电动自行车控制器电路及原理大全

电动自行车控制器电路及原理大全

　　目前流行的电动自行车、电动摩托车大都使用直流电机，对直流电机调速的控制器有很多种类。电动车控制器核心是脉宽调制(PWM)器，而一款完善的控制器，还应具有电瓶欠压保护、电机过流保护、刹车断电、电量显示等功能。
　　电动车控制器以功率大小可分为大功率、中功率、小功率三类。电动自行车使用小功率的，货运三轮车和电摩托要使用中功率和大功率的。从配合电机分，可分为有刷、无刷两大类。关于无刷控制器，受目前的技术和成本制约，损坏率较高。笔者认为，无刷控制器维修应以生产厂商为主。而应用较多的有刷控制器，是完全可以用同类控制器进行直接代换或维修的。

本文分别介绍国内部分具有代表性的电动自行车控制器整机电路，并指出与其他产品的不同之处及其特点。所列电路均是根据实物进行测绘所得，图中元件号为笔者所标。通过介绍具体实例，达到举一反三的目的。

1.有刷控制器实例
(1)山东某牌带电量显示有刷控制器
　　电路方框图见图1。

　　1)电路原理
　　电路原理图见图2所示，该控制器由稳压电源电路、PWM产生电路、电机驱动电路、蓄电池放电指示电路、电机过流及蓄电池过放电保护电路等组成。

　　稳压电源 由V3(TL431)，Q3等元件组成，从36V蓄电池经过串联稳压后得到+12V电压，给控制电路供电，调节VR6可校准+12V电源。
　　PWM电路 以脉宽调制 器TL494为核心组成。R3、C4与内部电路产生振荡，频率大约为12kHz。
　　H是高变低型霍尔速度控制转把，由松开到旋紧时，其输出端可得到4V—1V的电压。该电压加到TL494的②脚，与①脚电压进行比较，在⑧脚得到调宽脉冲。②脚电压越低，⑧脚输出的调宽脉冲的低电平部分越宽，电机转速越高，电位器VR2用于零速调节，调节VR2使转把松开时电机停转再过一点。
　　电机驱动电路 由Q1、Q2、Q4等元件组成。电机MOTOR为永磁直流有刷电机。TL494的⑧脚输出的调宽脉冲，经Q1反相放大驱动VDMOS管Q2。TL494的⑧脚输出的调宽脉冲低电平部分越宽，则Q2导通时间越长，电机转速越高。D1是电机续流二极管，防止Q2击穿。TL494的⑧脚输出低电平时，Q1、D2导通，Q4截止，Q2导通；TL494的⑧脚输出高电平时，Q1、D2截止，Q4导通，迅速将Q2栅极电荷泄放，加速Q2的截止过程，对降低Q2温度有十分重要的作用。
　　蓄电池放电指示电路 由LM324组成四个比较器，12V由R24、VR1、VR4、VR3、VR5、R21分压形成四个不同基准电压分别加到四个比较器的反相端。蓄电池电压经R23和R22分压加到每个比较器的同相端，该电压和蓄电池电压成比例。VA=VB*R22/(R22+R23)。当蓄电池电压不低于38V时，LED1、LED2、LED3均点亮；当电池电压低于38V时，LED3熄灭；当电池电压低于35V时，LED2熄灭；当电池电压低于33V时，LED1熄灭，此时应给电池充电。调节VR1、VR4、VR3可分别设定LED3、LED2、LED1熄灭时的电压。LED4用作电源指示，LED5用作欠压切断控制器输出指示。
　　蓄电池过放电保护 当蓄电池放电到31.5V时.LM324的①脚输出低电平，三极管Q5导通，约5V电压加到TL494的死区控制端④脚.该脚电位≥3.5V，就会迫使TL494内部调宽脉冲输出管截止，从而使三极管Q1、Q2截止，电机停止运转，蓄电池放电停止，进入电池保护状态。此时LED5点亮，指示出该状态。VR5用于设定电池保护点电压。
　　电机过流保护 R30为电机电流取样电阻，当过流时，取样电压经R14加到TL494的⑩脚。当⑩脚电位高于⑩脚电位时，TL494内部运放2输出高电平，迫使TL494内部调宽脉冲输出管截止，从而使Q1、Q2截止，电机停止运转，从而保护了电机。
　　制动保护 当刹车制动时，KEY2接通.5V电压加到TL494的死区控制端④脚，迫使TL494内部调宽脉冲输出管截止，从而使Q1、Q2截止，电机停止运转，实施制动保护。
　　2)调试
　　调速电路零速调试：速度转把完全松开.调节VR2使电机停转并再调过一点以保证可靠置零速。制动调试：转动速度转把，电机旋转。此时闭合制动开关KEY2，Q2栅极应立即变为低电平0V。过流保护调试：转动速度转把，Q2栅极为高电平12V。此时在源极对地之间加上0.8V左右的电压，栅极应很快变为低电平。
　　蓄电池放电指示电路用可调电源代替蓄电池。电压为38V时，调节VR1，使LED3刚好熄灭；电压为35V时，调节VR2，使LED2刚好熄灭；电压为33V时，调节VR3，使LED1刚好熄灭；电压为31V时，调节VR5，使LED5刚好点亮，此时TL494的④脚应为高电平5V左右，进入电池欠压保护状态。通过上述设置，仅LED1点亮时，电压为33V-34V，应及时给蓄电池充电，不过LED1熄灭至LED5点亮这段时间，蓄电池还可维持运行，但LED5点亮时，进入欠压保护状态。此时应注意，过一会儿电池电压因电机停转而回升，保护解除，又恢复工作。如此反复保护-工作-保护的结果会损坏电池和控
制器，故应避免出现这种状况。
(2)上海伟显牌控制器
　　使用LM324、LM393和LM339制作的有刷控制器可靠性是很高的，就是器件数量多些。该控制器仅用一片LM339制作有刷控制器部分。用另一块LM339制成电量显示部分。显示部分见图3，电路原理见图4所示。


