無刷電機控制器基本原理

1、無刷電機控制器基本原理電動車采用的電機分有刷電機和無刷電機兩種，由于無刷電機具有噪聲 低、壽命長的特點，因而在電動車中獲得比較廣泛應用。無刷電機的控制器要 比有刷電機控制器復雜得多，在維修上有一定的難度，因此，本文從無刷控制 器的原理入手介紹維修要點，以期對廣大維修愛好者有所幫助?；驹黼妱榆嚐o刷控制器主要由單片機主控電路、功率管前級驅動電路、電子換向 器、霍爾信號檢測電路、轉把信號電路、欠電檢測電路、限流/過流檢測電路、剎車信號電路、限速電路、電源電路等部分組成，其原理框圖如圖1所示，下面介紹主要電路的工作原理。1. 電子換向器無刷電機與有刷電機的根本區(qū)別就在于無刷電機用電子換向器代替了有

2、刷電 機的機械換向器，因而控制方法也就大不相同，復雜程度明顯提高。在無刷電 機控制器中，用6個功率MOSFET管組成電子換向器，其結構如圖2所示。圖 中MOSFET管VT1、VT4構成無刷電機A相繞組的橋臂，VT3、VT6構成無 刷電機B相繞組的橋臂，VT5、VT2構成無刷電機C相繞組的橋臂，在任何情 況，同一橋臂的上下兩管不能 同時導通，否則要燒壞管子。6只功率MOSFET管按一定要求順次導通，就可實現無刷電機 A、B、C三 相繞組的輪流通電，完成換相要求，電機正常運轉。在電動車無刷電機控制器 中，這6只功率管有二二通電方式和三三通電方式的運用，二二通電方式即每 一瞬間有兩只功率管同時通電，

3、三三通電方式即每一瞬間有三只功率管同時通 電。對于二二通電方式，功率管須按 VT1、VT2 ； VT2、VT3 ； VT3、VT4 ； VT4、VT5 ； VT5、VT6 ； VT6、VT1 ； VT1、VT2? ?的通電順序，電機才能 正常運轉。對于三三通電方式，功率管須按VT1、VT2、VT3 ； VT2、VT3、VT4 ； VT3、VT4、VT5 ； VT4、VT5、VT6 ； VT5、VT6、VT1 ；VT6、 VT1、VT2 ； VT1、VT2、VT3? ?的次序通 電，電機才能正常運 轉。2. 功率管刖級驅動電路功 率 管前級驅動電路用來驅動 電子換向器的6個MOSFET管，由于6

4、個 MOSFET管組成了 3個相同的橋臂， 對這3個相同的橋臂 的驅動電路是相同 的，因而功率管前級驅動電路是由3組相同結構的電路組成，圖3所示的是一 典型的功率管前級驅動電路，對于一無刷控制器，有3個這樣的電路，分別驅動3個橋臂。3. 單片機主控電路單片機主控電路是無刷電機控制器的核心部分，電機的霍爾信號、轉把信 號、過流檢測信號、剎車信號等都直接輸入給單片機，由單片機進行處理，并 由單片機輸出電子換向器三個橋臂的前級驅動信號，以控制電機的運轉，因而 單片機主控電路是無刷電機控制器的心臟部分。單片機PIC16F72是目前電動車無刷電機控制器的主流控制芯片，圖 4所示的是用PIC16F72構成

5、的無刷控制器 的典型應用電路，它包括了無刷電機控制器的各主要輸入、輸出信號，如圖4中的SPSIG端信號，該信號經過電阻 R69和R68組成的網絡送入單片機的第 5 腳，單片機根據該腳的電壓信號變化，決定輸出驅動信號的脈寬，從而決定電 機的轉速。目前市面上電動車的轉把輸出信號電壓一般在14.2V，它部是由一個線性霍爾元件和一個磁 件感應變化的磁場而輸出變化的電壓。體組成，轉動轉把、磁體移動，霍爾元轉咄侶叮 欠k磚測剖車咋砰電盟 1片t電咅 單機控銖電了隕問棊功率管1鉗珂汕y ；常遷”：巧"七;于；/尸;八？2廣2嚴久卜？：;-4；滬 _：y；、"；：! _：yy：m¥

