【正文】 壓保護(hù)電路，控制功率管導(dǎo)通時(shí)間的驅(qū)動(dòng)電路以及輸入輸出端口等集成在一起而構(gòu)成的計(jì)算機(jī)芯片。 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理無刷直流電機(jī)的基本工作原理是利用轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)組件，使電樞繞組依一定順序通電，從而在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。其線圈繞在定子上，一般定子繞組制成多相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置信號(hào)變換成電信號(hào)，去控制電子開關(guān)線路，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。13直流電源 邏輯變換 功率驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置傳感器圖 23 無刷直流電機(jī)的工作原理簡(jiǎn)圖無刷直流電機(jī)借助轉(zhuǎn)子的位置傳感器信號(hào)，通過電子換相線路去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率開關(guān)組件，使電樞繞組依次得電，從而在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。所以，無刷直流電機(jī)除了由定子、轉(zhuǎn)子組成電機(jī)本體外，還需要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電機(jī)的運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永久磁場(chǎng)，在空間始終保持在 左09右的電角度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。對(duì)于要求在一定范14圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，這種方法最好。因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)多由永磁鐵產(chǎn)生，所以這種調(diào)速方法不適用于無刷直流電動(dòng)機(jī)。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。 無刷直流電機(jī)的位置檢測(cè)無刷直流電機(jī)運(yùn)行是通過逆變器功率器件隨轉(zhuǎn)子不同位置相應(yīng)改變其不同觸發(fā)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。直流無刷電動(dòng)機(jī)（BLDC）的位置傳感器主要包括三種：光點(diǎn)式位置傳感器、電磁式位置傳感器、以及霍爾式位置傳感器。遮光板上開有 120 度的扇形開口，數(shù)目等于無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的級(jí)對(duì)數(shù)?；魻栃?yīng)，在長方形半導(dǎo)體薄片上通入電流 I，當(dāng)在垂直于薄片的方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B 的磁場(chǎng)時(shí)，則在與電流 I 和磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 構(gòu)成的平面相垂直的方向上產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì) E，稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)，其大小為： 其中 K 為靈敏度系數(shù)BIK??當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度方向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是成 ?角時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)大的大小改為： ?cos霍爾組件放大裝置VCCUo 輸出GND圖 24 霍爾位置傳感器的工作原理圖所以，利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)，對(duì)霍爾半導(dǎo)體通入直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)大小和方向隨著它的位置不同而發(fā)生變化時(shí)，霍爾半導(dǎo)體就會(huì)輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)，其大小和相位隨轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的作用。工作電壓范圍寬，10V30V片內(nèi)含有欠壓鎖定片內(nèi)有基準(zhǔn)電壓源具有熱保護(hù)和限流電路大電流驅(qū)動(dòng)器能方便地選擇相角外圍控制電路簡(jiǎn)單使用和調(diào)節(jié)方便性價(jià)比高 11020BTACT正 轉(zhuǎn) /反 轉(zhuǎn) SC基 準(zhǔn) 電 壓 輸 出振 蕩 器轉(zhuǎn) 速 控 制 腳內(nèi) 部 放 大 器 輸 入 內(nèi) 部 放 大 器 輸 出過 流 信 號(hào) 輸 入地VBA6176。6腳：傳感器信號(hào)輸入端。10腳：內(nèi)部大器反相輸入端。14腳：電源1ll7腳：下臂驅(qū)動(dòng)輸出端?，F(xiàn)對(duì)其中主要部分作些分析：轉(zhuǎn)子位置譯碼器轉(zhuǎn)子位置譯碼器的傳感器信號(hào)輸入端為引腳6，譯碼器能使上下驅(qū)動(dòng)以適當(dāng)?shù)捻樞蚬ぷ??！?40186。電角度為l步可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置。