采用LM339电动自行车有刷电机控制器的制作

对于有刷直流电机控制器，由于电机工作的额定电压和采用的控制芯片不同，其控制器也不同。有使用LT494和LM324或LM358芯片的、也有使用NE555和LM339芯片的、还有使用单片机PIC16C58B控制的，等等。但万变不离其宗，这类控制器一般都由锯齿波振荡电路、PWM脉冲调制电路、PWM脉冲功率放大电路、速度调节控制电路、制动控制电路、过流保护电路、欠电压保护电路等组成。其原理框图如下图所示。

这里介绍一款最常见的使用单片LM339控制的电动自行车有刷电机控制器，其电路原理如下图所示。该线路设定不同的欠压控制值，可用于36V或48V额定工作电压的有刷直流电机控制。

1．锯齿波振荡电路

锯齿波振荡电路是LM339比较器功能的典型应用电路之一，其电路原理如下图所示。

图中IC同相输入端由电阻R3和R4分压提供参考电位，R1和C1串联电路的中间连接点与IC的反相输入端连接，R2和C2串联电路的中间连接点与IC的输出端连接，输出端与反相输入端接有二极管D1。在电路上电后，由于电容C1两端的电压不能突变，故IC反相端为低电平，比较器的输出端呈高电平。该电压通过电阻R2使同相端的参考电压升高。随着电容C1通过电阻R1充电的进行，使C1两端的电位逐渐升高。

当比较器反相端的电位高于其同相端的电位时，比较器发生翻转，输出端呈低电平。输出端的低电平一方面通过电阻R2使同相端的参考电位降低，另一方面使电容C1通过二极管D1进行放电。随着C1放电的进行，其两端的电压逐步降低，当低于比较器同相端的电压时，比较器又发生翻转，依次循环进入振荡状态。这样便在电容Cl两端产生锯齿波脉冲信号，锯齿波的上升时间就是电容C1的充电时间，锯齿波的下降时间就是电容C1的放电时间。

2．脉冲宽度调制

脉冲宽度调整实质上也是通过比较器来实现的。把一比较器的反相输入端接一个锯齿波脉冲，在其同相输入端的电位逐渐升高/降低变化时，比较器的输出端就会得到一个脉冲宽度变化的矩形脉冲。若同相输入端固定在某个电位上时，当反相输入端锯齿波的电位低于同相端时，输出端是高电位；当反相输入端锯齿波的电位高于同相端时，输出是低电位，其波形如下图所示。

3．电路工作原理

电路中， 由ICIA、 电阻R9、R10、R11、R12、R13、电容C4、二极管D6组成锯齿波产生电路，在ICIA的④脚输出锯齿波。PWM调制实质上也是一个比较器，ICIB⑦脚上的电压与⑥的锯齿波电压相比较，当⑥脚电压高于⑦脚电压后，比较器输出端①脚变低电平。⑥脚电压低于⑦脚电压后，比较器输出端①脚变高电平。因此改变⑦脚上电平就能在①脚上得到不同占空比的方波。该方波通过互补放大去驱动MOSFET功率管，控制电机两端的电压。当脉冲方波的周期固定时，加在电机上的方波维持高电平的宽度越大，其得到的平均电压越高，电机的旋转速度就越快。图4中波形2的平均电压要比波形1的高。ICIB⑦脚上的电压分别有调速车把、过流保护、欠压保护控制。当电池电压降低，使ICIC⑨脚的电平低于其⑧脚电平时，比较器ICIC发生翻转，输出端(14)脚呈低电平，锁住PWM调制。同样当电机电流过大，使ICID(11)脚的电平低于其⑩脚电平时，比较器ICID发生翻转，输出端(13)脚呈低电平，锁住PWM调制。在PWM未被ICIC和ICID锁住的情况下，ICIB⑦脚上的电压由调速车把控制。转动车把，速度信号电压升高，加在电机上的电压也升高，电机转速加快。反之，电机转速减慢。

原理图所示线路作为额定电压为36V的电动车有刷电机控制时，调速控制电压为1.1V～4.2V，限流值为15A±1A，欠压保护值为31.5V，制动控制为低电平。

二、元器件选择

原理图中所有的元器件都是常规的，其中电阻R20采用中1mm表1控制器材料清单的康铜丝约2cm长。图中刹车开关和调速车把未列出。调速车把是一个霍尔传感器，有三根引出线，其中两根是电源的正/负极，另一根是信号（电压）输出。若读者手头没有，且一时买不到时可用-4.7kΩ碳膜电位器代替。刹车开关可用微动开关代之，或直接引出两根导线，调试时将其短接即可。

三、安装调试

1．安装

根据电路原理绘制的印刷电路板如下图(a)（略）所示，元器件布置如下图(b) （略）所示。

元器件焊接时，先焊电阻、电容，再焊二极管、三极管、集成电路，最后焊引出线。其中电阻R5和R16暂时不必焊上，待调试时再调整。焊接完成后的控制板实物如下图（略）所示。图中粗红线接电池正极、粗黑线接电池负极，粗黄线接电机正极、粗绿线接电机负极，细黄线和细黑线接制动开关常开触头，细绿线（电源+）、细黑线（电源-）、细灰线（调速信号）分别接调速车把的。

2．调试

测试时控制器与电池、电机。调速车把、制动开关的连接示意如下图（略）所示。图中刹车开关用一微动开关代替。若读者手头没有调速车把，可用-4.7k电位器代之，只要将电位器的中心抽头与调速信号线相连，余下两端分别接调速电源的正/负极即可。

(1)欠压保护值整定

取一只68k电位器，阻值调至最大，焊出中间和边上两个引线，接在图2中R5的位置。将图8中的蓄电池用一可调稳压电源代替，初始时输出电压调至36V或48V。让电机空载，转动车把（可用-4.7k电位器代），使电机转动为止。接着调低稳压电源输出电压，调至31.5V或42V，再调节68k电位器，直到电机正好停转为止。

断开电源，拆下68k电位器，测量出其电阻，用一阻值接近的固定电阻焊上。欠压保护整定完毕。

(2)过电流保护值整定

同样取一只68k电位器，阻值调至最大，焊出中间和边上两个引线，接在R16的位置。

将电机用一断电阻丝取代，作为负载。

调节车把使电压表指示最大，降低负载逐渐使输出电流增大（注意功率管的温度和散热），直到15A为止，再调节68k电位器，直到电机正好停转为止。断开电源，拆下68k电位器，测量出其电阻，用一阻值接近的固定电阻焊上。过流保护整定完毕。

调试时用示波器测得IC1⑥脚的锯齿波波形如下图(a)所示，电机两端的电压波形如下图(b)和(c)所示。