電動(dòng)車(chē)無(wú)刷控制器工作原理

電動(dòng)車(chē)無(wú)刷控制器主要由單片機主控電路、功率管前級驅動(dòng)電路、電子換向器、霍爾信號檢測電路、轉把信號電路、欠電檢測電路、限流/過(guò)流檢測電路、剎車(chē)信號電路、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)刷電機與有刷電機的根本區別就在于無(wú)刷電機用電子換向器代替了有刷電機的機械換向器，因而控制方法也就大不相同，復雜程度明顯提高。在無(wú)刷電機控制器中，用6個(gè)功率 MOSFET管組成電子換向器，其結構如圖2所示。圖中MOSFET管VT1、VT4構成無(wú)刷電機A相繞組的橋臂，VT3、VT6 構成無(wú)刷電機B相繞組的橋臂，VT5、 VT2構成無(wú)刷電機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)導通，否則要燒壞管子。

6只功率MOSFET管按一定要求順次導通，就可實(shí)現無(wú)刷電機A、B、C三相繞組的輪流通電，完成換相要求，電機正常運轉。在電動(dòng)車(chē)無(wú)刷電機控制器中，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，電機才能 正常運轉。對于三三通電方式，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，電機才能正常運轉。

2.  功率管前級驅動(dòng)電路

功率管前級驅動(dòng)電路用來(lái)驅動(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， 對這3個(gè)相同的橋臂  的驅動(dòng)電路是相同的，因而功率管前級驅動(dòng)電路是由3組相同結構的電路組成，圖3所示的是一典型的功率管前級驅動(dòng)電路，對于一無(wú)刷控制器，有3個(gè)這樣的電路，分別驅動(dòng)3個(gè)橋臂。

3.  單片機主控電路

單片機主控電路是無(wú)刷電機控制器的核心部分，電機的霍爾信號、轉把信號、過(guò)流檢測信號、剎車(chē)信號等都直接輸入給單片機，由單片機進(jìn)行處理，并由單片機輸出電子換向器三個(gè)橋臂的前級驅動(dòng)信號，以控制電機的運轉，因而單片機主控電路是無(wú)刷電機控制器的心臟部分。單片機PIC16F72是目前電動(dòng)車(chē)無(wú)刷電機控制器的主流控制芯片，圖4所示的是用PIC16F72構成的無(wú)刷控制器的典型應用電路，它包括了無(wú)刷電機控制器的各主要輸入、輸出信號，如圖 4中的SPSIG端信號，該信號經(jīng)過(guò)電阻R69和R68組成的網(wǎng)絡(luò )送入單片機的第5腳，單片機根據該腳的電壓信號變化，決定輸出驅動(dòng)信號的脈寬，從而決定電機的轉速。目前市面上電動(dòng)車(chē)的轉把輸出信號電壓一般在1~4.2V，

它內部是由一個(gè)線(xiàn)性霍爾元件和一個(gè)磁 體組成，轉動(dòng)轉把、磁體移動(dòng)，霍爾元 件感應變化的磁場(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，減小送入單片機的轉把最高電壓信號，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，降低轉把信號（SPSIG）送入單片機的5 腳的電壓，從而限制了電動(dòng)車(chē)的最高 轉速。

5. 霍爾信號檢測電路

在圖4中，電阻R31~R36、電容 C16~C18組成霍爾信號檢測輸入電路，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。單片機的15、16、17腳分別檢測來(lái)自電機內的三路霍爾位置信號，以決定換相時(shí)刻。

6.欠壓檢測電路

在圖4中，元件R70、R71、R72、 C23組成電池電壓檢測電路，檢測值送入單片機的3腳，當該腳檢測值低于某一數值時(shí)，可強迫無(wú)刷電機控制器不工作，從而起到保護電池的作用。

7.剎車(chē)信號電路

對于電動(dòng)自行車(chē)，當手把剎車(chē)時(shí)，單片機得到剎車(chē)信號，無(wú)刷電機控制器停止輸出控制信號，電機斷電，這稱(chēng)為剎車(chē)斷電，對于有些無(wú)刷控制器，當單片機得到剎車(chē)信號時(shí)，則輸出控制信號，強制電機抱住，使電機不能轉動(dòng)，這稱(chēng)為電剎車(chē)。目前市面上電動(dòng)車(chē)的剎車(chē)信號有高電平剎車(chē)信號和低電平剎車(chē)信號兩種，對于單片機一般只識別其中一種信號，如果采用電平轉換電路，則可識別兩種電平的剎車(chē)信號。在圖4中，當BK信號端為低電平，則單片機第7 腳得到低電平剎車(chē)信號，通知無(wú)刷控制器完成剎車(chē)過(guò)程。當HBK端為高電平時(shí)，通過(guò)電阻R66、R81、R88及三極管VT20完成電平轉換，三極管VT20 的集電極變?yōu)榈碗娖剑瑔纹瑱C第7腳為低，通知無(wú)刷控制器完成剎車(chē)動(dòng)作。

8.  電源電路

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

9.  限流/過(guò)流保護電路

限流保護是控制無(wú)刷電機控制器 在某一最大限定電流值下工作，對于 36V控制器，限流值一般在14±1A，對于48V控制器限流值一般在17±1A。限流保護其實(shí)又是過(guò)載保護，當上坡、載重必然引起負載加重、電流增大，但電流增大的極限就是限流值。如圖4中，IC6B（LM358）的運放與電阻R73、R74、R75、R76及RT 構成限流信號檢測電路。R T為串接于 MOSFET管上的電阻絲，如圖2所示，因為電機電流通過(guò)MOSFET管，也就流  過(guò)R  T，當流過(guò)電機的電流變化，反應在 R  T上就是R  T兩端電壓的變化。當流過(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PIC16F72 的 2腳得到3V電壓時(shí)，則降低MOSFET 驅動(dòng)輸出信號的占空比，迫使流過(guò)電機 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)調節，保證無(wú)刷電機控制器工作于限流值以下。過(guò)流保護是當電機電流達到限定電流時(shí)，無(wú)刷電機控制器電流仍在上升，則強迫停止電機供電。IC6A的運放和R59、R61、R62及R T構成過(guò)流保護檢測電路，見(jiàn)圖4。檢測信號由IC6的1 腳輸出，送入單片機的21腳。

