電動(dòng)自行車控制器電路及原理分析

本文分別介紹國(guó)內(nèi)部分具有代表性的電動(dòng)自行車控制器整機(jī)電路，并指出與其他產(chǎn)品的不同之處及其特點(diǎn)。所列電路均是根據(jù)實(shí)物進(jìn)行測(cè)繪所得，圖中元件號(hào)為筆者所標(biāo)。通過(guò)介紹具體實(shí)例，達(dá)到舉一反三的目的。

1.有刷控制器實(shí)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(chǎn)生電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、蓄電池放電指示電路、電機(jī)過(guò)流及蓄電池過(guò)放電保護(hù)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(jīng)過(guò)串聯(lián)穩(wěn)壓后得到+12V電壓，給控制電路供電，調(diào)節(jié)VR6可校準(zhǔn)+12V電源。
　　PWM電路 以脈寬調(diào)制 器TL494為核心組成。R3、C4與內(nèi)部電路產(chǎn)生振蕩，頻率大約為12kHz。
　　H是高變低型霍爾速度控制轉(zhuǎn)把，由松開到旋緊時(shí)，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(jìn)行比較，在⑧腳得到調(diào)寬脈沖。②腳電壓越低，⑧腳輸出的調(diào)寬脈沖的低電平部分越寬，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，電位器VR2用于零速調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)VR2使轉(zhuǎn)把松開時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)再過(guò)一點(diǎn)。
　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 由Q1、Q2、Q4等元件組成。電機(jī)MOTOR為永磁直流有刷電機(jī)。TL494的⑧腳輸出的調(diào)寬脈沖，經(jīng)Q1反相放大驅(qū)動(dòng)VDMOS管Q2。TL494的⑧腳輸出的調(diào)寬脈沖低電平部分越寬，則Q2導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。D1是電機(jī)續(xù)流二極管，防止Q2擊穿。TL494的⑧腳輸出低電平時(shí)，Q1、D2導(dǎo)通，Q4截止，Q2導(dǎo)通；TL494的⑧腳輸出高電平時(shí)，Q1、D2截止，Q4導(dǎo)通，迅速將Q2柵極電荷泄放，加速Q(mào)2的截止過(guò)程，對(duì)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(gè)比較器，12V由R24、VR1、VR4、VR3、VR5、R21分壓形成四個(gè)不同基準(zhǔn)電壓分別加到四個(gè)比較器的反相端。蓄電池電壓經(jīng)R23和R22分壓加到每個(gè)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(dāng)蓄電池電壓不低于38V時(shí)，LED1、LED2、LED3均點(diǎn)亮；當(dāng)電池電壓低于38V時(shí)，LED3熄滅；當(dāng)電池電壓低于35V時(shí)，LED2熄滅；當(dāng)電池電壓低于33V時(shí)，LED1熄滅，此時(shí)應(yīng)給電池充電。調(diào)節(jié)VR1、VR4、VR3可分別設(shè)定LED3、LED2、LED1熄滅時(shí)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(guò)放電保護(hù) 當(dāng)蓄電池放電到31.5V時(shí).LM324的①腳輸出低電平，三極管Q5導(dǎo)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(huì)迫使TL494內(nèi)部調(diào)寬脈沖輸出管截止，從而使三極管Q1、Q2截止，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，蓄電池放電停止，進(jìn)入電池保護(hù)狀態(tài)。此時(shí)LED5點(diǎn)亮，指示出該狀態(tài)。VR5用于設(shè)定電池保護(hù)點(diǎn)電壓。
　　電機(jī)過(guò)流保護(hù) R30為電機(jī)電流取樣電阻，當(dāng)過(guò)流時(shí)，取樣電壓經(jīng)R14加到TL494的⑩腳。當(dāng)⑩腳電位高于⑩腳電位時(shí)，TL494內(nèi)部運(yùn)放2輸出高電平，迫使TL494內(nèi)部調(diào)寬脈沖輸出管截止，從而使Q1、Q2截止，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保護(hù)了電機(jī)。
　　制動(dòng)保護(hù) 當(dāng)剎車制動(dòng)時(shí)，KEY2接通.5V電壓加到TL494的死區(qū)控制端④腳，迫使TL494內(nèi)部調(diào)寬脈沖輸出管截止，從而使Q1、Q2截止，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)施制動(dòng)保護(hù)。
　　2)調(diào)試