　　上海伟星对该控制器的调速采用了光电速度转把。由于北方干燥，沙土灰尘大，影响了光电速度转把的使用。实践证明，完全可以用霍尔速度转把替代它。具体方法见图5。

　　光电速度转把改为霍尔速度转把关键有两点：一是加装+5V稳压电源；二是根据原速度信号输出点信号变化规律，选用相应信号变化的霍尔调速转把。
　　该有刷控制器以PWM电路为核心，前面有三角波发生器、电瓶欠压检测、电机过电流检测；后面有驱动、功率开关等。每部分都是独立的.检查调试都比较方便。三角波发生器由IC2A、R17、C5、D2、R9、R10等组成施密特振荡器，在C5上产生三角波。脉宽调制器是IC2B，它的输入之一⑥脚，为来自C5上的三角波，输入之二⑦脚，是来自速度转把(J1)①脚的速度信号。从IC2B①脚输出调宽脉冲，送互补推挽放大器。互补推挽驱动由T3、T4组成，脉冲高电平到来，上管NPN管T4导通，12V加到功率管T1、T2的栅极，T1、T2导通；脉冲低电平到来，上管NPN管T4截止.下管PNP管T2导通，将T1、T2栅极的电荷迅速放掉，T1、T2截止。电池欠压保护由IC2C组成电压比较器，当电瓶电压低于31.5V时，它的⒁脚变为低电位，相当于R13输入一端接地，将转把速度信号降到接近零伏.使IC2B①脚呈低电平，T4截止、T3导通；T1、T2截止。过电流保护由IC2D组成电压比较器，当过电流时。R4右端电位变低.通过R5加到IC2D⑾脚，比较器翻转⒀脚变为低电位，同样相当于R13输入一端接地.将转把速度信号降到接近零伏，使T1、T2截止。
(3)四川绵阳产某牌中功率有刷控制器
　　该控制器采用无刷专用芯片,MC33035为核心制作的有刷控制器。