維修要點(diǎn)

根據筆者在實(shí)際工作中的經(jīng)驗， 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)刷電機控制器的各引出線(xiàn)功能 無(wú)刷電機控制器一般具備如下引 出線(xiàn)。

1.電機線(xiàn)（圖6中A線(xiàn)）無(wú)刷電機控制器電機線(xiàn)有3根，稱(chēng)為A、B、C相線(xiàn)，一般黃線(xiàn)為A相，藍線(xiàn)為B相，綠線(xiàn)為C相，但也有例外，這就要求維修者試著(zhù)調換3根線(xiàn)的次序，直到電機運轉正常。

2.  電源線(xiàn)（圖6中B線(xiàn)）無(wú)刷電機控制器電源線(xiàn)一般用3根線(xiàn)，其中一根細一些的線(xiàn)為鎖線(xiàn)，它是給無(wú)刷電機控制器14V及 5V電源供電的，另外 兩根粗線(xiàn)（紅、黑）給功率管供電。

3. 限速線(xiàn)（圖6中C線(xiàn)）國家標準規定電動(dòng)車(chē)的最高限速 為20km/h，因此各無(wú)刷電機控制器廠(chǎng) 家生產(chǎn)的控制器出廠(chǎng)時(shí)都留有如圖7 中的D號線(xiàn)，當插頭插上，則電動(dòng)車(chē) 限速為20km/h，符合國家標準，如斷 開(kāi)，則電動(dòng)車(chē)速度將大于20km/h，方 便用戶(hù)選擇。

4.  剎車(chē)線(xiàn)（圖6中D線(xiàn)）剎車(chē)線(xiàn)連接到電動(dòng)車(chē)的把手開(kāi)關(guān)上，當剎車(chē)時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，剎車(chē)信號送入單片機，執行剎車(chē)斷電或剎車(chē)抱死動(dòng)作。

5.速度線(xiàn)（圖6中E線(xiàn)）速度線(xiàn)與電動(dòng)車(chē)儀表盤(pán)中的速度表相連，在無(wú)刷電機控制器內它通過(guò)一限流電阻與電機的某一根相線(xiàn)相連。電機速度變化，反應在電機相線(xiàn)中電流變化，則在速度線(xiàn)中電流也變化，反應在儀表盤(pán)中就是速度的變化。

6.轉把線(xiàn)（圖6中F線(xiàn)）轉把線(xiàn)連接到電動(dòng)車(chē)轉把內的霍爾上，轉把線(xiàn)有3根線(xiàn)，分別為電源正、電源負和信號線(xiàn)，一般紅線(xiàn)為電源正，黑線(xiàn)為電源負，信號線(xiàn)為藍色。當轉把轉動(dòng)時(shí)，轉把內磁鐵相對霍爾運動(dòng)，產(chǎn)生由低到高的感應電壓信號，該信號送入單片機，執行調速指令。

7.  電機霍爾線(xiàn)（圖6中G線(xiàn)）電機霍爾線(xiàn)與電機內霍爾相連，以決定電機換相時(shí)刻。霍爾線(xiàn)有5根線(xiàn)：紅為正，黑為負，其余3根線(xiàn)為3 個(gè)霍爾信號，這3根線(xiàn)與電機相連，必須次序正確，否則電機不能正常運轉，有時(shí)需反復調換這3根線(xiàn)與電機相連次序，直到電機運轉正常。

第二步：目視檢查打開(kāi)無(wú)刷電機控制器，如圖7所示，目視檢查有無(wú)不良，重點(diǎn)檢查各導線(xiàn)是否焊接良好，功率MOS管、14V 穩壓管、大電解電容、單片機、振蕩器是否焊接良好，如圖7中A、B、C、 D、E標注的所示，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地 阻抗是否正常，一般應大于 2kΩ。

2.分別測6個(gè)MOS管引腳間有無(wú)短路現象，此點(diǎn)較為重要，無(wú)刷電機控制器（如MOS管）較差，過(guò)流保護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. 檢查電源穩壓管LM317引腳間 有無(wú)短路現象。

4. 測78L05與地間阻抗是否正 常，一般應大于1.5 kΩ。

第四步:在通電情況下測直流工作點(diǎn) 測 LM317 輸出 （ 應為 14V ）、 78L05輸出（應為5V）、轉把線(xiàn)霍爾線(xiàn)、助力線(xiàn)、紅線(xiàn)與黑線(xiàn)間電源（應 為5V）。

第五步:嘗試通電運轉

1. 只連接電機線(xiàn)、霍爾線(xiàn)、轉把線(xiàn)，保證正確連接后通電試著(zhù)轉動(dòng)轉把，先慢慢轉動(dòng)一小段位置（低速），看電機運轉狀態(tài)是否正常，如不正常，立即停機，重新檢查。只有電機低速正常，方可逐漸提高速度，否則易損壞器件。

2.  在電機運轉正常情況下，檢查 剎車(chē)、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)故障現象是多方面因素造成的，因此，我們要善于透過(guò)現象看本質(zhì)，逐一排除點(diǎn)，最后問(wèn)題便迎刃而解，附表是故障現象與原因的幾點(diǎn)總結。

總之，在初步掌握無(wú)刷控制器基本原理的基礎上，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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