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本文分別介紹國內部分具有代表性的電動自行車控制器整機電路，并指出與其他產品的不同之處及其特點。所列電路均是根據實物進行測繪所得，圖中元件號為筆者所標。通過介紹具體實例，達到舉一反三的目的。 電動自行車控制器 目前流行的電動自行車、電動摩托車大都使用直流電機，對直流電機調速的控制器有很多種類。電動車控制器核心是脈寬調制(PWM)器，而一款完善的控制器，還應具有電瓶欠壓保護、電機過流保護、剎車斷電、電量顯示等功能。 電動車控制器以功率大小可分為大功率、中功率、小功率三類。電動自行車使用小功率的，貨運三輪車和電摩托要使用中功率和大功率的。從配合電機分，可分為有刷、無刷兩大類。關于無刷控制器，受目前的技術和成本制約，損壞率較高。筆者認為，無刷控制器維修應以生產廠商為主。而應用較多的有刷控制器，是完全可以用同類控制器進行直接代換或維修的。 1.有刷控制器實例 (1)山東某牌帶電量顯示有刷控制器 電路方框圖見圖1。 1)電路原理 電路原理圖見圖2所示，該控制器由穩壓電源電路、PWM產生電路、電機驅動電路、蓄電池放電指示電路、電機過流及蓄電池過放電保護電路等組成。 穩壓電源 由V3(TL431)，Q3等元件組成，從36V蓄電池經過串聯穩壓后得到+12V電壓，給控制電路供電，調節VR6可校準+12V電源。 PWM電路 以脈寬調制 器TL494為核心組成。R3、C4與內部電路產生振蕩，頻率大約為12kHz。 H是高變低型霍爾速度控制轉把，由松開到旋緊時，其輸出端可得到4V—1V的電壓。該電壓加到TL494的②腳，與①腳電壓進行比較，在⑧腳得到調寬脈沖。②腳電壓越低，⑧腳輸出的調寬脈沖的低電平部分越寬，電機轉速越高，電位器VR2用于零速調節，調節VR2使轉把松開時電機停轉再過一點。 電機驅動電路 由Q1、Q2、Q4等元件組成。電機MOTOR為永磁直流有刷電機。TL494的⑧腳輸出的調寬脈沖，經Q1反相放大驅動VDMOS管Q2。TL494的⑧腳輸出的調寬脈沖低電平部分越寬，則Q2導通時間越長，電機轉速越高。D1是電機續流二極管，防止Q2擊穿。TL494的⑧腳輸出低電平時，Q1、D2導通，Q4截止，Q2導通；TL494的⑧腳輸出高電平時，Q1、D2截止，Q4導通，迅速將Q2柵極電荷泄放，加速Q2的截止過程，對降低Q2溫度有十分重要的作用。 蓄電池放電指示電路 由LM324組成四個比較器，12V由R24、VR1、VR4、VR3、VR5、R21分壓形成四個不同基準電壓分別加到四個比較器的反相端。蓄電池電壓經R23和R22分壓加到每個比較器的同相端，該電壓和蓄電池電壓成比例。VA=VB*R22/(R22+R23)。當蓄電池電壓不低于38V時，LED1、LED2、LED3均點亮；當電池電壓低于38V時，LED3熄滅；當電池電壓低于35V時，LED2熄滅；當電池電壓低于33V時，LED1熄滅，此時應給電池充電。調節VR1、VR4、VR3可分別設定LED3、LED2、LED1熄滅時的電壓。LED4用作電源指示，LED5用作欠壓切斷控制器輸出指示。 蓄電池過放電保護 當蓄電池放電到31.5V時.LM324的①腳輸出低電平，三極管Q5導通，約5V電壓加到TL494的死區控制端④腳.該腳電位≥3.5V，就會迫使TL494內部調寬脈沖輸出管截止，從而使三極管Q1、Q2截止，電機停止運轉，蓄電池放電停止，進入電池保護狀態。此時LED5點亮，指示出該狀態。VR5用于設定電池保護點電壓。 電機過流保護 R30為電機電流取樣電阻，當過流時，取樣電壓經R14加到TL494的⑩腳。