當(dāng)?shù)?9腳斷開時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于正常工作狀態(tài)當(dāng)?shù)?9腳接地時(shí)．上驅(qū)動(dòng)輸出處于截止?fàn)顟B(tài)，下驅(qū)動(dòng)輸出處于低電平狀態(tài)，這樣電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)直至停止。另外，還能輸出足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。驅(qū)動(dòng)輸出上驅(qū)動(dòng)輸出(20引腳)為NPN型晶體管．吸入電流為50mA．下驅(qū)動(dòng)輸出(1ll7腳)特別適合于驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET或NPN雙極型晶體管。19 功率器件 MOSFET 的結(jié)構(gòu)MOSFET 的種類結(jié)構(gòu)繁多，按導(dǎo)電溝道可分為 P 溝道和 N 溝道。MOSFE 的電氣圖形符號(hào),如圖 33 所示。其可分為截止區(qū)，飽和區(qū)和非飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。MOSFET 的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，這一點(diǎn)對(duì)器件的并聯(lián)時(shí)均流有利。 從開啟電壓上升到 MOSFET 進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓 U 這段時(shí)間稱S SP為上升時(shí)間 t 。 。但是，在開關(guān)過程中需要對(duì)輸入電容沖放電，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率。與對(duì)稱 GTO 相比，非對(duì)稱 GTO 通態(tài)壓降小、抗浪涌電流能力強(qiáng)、易于提高耐壓能力（3000v 以上） 。GTR 的缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz 和 60V/200A/2MHz 。它的研制成功為提高電力電子裝置的性能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。因?yàn)?MOSFET 是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的第一個(gè)特點(diǎn)就是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。但是 MOSFET 的電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10kW 的電力電子裝置。IR2103 引腳功能如圖 36 所示。實(shí)現(xiàn)允許精確地速度調(diào)整而不需要磁性或光學(xué)速度計(jì)。產(chǎn)生的輸出脈沖由MC33039的引腳5輸出，并送到MC33033的誤差放大器，從而產(chǎn)生了與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比例的直流電壓，建立脈寬調(diào)制的基準(zhǔn)電壓，從而構(gòu)成死循環(huán)控制回路。6腳：外接電阻、電容腳。 鉛酸蓄電池目前市場(chǎng)上鉛酸蓄電池是使用最多的蓄電池。鉛酸蓄電池重量比能量為 2840 Wh/Kg，體積比能量 6472 Wh/I，太重、太大，而能提供的電能較少，使用壽命較短，作為電動(dòng)自行車的動(dòng)力電源一般只能夠使用一年左右，若是性能差或使用不當(dāng)?shù)闹挥卸?、三個(gè)月。它采用凝膠狀電解質(zhì)，內(nèi)部無游離的液體存在, 在同等體積下電解質(zhì)容量大，熱容量大，熱消散能力強(qiáng)，能避免一般蓄電池易產(chǎn)生的熱失控現(xiàn)象；電解質(zhì)濃度低，對(duì)極板腐蝕弱；濃度均勻，不存在酸分層的現(xiàn)象。主要優(yōu)點(diǎn)是：比能量高（一次充電可行使的距離長）；比功率高，在大電流工作時(shí)也能平穩(wěn)放電（加速爬坡能力好）；低溫放電性能好；循環(huán)壽命長；安全可靠，免維護(hù)；無記憶效應(yīng)；對(duì)環(huán)境不存在任何污染問題，可再生利用，符合持續(xù)發(fā)展的理念。其優(yōu)點(diǎn)是比能量高，是當(dāng)前比能量最高的蓄電池。鋰離子市場(chǎng)份額將會(huì)擴(kuò)大。該電池具有極強(qiáng)的耐深充深放循環(huán)能力、比能量高，放電性能優(yōu)越、正常使用無須加酸補(bǔ)水，免維護(hù)。目前電動(dòng)自行車的控制器，普遍采用脈寬調(diào)速（PWM）方式，控制器內(nèi)部必須具有 PWM 發(fā)生器電路，電源電路，功率器件，功率器件驅(qū)動(dòng)電路，控制部件（剎車、電動(dòng)機(jī)霍爾傳感器等）信號(hào)的采集與過電流與欠電壓保護(hù)電路等。蓄電池電壓是 36V 控制芯片和驅(qū)動(dòng)芯片電壓是 15V，所以本系統(tǒng)選用的是 7815集成電路以及部分電容、電阻。圖 43 電機(jī) A 相驅(qū)動(dòng)電路當(dāng) IR2103 的 LIN 腳得到 MC33033 的 17 腳輸出的高電平時(shí)即下臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過放大后從 LO 腳輸出高電平，經(jīng) R 加到場(chǎng)效應(yīng)晶體管 V4柵極，V 4飽和導(dǎo)通，此時(shí)無刷電機(jī)控制芯片不輸出上臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，V 1截止。（無下臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)，V 4截止）。 