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(yè)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L(zhǎng)M317，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)檫壿嬰娐贰PU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。

(1)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。

(2)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。

(3)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。

(5)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。

(6)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。

(7)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。