當⑩腳電位高于⑩腳電位時，TL494內部運放2輸出高電平，迫使TL494內部調寬脈沖輸出管截止，從而使Q1、Q2截止，電機停止運轉，從而保護了電機。 制動保護 當剎車制動時，KEY2接通.5V電壓加到TL494的死區控制端④腳，迫使TL494內部調寬脈沖輸出管截止，從而使Q1、Q2截止，電機停止運轉，實施制動保護。 2)調試 調速電路零速調試：速度轉把完全松開.調節VR2使電機停轉并再調過一點以保證可靠置零速。制動調試：轉動速度轉把，電機旋轉。此時閉合制動開關KEY2，Q2柵極應立即變為低電平0V。過流保護調試：轉動速度轉把，Q2柵極為高電平12V。此時在源極對地之間加上0.8V左右的電壓，柵極應很快變為低電平。 蓄電池放電指示電路用可調電源代替蓄電池。電壓為38V時，調節VR1，使LED3剛好熄滅；電壓為35V時，調節VR2，使LED2剛好熄滅；電壓為33V時，調節VR3，使LED1剛好熄滅；電壓為31V時，調節VR5，使LED5剛好點亮，此時TL494的④腳應為高電平5V左右，進入電池欠壓保護狀態。通過上述設置，僅LED1點亮時，電壓為33V-34V，應及時給蓄電池充電，不過LED1熄滅至LED5點亮這段時間，蓄電池還可維持運行，但LED5點亮時，進入欠壓保護狀態。此時應注意，過一會兒電池電壓因電機停轉而回升，保護解除，又恢復工作。如此反復保護-工作-保護的結果會損壞電池和控制器，故應避免出現這種狀況。 (2)上海偉顯牌控制器 使用LM324、LM393和LM339制作的有刷控制器可靠性是很高的，就是器件數量多些。該控制器僅用一片LM339制作有刷控制器部分。用另一塊LM339制成電量顯示部分。顯示部分見圖3，電路原理見圖4所示。 上海偉星對該控制器的調速采用了光電速度轉把。由于北方干燥，沙土灰塵大，影響了光電速度轉把的使用。實踐證明，完全可以用霍爾速度轉把替代它。具體方法見圖5。 光電速度轉把改為霍爾速度轉把關鍵有兩點：一是加裝+5V穩壓電源；二是根據原速度信號輸出點信號變化規律，選用相應信號變化的霍爾調速轉把。 該有刷控制器以PWM電路為核心，前面有三角波發生器、電瓶欠壓檢測、電機過電流檢測；后面有驅動、功率開關等。每部分都是獨立的.檢查調試都比較方便。三角波發生器由IC2A、R17、C5、D2、R9、R10等組成施密特振蕩器，在C5上產生三角波。脈寬調制器是IC2B，它的輸入之一⑥腳，為來自C5上的三角波，輸入之二⑦腳，是來自速度轉把(J1)①腳的速度信號。從IC2B①腳輸出調寬脈沖，送互補推挽放大器。互補推挽驅動由T3、T4組成，脈沖高電平到來，上管NPN管T4導通，12V加到功率管T1、T2的柵極，T1、T2導通；脈沖低電平到來，上管NPN管T4截止.下管PNP管T2導通，將T1、T2柵極的電荷迅速放掉，T1、T2截止。電池欠壓保護由IC2C組成電壓比較器，當電瓶電壓低于31.5V時，它的⒁腳變為低電位，相當于R13輸入一端接地，將轉把速度信號降到接近零伏.使IC2B①腳呈低電平，T4截止、T3導通；T1、T2截止。過電流保護由IC2D組成電壓比較器，當過電流時。R4右端電位變低.通過R5加到IC2D⑾腳，比較器翻轉⒀腳變為低電位，同樣相當于R13輸入一端接地.將轉把速度信號降到接近零伏，使T1、T2截止。 (3)四川綿陽產某牌中功率有刷控制器 該控制器采用無刷專用芯片,MC33035為核心制作的有刷控制器。 控制器電路原理圖見圖6所示，該控制器的特點是剎車時三管齊下，具體工作原理如下： 剎車電路主要由J、Q3、Q6等組成。繼電器常開觸點串聯在電機的供電電路中，+24V通過R29、D8為Q3提供基極電流，Q3導通，J得電吸合，常開觸點閉合，電機得電。 