電動自行車無刷控制器電路原理分析

2020-12-13 電子產品世界

根據實物繪出其電路圖，如圖所示。該控制器由CPU(PIC16F72)、2片74HC27(3輸入或非門)、1片74HCO4D(反相器)、1片74HCO8D(雙輸入與門)和1片LM358(雙運放)、6隻大功率場效應管等組成，功率達350W，是一款比較典型的無刷電動車控制器，具有600和120°驅動模式自動切換功能。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201609/303368.htm

電路組成及工作原理

該電路分為電源電路，信號輸入與預處理、智能信號處理控制，驅動控制信號功率驅動開關等三部分。CPU(PIC16F72)單片機是智能處理控制部分的核心。PIC16F72的引腳功能描述見304頁圖中所注。

1.電源電路

該控制器有三組電源。第一組是提供總能源的電池。板子上的電解電容C1(1OOOμF/63V)、C11(1OOμF/63V)及C1O(0.1μF /63V)用於消除由電源線、電路板走線所帶來的電阻、寄生電感等引起的雜波幹擾。由於是工作在大電流、高頻率、高溫狀態下，對電解電容有損耗角小、耐高溫的要求，普通的電解電容容易發熱爆裂。

第二組電源提供15V電壓，一是給場效應管供電，由於場效應管必須有1OV以上、20V以下的電壓才能很好地導通，所以必須有合適的電壓為其供電，同時15V電壓也為5V穩壓塊提供預穩壓。穩壓塊為LM317，輸出15V。由於LM317的輸入輸出壓差不能超過40V，而輸入電壓(電池電壓)可能高達 60V，因此在LM317前面加了一隻330Ω/2W的電阻。

第三組電源是5V，穩壓塊採用LM78LO5，由於78LO5的最大輸出電流只有1OOmA，所以並聯了兩隻1.5kΩ的電阻R75、R76，以擴流。系統對5V電源的要求比較高，不單單是因為邏輯電路、CPU等的電源電壓都不能過高，而且由於CPU的所有AD轉換都是以5V電壓為基準，所以若5V 不準，會出現電流檢測、欠電壓檢測、手柄控制等均不能達到設計要求的情況，甚至不能動作。因此，該電壓應嚴格控制在4.90V～5.1OV。


2.信號輸入與預處理電路

該電路包括電源電壓輸入、工作電流比較、放大輸入、手柄轉把調速電壓輸入、剎車信號輸入、電機轉子位置傳感器的霍爾信號輸入，以及其他功能開關信號輸入等。

(1)電源電壓輸入由於CPU只接收0V~5V的信號，所以電源電壓必須經過分壓才能輸入CPU。

(2)工作電流放大、輸入電路康銅絲R55採樣的電流信號經過R6送入運放U1A(LM358)同相輸入端(5)腳，經過放大，由(7)腳輸出至U6(CPU)(2)腳，CPU根據該信號的高低控制PWM脈衝輸出的大小，從而控制功率管電流的高低。UIB(LM358)作為比較器，其輸出端(1)腳接CPU(21)腳。電流正常時，U1B(3)腳電壓高於(2)腳，(1)腳輸出高電平。當電流由於某種原因突然增大到一定程度時，(2)腳電壓高於(3)腳，(1)腳輸出低電平，從而將U6(21)腳過流保護端電位拉低，CPU據此完全關閉電機的輸出，進入保護狀態，對控制器輸出的最大電流進行限制，以保護電池、控制器、電機等不會出現超過允許範圍的大電流，避免故障進一步擴大。

(3)手柄轉把輸入部分+5V電源加到手柄轉把的翟爾元件上，轉動手柄轉把，霍爾元件產生的1.2V~4.2V轉速控制電壓通過R37、R32分壓，C27濾波後，輸入到U6(5)腳，CPU據此控制驅動PWM信號，實現電機調速。

(4)剎車信號輸入經R，34、R33分壓，送到剎車信號(低電平有效)CPU(7)腳。正常行駛時，U6(7)腳為高電平，(13)腳正常輸出驅動脈衝;剎車時，U6(7)腳電平被拉低，(13)腳停止驅動脈衝輸出，達到剎車斷電功能。

(5)電機轉子位置傳感器輸入由於該傳感器安裝在電機內部，採用開路輸出的辦法，所以除提供+5V電源外，每個傳感器U、V、W都必須接上拉電阻(R49～R51)，傳感器U、V、W輸出的信號經電阻R29～R31、電容C30～C32濾波後，送到U6(15)～(17)腳，CPU根據其信號變化讓電機相應繞組通電，從而使電機始終向需要的方向轉動。此外在電源處接有一隻二極體D4，接地採用細銅膜做保險絲，以防止電機相線與霍爾信號線短路後高電壓反竄進來，損壞板子上的其他零件。

(6)限速控制當限速開關接通時，調速信號經R33對地拉低，從而使轉速不能調得太高，以達到限速目的。

(7)電池欠壓檢測輸入電池電壓經R3、R11分壓，C21濾波後，加到U6(3)腳，CPU據此信號判斷電池電壓是否過低。當電池電壓降低到控制器設定值以下時，CPU停止PWM晶片信號的輸出，以保護電池不至於在低電壓惰況下放電，避免電池因過放電而損壞。

3.驅動控制信號和功率驅動開關

從U6(13)腳輸出的PWM佔空比驅動控制信號，一路經R53、R52、C71載波(縮小佔空比)後輸出，相位不變，形成PWM信號，加到與門 U4(74CO8D)(13)腳，與U6腳送　　來的相位開關信號進行邏輯合成，再以一定的邏輯順序分別從(3)、(6)、(8)腳輸出高電平加到三極體 Q1～Q3基極，使之導通，驅動T1、T4、T7導通，從而使三組上橋臂場效應V1、V3、V5按一定的邏輯順序輪流導通工作，將電源電壓加至電機繞組。

另一路經R57、C24加到U5(74CO4D)(1)腳，經反相形成PWM信號，由(4)腳輸出到或非門U3(74C27D)(2)、(4)、(10)腳，與U6(22)腳同步續流控制端送來的同步續流信號比較後，由(6)、(8)、(12)腳輸出到或非門U2(74C27D)(1)、(9)、(10)腳，與U6(26)～(28)腳送來的相位開關信號進行合成，由或非門U2(6)、(12)、(8)腳分別輸出高電平，加到三極體N2、N4、 N6基極，使三極體N2、N4、N6導通，從而使三組下橋臂場效應管V2、V4、V6按一定的邏輯順序輪流導通工作，電流通過電機繞組流回電源負極，從而得到模擬三相交流電，使電機旋轉起來。

自檢後的狀態由LED2顯示結果，進行判斷。LED顯示情況與控制器狀態的對應關係如下：

閃1停1--自檢正常通過;閃2停1--欠壓：閃3停1-LM358故障;閃4停1--電機霍爾信號故障：閃5停1--下管故障;閃6停1--上管故障;閃7停1--過流保護;閃8停1--剎車保護;閃9停1--手把地線斷開;閃10停1--手把信號和手把電源線短路;閃1停11--上電時手把信號未復位。

在檢修時，首先要排除短路故障，特別是未級功率管。

在電門鎖一側，可以斷開電門鎖插接件測電流，若電流約為65mA，則說明控制器前級無短路。

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