線也是至關重要的一步，這也直接影響到 PCB板的使用性能。一般布線需要遵循以下原則： 。 。 ，以減少環路電阻 ；同時使電源線、地線的走向與數據的傳輸的方向一致，以提高電路的抗干擾能力。 （如鋪銅）以減小地線阻抗。 。 ，應把電源與地平面分開 。 、輸出端用導線應盡量避免相鄰平行，以免發生反饋耦合。 。對于不相容信號，如高頻信號與低頻信號、數字信號與模擬信號、大電流信號與小電流信號，進行布置時一定要有間隔，以免產生相互干擾。另外信號線的形狀不要有分支，拐角不要走成 90度，否則會破壞導線特性阻抗的一致性，產生諧波與反 射現象。一般都采用 45 度拐角或圓弧形拐彎。 對于印制電路板來講，要根據不同的電源電壓、數字電路和模擬電路、高速電路和低速電路等分別設置地線，最后還要匯集到同一直流電源地上。電源電路 34 要和其它電路分開，并且電源線與地線的走向一致時有助于增強抗噪聲性能。 當印制板電路圖布線完成后還要進行設計規則檢查，不斷優化印制板電路圖。由此設計出印制板電路圖（附錄二）和 3D效果圖（附錄三）。 結 論 本文設計的是一個 36V 無刷電機驅動的電動自行車的控制系統，其采用專用控制芯片 MC33033 為控制器 ，以功率器件 MOSFET 為開關器件，實現對 無刷直流電機 的控制。本文主要分析了系統的硬件 控制 電路，如：電源電路，剎車電路，驅動電路等 ，設計出了電路原理圖、印制電路板和電路板 3D 效果圖。該控制系統 滿足電動車的動力需求，加上低廉的成本，以及無刷電機的諸多優點，特別適用于現在 電動自行車的應用和生產。 本人通過這次的設計，讓我了解 到 電動自行車的控制系統，并通過 查閱 資料根據要求設計出整體電路，依據電路原理圖去選擇元器件 、制作印制電路板 。同時通過這次畢業設計，讓我對無刷 直流 電機有了更進一步的認識，也對 Protel 的運用有 一定掌握。 35 致 謝 經過數月的努力，畢業論文的工作已經接近尾聲。面對這學期的勞動成果，我想到的不僅僅是過去許多日子的辛勤付出，更多的是對指導老師和同學的感謝。 我由衷地感謝論文指導 老師 *老師。回想當初剛剛跟老師時， 我對電子方面還沒有一絲感覺，缺乏很多知識，而 *老師卻愿意堅持每周一中午利用個人的休息時間來細心為我們講解電路方面的知識。在我論文的設計過程中還要感謝 ***老師，他為我講解了很多問題，為我的論文也指出了很多方向。 同時，在完成畢業設計期間還有很多幫助過我的老師、同學，在此我對你們的幫助表示衷心的 感謝 ！ 36 參 考 文 獻 [1] 白木，周潔 我國電動汽車發展綜述 機電信息出版社 2021 [2] 張琛 直流無刷電動機原理及應用 機械工業出版社 2021 [3] 邱振國，劉勝利 電動自行車控制原理與檢修技巧 機械工業出版社 2021 [4] 王文博 電動自行車結構與維修 100 例 化學工業出版社 2021 [5] 王兆安等 電力電子技術 機械工業出版社 2021 [6] 王乃成等 電子愛好者進階讀本 福建科學出版社 2021 [7] 趙景波等 Protel 99SE 電路設計基礎與工程范例 清華大學出版社 2021 [8] 郭惠 解書鋼 Protel 99SE 常用功能與應用實例精講 電子工業出版社 2021 37 附 錄 1 系統整體電路原理圖 38 附 錄 2 印制電路 板 圖 39 附 錄 3 印制電路板 3D 效果圖