1)當剎車時，左、右剎車開關閉合，+15V通過R25、R21為Q6提供基極電流，Q6導通，集電極電位降低，D4導通，使D8截止，Q3失去基極電流而截止，J失電，常開觸點斷開，電機失電停止轉動。 2)在Q6導通，集電極電位降低時，D5也導通，降低了U1的⑦腳電位。該腳低電平關斷PWM輸出。 3)在Q6導通，集電極電位降低時，D6也導通，無論調速轉把在低速或高速位置，均將霍爾調速轉把轉速信號對地短路而降低送往U1⑾腳的信號電壓。 欠壓保護電路由欠壓檢測U2B和單端觸發器U3組成。其輸出經Q4倒相送U1的⑦腳，關斷U1的輸出。轉把電壓檢測U2C的輸出送單端觸發器U3強制復位端④腳進行調速工作。 (4)北京某牌帶防飛車功能有刷控制器 電路原理圖見圖7。 防飛車功能是靠串聯在電機和電源正極之間繼電器J的常閉觸點J實現的。下面兩種情況之一，都會使繼電器得電，斷開電機電源：一是電機過流；二是速度轉把在零速位置時，VDMOS的漏極D為低電位(開關管擊穿)。電機過流，電流取樣電阻R1下端電壓變低，電流檢測IC1A的②腳變低，①腳變成高電位，經D5使T7、T8導通，J得電，常閉觸點斷開。 當速度轉把在零速位置時，PWM IC2的①腳低電位，D3截止，T6截止，其集電極高電位。一種情況：如果功率開關管沒擊穿則VDMOS的漏極D為高電位，經R6使T6導通，其集電極低電位，二極管D4是正與門，由于T5、T6集電極只有一個高電位，二極管D4截止，T7、T8截止，J不得電，其常閉觸點閉合.使電機受控于T1、T2；另一種情況：如果功率開關管已擊穿，則VDMOS的漏極D為低電位，經R6使T5截止，其集電極高電位，二極管D4是正與門，由于T5、T6集電極都是高電位，二極管D4導通；T7、T8導通，J得電，其常閉觸點斷開，使電機失電而達到防飛車保護。 當速度轉把不在零速位置時，PWM IC2的①腳是一串正脈沖，經積分電路R20、C7積分，C7電位升高，D3導通，T6導通.其集電極低電位，二極管D4是正與門，無論T5集電極電位是高還是低，二極管D4都截止，T7、T8截止。J不得電，其常閉觸點使電機得電。保證了功率開關管VDMOS正常導通時的漏極D為低電位，電機只要不過流即可控制電機旋轉。 (5)三友SAYO ZHD2大功率有刷控制器 這款控制器是石家莊地區貨運三輪主流控制器之一。電路原理方框圖及接線圖見圖8所示。該電路的特點是： (1)頻率低，約150Hz，因而續流二極管采用了普通整流橋； (2)沒有欠壓和過流保護； (3)采用了簡單的門電路作三角波發生器； (4)采用5只大功率VDMOS并聯，并且采用了簡單均衡電路； (5)速度轉把是自制的光電速度把。 該控制器有36V、48V、60V多種規格，主要區別在功率管部分，電路見圖9。如此簡明的控制器，主要損壞元件就是功率管。損壞的原因主要是串激電機碳刷接觸不良，高壓擊穿功率管；還有堵轉造成的過流和過熱。 (6)有刷控制小結 無論更換原配套、還是換用其他品牌的有刷控制器，首先要搞清控制器的幾條基本連線：電源正、負線，兩條電機接線，三條速度轉把接線，剎車把接線，鑰匙接線。儀表接線等。進一步判斷霍爾速度轉把三條接線，具體到哪一條是+5V、地和速度信號，剎車把接線是斷開有效還是短路有效等。 修理有刷控制器，首先要根據現象粗略估計損壞部位，排除控制器外部接觸不良等低級故障。例如：飛車現象可能是VDMOS擊穿，也可能是霍爾速度轉把的接地端懸空；加電不轉可能是控制器故障，也可能是外部連線燒斷或接觸不良，特別是剎車開關、鑰匙、電池等部位；加載無力可能是電流取樣電阻脫焊，也可能是電機問題等。確實認定是控制器內部故障，再打開檢查維修。 要認清控制器內部關鍵器件，有些器件外形一樣，例如TO-220封裝的VDMOS、三端穩壓器78xx、續流二極管等。