6、;：w：f ：r ：L；*：y：M 卄：r：嚴巧-：; 丁嚴 丹七廣：2穴？：；6""孑滬；亍；-:?：;ihiEHiiEEiEVT1VTd /TKIr r w-11 I JF：.：.：7：-：=?=：-：-： ：£：；：；£：!：；：£：；4 hI<qr IA.謬遇逬i越圖関越茨謔龍鏗陰證ffi2廠 廠0OUtjcm1kiJ RT Ft73-01勒 M?.U 曲R?2丄L7722 W?Bp 口 Q *2V阿FT?H5： 10k+5V4-HA：RB627ICBA腳.CkL略3.fi.fl0餌-.1EB-O wn h們20 k sowHBK

7、O 口Rfi74 /k口R$aaV01 4'iaR7c n _C23 n3001U"OOtj 嗆於X'-.1R55SPUM' 0HA&R飾'OkOSCiasc?R4410<：h IM 熬RB1-匸no t§vR4? imLt-31 REDa&F-l&KIt|rco17RCl RG5ROZ-rUHAILC-OHALLBPHMAFIC3 MC織yik qw ivn?414S22klib1C11IMPC1fi4WC13043V4. 限速電路限速電路是通過分壓電阻，減小送入單片機的轉把最高電壓信號，從而限制 了速度。如圖

8、4中把SPLIMT端接地，則R67與R68即組成分壓電路，降低轉 把信號（SPSIG）送入單片機的5腳的電壓，從而限制了電動車的最高轉速。5. 霍爾信號檢測電路在圖4中，電阻R31R36、電容C16C18組成霍爾信號檢測輸入電路，電 阻R34R36形成上拉電位，電容C16C18起濾波作用，抑制干擾信號。單片 機的15、16、17腳分別檢測來自電機的三路霍爾位置信號，以決定換相時 刻。6. 欠壓檢測電路在圖4中，元件R70、R71、R72、C23組成電池電壓檢測電路，檢測值送 入單片機的3腳，當該腳檢測值低于某一數值時，可強迫無刷電機控制器不工 作，從而起到保護電池的作用。7. 剎車信號電路對于

9、電動自行車，當手把剎車時，單片機得到剎車信號，無刷電機控制器停 止輸出控制信號，電機斷電，這稱為剎車斷電，對于有些無刷控制器，當單片 機得到剎車信號時，則輸出控制信號，強制電機抱住，使電機不能轉動，這稱 為電剎車。目前市面上電動車的剎車信號有高電平剎車信號和低電平剎車信號 兩種，對于單片機一般只識別其中一種信號，如果采用電平轉換電路，則可識 別兩種電平的剎車信號。在圖4中，當BK信號端為低電平，則單片機第7腳 得到低電平剎車信號，通知無刷控制器完成剎車過程。當HBK端為高電平時，通過電阻R66、R81、R88及三極管VT20完成電平轉換，三極管 VT20的集電 極變?yōu)榈碗娖?，單片機第7腳為低，

10、通知無刷控制器完成剎車動作。8. 電源電路在無刷電機控制器中，一般需兩組電源，一個是14V電源供功率MOSFET驅動用，另一個是5V電源，供單片機、電機霍爾、轉把霍爾等電路用。14V電源一般由LM317調整管得到，5V電源一般由78L05得到，電路程式如圖5所 示。9. 限流/過流保護電路限流保護是控制無刷電機控制器 在某一最大限定電流值下工作，對于 36V 控制器，限流值一般在14± 1A，對于48V控制器限流值一般在17± 1A。限流 保護其實又是過載保護，當上坡、載重必然引起負載加重、電流增大，但電流 增大的極限就是限流值。如圖 4中，IC6B（ LM358 ）的運放

11、與電阻R73、 R74、R75、R76及RT構成限流信號檢測電路。R T為串接于MOSFET管上的 電阻絲，如圖2所示，因為電機電流通過 MOSFET管，也就流 過R T,當流 過電機的電流變化，反應在 R T上就是R T兩端電壓的變化。當流過 RT的 電流大到限定電流時，此時IC6的第7腳輸出約3V的電壓，單片機PIC16F72 的2腳得到3V電壓時，貝U降低MOSFET驅動輸出信號的占空比，迫使流過電 機 的電流下降，即R T上的電流下降，同時 R T上的電壓下降，使得IC6的 第7腳輸出下降，如此動態(tài)調節(jié)，保證無刷電機控制器工作于限流值以下。過 流保護是當電機電流達到限定電流時，無刷電機

