無刷電機控制器基本原理

/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(yīng)用。無刷電機的控制器要比有刷電機控制器復(fù)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?/p>

電動車無刷控制器主要由單片機主控電路、功率管前級驅(qū)動電路、電子換向器、霍爾信號檢測電路、轉(zhuǎn)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刷電機的機械換向器,因而控制方法也就大不相同,復(fù)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(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中MOSFET管VT1、VT4構(gòu)成無刷電機A相繞組的橋臂,VT3、VT6構(gòu)成無刷電機B相繞組的橋臂,VT5、VT2構(gòu)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(dǎo)通,否則要燒壞管子。

6只功率MOSFET管按一定要求順次導(dǎo)通,就可實現(xiàn)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(zhuǎn)。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,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(zhuǎn)。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(zhuǎn)。2.

功率管前級驅(qū)動電路

功率管前級驅(qū)動電路用來驅(qū)動電子換向器的6個MOSFET管,由于6個MOSFET管組成了

3個相同的橋臂,對這3個相同的橋臂

的驅(qū)動電路是相同的,因而功率管前級驅(qū)動電路是由3組相同結(jié)構(gòu)的電路組成,圖3所示的是一典型的功率管前級驅(qū)動電路,對于一無刷控制器,有3個這樣的電路,分別驅(qū)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(zhuǎn)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(jìn)行處理,并由單片機輸出電子換向器三個橋臂的前級驅(qū)動信號,以控制電機的運轉(zhuǎn),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(gòu)成的無刷控制器的典型應(yīng)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(jīng)過電阻R69和R68組成的網(wǎng)絡(luò)送入單片機的第5腳,單片機根據(jù)該腳的電壓信號變化,決定輸出驅(qū)動信號的脈寬,從而決定電機的轉(zhuǎn)速。目前市面上電動車的轉(zhuǎn)把輸出信號電壓一般在1~4.2V,

它內(nèi)部是由一個線性霍爾元件和一個磁體組成,轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把、磁體移動,霍爾元件感應(yīng)變化的磁場而輸出變化的電壓。4.

限速電路

限速電路是通過分壓電阻,減小送入單片機的轉(zhuǎn)把最高電壓信號,從而限制了速度。如圖4中把SPLIMT端接地,則R67與R68即組成分壓電路,降低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。5.霍爾信號檢測電路

在圖4中,電阻R31~R36、電容C16~C18組成霍爾信號檢測輸入電路,電阻R34~R36形成上拉電位,電容C16~C18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內(nèi)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(dāng)該腳檢測值低于某一數(shù)值時,可強迫無刷電機控制器不工作,從而起到保護(hù)電池的作用。7.剎車信號電路

對于電動自行車,當(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路,則可識別兩種電平的剎車信號。在圖4中,當(dāng)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(dāng)HBK端為高電平時,通過電阻R66、R81、R88及三極管VT20完成電平轉(zhuǎn)換,三極管VT20的集電極變?yōu)榈碗娖?單片機第7腳為低,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(qū)動用,另一個是5V電源,供單片機、電機霍爾、轉(zhuǎn)把霍爾等電路用。14V電源一般由LM317調(diào)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(hù)電路

限流保護(hù)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(hù)其實又是過載保護(hù),當(dāng)上坡、載重必然引起負(fù)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的運放與電阻R73、R74、R75、R76及RT構(gòu)成限流信號檢測電路。RT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(dāng)流過電機的電流變化,反應(yīng)在R

T上就是R

T兩端電壓的變化。當(dāng)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,則降低MOSFET驅(qū)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(diào)節(jié),保證無刷電機控制器工作于限流值以下。過流保護(hù)是當(dāng)電機電流達(dá)到限定電流時,無刷電機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RT構(gòu)成過流保護(hù)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。維修要點

根據(jù)筆者在實際工作中的經(jīng)驗,要修好無刷控制器,可按如下步驟進(jìn)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(lán)線為B相,綠線為C相,但也有例外,這就要求維修者試著調(diào)換3根線的次序,直到電機運轉(zhuǎn)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(xì)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)的控制器出廠時都留有如圖7中的D號線,當(dāng)插頭插上,則電動車限速為20km/h,符合國家標(biāo)準(zhǔn),如斷開,則電動車速度將大于20km/h,方便用戶選擇。

4.

剎車線〔圖6中D線剎車線連接到電動車的把手開關(guān)上,當(dāng)剎車時開關(guān)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,在無刷電機控制器內(nèi)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(yīng)在電機相線中電流變化,則在速度線中電流也變化,反應(yīng)在儀表盤中就是速度的變化。

6.

轉(zhuǎn)把線〔圖6中F線轉(zhuǎn)把線連接到電動車轉(zhuǎn)把內(nèi)的霍爾上,轉(zhuǎn)把線有3根線,分別為電源正、電源負(fù)和信號線,一般紅線為電源正,黑線為電源負(fù),信號線為藍(lán)色。當(dāng)轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動時,轉(zhuǎn)把內(nèi)磁鐵相對霍爾運動,產(chǎn)生由低到高的感應(yīng)電壓信號,該信號送入單片機,執(zhí)行調(diào)速指令。

7.

電機霍爾線〔圖6中G線電機霍爾線與電機內(nèi)霍爾相連,以決定電機換相時刻。霍爾線有5根線：紅為正,黑為負(fù),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(zhuǎn),有時需反復(fù)調(diào)換這3根線與電機相連次序,直到電機運轉(zhuǎn)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(dǎo)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(biāo)注的所示,要排除不良點。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(yīng)大于2kΩ。

2.

分別測6個MOS管引腳間有無短路現(xiàn)象,此點較為重要,無刷電機控制器〔如MOS管較差,過流保護(hù)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(xiàn)象。

4.

測78L05與地間阻抗是否正常,一般應(yīng)大于1.5kΩ。在通電情況下測直流工作點第四步

測LM317輸出〔應(yīng)為14V、78L05輸出〔應(yīng)為5V、轉(zhuǎn)把線霍爾線、助力線、紅線與黑線間電源〔應(yīng)為5V。嘗試通電運轉(zhuǎn)第五步

1.

只連接電機線、霍爾線、轉(zhuǎn)把線,保證正確連接后通電試著轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把,先慢慢轉(zhuǎn)動一小段位置〔低速,看電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)是否正常,如不正常,立即停機,重新檢查。只有電機低速正常,方可逐漸提