电动自行车控制器电路原理分析
电动自行车控制器电路原理分析
电动自行车控制器
目前流行的电动自行车、电动摩托车大都使用直流电机，对直流电机调速的控制器有很多种类。电动车控制器核心是脉宽调制(PWM)器，而一款完善的控制器，还应具有电瓶欠压保护、电机过流保护、刹车断电、电量显示等功能。
电动车控制器以功率大小可分为大功率、中功率、小功率三类。电动自行车使用小功率的，货运三轮车和电摩托要使用中功率和大功率的。从配合电机分，可分为有刷、无刷两大类。关于无刷控制器，受目前的技术和成本制约，损坏率较高。笔者认为，无刷控制器维修应以生产厂商为主。而应用较多的有刷控制器，是完全可以用同类控制器进行直接代换或维修的。
本文分别介绍国内部分具有代表性的电动自行车控制器整机电路，并指出与其他产品的不同之处及其特点。所列电路均是根据实物进行测绘所得，图中元件号为笔者所标。通过介绍具体实例，达到举一反三的目的。
1.有刷控制器实例
(1)山东某牌带电量显示有刷控制器
电路方框图见图1。
1)电路原理
电路原理图见图2所示，该控制器由稳压电源电路、PWM产生电路、电机驱动电路、蓄电池放电指示电路、电机过流及蓄电池过放电保护电路等组成。
稳压电源 由V3(TL431)，Q3等元件组成，从36V蓄电池经过串联稳压后得到+12V电压，给控制电路供电，调节VR6可校准+12V电源。
PWM电路 以脉宽调制 器TL494为核心组成。R3、C4与内部电路产生振荡，频率大约为12kHz。
H是高变低型霍尔速度控制转把，由松开到旋紧时，其输出端可得到4V—1V的电压。该电压加到TL494的②脚，与①脚电压进行比较，在⑧脚得到调宽脉冲。②脚电压越低，⑧脚输出的调宽脉冲的低电平部分越宽，电机转速越高，电位器VR2用于零速调节，调节VR2使转把松开时电机停转再过一点。
电机驱动电路 由Q1、Q2、Q4等元件组成。电机MOTOR为永磁直流有刷电机。TL494的⑧脚输出的调宽脉冲，经Q1反相放大驱动VDMOS管Q2。TL494的⑧脚输出的调宽脉冲低电平部分越宽，则Q2导通时间越长，电机转速越高。D1是电机续流二极管，防止Q2击穿。TL494的⑧脚输出低电平时，Q1、D2导通，Q4截止，Q2导通；TL494的⑧脚输出高电平时，Q1、D2截止，Q4导通，迅速将Q2栅极电荷泄放，加速Q2的截止过程，对降低Q2温度有十分重要的作用。
蓄电池放电指示电路 由LM324组成四个比较器，12V由R24、VR1、VR4、VR3、VR5、R21分压形成四个不同基准电压分别加到四个比较器的反相端。蓄电池电压经R23和R22分压加到每个比较器的同相端，该电压和蓄电池电压成比例。VA=VB*R22/(R22+R23)。当蓄电池电压不低于38V时，LED1、LED2、LED3均点亮；当电池电压低于38V时，LED3熄灭；当电池电压低于35V时，LED2熄灭；当电池电压低于33V时，LED1熄灭，此时应给电池充电。调节VR1、VR4、VR3可分别设定LED3、LED2、LED1熄灭时的电压。LED4用作电源指示，LED5用作欠压切断控制器输出指示。
蓄电池过放电保护 当蓄电池放电到31.5V时.LM324的①脚输出低电平，三极管Q5导通，约5V电压加到TL494的死区控制端④脚.该脚电位≥3.5V，就会迫使TL494内部调宽脉冲输出管截止，从而使三极管Q1、Q2截止，电机停止运转，蓄电池放电停止，进入电池保护状态。此时LED5点亮，指示出该状态。VR5用于设定电池保护点电压。
电机过流保护 R30为电机电流取样电阻，当过流时，取样电压经R14加到TL494的⑩脚。当⑩脚电位高于⑩脚电位时，TL494内部运放2输出高电平，迫使TL494内部调宽脉冲输出管截止，从而使Q1、Q2截止，电机停止运转，从而保护了电机。
制动保护 当刹车制动时，KEY2接通.5V电压加到TL494的死区控制端④脚，迫使TL494内部调宽脉冲输出管截止，从而使Q1、Q2截止，电机停止运转，实施制动保护。
