电动车无刷电机控制器原理与维修

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电动车无刷电机控制器原理与维修

电动车采用的电机分有刷电机和无刷电机两种，由于无刷电机具有 噪声低、寿命长的特点，因而在电动车中获得比较广泛应用。无刷电机的控制器要比有刷电机控制器复杂得多，在维修上有一定的难度，因此，本文从无刷 控制器的原理入手介绍维修要点，以期对广大网友有所帮助。
一、基本原理
      电动车无刷控制器主要由单片机主控电路、功率管前级驱动电路、电子换向器、霍尔信号检测电路、转把 信号电路、欠电检测电路、限流/过流检测电路、刹车信号电路、限速电 路、电源电路等部分组成，其原理框图如图1所示，下面介绍主要电路的工作原理。
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1. 电子换向器
8 V' P4 V) \$ C8 {      无刷电机与有刷电机的根本区 别就在于无刷电机用电子换向器代替 了有刷电机的机械换向器，因而控制 方法也就大不相同，复杂程度明显提 高。在无刷电机控制器中，用6个功率 MOSFET管组成电子换向器，其结构如图2所示。图中MOSFET管VT1、VT4构 成无刷电机A相绕组的桥臂，VT3、VT6 构成无刷电机B相绕组的桥臂，VT5、 VT2构成无刷电机C相绕组的桥臂，在 任何情况，同一桥臂的上下两管不能 同时导通，否则要烧坏管子。

6 V$ j$ {( V* ^' V      6只功率MOSFET管按一定要求顺 次导通，就可实现无刷电机A、B、C三 相绕组的轮流通电，完成换相要求， 电机正常运转。 在电动车无刷电机控制器中，这 6只功率管有二二通电方式和三三通电 方式的运用，二二通电方式即每一瞬 间有两只功率管同时通电，三三通电 方式即每一瞬间有三只功率管同时通 电。对于二二通电方式，功率管须按 VT1、VT2；VT2、VT3；VT3、VT4； VT4、VT5；VT5、VT6；VT6、VT1； VT1、VT2¼¼的通电顺序，电机才能 正常运转。对于三三通电方式，功率 管须按VT1、VT2、VT3；VT2、VT3、 VT4；VT3、VT4、VT5；VT4、VT5、 VT6；VT5、VT6、VT1；VT6、 VT1、 VT2；VT1、VT2 、VT3¼¼的次序通 电，电机才能正常运转。
2. 功率管前级驱动电路
( l0 q- r! F! a' @* g. p) [. o      功率管前级驱动电路用来驱动 电子换向器的 6 个 MOSFET管，由于6 个MOSFET管组成 了 3个相同的桥臂， 对这3个相同的桥臂 的驱动电路是相同的，因而功率管前 级驱动电路是由3组相同结构的电路组成，图3所示的是一典型的功率管前级 驱动电路，对于一无刷控制器，有3个 这样的电路，分别驱动3个桥臂。

