【正文】 在我論文的設(shè)計(jì)過(guò)程中還要感謝張英華老師，他為我講解了很多問(wèn)題，為我的論文也指出了很多方向。 我由衷地感謝論文指導(dǎo)老師王老師。 39 致 謝 經(jīng)過(guò)數(shù)月的努力，畢業(yè)論文的工作已經(jīng)接近尾聲。 本人通過(guò)這次的設(shè)計(jì)，讓我了解到電動(dòng)自行車(chē)的控制系統(tǒng)，并通過(guò)查閱資料根據(jù)要求設(shè)計(jì)出整體電路，依據(jù)電路原理圖去選擇元器件、制作印制電路板。本文主要分析了系統(tǒng)的硬件控制電路，如：電源電路，剎車(chē)電路，驅(qū)動(dòng)電路等，設(shè)計(jì)出了電路原理 圖、印制電路板和電路板 3D效果圖。由此設(shè)計(jì)出印制板電路圖（附錄二）和 3D效果圖（附錄三）。電源電路要和其它電路分開(kāi)，并且電源線與地線的走向一致時(shí)有助于增強(qiáng)抗噪聲性能。一般都采用 45 度拐角或圓弧形拐彎。對(duì)于不相容信號(hào)，如高頻信號(hào)與低頻信號(hào)、數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)、大電流信號(hào)與小電流信號(hào)，進(jìn)行布置時(shí)一定要有間隔，以免產(chǎn)生相互干擾。 、輸出端用導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行，以免發(fā)生反饋耦合。 近。 ，以減少環(huán)路電阻；同時(shí)使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)的傳 37 輸?shù)姆较蛞恢?，以提高電路的抗干擾能力。一般布線需要遵循以下原則： 。 最后應(yīng)根據(jù)電路的功能單元對(duì)電路的全部元件進(jìn)行全局綜合考慮得出最佳布局方案。尺寸過(guò)大，印制線條長(zhǎng)導(dǎo)致阻抗增加，抗干擾能力下降，同時(shí)成本也會(huì)相應(yīng)增加；尺寸過(guò)小，則散熱不好且鄰 近線路易受干擾。 電路形狀以矩形為最佳，且長(zhǎng)寬比為 3:2或 4:3為宜。 易受干擾的元器件不能放置太近，輸人、輸出元器件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。 在高頻下工作電路要考慮元器件之間的分布參數(shù)。 成功導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表后就可以進(jìn)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(shí)要遵循以下幾個(gè)原則： 按照電路的流程安排各功能電路的位置，使信號(hào)流通方向盡可能保持一致。 在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表時(shí)，經(jīng)常會(huì)因?yàn)樵韴D中連線問(wèn)題、封裝不正確或者 PCB未加載庫(kù)文件而報(bào)錯(cuò)，所以在這里要再次修改檢查原理圖中的相關(guān)問(wèn)題。 繪制 PCB 板 已經(jīng)完成印制板電路圖的前期準(zhǔn)備后就可以開(kāi)始繪制具體的 PCB圖了，在這個(gè)階段中主要包括印制板外形尺寸大小的設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入、元件布局和元件的連線等。隨著電路設(shè)計(jì)復(fù) 36 雜程度的提高，多層板使用越來(lái)越頻繁。主要用于顯示元件封裝輪廓和元件封裝文字。 機(jī)械層： Protel 99SE最多支持 16個(gè)機(jī)械層，用于繪制制造和安裝細(xì)節(jié)說(shuō)明以及標(biāo)識(shí) 組焊錫膏防護(hù)層：阻焊層用于放置阻焊劑，可以防止在焊接時(shí)由于焊錫擴(kuò)張引起的短路；錫膏防護(hù)層是專(zhuān)門(mén)為表面封裝器件板設(shè)置的。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(hào)線。轉(zhuǎn)角形式。其中由于 90186。 導(dǎo)線轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)規(guī)則 在 Protel 99SE中提供了三種導(dǎo)線的轉(zhuǎn)角類(lèi)型：直角形式、 45186。 安全間距限制設(shè)計(jì)規(guī)則 設(shè)置 PCB板的安全間距目的是使元件之間不會(huì)因?yàn)檫^(guò)近而產(chǎn)生干擾。