　　控制器电路原理图见图6所示，该控制器的特点是刹车时三管齐下，具体工作原理如下：
　　刹车电路主要由J、Q3、Q6等组成。继电器常开触点串联在电机的供电电路中，+24V通过R29、D8为Q3提供基极电流，Q3导通，J得电吸合，常开触点闭合，电机得电。
　　1)当刹车时，左、右刹车开关闭合，+15V通过R25、R21为Q6提供基极电流，Q6导通，集电极电位降低，D4导通，使D8截止，Q3失去基极电流而截止，J失电，常开触点断开，电机失电停止转动。
　　2)在Q6导通，集电极电位降低时，D5也导通，降低了U1的⑦脚电位。该脚低电平关断PWM输出。
　　3)在Q6导通，集电极电位降低时，D6也导通，无论调速转把在低速或高速位置，均将霍尔调速转把转速信号对地短路而降低送往U1⑾脚的信号电压。
　　欠压保护电路由欠压检测U2B和单端触发器U3组成。其输出经Q4倒相送U1的⑦脚，关断U1的输出。转把电压检测U2C的输出送单端触发器U3强制复位端④脚进行调速工作。
(4)北京某牌带防飞车功能有刷控制器
　　电路原理图见图7。

　　防飞车功能是靠串联在电机和电源正极之间继电器J的常闭触点J实现的。下面两种情况之一，都会使继电器得电，断开电机电源：一是电机过流；二是速度转把在零速位置时，VDMOS的漏极D为低电位(开关管击穿)。电机过流，电流取样电阻R1下端电压变低，电流检测IC1A的②脚变低，①脚变成高电位，经D5使T7、T8导通，J得电，常闭触点断开。
　　当速度转把在零速位置时，PWM IC2的①脚低电位，D3截止，T6截止，其集电极高电位。一种情况：如果功率开关管没击穿则VDMOS的漏极D为高电位，经R6使T6导通，其集电极低电位，二极管D4是正与门，由于T5、T6集电极只有一个高电位，二极管D4截止，T7、T8截止，J不得电，其常闭触点闭合.使电机受控于T1、T2；另一种情况：如果功率开关管已击穿，则VDMOS的漏极D为低电位，经R6使T5截止，其集电极高电位，二极管D4是正与门，由于T5、T6集电极都是高电位，二极管D4导通；T7、T8导通，J得电，其常闭触点断开，使电机失电而达到防飞车保护。
　　当速度转把不在零速位置时，PWM IC2的①脚是一串正脉冲，经积分电路R20、C7积分，C7电位升高，D3导通，T6导通.其集电极低电位，二极管D4是正与门，无论T5集电极电位是高还是低，二极管D4都截止，T7、T8截止。J不得电，其常闭触点使电机得电。保证了功率开关管VDMOS正常导通时的漏极D为低电位，电机只要不过流即可控制电机旋转。

(5)三友SAYO ZHD2大功率有刷控制器电路
　　这款控制器是石家庄地区货运三轮主流控制器之一。电路原理方框图及接线图见图8所示。该电路的特点是：
(1)频率低，约150Hz，因而续流二极管采用了普通整流桥；
(2)没有欠压和过流保护；
(3)采用了简单的门电路作三角波发生器；
(4)采用5只大功率VDMOS并联，并且采用了简单均衡电路；
(5)速度转把是自制的光电速度把。

　　该控制器有36V、48V、60V多种规格，主要区别在功率管部分，电路见图9。如此简明的控制器，主要损坏元件就是功率管。损坏的原因主要是串激电机碳刷接触不良，高压击穿功率管；还有堵转造成的过流和过热。
 