3. 单片机主控电路
" c1 \1 G5 Q9 W4 Z      单片机主控电路是无刷电机控制器的核心部分，电机的霍尔信号、转 把信号、过流检测信号、刹车信号等 都直接输入给单片机，由单片机进行处理，并由单片机输出电子换向器三个桥臂的前级驱动信号，以控制电机的运转，因而单片机主控电路是无刷 电机控制器的心脏部分。 单片机PIC16F72是目前电动车无刷电机控制器的主流控制芯片，图4所示的是用PIC16F72构成的无刷控制器 的典型应用电路，它包括了无刷电机控制器的各主要输入、输出信号，如图4中的SPSIG端信号，该信号经过电 阻R69和R68组成的网络送入单片机的第5脚，单片机根据该脚的电压信号变化决定输出驱动信号的脉宽，从而决定电机的转速。目前市面上电动车 的转把输出信号电压一般在1~4.2V，它内部是由一个线性霍尔元件和一个磁体组成，转动转把、磁体移动，霍尔元件感应变化的磁场而输出变化的电压。
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/ x8 F+ W: c7 g1 J) c5 l4. 限速电路
       限速电路是通过分压电阻，减小送入单片机的转把最高电压信号，从而限制了速度。如图4中把SPLIMT端接地，则R67与R68即组成分压电路，降 低转把信号（SPSIG）送入单片机的5 脚的电压，从而限制了电动车的最高转速。
5. 霍尔信号检测电路
& R0 B/ c: A1 E! Y5 e! j      在图4中，电阻R31~R36、电容 C16~C18组成霍尔信号检测输入电 路，电阻R34~R36形成上拉电位，电 容C16~C18起滤波作用，抑制干扰信 号。单片机的15、16、17脚分别检测 来自电机内的三路霍尔位置信号，以 决定换相时刻。
! G9 s3 ]9 K, w. P6.欠压检测电路
      在图4中，元件R70、R71、R72、 C23组成电池电压检测电路，检测值送入单片机的3脚，当该脚检测值低于某 一数值时，可强迫无刷电机控制器不 工作，从而起到保护电池的作用。
7.刹车信号电路
      对于电动自行车 ， 当手把刹车时，单片机得到刹车信号，无刷电机 控制器停止输出控制信号，电机断电，这称为刹车断电，对于有些无刷控制器，当单片机得到刹车信号时，则输出控制信号，强制电机抱住，使电机不能转动，这称为电刹车。目前市面上电动车的刹车信号有 高电平刹车信号和低电平刹车信号两 种，对于单片机一般只识别其中一种 信号，如果采用电平转换电路，则可 识别两种电平的刹车信号。在图4中， 当BK信号端为低电平，则单片机第7 脚得到低电平刹车信号，通知无刷控 制器完成刹车过程。当HBK端为高电 平时，通过电阻R66、R81、R88及三 极管VT20完成电平转换，三极管VT20 的集电极变为低电平，单片机第7脚为 低，通知无刷控制器完成刹车动作。
; B% p+ p# g3 y+ W# F! m* Z8. 电源电路
      在无刷电机控制器中，一般需两组 电源，一个是14V电源供功率MOSFET驱 动用，另一个是5V电源，供单片机、电机霍尔、转把霍尔等电路用。14V电源 一般由LM317调整管得到，5V电源一般由78L05得到，电路程式如图5所示。
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3 @2 }4 }& B: B9. 限流/过流保护电路
       限流保护是控制无刷电机控制器在某一最大限定电流值下工作，对于 36V控制器，限流值一般在14±1A，对 于48V控制器限流值一般在17±1A。限流保护其实又是过载保护，当上坡、 载重必然引起负载加重、电流增大， 但电流增大的极限就是限流值。 如图4中，IC6B（LM358）的运 放与电阻R73、R74、R75、R76及RT 构成限流信号检测电路。R T为串接于 MOSFET管上的电阻丝，如图2所示， 因为电机电流通过MOSFET管，也就流 过R T，当流过电机的电流变化，反应在 R T上就是R T两端电压的变化。当流过RT 的电流大到限定电流时，此时IC6的第 7脚输出约3V的电压，单片机PIC16F72 的 2脚得到3V电压时，则降低MOSFET 驱动输出信号的占空比，迫使流过电机 的电流下降，即R T上的电流下降，同时 R T上的电压下降，使得IC6的第7脚输出 下降，如此动态调节，保证无刷电机控 制器工作于限流值以下。 过流保护是当电机电流达到限定 电流时，无刷电机控制器电流仍在上 升，则强迫停止电机供电。IC6A的运放 和R59、R61、R62及R T构成过流保护 检测电路，见图4。检测信号由IC6的1 脚输出，送入单片机的21脚。