12、控制器電流仍在上升，則強迫停止電機供電。IC6A的運放和R59、R61、R62及R T構成過流保護檢測電路，見圖4。檢測信號由IC6的1腳輸出，送入單片機的21腳Qn rheR1 TW330IC111 FC1SLM31 779L05R36CE4 470ti 16VCE3 47 Li 63VCE5SDVC1C O'kLCE2470 uTGV006-9 - s B - a - BIaBm- 維修要點根據筆者在實際工作中的經驗， 要修好無刷控制器，可按如下步驟進 行, 將會收到事半功倍的效果。正確判斷無刷電機控制器的各引出線功能 無刷電機控制器一般具備如下引 出線。第一步1. 電機線（圖6中

13、A線）無刷電機控制器電機線有 3根，稱為A、B、C相 線，一般黃線為A相，藍線為B相，綠線為C相，但也有例外，這就要求維修 者試著調換3根線的次序，直到電機運轉正常。2. 電源線（圖6中B線）無刷電機控制器電源線一般用 3根線，其中一根細 一些的線為鎖線，它是給無刷電機控制器 14V及5V電源供電的，另外 兩根粗 線（紅、黑）給功率管供電。3限速線（圖6中C線）國家標準規(guī)定電動車的最高限速 為20km/h,因此 各無刷電機控制器廠 家生產的控制器出廠時都留有如圖 7中的D號線，當插 頭插上，則電動車 限速為20km/h，符合國家標準，如斷 開，則電動車速度將 大于20km/h，方 便用戶選擇。

14、4. 剎車線（圖6中D線）剎車線連接到電動車的把手開關上，當剎車時開 關動作，剎車信號送入單片機，執(zhí)行剎車斷電或剎車抱死動作。5. 速度線（圖6中E線）速度線與電動車儀表盤中的速度表相連，在無刷電 機控制器它通過一限流電阻與電機的某一根相線相連。電機速度變化，反應在 電機相線中電流變化，則在速度線中電流也變化，反應在儀表盤中就是速度的 變化。6轉把線（圖6中F線）轉把線連接到電動車轉把的霍爾上，轉把線有 3根 線，分別為電源正、電源負和信號線，一般紅線為電源正，黑線為電源負，信 號線為藍色。當轉把轉動時，轉把磁鐵相對霍爾運動，產生由低到高的感應電 壓信號，該信號送入單片機，執(zhí)行調速指令。7.電

15、機霍爾線（圖6中G線）電機霍爾線與電機霍爾相連，以決定電機換 相時刻?；魻柧€有5根線：紅為正，黑為負，其余3根線為3個霍爾信號，這 3根線與電機相連，必須次序正確，否則電機不能正常運轉，有時需反復調換 這3根線與電機相連次序，直到電機運轉正常。目視檢查打開無刷電機控制器， 第二步如圖7所示，目視檢查有無不良，重 點檢查各導線是否焊接良好，功率 MOS管、14V穩(wěn)壓管、大電解電容、單片 機、振蕩器是否焊接良好，如圖 7中A、B、C、D、E標注的所示，要排除不 良點。序號故SO現象產生故璋的原因1（i;1不通電_ .（|：2 （j；2化5即電灌電壓不王割JJ 單片機店氈器壞2電叫運共不廳卄 MCS

16、壞豐.杜丄E匚嚨後次序不丸ii：P 更杠E工住廚繞才再豐W芷靈劫電路青同理=：電機晝決線載相線次序不對4-；詁電機運貧無力限盍電路異常；在不通電情況下用萬用表檢查第三步1. 先用萬用表量外接電源端對地 阻抗是否正常，一般應大于 2kQ。2. 分別測6個MOS管引腳間有無短路現象，此點較為重要，無刷電機控制器（如MOS管）較差，過流保護控制不佳或散熱做得不好，往往會引起MOS管擊穿，如圖7中A部分。3. 檢查電源穩(wěn)壓管LM317引腳間 有無短路現象。4. 測78L05與地間阻抗是否正 常，一般應大于1.5 kQ0在通電情況下測直流工作點 第四步 測LM317輸出（應為14V ）、 78L05輸出（應為5V）、轉把線霍爾線、助力線、紅線與黑線間電源（應 為 5V ）o嘗試通電運轉第五步1. 只連接電機線、霍爾線、轉把線，保證正確連接后通電試著轉動轉把，先 慢慢轉動一小段位