电动车无刷直流电机毕业设计论文

摘要

近年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成城市空气的严重污染。于是发展绿色交通工具已经成为一个重要的课题。考虑到我国的国情，发展电动自行车具有重要的环保意义。随着电机技术及功率器件性能的不断提高，电动自行车的控制器发展迅速。本文设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片，以功率器件MOSFET为开关器件驱动电机，实现对无刷直流电机的控制。设计出了电路原理图、印制板电路图和电路板实物的3维效果图。

关键词：无刷直流电机MC33033 原理图印制板电路图

Abstract

In recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking into account China's national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the motor technology and continuously improve the performance of power devices, the rapid development of electric bicycle controller. This design uses a brushless DC motor for the control of dedicated control chip MC33033 chip, in order to power MOSFET devices as the switching device drive motor, to achieve control of the electric bike. Design a circuit diagram, PCB circuit diagrams and circuit board real 3-D renderings.

Keywords：brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit

摘要............................................................ I

ABSTRACT ........................................................ II

第1章引言 (5)

1.1课题的研究背景及发展状况 (5)

1.1.1当今社会的能源问题 (5)

1.1.2无刷直流电机的发展过程 (5)

1.1.2无刷直流电机的特点 (6)

1.2电动自行车的组成部分 (7)

1.3课题研究的内容 (7)

第2章电动自行车的主要技术 (9)

2.1电动自行车的基本性能 (9)

2.2电动自行车的主要技术参数 (10)

2.2.1整车主要技术参数 (10)

2.2.2蓄电池主要技术参数 (10)

2.2.3电动机主要技术参数 (11)

2.2.4控制器主要技术参数 (11)

2.3电动自行车的电机控制技术 (12)

2.4无刷直流电机的结构与原理 (12)

2.5无刷直流电机的调速方法 (14)

2.6无刷直流电机的位置检测 (15)

第3章系统元器件选择 (17)

3.1控制芯片MC33033 (17)

3.2功率器件MOSFET (20)

3.3无刷电机驱动芯片IR2103 (22)

3.4闭环无刷电机适配器MC33039 (23)

3.5蓄电池的选择 (24)

第4章系统电路设计 (27)

4.1普通无刷电动机控制电路 (27)

4.2主电路设计 (28)

4.2.1电源电路设计 (28)

4.2.2驱动电路设计 (28)

4.2.3刹车电路设计 (29)

4.2.4调速电路设计 (30)

4.2.5钥匙开关设计 (31)

4.2.6整体电路图 (32)

第5章印制电路板设计 (34)

5.1确定元件封装 (34)

5.2生成网络表 (35)

5.3印制电路板环境设置 (35)

5.4绘制PCB板 (36)

结论 (38)

致谢 (39)

参考文献 (40)

附录 1 (41)

附录 2 (42)

附录 3 (43)

第1章引言

1.1课题的研究背景及发展状况

1.1.1当今社会的能源问题

能源是人类社会存在和发展的物质基础。当今社会，能源和环境问题已经成为困扰人类社会进步和发展的重大课题。自从英国工业革命以来，以煤炭、石油和天然气等化石燃料为一次能源的供能系统极大地促进和推动了世界各国的经济发展。但与此同时，大量使用化石燃料所带来的严重后果：资源枯竭、环境污染、生态资源破坏等。

自从20世纪70年代发生能源危机以来，人类探寻一种新的、清洁、安全可靠的可持续能源系统，世界各国对新能源与可再生能源日益重视，不断加大人力和物力的投入力度，促进了新能源与可再生资源利用技术和装置的研发，加快了新能源与可再生资源的商业化进程。

进入21世纪，我国的能源问题，尤其是石油问题，也变得日益严重。我国的矿物能源储量比较丰富，但是人均能源资源却只有世界人均能源资源的二分之一左右。二十多年来，我国经济快速、持续发展，其发展速度与质量为世界所瞩目。但同时又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战，目前我国已经世界第二大石油进口国，能源问题十分紧迫。

由此可发现在交通方面发展一种绿色可再生的能源已显得非常重要。

1.1.2无刷直流电机的发展过程

一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。其主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种。由于传统的直流电动机均采用电刷以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火化、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。

针对上述传统直流电动机的弊病，早在上世纪30年代就有人开始研制以电子

换向代替电刷机械换向的直流无刷电动机。经过了几十年的努力，直至上世纪60年代初终于实现了这一愿望。进入 70 年代晶闸管开始形成由低电压小电流到高电压大电流的系列产品，普通晶闸管不能自关断的半控型器件，被称为第一代电力电子器件。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一次飞跃，先后研制出GTR、GTO、功率MOSFET等自关断全控型第二代电力电子器件。而以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的第三代电力电子器件，开始向大容易高频率、响应快、低损耗方向发展。而进入 90 年代电力电子器件正朝着复台化、标准模块化、智慧化、功率集成的方向发展。正是由于功率器件GTR、MOSFET、IGBT、IPM 等相继出现和发展，以及高性能永磁材料的问世，均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。采用霍尔组件位置传感器的无刷直流电机结构简单、适应性好、信号容易控制，因此，霍尔组件位置传感器始终是无刷直流电机位置传感器的主流。

目前随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，采用全控型的开关功率组件进行脉冲调制(pulse width modulation，简称PWM)控制电机已成为主流。现在国外一些公司相继推出了用于电机调速的数字信号处理（DSP）芯片，在电冰箱、洗衣机、空调等家用电器领域及工业变频控制领域，以其结构紧凑、使用便捷、可靠性高、功能强和成本低等优势而被广泛使用。

1.1.2无刷直流电机的特点

无刷直流电机（ BLDCM : Brushless Direct Current Motor ）是指无机械电刷和换向器（或集电环）的直流电机，又称无换向器直流电机，它以电子换向器代替机械电刷和换向器实现直流电机的换向。无刷直流电机克服了有刷直流电机由于电刷环流而引起的磨损，产生火花而又引起噪音，及其对周围电路带来恶劣影响。无刷直流电机回馈装置简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和逆变器各自潜力得到充分发挥。且调速性能优越，体积小，重量轻，转动惯量小，不存在励磁损耗。同时，无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便的一系列优点，又具备有刷直流电机的运行效率高等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病，且降低了制造成本，简化了电机维修。

进入九十年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器件，如 GTR 、 MOSFET 、IGBT 、MCT 等相继问世，以及微处理器、大规模集