二、维修要点
5 G- l( ?! N" G) @      根据笔者在实际工作中的经验， 要修好无刷控制器，可按如下步骤进 行，将会收到事半功倍的效果。
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第一步 正确判断无刷电机控制器 的各引出线功能 无刷电机控制器一般具备如下引出线。
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& A3 F/ }* M  F$ J  g1. 电机线（图6中A线） 无刷电机控制器电机线有3根，称为A、B、C相线，一般黄线为A相，蓝 线为B相，绿线为C相，但也有例外， 这就要求维修者试着调换3根线的次序，直到电机运转正常。
2. 电源线（图6中B线） 无刷电机控制器电源线一般用3根 线，其中一根细一些 的线为锁线，它是给 无刷电机控制器14V及 5V电源供电的，另外 两根粗线（红、黑） 给功率管供电。
( t( A; w. S4 m8 R- n3. 限速线（图6中C线）国家标准规定电动车的最高限速 为20km/h，因此各无刷电机控制器厂 家生产的控制器出厂时都留有如图7 中的D号线，当插头插上，则电动车 限速为20km/h，符合国家标准，如断 开，则电动车速度将大于20km/h，方 便用户选择。
4. 刹车线（图6中D线） 刹车线连接到电动车的把手开关上，当刹车时开关动作，刹车信号送入单 片机，执行刹车断电或刹车抱死动作。
5. 速度线（图6中E线） 速度线与电动车仪表盘中的速度表相连，在无刷电机控制器内它通过一 限流电阻与电机的某一根相线相连。电 机速度变化，反应在电机相线中电流变化，则在速度线中电流也变化，反应在仪表盘中就是速度的变化。
& L) U& c/ M% ^5 j, K. h1 T6. 转把线（图6中F线） 转把线连接到电动车转把内的霍尔上，转把线有3根线，分别为电源 正、电源负和信号线，一般红线为电源 正，黑线为电源负，信号线为蓝色。当 转把转动时，转把内磁铁相对霍尔运动，产生由低到高的感应电压信号，该 信号送入单片机，执行调速指令。
) L$ W5 }; t& F0 s) g! U7. 电机霍尔线（图6中G线） 电机霍尔线与电机内霍尔相连， 以决定电机换相时刻。霍尔线有5根 线：红为正，黑为负，其余3根线为3 个霍尔信号，这3根线与电机相连，必须次序正确，否则电机不能正常运 转，有时需反复调换这3根线与电机相 连次序，直到电机运转正常。
2 _0 ~- v1 y3 @( g1 O& @3 z第二步 目视检查 打开无刷电机控制器，如图7所示，目视检查有无不良，重点检查各 导线是否焊接良好，功率MOS管、14V 稳压管、大电解电容、单片机、振荡器是否焊接良好，如图7中A、B、C、 D、E标注的所示，要排除不良点。
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第三步 在不通电情况下用万用表检查
) y: y  H/ L& a% v1. 先用万用表量外接电源端对地 阻抗是否正常，一般应大于 2kΩ。
2. 分别测6个MOS管引脚间有无 短路现象，此点较为重要，无刷电机 控制器（如MOS管）较差，过流保护 控制不佳或散热做得不好，往往会引 起MOS管击穿，如图7中A部分。
3. 检查电源稳压管LM317引脚间 有无短路现象。
4. 测78L05与地间阻抗是否正 常，一般应大于1.5 kΩ。 第四步 在通电情况下测直流工作点 测 LM317 输出 （ 应为 14V ）、 78L05输出（应为5V）、转把线霍尔线、助力线、红线与黑线间电源（应 为5V）。 第五步 尝试通电运转
1. 只连接电机线、霍尔线、转 把线，保证正确连接后通电试着转动 转把，先慢慢转动一小段位置（低 速），看电机运转状态是否正常，如 不正常，立即停机，重新检查。只有 电机低速正常，方可逐渐提高速度， 否则易损坏器件。
( Z; k( K. k4 ~. V: s' i2. 在电机运转正常情况下，检查 刹车、助力、速度表、欠压、限流等 功能是否正常。
1 ^4 d, ~' m( w6 ]第六步 故障排除 有时故障现象是多方面因素造成 的，因此，我们要善于透过现象看本质， 逐一排除点，最后问题便迎刃而解，附表是故障现象与原因的几点总结。
       总之，在初步掌握无刷控制器基 本原理的基础上，按照以上所介绍的几点步骤维修，将会收到事半功倍的效果。本文旨在抛砖引玉，许多维修技巧还要靠不断实践才能融会贯通。
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