(6)电动机有刷控制器小结及维修
　　无论更换原配套、还是换用其他品牌的有刷控制器，首先要搞清控制器的几条基本连线：电源正、负线，两条电机接线，三条速度转把接线，刹车把接线，钥匙接线。仪表接线等。进一步判断霍尔速度转把三条接线，具体到哪一条是+5V、地和速度信号，刹车把接线是断开有效还是短路有效等。
　　修理有刷控制器，首先要根据现象粗略估计损坏部位，排除控制器外部接触不良等低级故障。例如：飞车现象可能是VDMOS击穿，也可能是霍尔速度转把的接地端悬空；加电不转可能是控制器故障，也可能是外部连线烧断或接触不良，特别是刹车开关、钥匙、电池等部位；加载无力可能是电流取样电阻脱焊，也可能是电机问题等。确实认定是控制器内部故障，再打开检查维修。
　　要认清控制器内部关键器件，有些器件外形一样，例如TO-220封装的VDMOS、三端稳压器78xx、续流二极管等。生产厂商为保密往往把元器件的印刷标示打磨掉了，给维修增加了麻烦。小功率控制器，可根据连线部位等特征来认定，例如：续流二极管两端和电机两条线是并联关系，用万用表测一下就清楚了；VDMOS和三端稳压器78xx虽然都有一端接地，但VDMOS一端接电机，稳压器78xx则不接电机。集成块也可以从脚数和连线部位等特征来区分，例如：TL494是16脚的。LM324和LM339是14脚的，LM393和LM358是8脚的；虽然LM324和LM339都是14脚的，但是供电脚不同，LM324供电端是④脚，而接地端是⑾脚。LM339供电端是③脚.接地端是⑿。
　　接有直径1mm长度大约1cm的镍铜丝或康铜丝的电阻，一般是电流取样电阻，一端接VDMOS的源极S，一端接电池负极(粗黑)，康铜丝两端受热很易造成焊锡脱落。可能造成轻载正常、重载无力等故障。
　　根据原理图可以进一步沿信号通路分析，有刷控制器核心部位就是PWM。它前面的输入信号，一路是三角波发生器的三角波，一路是霍尔速度转把的速度信号。PWM的驱动信号加到VDMOS栅极。
　　维修重点：一是VDMOS。控制器中就是VDMOS损坏率高，多数为DS间击穿.造成加电就高速旋转。在不加电情况下，用万用表一测便知，一般换用好管故障就会排除。更换时，要注意绝缘和散热，要垫上导热绝缘片并涂上导热硅脂，固定好散热板的紧固件。伴随VDMOS击穿，还可能有其他周边元件损坏。如互补推挽下管PNP管等。另一个是稳压电源，可以带电检查其输出是否为额定稳压值，如没有，排除输出短路后，再沿电路向前检查。对于控制芯片采用TL494的电路，尽管内部复杂，只要检查关键点，就能判断大致情况。TLA94第⒁脚为+5V参考电源输出端，如⑿脚供电正确，⒁脚没有+5V。一般就是芯片坏了；③脚也是关键点，它为高电位时，芯片关闭输出，如果它为高电位，要检查造成原因，例如欠压保护，霍尔调速把故障等；④脚在有刷控制器中也是关键点，它为高电位(3.6V)时，芯片关闭输出，如果它为高电位，要检查造成原因。也可以检查后部的关键点，例如VDMOS栅极电压是否随霍尔速度转把转动变化等。

　　功率开关管损坏的原因和对策：
　　1)热损坏开关管过热后性能下降，极易损坏。开关管发热主要是导通损耗和开关损耗。导通压降和电流的乘积越大发热越多。压降大原因之一是器件本身问题，靠严格筛选解决，并联使用要经过配对；压降大原因之二不是器件本身问题，是开关通过放大区时间过长，通过改善(栅极驱动和泄放)电路设计解决。欠压保护和过流保护工作在临界(如堵转引起逐周过流保护动作)时，切换频繁，PWM频率升高，开关管开关损耗随频率升高而升高造成过热。关于欠压保护工作在临界切换频繁的改进，采用改进施密特电路，正反馈加一个二极管和一个电阻。
　　2)电压击穿主要是开关管本身耐压不够，当电压过高的一瞬间，还没来得及将热传到散热器，管子DS就击穿了，所以也称冷击穿。器件本身应经过严格筛选，并联应用器件要经过配对，否则易损坏；外因主要是电机大电流工作时，突然关断，引起瞬间高反电势，例如有刷电机碳刷接触不良。解决方案是并联大电流、高速、低压降续流二极管.例如采用30A双快恢复(或肖特基)管。还有，在开关管DS间加阻容吸收保护。
　　3)提高大功率控制器可靠性对策 大功率控制器要采用大电流高反压耐高温开关管。但是，大功率场效应管耐压和导通电阻制造时是有矛盾的，例如耐压60V左右的管子，导通电阻可以做到8mΩ，耐压升高到100V，导通电阻就成几倍增加。行之有效的措施是：一是降低振荡频率；二是增加并联器件数；三是增加驱动功率；四是加大散热板面积；五是振荡、三角波形成、PWM等电路不用WPM专用芯片TL494等，而选用故障率较低的比较器(LM339)、简单门电路等器件制作；六是功率冗余，就是功率管和续流管多只并联，但要特别注意分布参数；七是欠压保护改为欠压提示，不关断等。