網(wǎng)絡(luò)表中包含了各個(gè)元件的封裝形式以及元件之間的鏈接關(guān)系，因此裝入網(wǎng)絡(luò)表之后就得到了 PCB的后續(xù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 印制電路板環(huán)境設(shè)置 在進(jìn)行印制電路板設(shè)計(jì)前都要對(duì) PCB的環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，對(duì)自動(dòng)布線操作、板層性質(zhì)進(jìn)行一定的約束，以保證印制電路板能一定程度上滿足要 求。經(jīng)過(guò)查閱 相關(guān)資料，本次設(shè)計(jì)個(gè)元件的封裝形式如表 51。通常情況下需要設(shè)計(jì)電路板的大小、外形和各種環(huán)境參數(shù)等。 34 第 5 章 印制電路板設(shè)計(jì) 電路設(shè)計(jì)的最終目的是設(shè)計(jì)出點(diǎn)子產(chǎn)品，而點(diǎn)子產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)式通過(guò)印制電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)的。剎車(chē)電路通過(guò)對(duì)芯片 19腳接地，來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片的剎車(chē)斷 電功能。該系統(tǒng)的 PWM波在 MC33033中產(chǎn)生，電機(jī)控制信號(hào)由 MC33033的 20腳和 1 117腳分別輸出到 3個(gè)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片 IR2103， 通過(guò) IR2103驅(qū)動(dòng)每項(xiàng)的上下 MOS管。實(shí)物圖如圖 49。 調(diào)速電路的設(shè)計(jì)如圖 45，霍爾轉(zhuǎn)把的實(shí)物如圖 46 31 圖 46 調(diào)速電路 圖 47 霍爾轉(zhuǎn)把實(shí)物圖 鑰匙開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì) 電動(dòng)自行車(chē)不使用時(shí)為了防盜需要切斷電路電源，所以在電源 電路中設(shè)計(jì)一個(gè)鑰匙開(kāi)關(guān)，當(dāng)使用者使用時(shí)只需用鑰匙打開(kāi)開(kāi)關(guān)即可使電路通電。從而控制無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，改變了霍爾組件周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度，也就改變了霍爾轉(zhuǎn)把的輸出電壓。 剎車(chē)電路的設(shè)計(jì)如下： 30 圖 44 剎車(chē)電路 這里選擇了防水性能較好、性價(jià)比較高的展翔 SJ002剎把，其實(shí)物圖如圖 45。 以上為 A相 的 一個(gè)工作周期，當(dāng)控制芯片不斷輸出勵(lì)磁信號(hào)， IR2103重復(fù)上述過(guò)程 。 36V 電壓通過(guò)接通的電子開(kāi)關(guān) V1 加到 A 相橋式輸出端， A 點(diǎn)電壓為 36V 即VA=36V，電流 ILA2從 A相電子開(kāi)關(guān) V1流入到 A相線圈中，產(chǎn)生與下臂導(dǎo)通時(shí)極性相反的勵(lì)磁磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。 充滿電荷的電容 ,其正端通過(guò) IR2103 的 HO 腳和 VB 腳內(nèi)閉合的電子開(kāi)關(guān)和 R8加到 A 相上臂場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，其負(fù)端接在 V1的源極，電容放電，放電電流ICA2使 V1柵極與源極之間電壓為 15V左右， M1飽和導(dǎo)通，作為上臂輸出電子開(kāi)關(guān)接通。 V4 飽和后其漏極與源極之間 29 飽和壓降很小，電子開(kāi)關(guān) V4接通， A 點(diǎn)被 V4接地。 由此該電路組成的驅(qū)動(dòng)電路其中 A相驅(qū)動(dòng)電路如圖 43。其電路圖如圖 42 所示。 28 主電路設(shè)計(jì) 電源電路設(shè)計(jì) 電源電路從許蓄電池獲得電能，經(jīng)過(guò)一系列處理獲得電路系統(tǒng)所需的電壓。 MC33033蓄電池 穩(wěn)壓電源調(diào)速剎車(chē)傳感器 過(guò)流采樣驅(qū)動(dòng)A驅(qū)動(dòng)B驅(qū)動(dòng)C無(wú)刷直流電機(jī) 圖 41 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制原理圖 直流電動(dòng)機(jī)的控制電路由主芯片、傳感器、橋式開(kāi)關(guān)電路等組成。