電動(dòng)自行車無刷控制器電路原理分析

　　根據(jù)實(shí)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(yùn)放）、6只大功率場(chǎng)效應(yīng)管等組成，功率達(dá)350W，是一款比較典型的無刷電動(dòng)車控制器，具有600和120°驅(qū)動(dòng)模式自動(dòng)切換功能。

　　電路組成及工作原理

　　該電路分為電源電路，信號(hào)輸入與預(yù)處理、智能信號(hào)處理控制，驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)開關(guān)等三部分。CPU（PIC16F72）單片機(jī)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）用于消除由電源線、電路板走線所帶來的電阻、寄生電感等引起的雜波干擾。由于是工作在大電流、高頻率、高溫狀態(tài)下，對(duì)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(fā)熱爆裂。

　　第二組電源提供15V電壓，一是給場(chǎng)效應(yīng)管供電，由于場(chǎng)效應(yīng)管必須有1OV以上、20V以下的電壓才能很好地導(dǎo)通，所以必須有合適的電壓為其供電，同時(shí)15V電壓也為5V穩(wěn)壓塊提供預(yù)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓塊為LM317，輸出15V。由于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(dá)60V，因此在LM317前面加了一只330Ω/2W的電阻。

　　第三組電源是5V，穩(wěn)壓塊采用LM78LO5，由于78LO5的最大輸出電流只有1OOmA，所以并聯(lián)了兩只1.5kΩ的電阻R75、R76，以擴(kuò)流。系統(tǒng)對(duì)5V電源的要求比較高，不單單是因?yàn)檫壿嬰娐?、CPU等的電源電壓都不能過高，而且由于CPU的所有AD轉(zhuǎn)換都是以5V電壓為基準(zhǔn)，所以若5V不準(zhǔn)，會(huì)出現(xiàn)電流檢測(cè)、欠電壓檢測(cè)、手柄控制等均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況，甚至不能動(dòng)作。因此，該電壓應(yīng)嚴(yán)格控制在4.90V～5.1OV。

　　2.信號(hào)輸入與預(yù)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(zhuǎn)把調(diào)速電壓輸入、剎車信號(hào)輸入、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的霍爾信號(hào)輸入，以及其他功能開關(guān)信號(hào)輸入等。

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

　?。?）工作電流放大、輸入電路康銅絲R55采樣的電流信號(hào)經(jīng)過R6送入運(yùn)放U1A（LM358）同相輸入端（5）腳，經(jīng)過放大，由（7）腳輸出至U6（CPU）（2）腳，CPU根據(jù)該信號(hào)的高低控制PWM脈沖輸出的大小，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(shí)，U1B（3）腳電壓高于（2）腳，（1）腳輸出高電平。當(dāng)電流由于某種原因突然增大到一定程度時(shí)，（2）腳電壓高于（3）腳，（1）腳輸出低電平，從而將U6（21）腳過流保護(hù)端電位拉低，CPU據(jù)此完全關(guān)閉電機(jī)的輸出，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，對(duì)控制器輸出的最大電流進(jìn)行限制，以保護(hù)電池、控制器、電機(jī)等不會(huì)出現(xiàn)超過允許范圍的大電流，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

　?。?）手柄轉(zhuǎn)把輸入部分+5V電源加到手柄轉(zhuǎn)把的翟爾元件上，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄轉(zhuǎn)把，霍爾元件產(chǎn)生的1.2V~4.2V轉(zhuǎn)速控制電壓通過R37、R32分壓，C27濾波后，輸入到U6（5）腳，CPU據(jù)此控制驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

　　（4）剎車信號(hào)輸入經(jīng)R，34、R33分壓，送到剎車信號(hào)（低電平有效）CPU（7）腳。正常行駛時(shí)，U6（7）腳為高電平，（13）腳正常輸出驅(qū)動(dòng)脈沖；剎車時(shí)，U6（7）腳電平被拉低，（13）腳停止驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，達(dá)到剎車斷電功能。

　?。?）電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸入由于該傳感器安裝在電機(jī)內(nèi)部，采用開路輸出的辦法，所以除提供+5V電源外，每個(gè)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(hào)經(jīng)電阻R29～R31、電容C30～C32濾波后，送到U6（15）～（17）腳，CPU根據(jù)其信號(hào)變化讓電機(jī)相應(yīng)繞組通電，從而使電機(jī)始終向需要的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。此外在電源處接有一只二極管D4，接地采用細(xì)銅膜做保險(xiǎn)絲，以防止電機(jī)相線與霍爾信號(hào)線短路后高電壓反竄進(jìn)來，損壞板子上的其他零件。