2.无刷控制器
　　有刷电机是靠换向器(也叫整流子)来保证转子(旋转部分)和固定部分的磁场保持连续朝一个方向的吸引力或排斥力。这套换向机构最重要的机件就是电刷，控制器无须改变电流方向，其控制器叫有刷控制器。换向器有触点，是有磨损的。而无刷直流电机本身没有换向器，靠控制器改变电机线圈内部电流方向，同样保证转子和固定部分的磁场，保持连续朝一个方向的吸引力或排斥力。控制器采用晶体管无触点开关，永不磨损，这就是无刷控制器。无刷控制器一般靠霍尔传感器确定转子磁场位置，在恰当时机给相应线圈改换电流方向。位置传感器除霍尔传感器，还有光电传感器等。采用霍尔传感器的无刷电机和无刷控制器之间一般有8条导线连接；三根粗线是线圈引线，5条细线中，一条+5V，一条公共地，三条转子位置信号线。
　　当前市场上，无刷控制器有两大类：一类以单片机为核心，一类以专用芯片MC33035(MC33033)、A3932SEQ、LB11690、MC33039等为核心。

(1)24V电动自行车用无刷控制器电路

　　读者可以查到芯片厂家给出的无刷控制器典型应用图。图中在无刷电机和MC33035之间，仅有个驱动电路的方框，没有具体电路，一般认为是典型三相桥式输出电路，上管为双极型三极管，下管为VDMOS场效应管。也有人认为上管为P沟道场效应管，下管为N沟道场效应管。由于大功率P沟道场效应管价格昂贵，限制了应用。国内在三相桥式输出电路中，上管、下管全部采用VDMOS场效应管，驱动有的采用IR2103(驱动一相)，有的用IR2130(驱动三相，但价格昂贵)。有的采用分立元件，由此派生出了几种版本。
　　关键问题是，在上管导通时，漏极和源极电位近似等于电源正极电位，要保持上管导通，必须使上管栅极电位高于电源正极电位12V左右。IR2103和IR2130 比较简单，通过外接一只隔离二极管和一只自举电容就解决了。当下管导通上管截止时，隔离二极管导通，自举电容充电，两端电压接近电源电压；当下管截止上管导通时，隔离二极管截止，自举电容储存的电荷给上管栅极供电，电位大大高于电源正极电位，使上管保持导通。
　　图10是一个24V电动自行车用无刷控制器电路。图中三只接在VCC和VB之间的二极管为隔离二极管，接在VB和VS之间的电容为自举电容。

(2)采用单片机的电动车无刷控制器
　　图11是以89C2051为核心的控制器电路图。由于89C2051属低端产品，内部没有PWM和A/D转换，它借助了三个模拟比较器完成相应工作。IC8B作为电池欠压检测器，欠压时，给单片机(13)脚一个低电平；IC8D做过流检测器，过流时，给单片机⑦脚一个低电平；借助普通I/O口(11)脚输出，通过积分电路和转把模拟速度信号在IC8A进行比较后.输入单片机(12)脚，用软件完成PWM控制，然后分三相六路输出到三个专用驱动芯片IR2103。由IR2103驱动每相的上、下VDMOS管。

　　单片机通过内部软件完成任务，不同产品的软件差异很大，写入程序时一般都进行了加密。市场上销售的单片机是空白的，内部程序需用专用设备进行烧写。因此，采用单片机的各种控制器，普通售后服务作维修只是更换外围元件，单片机本身损坏，更换工作要依靠原生产厂商进行，或供应写有程序的单片机。单片机就是单片微型计算机，它的加入可以很容易地增加一些所谓智能功能，例如巡航功能。巡航功能就是通过按一下巡航功能按钮，电动自行车就以刚才的速度继续前进，松开霍尔速度转把也不受影响。

3.其他控制器
(1)未涉及到的无刷控制器
　　也有不需要位置传感器的无刷控制器，它是通过检测线圈电动势判断转子位置的。显然，电机未转动时，它是不能判断转子位置的，可以等电机转起来再加电，也可以按一定序列加电，试探出转子位置后，然后正确加电。

(2)未涉及到的开关磁阻电机的控制器
　　开关磁阻电机是又一种电机，过去在纺织行业有应用，现在有人研究将它用到电动自行车上，它的控制器类似无刷控制器。