剎車電路設(shè)計(jì)MC33033 專用芯片的閘把剎車實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)開關(guān)，當(dāng)剎車開關(guān)斷開時(shí)，電機(jī)出于正常工作狀態(tài)，當(dāng)閘把閉合使 MC33033 的 19 腳接地，上驅(qū)動(dòng)輸出處于截止?fàn)顟B(tài)，下驅(qū)動(dòng)輸出處于低電平狀態(tài)，這樣使電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)直至停止由此實(shí)現(xiàn)剎車斷電。然后把這個(gè)電壓輸入控制器，控制器再根據(jù)這個(gè)信號(hào)的大小進(jìn)行 PWM 脈寬調(diào)制。其電路圖設(shè)計(jì)如下：32圖 48 鑰匙電路 經(jīng)過綜合比較，本設(shè)計(jì)選用 TACLEX 公司生產(chǎn)的 S216 型鑰匙開關(guān)，該型號(hào)開關(guān)工作穩(wěn)定、使用壽命長、價(jià)格比較便宜。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(jīng)過簡(jiǎn)單處理，輸入MC33033的12腳并與片內(nèi)基準(zhǔn)電壓相比較，如果電流超過門限值，控制芯片使導(dǎo)通狀態(tài)終止。因此，印制電路板設(shè)計(jì)師電路圖設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要、關(guān)鍵的一步。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 TO126MOS 管 V2 TO92A 三極管 Q2 TO126MOS 管 V3 TO92A 三極管 Q3 TO126MOS 管 V4 TO92A 電阻 R1 0805MOS 管 V5 TO92A 電阻 R2 0805MOS 管 V6 TO92A 電阻 R3 0805C9 0805 電阻 R4 0805C7 0805 電阻 R5 0805C10 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 DIP20MC33039 DIP835 生成網(wǎng)絡(luò)表利用Protel制作印制板電路生成網(wǎng)絡(luò)表是必不可少的過程，整個(gè)設(shè)計(jì)過程中網(wǎng)絡(luò)表不僅是自動(dòng)布線不可缺少的，也是原理圖與印制板電路之間的橋梁。安全限制設(shè)計(jì)規(guī)則是在保證電路板正常工作的前提下，設(shè)置導(dǎo)線與導(dǎo)線間、導(dǎo)線與焊盤間的最小距離。拐角形式容易出現(xiàn)硬力集中現(xiàn)象，在受力或受熱時(shí)容易斷裂、脫落；采用圓角形式時(shí)在多條導(dǎo)線連接情況下占用空間比較大；由此本次PCB設(shè)計(jì)中采用45186。內(nèi)部電源/接地層：內(nèi)部電源/接地層主要用于布置電線和地線。 板層設(shè)置按照板的層數(shù)來分，電路板分為單層板、雙層板和多層板。在繪制電路板外形尺寸時(shí)，由于事先并不清楚設(shè)計(jì)的電路板的大小，所以可以先暫繪制一個(gè)比較大的尺寸，再經(jīng)過元件布局后可再修改印制電路板尺寸的大小。 以每個(gè)功能電路的核心元件為中心，圍繞核心元件進(jìn)行布局，使元件應(yīng)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。 一般電路應(yīng)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(chǎn)。有些元器件之間有較高的電位差，應(yīng)加大它們之間的距離以減小共模輻射。，應(yīng)把電源與地平面分開。另外信號(hào)線的形狀不要有分支，拐角不要走成 90 度，否則會(huì)破壞導(dǎo)線特性阻抗的一致性，產(chǎn)生諧波與反射現(xiàn)象。當(dāng)印制板電路圖布線完成后還要進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，不斷優(yōu)化印制板電路圖。該控制系統(tǒng)滿足電動(dòng)車的動(dòng)力需求，加上低廉的成本，以及無刷電機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適用于現(xiàn)在電動(dòng)自行車的應(yīng)用和生產(chǎn)。面對(duì)這學(xué)期的勞動(dòng)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(duì)指導(dǎo)老師和同學(xué)的感謝。同時(shí)，在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)期間還有很多幫助過我的老師、同學(xué)，在此我對(duì)你們的幫助表示衷心的感謝！ 　　　　　唐正勇 2021 年 5 月 18 日40參　考　文　獻(xiàn)[1] 白木，周潔 我國電動(dòng)汽車發(fā)展綜述 機(jī)電信息出版社 2021[2] 張琛 直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用 機(jī)械工業(yè)出版社 2021[3] 邱振國，劉勝利 電動(dòng)自行車控制原理與檢修技巧 機(jī)械工業(yè)出版社 2021[4] 王文博 電動(dòng)自行車結(jié)構(gòu)與維修 100 例 化學(xué)工業(yè)出版社 2021[5] 王兆安等 電力電子技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 2021[6] 王乃成等 電子愛好者進(jìn)階讀本 福建科學(xué)出版社 2021[7] 趙景波等 Protel 99SE 電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與工程范例 清華大學(xué)出版社 2021[8] 郭惠 解書鋼 Protel 99SE 常用功能與應(yīng)用實(shí)例精講 電子工業(yè)出版社 202141附 錄 1系統(tǒng)整體電路原理圖42附 錄 2印制電路板圖43附 錄 3印制電路板 3D 效果