　?。?）限速控制當(dāng)限速開關(guān)接通時(shí)，調(diào)速信號(hào)經(jīng)R33對(duì)地拉低，從而使轉(zhuǎn)速不能調(diào)得太高，以達(dá)到限速目的。

　?。?）電池欠壓檢測(cè)輸入電池電壓經(jīng)R3、R11分壓，C21濾波后，加到U6（3）腳，CPU據(jù)此信號(hào)判斷電池電壓是否過低。當(dāng)電池電壓降低到控制器設(shè)定值以下時(shí)，CPU停止PWM芯片信號(hào)的輸出，以保護(hù)電池不至于在低電壓惰況下放電，避免電池因過放電而損壞。

　　3.驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)和功率驅(qū)動(dòng)開關(guān)

　　從U6（13）腳輸出的PWM占空比驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，一路經(jīng)R53、R52、C71載波（縮小占空比）后輸出，相位不變，形成PWM信號(hào)，加到與門U4（74CO8D）（13）腳，與U6腳送　　來的相位開關(guān)信號(hào)進(jìn)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管Q1～Q3基極，使之導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)T1、T4、T7導(dǎo)通，從而使三組上橋臂場(chǎng)效應(yīng)V1、V3、V5按一定的邏輯順序輪流導(dǎo)通工作，將電源電壓加至電機(jī)繞組。

　　另一路經(jīng)R57、C24加到U5（74CO4D）（1）腳，經(jīng)反相形成PWM信號(hào)，由（4）腳輸出到或非門U3（74C27D）（2）、（4）、（10）腳，與U6（22）腳同步續(xù)流控制端送來的同步續(xù)流信號(hào)比較后，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(guān)信號(hào)進(jìn)行合成，由或非門U2（6）、（12）、（8）腳分別輸出高電平，加到三極管N2、N4、N6基極，使三極管N2、N4、N6導(dǎo)通，從而使三組下橋臂場(chǎng)效應(yīng)管V2、V4、V6按一定的邏輯順序輪流導(dǎo)通工作，電流通過電機(jī)繞組流回電源負(fù)極，從而得到模擬三相交流電，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。

　　自檢后的狀態(tài)由LED2顯示結(jié)果，進(jìn)行判斷。LED顯示情況與控制器狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

　　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(jī)霍爾信號(hào)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(hù)；閃8停1--剎車保護(hù)；閃9停1--手把地線斷開；閃10停1--手把信號(hào)和手把電源線短路；閃1停11--上電時(shí)手把信號(hào)未復(fù)位。

　　在檢修時(shí)，首先要排除短路故障，特別是未級(jí)功率管。

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

　　當(dāng)無短路而電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)先撿查初始化自檢條件是否正常。

　　檢查電機(jī)霍爾元件好壞的方法：打開電門鎖，用指針式萬用表交流1OV擋分別測(cè)U6（15）～（17）腳，即電機(jī)霍爾的W、V和U相的輸入端，用手慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)輪，如果表的指針在OV~4V左右波動(dòng)，說明電機(jī)霍爾元件基本正常。

　　檢查控制器前級(jí)是否正常的方法：首先控制器應(yīng)能自檢，觀索LED2燈閃停是否正常。若LED2閃一次停一次，說明自檢通過，否則應(yīng)檢查自襝燈指示的相關(guān)故障電路。

　　自檢正常通過后，用萬用表交流1OV擋測(cè)U6（26）～（28）腳（即下管換相信號(hào)），轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把使電機(jī)輪盡量旋轉(zhuǎn)慢一點(diǎn)，若表針在OV~4V左右波動(dòng)，再測(cè)U6（23）～（25）腳（即上營換相信號(hào)），表針應(yīng)在OV~2V左右波動(dòng)。然后測(cè)U6（CPU）（13）腳（即PWM輸出腳），此點(diǎn)電壓隨轉(zhuǎn)把的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，若為OV~4.8V，說明U6輸出基本正常。

　　電機(jī)電流檢測(cè)和保護(hù)電路由電流取樣電阻R5、6和U1等組成。當(dāng)無刷電機(jī)電流增大到使U1（2）腳電壓高于（3）腳約0.23V時(shí)，U1（1）腳變?yōu)榈碗娖剑琔6（21）腳變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)進(jìn)入過流保護(hù)狀態(tài)。