生產廠商為保密往往把元器件的印刷標示打磨掉了，給維修增加了麻煩。小功率控制器，可根據連線部位等特征來認定，例如：續流二極管兩端和電機兩條線是并聯關系，用萬用表測一下就清楚了；VDMOS和三端穩壓器78xx雖然都有一端接地，但VDMOS一端接電機，穩壓器78xx則不接電機。集成塊也可以從腳數和連線部位等特征來區分，例如：TL494是16腳的。LM324和LM339是14腳的，LM393和LM358是8腳的；雖然LM324和LM339都是14腳的，但是供電腳不同，LM324供電端是④腳，而接地端是⑾腳。LM339供電端是③腳.接地端是⑿。 接有直徑1mm長度大約1cm的鎳銅絲或康銅絲的電阻，一般是電流取樣電阻，一端接VDMOS的源極S，一端接電池負極(粗黑)，康銅絲兩端受熱很易造成焊錫脫落。可能造成輕載正常、重載無力等故障。 根據原理圖可以進一步沿信號通路分析，有刷控制器核心部位就是PWM。它前面的輸入信號，一路是三角波發生器的三角波，一路是霍爾速度轉把的速度信號。PWM的驅動信號加到VDMOS柵極。 維修重點：一是VDMOS。控制器中就是VDMOS損壞率高，多數為DS間擊穿.造成加電就高速旋轉。在不加電情況下，用萬用表一測便知，一般換用好管故障就會排除。更換時，要注意絕緣和散熱，要墊上導熱絕緣片并涂上導熱硅脂，固定好散熱板的緊固件。伴隨VDMOS擊穿，還可能有其他周邊元件損壞。如互補推挽下管PNP管等。另一個是穩壓電源，可以帶電檢查其輸出是否為額定穩壓值，如沒有，排除輸出短路后，再沿電路向前檢查。對于控制芯片采用TL494的電路，盡管內部復雜，只要檢查關鍵點，就能判斷大致情況。TLA94第⒁腳為+5V參考電源輸出端，如⑿腳供電正確，⒁腳沒有+5V。一般就是芯片壞了；③腳也是關鍵點，它為高電位時，芯片關閉輸出，如果它為高電位，要檢查造成原因，例如欠壓保護，霍爾調速把故障等；④腳在有刷控制器中也是關鍵點，它為高電位(3.6V)時，芯片關閉輸出，如果它為高電位，要檢查造成原因。也可以檢查后部的關鍵點，例如VDMOS柵極電壓是否隨霍爾速度轉把轉動變化等。 功率開關管損壞的原因和對策： 1)熱損壞開關管過熱后性能下降，極易損壞。開關管發熱主要是導通損耗和開關損耗。導通壓降和電流的乘積越大發熱越多。壓降大原因之一是器件本身問題，靠嚴格篩選解決，并聯使用要經過配對；壓降大原因之二不是器件本身問題，是開關通過放大區時間過長，通過改善(柵極驅動和泄放)電路設計解決。欠壓保護和過流保護工作在臨界(如堵轉引起逐周過流保護動作)時，切換頻繁，PWM頻率升高，開關管開關損耗隨頻率升高而升高造成過熱。關于欠壓保護工作在臨界切換頻繁的改進，采用改進施密特電路，正反饋加一個二極管和一個電阻。 2)電壓擊穿主要是開關管本身耐壓不夠，當電壓過高的一瞬間，還沒來得及將熱傳到散熱器，管子DS就擊穿了，所以也稱冷擊穿。器件本身應經過嚴格篩選，并聯應用器件要經過配對，否則易損壞；外因主要是電機大電流工作時，突然關斷，引起瞬間高反電勢，例如有刷電機碳刷接觸不良。解決方案是并聯大電流、高速、低壓降續流二極管.例如采用30A雙快恢復(或肖特基)管。還有，在開關管DS間加阻容吸收保護。 3)提高大功率控制器可靠性對策 大功率控制器要采用大電流高反壓耐高溫開關管。但是，大功率場效應管耐壓和導通電阻制造時是有矛盾的，例如耐壓60V左右的管子，導通電阻可以做到8mΩ，耐壓升高到100V，導通電阻就成幾倍增加。行之有效的措施是：一是降低振蕩頻率；二是增加并聯器件數；三是增加驅動功率；四是加大散熱板面積；五是振蕩、三角波形成、PWM等電路不用WPM專用芯片TL494等，而選用故障率較低的比較器(LM339)、簡單門電路等器件制作；六是功率冗余，就是功率管和續流管多只并聯，但要特別注意分布參數；七是欠壓保護改為欠壓提示，不關斷等。 