　　調(diào)速電路零速調(diào)試：速度轉(zhuǎn)把完全松開.調(diào)節(jié)VR2使電機(jī)停轉(zhuǎn)并再調(diào)過(guò)一點(diǎn)以保證可靠置零速。制動(dòng)調(diào)試：轉(zhuǎn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)把，電機(jī)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)閉合制動(dòng)開關(guān)KEY2，Q2柵極應(yīng)立即變?yōu)榈碗娖?V。過(guò)流保護(hù)調(diào)試：轉(zhuǎn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)把，Q2柵極為高電平12V。此時(shí)在源極對(duì)地之間加上0.8V左右的電壓，柵極應(yīng)很快變?yōu)榈碗娖健?br /> 　　蓄電池放電指示電路用可調(diào)電源代替蓄電池。電壓為38V時(shí)，調(diào)節(jié)VR1，使LED3剛好熄滅；電壓為35V時(shí)，調(diào)節(jié)VR2，使LED2剛好熄滅；電壓為33V時(shí)，調(diào)節(jié)VR3，使LED1剛好熄滅；電壓為31V時(shí)，調(diào)節(jié)VR5，使LED5剛好點(diǎn)亮，此時(shí)TL494的④腳應(yīng)為高電平5V左右，進(jìn)入電池欠壓保護(hù)狀態(tài)。通過(guò)上述設(shè)置，僅LED1點(diǎn)亮?xí)r，電壓為33V-34V，應(yīng)及時(shí)給蓄電池充電，不過(guò)LED1熄滅至LED5點(diǎn)亮這段時(shí)間，蓄電池還可維持運(yùn)行，但LED5點(diǎn)亮?xí)r，進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài)。此時(shí)應(yīng)注意，過(guò)一會(huì)兒電池電壓因電機(jī)停轉(zhuǎn)而回升，保護(hù)解除，又恢復(fù)工作。如此反復(fù)保護(hù)-工作-保護(hù)的結(jié)果會(huì)損壞電池和控
制器，故應(yīng)避免出現(xiàn)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(shù)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(duì)該控制器的調(diào)速采用了光電速度轉(zhuǎn)把。由于北方干燥，沙土灰塵大，影響了光電速度轉(zhuǎn)把的使用。實(shí)踐證明，完全可以用霍爾速度轉(zhuǎn)把替代它。具體方法見圖5。

　　光電速度轉(zhuǎn)把改為霍爾速度轉(zhuǎn)把關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是加裝+5V穩(wěn)壓電源；二是根據(jù)原速度信號(hào)輸出點(diǎn)信號(hào)變化規(guī)律，選用相應(yīng)信號(hào)變化的霍爾調(diào)速轉(zhuǎn)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(cè)、電機(jī)過(guò)電流檢測(cè)；后面有驅(qū)動(dòng)、功率開關(guān)等。每部分都是獨(dú)立的.檢查調(diào)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(chǎn)生三角波。脈寬調(diào)制器是IC2B，它的輸入之一⑥腳，為來(lái)自C5上的三角波，輸入之二⑦腳，是來(lái)自速度轉(zhuǎn)把(J1)①腳的速度信號(hào)。從IC2B①腳輸出調(diào)寬脈沖，送互補(bǔ)推挽放大器?；パa(bǔ)推挽驅(qū)動(dòng)由T3、T4組成，脈沖高電平到來(lái)，上管NPN管T4導(dǎo)通，12V加到功率管T1、T2的柵極，T1、T2導(dǎo)通；脈沖低電平到來(lái)，上管NPN管T4截止.下管PNP管T2導(dǎo)通，將T1、T2柵極的電荷迅速放掉，T1、T2截止。電池欠壓保護(hù)由IC2C組成電壓比較器，當(dāng)電瓶電壓低于31.5V時(shí)，它的⒁腳變?yōu)榈碗娢?，相?dāng)于R13輸入一端接地，將轉(zhuǎn)把速度信號(hào)降到接近零伏.使IC2B①腳呈低電平，T4截止、T3導(dǎo)通；T1、T2截止。過(guò)電流保護(hù)由IC2D組成電壓比較器，當(dāng)過(guò)電流時(shí)。R4右端電位變低.通過(guò)R5加到IC2D⑾腳，比較器翻轉(zhuǎn)⒀腳變?yōu)榈碗娢?，同樣相?dāng)于R13輸入一端接地.將轉(zhuǎn)把速度信號(hào)降到接近零伏，使T1、T2截止。
(3)四川綿陽(yáng)產(chǎn)某牌中功率有刷控制器
　　該控制器采用無(wú)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(diǎn)是剎車時(shí)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(diǎn)串聯(lián)在電機(jī)的供電電路中，+24V通過(guò)R29、D8為Q3提供基極電流，Q3導(dǎo)通，J得電吸合，常開觸點(diǎn)閉合，電機(jī)得電。
　　1)當(dāng)剎車時(shí)，左、右剎車開關(guān)閉合，+15V通過(guò)R25、R21為Q6提供基極電流，Q6導(dǎo)通，集電極電位降低，D4導(dǎo)通，使D8截止，Q3失去基極電流而截止，J失電，常開觸點(diǎn)斷開，電機(jī)失電停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