控制器工作是用脈沖信號(hào)控制功率管的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，決定電動(dòng)機(jī)換向的順序和時(shí)間，從而決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 18DZM12的參數(shù)如下： 表 31 超威電池 18DZM12參數(shù)表 電池型號(hào)： 18DZM12 額定電壓 ： 36V 不同溫度電池容量 (2hr) 40℃ 102% 額定容量(2hr)： 12Ah 25℃ 100% 參考重量(Kg)： 0℃ 85% 長(zhǎng) (mm)： 380 15℃ 70% 寬 (mm)： 151 電池儲(chǔ)存容量 (25℃ ) 存放 3個(gè)月 90% 高 (mm)： 102 存放 6個(gè)月 80% 總高 (mm)： 102 存放 9個(gè)月 60% 容量 (25℃ ) 2hr 140min 最大短路電流 (25℃ ) 100A(5S) 內(nèi)阻 (25℃ ) 完全充電狀態(tài) 12mΩ 27 第 4 章 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 普通無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制電路 電動(dòng)自行車(chē)控制器是電動(dòng)自行車(chē)的控制系統(tǒng)，是電動(dòng)自行車(chē)的大腦。 由此，綜上分析本設(shè)計(jì)選用鉛酸蓄電池，同時(shí)選擇超威電動(dòng)車(chē)電池 18DZM12。目前也已經(jīng)有采用鋰離子蓄電池的電動(dòng)自行車(chē)產(chǎn)品出售。預(yù)計(jì)在 2022～ 2022 年 期間，當(dāng)鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展時(shí)， MH/Ni 蓄電池的市場(chǎng)份額將縮小。已經(jīng)在便攜式信息產(chǎn)品中獲得推廣應(yīng)用。 鋰離子電池是 1990 年由日本索尼公司首先推向市場(chǎng)的新型高能蓄電池。 但是， NiMH 蓄電池成本太高，價(jià)格昂貴。 它具備鎳鎘蓄電池的所有優(yōu)異特性，而且能量密度還高于鎳鎘蓄電池。但是在同等使用情況下選擇膠體鉛酸蓄電池的費(fèi)用比較高 鎳氫蓄電池（ NiMH） 鎳氫蓄電池是九十年代涌現(xiàn)出的電池家族中新秀，發(fā)展迅猛。 膠體鉛酸蓄電池 膠體蓄電池是對(duì)液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸蓄電池的改進(jìn)。此外，鉛酸蓄電池還有深度放電能力和低溫放電能力較差， 不能快速充電，廢電池對(duì)環(huán)境有一定污染等缺點(diǎn)。其主要化學(xué)反應(yīng)是： PbO2+2H2SO4+Pb← 充電、放電 → PhSO4+2H2O+PhSO4。它的性能可靠，生產(chǎn)工藝成熟，價(jià)格也較低。 圖 38 MC33039 引 腳圖 蓄電池的選擇 目前能夠被電動(dòng)自行車(chē)采用的有以下四種動(dòng)力蓄電池 ， 即閥控鉛酸免維護(hù)蓄電池、膠體鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。 5腳：輸出端，與 MC33033相連 。 7腳： 接地。 MC33039引腳圖如圖 36各引腳說(shuō)明如下： 3腳：電機(jī)轉(zhuǎn)子各項(xiàng)信號(hào)輸入端。 霍爾傳感器信號(hào)在線的正負(fù)沿跳變將使得 MC33039產(chǎn)生一定幅度和寬度的脈沖，其參數(shù)由外接電阻和電容決定。 24 MC33039用于無(wú)刷電機(jī)的 閉環(huán) 調(diào)速時(shí) 向 MC33033輸入與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比例的電壓，有此不需要價(jià)格昂貴的測(cè)速電機(jī)，從而大大提高系統(tǒng)性價(jià)比。 圖 37 IR2103 運(yùn)用實(shí)例 閉環(huán)無(wú)刷電機(jī)適配器 MC33039 MC33039是 MOTOROLA 生產(chǎn)的 高性能 閉環(huán) 速度控制適配器，專(zhuān)門(mén)為用于無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng) 。 主要引腳功能說(shuō)明：①電源；②上管驅(qū)動(dòng)輸入；③下管驅(qū)動(dòng)輸入；④地； ⑤自舉升壓端；⑥上管驅(qū)動(dòng)輸出；⑦接上管源極； ⑧ 下管驅(qū)動(dòng)輸出。