電動(dòng)車無(wú)刷控制器工作原理

電動(dòng)車無(wú)刷控制器主要由單片機(jī)主控電路、功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、電子換向器、霍爾信號(hào)檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)把信號(hào)電路、欠電檢測(cè)電路、限流/過(guò)流檢測(cè)電路、剎車信號(hào)電路、限速電路、電源電路等部分組成，其原理框圖如圖1所示，下面介紹主要電路的工作原理。

1.  電子換向器

無(wú)刷電機(jī)與有刷電機(jī)的根本區(qū)別就在于無(wú)刷電機(jī)用電子換向器代替了有刷電機(jī)的機(jī)械換向器，因而控制方法也就大不相同，復(fù)雜程度明顯提高。在無(wú)刷電機(jī)控制器中，用6個(gè)功率 MOSFET管組成電子換向器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中MOSFET管VT1、VT4構(gòu)成無(wú)刷電機(jī)A相繞組的橋臂，VT3、VT6 構(gòu)成無(wú)刷電機(jī)B相繞組的橋臂，VT5、 VT2構(gòu)成無(wú)刷電機(jī)C相繞組的橋臂，在任何情況，同一橋臂的上下兩管不能 同時(shí)導(dǎo)通，否則要燒壞管子。

6只功率MOSFET管按一定要求順次導(dǎo)通，就可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)A、B、C三相繞組的輪流通電，完成換相要求，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在電動(dòng)車無(wú)刷電機(jī)控制器中，這 6只功率管有二二通電方式和三三通電方式的運(yùn)用，二二通電方式即每一瞬間有兩只功率管同時(shí)通電，三三通電方式即每一瞬間有三只功率管同時(shí)通電。對(duì)于二二通電方式，功率管須按 VT1、VT2；VT2、VT3；VT3、VT4； VT4、VT5；VT5、VT6；VT6、VT1； VT1、VT2??的通電順序，電機(jī)才能 正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于三三通電方式，功率管須按VT1、VT2、VT3；VT2、VT3、 VT4；VT3、VT4、VT5；VT4、VT5、 VT6；VT5、VT6、VT1；VT6、  VT1、 VT2；VT1、VT2  、VT3??的次序通 電，電機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.  功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)驅(qū)動(dòng) 電子換向器的 6 個(gè) MOSFET管，由于6 個(gè)MOSFET管組成了  3個(gè)相同的橋臂， 對(duì)這3個(gè)相同的橋臂  的驅(qū)動(dòng)電路是相同的，因而功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路是由3組相同結(jié)構(gòu)的電路組成，圖3所示的是一典型的功率管前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)于一無(wú)刷控制器，有3個(gè)這樣的電路，分別驅(qū)動(dòng)3個(gè)橋臂。

3.  單片機(jī)主控電路

單片機(jī)主控電路是無(wú)刷電機(jī)控制器的核心部分，電機(jī)的霍爾信號(hào)、轉(zhuǎn)把信號(hào)、過(guò)流檢測(cè)信號(hào)、剎車信號(hào)等都直接輸入給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行處理，并由單片機(jī)輸出電子換向器三個(gè)橋臂的前級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，因而單片機(jī)主控電路是無(wú)刷電機(jī)控制器的心臟部分。單片機(jī)PIC16F72是目前電動(dòng)車無(wú)刷電機(jī)控制器的主流控制芯片，圖4所示的是用PIC16F72構(gòu)成的無(wú)刷控制器的典型應(yīng)用電路，它包括了無(wú)刷電機(jī)控制器的各主要輸入、輸出信號(hào)，如圖 4中的SPSIG端信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R69和R68組成的網(wǎng)絡(luò)送入單片機(jī)的第5腳，單片機(jī)根據(jù)該腳的電壓信號(hào)變化，決定輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。目前市面上電動(dòng)車的轉(zhuǎn)把輸出信號(hào)電壓一般在1~4.2V，

它內(nèi)部是由一個(gè)線性霍爾元件和一個(gè)磁 體組成，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把、磁體移動(dòng)，霍爾元 件感應(yīng)變化的磁場(chǎng)而輸出變化的電壓。

4.  限速電路

限速電路是通過(guò)分壓電阻，減小送入單片機(jī)的轉(zhuǎn)把最高電壓信號(hào)，從而限制了速度。如圖4中把SPLIMT端接地，則R67與R68即組成分壓電路，降低轉(zhuǎn)把信號(hào)（SPSIG）送入單片機(jī)的5 腳的電壓，從而限制了電動(dòng)車的最高 轉(zhuǎn)速。

5. 霍爾信號(hào)檢測(cè)電路

在圖4中，電阻R31~R36、電容 C16~C18組成霍爾信號(hào)檢測(cè)輸入電路，電阻R34~R36形成上拉電位，電容C16~C18起濾波作用，抑制干擾信號(hào)。單片機(jī)的15、16、17腳分別檢測(cè)來(lái)自電機(jī)內(nèi)的三路霍爾位置信號(hào)，以決定換相時(shí)刻。

