電動自行車控制器電路及原理分析

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。

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(wěn)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(wěn)壓電源 由V3(TL431)，Q3等元件組成，從36V蓄電池經過串聯穩(wěn)壓后得到+12V電壓，給控制電路供電，調節(jié)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(jié)，調節(jié)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(xù)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(jié)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(qū)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(tài)。此時LED5點亮，指示出該狀態(tài)。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(qū)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(jié)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?yōu)榈碗娖?V。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?yōu)榈碗娖健?br /> 　　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(jié)VR1，使LED3剛好熄滅；電壓為35V時，調節(jié)VR2，使LED2剛好熄滅；電壓為33V時，調節(jié)VR3，使LED1剛好熄滅；電壓為31V時，調節(jié)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(tài)。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(tài)。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(wěn)壓電源；二是根據原速度信號輸出點信號變化規(guī)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(fā)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(fā)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?yōu)榈碗娢?，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?yōu)榈碗娢唬瑯酉喈斢赗13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。
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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(fā)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(fā)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大功率有刷控制器電路
　　這款控制器是石家莊地區(qū)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(xù)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(fā)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(guī)格，主要區(qū)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。
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 (6)電動機有刷控制器小結及維修
　　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(wěn)壓器78xx、續(xù)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(xù)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(wěn)壓器78xx雖然都有一端接地，但VDMOS一端接電機，穩(wěn)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(qū)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(fā)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?？刂破髦芯褪荲DMOS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(wěn)壓電源，可以帶電檢查其輸出是否為額定穩(wěn)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(fā)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(fā)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(qū)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(xù)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(xù)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。