　　2)在Q6導(dǎo)通，集電極電位降低時(shí)，D5也導(dǎo)通，降低了U1的⑦腳電位。該腳低電平關(guān)斷PWM輸出。
　　3)在Q6導(dǎo)通，集電極電位降低時(shí)，D6也導(dǎo)通，無(wú)論調(diào)速轉(zhuǎn)把在低速或高速位置，均將霍爾調(diào)速轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)速信號(hào)對(duì)地短路而降低送往U1⑾腳的信號(hào)電壓。
　　欠壓保護(hù)電路由欠壓檢測(cè)U2B和單端觸發(fā)器U3組成。其輸出經(jīng)Q4倒相送U1的⑦腳，關(guān)斷U1的輸出。轉(zhuǎn)把電壓檢測(cè)U2C的輸出送單端觸發(fā)器U3強(qiáng)制復(fù)位端④腳進(jìn)行調(diào)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(lián)在電機(jī)和電源正極之間繼電器J的常閉觸點(diǎn)J實(shí)現(xiàn)的。下面兩種情況之一，都會(huì)使繼電器得電，斷開電機(jī)電源：一是電機(jī)過(guò)流；二是速度轉(zhuǎn)把在零速位置時(shí)，VDMOS的漏極D為低電位(開關(guān)管擊穿)。電機(jī)過(guò)流，電流取樣電阻R1下端電壓變低，電流檢測(cè)IC1A的②腳變低，①腳變成高電位，經(jīng)D5使T7、T8導(dǎo)通，J得電，常閉觸點(diǎn)斷開。
　　當(dāng)速度轉(zhuǎn)把在零速位置時(shí)，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(guān)管沒(méi)擊穿則VDMOS的漏極D為高電位，經(jīng)R6使T6導(dǎo)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(gè)高電位，二極管D4截止，T7、T8截止，J不得電，其常閉觸點(diǎn)閉合.使電機(jī)受控于T1、T2；另一種情況：如果功率開關(guān)管已擊穿，則VDMOS的漏極D為低電位，經(jīng)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(dǎo)通；T7、T8導(dǎo)通，J得電，其常閉觸點(diǎn)斷開，使電機(jī)失電而達(dá)到防飛車保護(hù)。
　　當(dāng)速度轉(zhuǎn)把不在零速位置時(shí)，PWM IC2的①腳是一串正脈沖，經(jīng)積分電路R20、C7積分，C7電位升高，D3導(dǎo)通，T6導(dǎo)通.其集電極低電位，二極管D4是正與門，無(wú)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(diǎn)使電機(jī)得電。保證了功率開關(guān)管VDMOS正常導(dǎo)通時(shí)的漏極D為低電位，電機(jī)只要不過(guò)流即可控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

(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(yùn)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(diǎn)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(méi)有欠壓和過(guò)流保護(hù)；
(3)采用了簡(jiǎn)單的門電路作三角波發(fā)生器；
(4)采用5只大功率VDMOS并聯(lián)，并且采用了簡(jiǎn)單均衡電路；
(5)速度轉(zhuǎn)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(jiǎn)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(jī)碳刷接觸不良，高壓擊穿功率管；還有堵轉(zhuǎn)造成的過(guò)流和過(guò)熱。
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 (6)電動(dòng)機(jī)有刷控制器小結(jié)及維修
　　無(wú)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(fù)線，兩條電機(jī)接線，三條速度轉(zhuǎn)把接線，剎車把接線，鑰匙接線。儀表接線等。進(jìn)一步判斷霍爾速度轉(zhuǎn)把三條接線，具體到哪一條是+5V、地和速度信號(hào)，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(jù)現(xiàn)象粗略估計(jì)損壞部位，排除控制器外部接觸不良等低級(jí)故障。例如：飛車現(xiàn)象可能是VDMOS擊穿，也可能是霍爾速度轉(zhuǎn)把的接地端懸空；加電不轉(zhuǎn)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(guān)、鑰匙、電池等部位；加載無(wú)力可能是電流取樣電阻脫焊，也可能是電機(jī)問(wèn)題等。確實(shí)認(rèn)定是控制器內(nèi)部故障，再打開檢查維修。