6.欠壓檢測(cè)電路

在圖4中，元件R70、R71、R72、 C23組成電池電壓檢測(cè)電路，檢測(cè)值送入單片機(jī)的3腳，當(dāng)該腳檢測(cè)值低于某一數(shù)值時(shí)，可強(qiáng)迫無(wú)刷電機(jī)控制器不工作，從而起到保護(hù)電池的作用。

7.剎車信號(hào)電路

對(duì)于電動(dòng)自行車，當(dāng)手把剎車時(shí)，單片機(jī)得到剎車信號(hào)，無(wú)刷電機(jī)控制器停止輸出控制信號(hào)，電機(jī)斷電，這稱為剎車斷電，對(duì)于有些無(wú)刷控制器，當(dāng)單片機(jī)得到剎車信號(hào)時(shí)，則輸出控制信號(hào)，強(qiáng)制電機(jī)抱住，使電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，這稱為電剎車。目前市面上電動(dòng)車的剎車信號(hào)有高電平剎車信號(hào)和低電平剎車信號(hào)兩種，對(duì)于單片機(jī)一般只識(shí)別其中一種信號(hào)，如果采用電平轉(zhuǎn)換電路，則可識(shí)別兩種電平的剎車信號(hào)。在圖4中，當(dāng)BK信號(hào)端為低電平，則單片機(jī)第7 腳得到低電平剎車信號(hào)，通知無(wú)刷控制器完成剎車過(guò)程。當(dāng)HBK端為高電平時(shí)，通過(guò)電阻R66、R81、R88及三極管VT20完成電平轉(zhuǎn)換，三極管VT20 的集電極變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)第7腳為低，通知無(wú)刷控制器完成剎車動(dòng)作。

8.  電源電路

在無(wú)刷電機(jī)控制器中，一般需兩組電源，一個(gè)是14V電源供功率MOSFET驅(qū)動(dòng)用，另一個(gè)是5V電源，供單片機(jī)、電機(jī)霍爾、轉(zhuǎn)把霍爾等電路用。14V電源一般由LM317調(diào)整管得到，5V電源一般由78L05得到，電路程式如圖5所示。

9.  限流/過(guò)流保護(hù)電路

限流保護(hù)是控制無(wú)刷電機(jī)控制器 在某一最大限定電流值下工作，對(duì)于 36V控制器，限流值一般在14±1A，對(duì)于48V控制器限流值一般在17±1A。限流保護(hù)其實(shí)又是過(guò)載保護(hù)，當(dāng)上坡、載重必然引起負(fù)載加重、電流增大，但電流增大的極限就是限流值。如圖4中，IC6B（LM358）的運(yùn)放與電阻R73、R74、R75、R76及RT 構(gòu)成限流信號(hào)檢測(cè)電路。R T為串接于 MOSFET管上的電阻絲，如圖2所示，因?yàn)殡姍C(jī)電流通過(guò)MOSFET管，也就流  過(guò)R  T，當(dāng)流過(guò)電機(jī)的電流變化，反應(yīng)在 R  T上就是R  T兩端電壓的變化。當(dāng)流過(guò)RT 的電流大到限定電流時(shí)，此時(shí)IC6的第 7腳輸出約3V的電壓，單片機(jī)PIC16F72 的 2腳得到3V電壓時(shí)，則降低MOSFET 驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)的占空比，迫使流過(guò)電機(jī) 的電流下降，即R  T上的電流下降，同時(shí) R  T上的電壓下降，使得IC6的第7腳輸出下降，如此動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，保證無(wú)刷電機(jī)控制器工作于限流值以下。過(guò)流保護(hù)是當(dāng)電機(jī)電流達(dá)到限定電流時(shí)，無(wú)刷電機(jī)控制器電流仍在上升，則強(qiáng)迫停止電機(jī)供電。IC6A的運(yùn)放和R59、R61、R62及R T構(gòu)成過(guò)流保護(hù)檢測(cè)電路，見(jiàn)圖4。檢測(cè)信號(hào)由IC6的1 腳輸出，送入單片機(jī)的21腳。

維修要點(diǎn)

根據(jù)筆者在實(shí)際工作中的經(jīng)驗(yàn)， 要修好無(wú)刷控制器，可按如下步驟進(jìn) 行，將會(huì)收到事半功倍的效果。

第一步:正確判斷無(wú)刷電機(jī)控制器的各引出線功能 無(wú)刷電機(jī)控制器一般具備如下引 出線。

1.電機(jī)線（圖6中A線）無(wú)刷電機(jī)控制器電機(jī)線有3根，稱為A、B、C相線，一般黃線為A相，藍(lán)線為B相，綠線為C相，但也有例外，這就要求維修者試著調(diào)換3根線的次序，直到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