2.無刷控制器 有刷電機是靠換向器(也叫整流子)來保證轉子(旋轉部分)和固定部分的磁場保持連續朝一個方向的吸引力或排斥力。這套換向機構最重要的機件就是電刷，控制器無須改變電流方向，其控制器叫有刷控制器。換向器有觸點，是有磨損的。而無刷直流電機本身沒有換向器，靠控制器改變電機線圈內部電流方向，同樣保證轉子和固定部分的磁場，保持連續朝一個方向的吸引力或排斥力。控制器采用晶體管無觸點開關，永不磨損，這就是無刷控制器。無刷控制器一般靠霍爾傳感器確定轉子磁場位置，在恰當時機給相應線圈改換電流方向。位置傳感器除霍爾傳感器，還有光電傳感器等。采用霍爾傳感器的無刷電機和無刷控制器之間一般有8條導線連接；三根粗線是線圈引線，5條細線中，一條+5V，一條公共地，三條轉子位置信號線。 當前市場上，無刷控制器有兩大類：一類以單片機為核心，一類以專用芯片MC33035(MC33033)、A3932SEQ、LB11690、MC33039等為核心。 (1)采用無刷專用芯片MC33035(MC33033)的控制器 MC33035是高性能單片無刷直流電機控制器，該控制器內含可用于正確整流時序的轉子位置譯碼器，以及可對傳感器溫度進行補償的參考電平，同時它還具有一個頻率可編程的鋸齒波振蕩器、一個誤差信號放大器、一個脈沖調制比較器、三個集電極開路驅動輸出和三個非常適用于驅動功率場效應管(MOSFET)的大電流圖騰柱式底部輸出器。此外，MC33035還有欠壓鎖定功能，同時帶有可選時間延遲鎖存關斷模式的逐周限流特性以及內部熱關斷等特性。其典型的電機控制功能包括開環速度、正向或反向、以及運行使能等。MC33035有多種封裝，下面介紹24腳雙向直列(DIP)封裝的管腳排列及功能定義。 ①、②、(24)腳為BT、AT、CT三個集電極開路驅動輸出，用于驅動外部功率開關管。③腳為Fwd/Rev正向/反向輸入，用于改變電機轉向。(④、⑤、⑥腳為SA、SB、SC三個傳感器輸入，用于控制整流序列。輸入邏輯0定義為小于85mV，邏輯1為高于115mV。MC33035內部的轉子位置譯碼器主要用于監控三個傳感器輸入，以便系統能夠正確提供高端和低端驅動輸入的正確時序。傳感器輸入可直接與集電極開路型霍爾效應開關或光電耦合器相連。此外，該電路還內含上拉電阻，其輸入門限典型值為2.2V的TTL兼容電平。⑦腳為Output Enable輸出使能，高電平有效。該腳為高電平時，可使電機轉動。⑧腳為Reference Output參考電壓輸出，為振蕩器定時電容CT提供充電電流，并為誤差放大器提供參考電壓，也可以向傳感器提供電源。⑨腳為Current Sense Noninverting Input電流檢測同相輸入。在一個給定的振蕩器周期中，一個相對于管腳⒂為100mV的信號可中止輸出開關導通。通常此腳連接到電流檢測的上端。⑩腳為Oscillator振蕩器引腳，振蕩頻率由定時元件RT和CT所選擇的參數值決定。⑾腳為Error Amp Nominverting Input誤差信號放大器同相輸入端。通常連接到霍爾速度控制器上。⑿腳為Error Amp Noninverting Input誤差信號放大器反相輸入端。在開環應用情況下，此輸入通常連接到誤差放大器輸出端。⒀腳為Error Amp Out/PWM Input誤差放大器輸出/PWM輸入。在閉環應用情況下，此腳用作補償。⒁腳為Fault Output故障輸出端。當下列的任一或多個條件滿足時，集電極開路輸出端被觸發而變為低；無效的傳感器輸入碼，電流檢測超過100mV，低電壓鎖定或熱關斷。