　　要認(rèn)清控制器內(nèi)部關(guān)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(chǎn)廠商為保密往往把元器件的印刷標(biāo)示打磨掉了，給維修增加了麻煩。小功率控制器，可根據(jù)連線部位等特征來(lái)認(rèn)定，例如：續(xù)流二極管兩端和電機(jī)兩條線是并聯(lián)關(guān)系，用萬(wàn)用表測(cè)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(jī)，穩(wěn)壓器78xx則不接電機(jī)。集成塊也可以從腳數(shù)和連線部位等特征來(lái)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(zhǎng)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(fù)極(粗黑)，康銅絲兩端受熱很易造成焊錫脫落?？赡茉斐奢p載正常、重載無(wú)力等故障。
　　根據(jù)原理圖可以進(jìn)一步沿信號(hào)通路分析，有刷控制器核心部位就是PWM。它前面的輸入信號(hào)，一路是三角波發(fā)生器的三角波，一路是霍爾速度轉(zhuǎn)把的速度信號(hào)。PWM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)加到VDMOS柵極。
　　維修重點(diǎn)：一是VDMOS?？刂破髦芯褪荲DMOS損壞率高，多數(shù)為DS間擊穿.造成加電就高速旋轉(zhuǎn)。在不加電情況下，用萬(wàn)用表一測(cè)便知，一般換用好管故障就會(huì)排除。更換時(shí)，要注意絕緣和散熱，要墊上導(dǎo)熱絕緣片并涂上導(dǎo)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(bǔ)推挽下管PNP管等。另一個(gè)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(méi)有，排除輸出短路后，再沿電路向前檢查。對(duì)于控制芯片采用TL494的電路，盡管內(nèi)部復(fù)雜，只要檢查關(guān)鍵點(diǎn)，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(méi)有+5V。一般就是芯片壞了；③腳也是關(guān)鍵點(diǎn)，它為高電位時(shí)，芯片關(guān)閉輸出，如果它為高電位，要檢查造成原因，例如欠壓保護(hù)，霍爾調(diào)速把故障等；④腳在有刷控制器中也是關(guān)鍵點(diǎn)，它為高電位(3.6V)時(shí)，芯片關(guān)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(guān)鍵點(diǎn)，例如VDMOS柵極電壓是否隨霍爾速度轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動(dòng)變化等。 

　　功率開關(guān)管損壞的原因和對(duì)策：
　　1)熱損壞開關(guān)管過(guò)熱后性能下降，極易損壞。開關(guān)管發(fā)熱主要是導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)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(wèn)題，靠嚴(yán)格篩選解決，并聯(lián)使用要經(jīng)過(guò)配對(duì)；壓降大原因之二不是器件本身問(wèn)題，是開關(guān)通過(guò)放大區(qū)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)改善(柵極驅(qū)動(dòng)和泄放)電路設(shè)計(jì)解決。欠壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)工作在臨界(如堵轉(zhuǎn)引起逐周過(guò)流保護(hù)動(dòng)作)時(shí)，切換頻繁，PWM頻率升高，開關(guān)管開關(guān)損耗隨頻率升高而升高造成過(guò)熱。關(guān)于欠壓保護(hù)工作在臨界切換頻繁的改進(jìn)，采用改進(jìn)施密特電路，正反饋加一個(gè)二極管和一個(gè)電阻。
　　2)電壓擊穿主要是開關(guān)管本身耐壓不夠，當(dāng)電壓過(guò)高的一瞬間，還沒(méi)來(lái)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(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，并聯(lián)應(yīng)用器件要經(jīng)過(guò)配對(duì)，否則易損壞；外因主要是電機(jī)大電流工作時(shí)，突然關(guān)斷，引起瞬間高反電勢(shì)，例如有刷電機(jī)碳刷接觸不良。解決方案是并聯(lián)大電流、高速、低壓降續(xù)流二極管.例如采用30A雙快恢復(fù)(或肖特基)管。還有，在開關(guān)管DS間加阻容吸收保護(hù)。
　　3)提高大功率控制器可靠性對(duì)策 大功率控制器要采用大電流高反壓耐高溫開關(guān)管。但是，大功率場(chǎng)效應(yīng)管耐壓和導(dǎo)通電阻制造時(shí)是有矛盾的，例如耐壓60V左右的管子，導(dǎo)通電阻可以做到8mΩ，耐壓升高到100V，導(dǎo)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(lián)器件數(shù)；三是增加驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(lián)，但要特別注意分布參數(shù)；七是欠壓保護(hù)改為欠壓提示，不關(guān)斷等。