該芯片是把邏輯電路產(chǎn)生的三相勵(lì)磁信號(hào)放大機(jī)電平移動(dòng)，滿足三相橋式場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出電路上、下管飽和導(dǎo)通 要求。而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的就是小功率的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速，故滿足系統(tǒng)的要求 。同時(shí) MOSFET 不存在二次擊穿的問(wèn)題。其二顯著特點(diǎn)就是開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。 綜合本文設(shè)計(jì)的要求，選擇 MOSFET 最為適合。比較而言，IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于功率 MOSFET，卻明顯高于 GTR 。 IGBT集 GTR 通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)于一身，因此備受人們青睞。 （ 4） 絕緣門(mén)極雙極型晶體管（ IGBT) IGBT 可視為雙極型大功率晶體管與功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的復(fù)合。 功率 MOSFET 的缺點(diǎn)是電流容量小、耐壓低、通態(tài)壓降大，不適宜運(yùn)用于大功率裝置。在開(kāi)關(guān)電源和 UPS 內(nèi)， GTR 正逐步被功率 MOSFET和 IGBT 所代替。 由它所組成的電路靈活、成熟、開(kāi)關(guān)損耗小、開(kāi)關(guān)時(shí)間短， 在電源、電機(jī)控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應(yīng)用廣泛。 在當(dāng)前各種自關(guān)斷器件中， GTO 容量最大、工作頻率最低。 GTO 有對(duì)稱(chēng)、非對(duì)稱(chēng)和逆導(dǎo)三種類(lèi)型。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。 即 ()off d off ft t t?? （ 32） MOSFET是場(chǎng)控器件，在靜態(tài)是幾乎不需要輸入電流。 這段時(shí)間稱(chēng)為下降時(shí)間tf 。 即 () r ond ont t t?? （ 31） 當(dāng)脈沖電壓 up 下降到零時(shí)，柵極輸入電容 Cin 通過(guò)信號(hào)源內(nèi)阻 Rs 和柵極電阻RG 開(kāi)始放電，柵極電壓GSu按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到 UGSP 時(shí)，漏極電流 iD才 開(kāi)始減小，這段時(shí)間稱(chēng)為關(guān)斷延遲時(shí)間 t )(offd 。GSu從開(kāi)啟電壓上升到 MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓 UGSP 這段時(shí)間稱(chēng)為上升時(shí)間 tr。 從前沿時(shí)刻到GSu=TU并開(kāi)始出現(xiàn) iD的時(shí)刻這段時(shí)間稱(chēng)為開(kāi)通延遲時(shí)間 ()dont 。 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。 其中： DI ， GSU ， TU ， DSU 分別表示漏極電流，柵源間電壓，開(kāi)啟電壓，漏源間電壓。 其可分為截止區(qū)，飽和區(qū)和非飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。 （ 1）靜態(tài)特性 MOSFET是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。 MOSFE的電氣圖形符號(hào) ,如圖 33所示。對(duì)于 N（ P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道的稱(chēng)增強(qiáng)型。 20 功率器件 MOSFET MOSFET的種類(lèi)結(jié)構(gòu)繁多，按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道和 N溝道。 限流 電路中過(guò)流將導(dǎo)致過(guò)熱，從而毀壞電動(dòng)機(jī) 。 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 (1l l7腳 )特別適合于驅(qū)動(dòng) N溝道 MOSFET或 NPN雙極 型晶體管。當(dāng)直接驅(qū)動(dòng)霍爾傳感器件時(shí) 。另 外，還能輸出足夠的驅(qū)動(dòng)電壓 。 在死循環(huán)