2.  電源線（圖6中B線）無(wú)刷電機(jī)控制器電源線一般用3根線，其中一根細(xì)一些的線為鎖線，它是給無(wú)刷電機(jī)控制器14V及 5V電源供電的，另外 兩根粗線（紅、黑）給功率管供電。

3. 限速線（圖6中C線）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電動(dòng)車的最高限速 為20km/h，因此各無(wú)刷電機(jī)控制器廠 家生產(chǎn)的控制器出廠時(shí)都留有如圖7 中的D號(hào)線，當(dāng)插頭插上，則電動(dòng)車 限速為20km/h，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如斷 開(kāi)，則電動(dòng)車速度將大于20km/h，方 便用戶選擇。

4.  剎車線（圖6中D線）剎車線連接到電動(dòng)車的把手開(kāi)關(guān)上，當(dāng)剎車時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，剎車信號(hào)送入單片機(jī)，執(zhí)行剎車斷電或剎車抱死動(dòng)作。

5.速度線（圖6中E線）速度線與電動(dòng)車儀表盤中的速度表相連，在無(wú)刷電機(jī)控制器內(nèi)它通過(guò)一限流電阻與電機(jī)的某一根相線相連。電機(jī)速度變化，反應(yīng)在電機(jī)相線中電流變化，則在速度線中電流也變化，反應(yīng)在儀表盤中就是速度的變化。

6.轉(zhuǎn)把線（圖6中F線）轉(zhuǎn)把線連接到電動(dòng)車轉(zhuǎn)把內(nèi)的霍爾上，轉(zhuǎn)把線有3根線，分別為電源正、電源負(fù)和信號(hào)線，一般紅線為電源正，黑線為電源負(fù)，信號(hào)線為藍(lán)色。當(dāng)轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)把內(nèi)磁鐵相對(duì)霍爾運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生由低到高的感應(yīng)電壓信號(hào)，該信號(hào)送入單片機(jī)，執(zhí)行調(diào)速指令。

7.  電機(jī)霍爾線（圖6中G線）電機(jī)霍爾線與電機(jī)內(nèi)霍爾相連，以決定電機(jī)換相時(shí)刻?；魻柧€有5根線：紅為正，黑為負(fù)，其余3根線為3 個(gè)霍爾信號(hào)，這3根線與電機(jī)相連，必須次序正確，否則電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，有時(shí)需反復(fù)調(diào)換這3根線與電機(jī)相連次序，直到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

第二步：目視檢查打開(kāi)無(wú)刷電機(jī)控制器，如圖7所示，目視檢查有無(wú)不良，重點(diǎn)檢查各導(dǎo)線是否焊接良好，功率MOS管、14V 穩(wěn)壓管、大電解電容、單片機(jī)、振蕩器是否焊接良好，如圖7中A、B、C、 D、E標(biāo)注的所示，要排除不良點(diǎn)。

第三步:在不通電情況下用萬(wàn)用表檢查

1. 先用萬(wàn)用表量外接電源端對(duì)地 阻抗是否正常，一般應(yīng)大于 2kΩ。

2.分別測(cè)6個(gè)MOS管引腳間有無(wú)短路現(xiàn)象，此點(diǎn)較為重要，無(wú)刷電機(jī)控制器（如MOS管）較差，過(guò)流保護(hù)控制不佳或散熱做得不好，往往會(huì)引起MOS管擊穿，如圖7中A部分。

3. 檢查電源穩(wěn)壓管LM317引腳間 有無(wú)短路現(xiàn)象。

4. 測(cè)78L05與地間阻抗是否正 常，一般應(yīng)大于1.5 kΩ。

第四步:在通電情況下測(cè)直流工作點(diǎn) 測(cè) LM317 輸出 （ 應(yīng)為 14V ）、 78L05輸出（應(yīng)為5V）、轉(zhuǎn)把線霍爾線、助力線、紅線與黑線間電源（應(yīng) 為5V）。

第五步:嘗試通電運(yùn)轉(zhuǎn)

1. 只連接電機(jī)線、霍爾線、轉(zhuǎn)把線，保證正確連接后通電試著轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，先慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)一小段位置（低速），看電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)是否正常，如不正常，立即停機(jī)，重新檢查。只有電機(jī)低速正常，方可逐漸提高速度，否則易損壞器件。

2.  在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常情況下，檢查 剎車、助力、速度表、欠壓、限流等功能是否正常。

第六步：故障排除有時(shí)故障現(xiàn)象是多方面因素造成的，因此，我們要善于透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，逐一排除點(diǎn)，最后問(wèn)題便迎刃而解，附表是故障現(xiàn)象與原因的幾點(diǎn)總結(jié)。

總之，在初步掌握無(wú)刷控制器基本原理的基礎(chǔ)上，按照以上所介紹的幾點(diǎn)步驟維修，將會(huì)收到事半功倍的效果。本文旨在拋磚引玉，許多維修技巧還要靠不斷實(shí)踐才能融會(huì)貫通。

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