八极九槽无刷直流电动机

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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。

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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

PZ=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。

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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。

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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

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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、B相、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。

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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) 2.01.61.2 0.80.40100020003000H(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：

6.1?104P' DaLef???iA'B?'nN2??电机长径比LefDa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，

LefDa代入公式3.10可得到电枢直径Da的计算公式：

一般取??0.6~1.5。将??6.1P'?10436.1?1050?104??7.5cm 电枢直径 Da?3''0.74?213?0.4?3000?0.8?iAB?nN?[13] 电枢长度 La??Da?0.8?7.5?6cm [14] 极距 ?＝?Da2p?3.14?7.5?2.94cm 2?4[15] 气隙长度 ?＝0.15cm 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Hc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??126? [19] 永磁体充磁方向长度 hM?0.3cm

永磁体充磁方向长度hM与气隙?大小有关。通常先根据电机的磁动势平衡关系预估hM初值，再根据具体的电磁性能计算进行调整；hM的大小决定了电机的抗去磁能力。 [20] 永磁体轴向长度 LM?La?6.0cm

对于稀土永磁材料，一般取永磁体轴向长度LM与电枢铁心长度La相同。 [21] 电枢计算长度 Lef?La?2??3.0?2?0.15?6.3cm

[22] 永磁体内径 Dmi?Da?2??2hp?7.5?2?0.15?2?0?7.8cm [23] 永磁体外径 Dmo?Dmi?2hM?7.8?2?0.3?8.4cm [24] 电枢圆周速度 Va?[25] 齿高ht取0.6cm [26] 工作气隙 ?＝0.15cm [27] 转子外径 De2?7.2cm

[28] 圆柱形转子磁钢的轴向长 LM?La?6.0cm [29] 磁钢的中心截面积 2SM?bMLM?6.4?6＝38.4cm2 [30] 磁钢沿磁场方向一对磁极的平均长度 LMj?5.4cm 电枢冲片材料选用LJ22 定子方面

[31] 电枢冲片外径 De1＝10.0cm

?DanN6000?3.14?7.5?3000?11.77m5/s

6000 12

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[32] 电枢冲片内径 Dl1?7.5cm [33] 电枢铁芯长度 lt1?6.0cm [34] 距极 ?＝?Di12p?3.14?7.5?2.94cm

2?4[35] 齿数 Z?9 [36] 齿距 t??Di1ZtB?2.62?0.4[37] 齿宽 bt???0.8cm

BtKFe1.4?0.93?3.14?7.5?2.62cm 9[38] 电枢轭部高度 hj1????1042lt1Bj1KFe?6.06cm，取hj1?0.3cm ＝0.3022?6.0?1.8?0.93式中 KFe――冲片迭装系数；Bt――齿磁密；Bj1――轭部磁密。 [39] 机座材料 铸钢

[40] 机座长度 Lj?(2.0~3.0)La?2.5?6.0?15cm

[41] 机座厚度 hj??ai?LefB?'2LjB'j?1.065?0.7?2.94?3.3?0.4?0.6cm

2?15?1.53.3 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，由T?9550P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，n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，

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其高度为B?,宽度为Lef。根据换算前后磁通不变的原则，有B??[54] 电枢绕组每相匝数

??Lef?0.33?0.055Wb 6W1?10(U?2?UT)10?210?＝194.98，式中 n0?5110r/min

pn0Kdp??4?5110?0.958?0.00055sin2?0.992，???????，??mq3?262?Kdp?KskKd=0.992?0.966＝0.958，其中 Ksksin30???＝30，，取W1?196;q=2。 Kd???0.966??30qsin2?sin22sin?[42] 电枢绕组的导体数 N0?2mW1=1176 [43] 每槽导体数 Ns?1176?130 9[44] 每元件匝数 Wy?Ns?65 2[45] 电枢绕组每相电阻计算值

’R1???3???3pW1??????3U??U?E???Tm?2'??43???Memav??????=

3?4?196?0.00055??1.7323.14?????1.732220－5－129.67＋???=11(?) ?23??3.14?0.65?3.3022??4式中 Em? Memav1.414?4.44?4?3000?196?0.958?0.000552?4.44＝129.67（V） pnNW1Kdp??=

60601＋3?0.871?3??3.1833=3.3022 ?Mav=

4?0.874? ??0.87

Mav?3.1833N/m [46] 电枢绕组导体截面积 S0?2?W1lcav2?0.0175?196?0.25＝=0.396 mm2

4.33R114

式中 ?――20?C时电工铜的电阻率，?＝0.0175??mm2/m；

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lcav?lt1?K?DavZy1?2lEa＝v6＋1.1?3.14?7.8?6＋2?0.5＝25cm； 9 lca――平均半匝长度（cm）； Dav――电枢槽高平均直径（cm）； v y1――电枢绕组的第一节距（用槽数表示）；

lka――电枢绕组端部伸出的平均长度（cm）； K――经验系数。 v[47] 电枢绕组导线规格的选定 导线牌号 铜线公称直径 截面积 1欧姆的长度 绝缘导线最大直径 dc（mm） QZ

绕组排列方式

0.29六根并绕 Sc（mm2） 0.0661 （m/?） di（mm） rc(20?C)3.77 0.34 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。

12N3S45N6S789-CA-AB-BC-CA-AB-BC-CA-AB-BCC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）

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R1?2W1lcav2?196?25?2?2?10==4.33(?) ?10?6?3.77rc(20C)[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。

6N?di26?130?0.342槽满率 Ks?＝＝0.60

150.9Ss(式中 Ss? =[ 性能计算

?Dd1Z?bt)?(2?D2Z?bt)?Dd1?D2?(Dd1?D2)D?D2 ?[?bt]?d122Z23.14?8＋6.2?8?6.2－0.8]??1.509

182 [50] 平均电枢电流 Iav?E1.5?U?2?UT?1.5?220－10?129.67－1.432?＝29.86A ?1.432m=

4.334.33R1R1U??UT215??49.65A R14.33[51] 起动电流 Ist?[52] 起动力矩 Mst?0.911pW1??0.911?196?4?0.00055?210??U?2?U??2.931N?m T0.65?4.33??'R1[53] 理想空载转速 按技术条件的要求可求得理想空载转速 n0?4000r/min [54] 线负荷 As?NcavIav1176?29.86??93.19A/cm n?Dil16?3.14?7.5式中 Nca――电枢绕组平均通电导体数； n――导线并联根数。 v3.4 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。

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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。

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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25μA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

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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MC33039

MC33039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

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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。

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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，

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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，如4极电机空间相隔的角度为60°的机械角度。

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

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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U2.5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。

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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：

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电容：C1=C2=C3=C5=C7=0.1μF,C4=750Pf,C6=10MF,C8=0.01μF

电阻：R1=R4=1MΩ, R2=5.1kΩ, R5=10kΩ, R3=100kΩ, R6=R13=1kΩ, R7=400Ω,

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

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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0.01μF，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950μs。

（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。

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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

R10Imax*R12??1,式中，Imax为电机最大允许电流 (设事实上，由分压关系可得：R11100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

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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：

R10Imax*R128*0.05??1??1?3。这样，可取R8为100Ω，R9为33Ω。图4.13中R111000.1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，1表示霍尔元件的高电平状态。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。

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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

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位置传感信号（120°） 正向/上侧驱动 VT1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 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 1 SA 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 SB 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 SC 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 反向 F/R 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 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。

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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MC33035/33039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MC33035/33039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MC33035/33039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。

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参考文献

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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!

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/59wo.html