⒂腳為Current Sense Inverting Input電流檢測反相輸入端。用于給內部100mV門限電壓提供參考地，該管腳通常連接到電流檢測電阻的底端。⒃腳為Gnd，該腳用于為控制電路提供一個分離的接地點，并可作為參考返回到電源地。⒄腳為Vcc正電源。Vcc在10V～30V的范圍內，控制器均可正常工作。⒅腳為Vcc底部驅動輸出的高端電壓是由該腳提供的。工作范圍從10V～30V。⒆珍、⒇、(21)腳為CB、BB、AB這三個圖騰柱式底部驅動輸出，被設計用于直接驅動外部底部功率開關管。(22)腳為60°/120°Select，此管腳的電氣狀態可決定控制電路是工作在60°(高電平狀態)還是120°(低電平狀態)的傳感器電氣相位輸入狀態下。(23)腳為Brake輸出使能，該管腳為低時允許馬達運行，為高時馬達運行停止。 讀者可以查到芯片廠家給出的無刷控制器典型應用圖。圖中在無刷電機和MC33035之間，僅有個驅動電路的方框，沒有具體電路，一般認為是典型三相橋式輸出電路，上管為雙極型三極管，下管為VDMOS場效應管。也有人認為上管為P溝道場效應管，下管為N溝道場效應管。由于大功率P溝道場效應管價格昂貴，限制了應用。國內在三相橋式輸出電路中，上管、下管全部采用VDMOS場效應管，驅動有的采用IR2103(驅動一相)，有的用IR2130(驅動三相，但價格昂貴)。有的采用分立元件，由此派生出了幾種版本。 關鍵問題是，在上管導通時，漏極和源極電位近似等于電源正極電位，要保持上管導通，必須使上管柵極電位高于電源正極電位12V左右。IR2103和IR2130 比較簡單，通過外接一只隔離二極管和一只自舉電容就解決了。當下管導通上管截止時，隔離二極管導通，自舉電容充電，兩端電壓接近電源電壓；當下管截止上管導通時，隔離二極管截止，自舉電容儲存的電荷給上管柵極供電，電位大大高于電源正極電位，使上管保持導通。 圖10是一個24V電動自行車用無刷控制器電路。圖中三只接在VCC和VB之間的二極管為隔離二極管，接在VB和VS之間的電容為自舉電容。 (2)采用單片機的無刷控制器 圖11是以89C2051為核心的控制器電路圖。由于89C2051屬低端產品，內部沒有PWM和A/D轉換，它借助了三個模擬比較器完成相應工作。IC8B作為電池欠壓檢測器，欠壓時，給單片機(13)腳一個低電平；IC8D做過流檢測器，過流時，給單片機⑦腳一個低電平；借助普通I/O口(11)腳輸出，通過積分電路和轉把模擬速度信號在IC8A進行比較后.輸入單片機(12)腳，用軟件完成PWM控制，然后分三相六路輸出到三個專用驅動芯片IR2103。由IR2103驅動每相的上、下VDMOS管。 單片機通過內部軟件完成任務，不同產品的軟件差異很大，寫入程序時一般都進行了加密。市場上銷售的單片機是空白的，內部程序需用專用設備進行燒寫。因此，采用單片機的各種控制器，普通售后服務作維修只是更換外圍元件，單片機本身損壞，更換工作要依靠原生產廠商進行，或供應寫有程序的單片機。單片機就是單片微型計算機，它的加入可以很容易地增加一些所謂智能功能，例如巡航功能。巡航功能就是通過按一下巡航功能按鈕，電動自行車就以剛才的速度繼續前進，松開霍爾速度轉把也不受影響。 3.其他控制器 (1)未涉及到的無刷控制器 也有不需要位置傳感器的無刷控制器，它是通過檢測線圈電動勢判斷轉子位置的。顯然，電機未轉動時，它是不能判斷轉子位置的，可以等電機轉起來再加電，也可以按一定序列加電，試探出轉子位置后，然后正確加電。 (2)未涉及到的開關磁阻電機的控制器 開關磁阻電機是又一種電機，過去在紡織行業有應用，現在有人研究將它用到電動自行車上，它的控制器類似無刷控制器。 |