2)调试
调速电路零速调试：速度转把完全松开.调节VR2使电机停转并再调过一点以保证可靠置零速。制动调试：转动速度转把，电机旋转。此时闭合制动开关KEY2，Q2栅极应立即变为低电平0V。过流保护调试：转动速度转把，Q2栅极为高电平12V。此时在源极对地之间加上0.8V左右的电压，栅极应很快变为低电平。
蓄电池放电指示电路用可调电源代替蓄电池。电压为38V时，调节VR1，使LED3刚好熄灭；电压为35V时，调节VR2，使LED2刚好熄灭；电压为33V时，调节VR3，使LED1刚好熄灭；电压为31V时，调节VR5，使LED5刚好点亮，此时TL494的④脚应为高电平5V左右，进入电池欠压保护状态。通过上述设置，仅LED1点亮时，电压为33V-34V，应及时给蓄电池充电，不过LED1熄灭至LED5点亮这段时间，蓄电池还可维持运行，但LED5点亮时，进入欠压保护状态。此时应注意，过一会儿电池电压因电机停转而回升，保护解除，又恢复工作。如此反复保护-工作-保护的结果会损坏电池和控
制器，故应避免出现这种状况。
(2)上海伟显牌控制器
使用LM324、LM393和LM339制作的有刷控制器可靠性是很高的，就是器件数量多些。该控制器仅用一片LM339制作有刷控制器部分。用另一块LM339制成电量显示部分。显示部分见图3，电路原理见图4所示。
上海伟星对该控制器的调速采用了光电速度转把。由于北方干燥，沙土灰尘大，影响了光电速度转把的使用。实践证明，完全可以用霍尔速度转把替代它。具体方法见图5。
光电速度转把改为霍尔速度转把关键有两点：一是加装+5V稳压电源；二是根据原速度信号输出点信号变化规律，选用相应信号变化的霍尔调速转把。
该有刷控制器以PWM电路为核心，前面有三角波发生器、电瓶欠压检测、电机过电流检测；后面有驱动、功率开关等。每部分都是独立的.检查调试都比较方便。三角波发生器由IC2A、R17、C5、D2、R9、R10等组成施密特振荡器，在C5上产生三角波。脉宽调制器是IC2B，它的输入之一⑥脚，为来自C5上的三角波，输入之二⑦脚，是来自速度转把(J1)①脚的速度信号。从IC2B①脚输出调宽脉冲，送互补推挽放大器。互补推挽驱动由T3、T4组成，脉冲高电平到来，上管NPN管T4导通，12V加到功率管T1、T2的栅极，T1、T2导通；脉冲低电平到来，上管NPN管T4截止.下管PNP管T2导通，将T1、T2栅极的电荷迅速放掉，T1、T2截止。电池欠压保护由IC2C组成电压比较器，当电瓶电压低于31.5V时，它的⒁脚变为低电位，相当于R13输入一端接地，将转把速度信号降到接近零伏.使IC2B①脚呈低电平，T4截止、T3导通；T1、T2截止。过电流保护由IC2D组成电压比较器，当过电流时。R4右端电位变低.通过R5加到IC2D⑾脚，比较器翻转⒀脚变为低电位，同样相当于R13输入一端接地.将转把速度信号降到接近零伏，使T1、T2截止。
(3)四川绵阳产某牌中功率有刷控制器
该控制器采用无刷专用芯片,MC33035为核心制作的有刷控制器。
控制器电路原理图见图6所示，该控制器的特点是刹车时三管齐下，具体工作原理如下：
刹车电路主要由J、Q3、Q6等组成。继电器常开触点串联在电机的供电电路中，+24V通过R29、D8为Q3提供基极电流，Q3导通，J得电吸合，常开触点闭合，电机得电。
1)当刹车时，左、右刹车开关闭合，+15V通过R25、R21为Q6提供基极电流，Q6导通，集电极电位降低，D4导通，使D8截止，Q3失去基极电流而截止，J失电，常开触点断开，电机失电停止转动。
2)在Q6导通，集电极电位降低时，D5也导通，降低了U1的⑦脚电位。该脚低电平关断PWM输出。
3)在Q6导通，集电极电位降低时，D6也导通，无论调速转把在低速或高速位置，均将霍尔调速转把转速信号对地短路而降低送往U1⑾脚的信号电压。
欠压保护电路由欠压检测U2B和单端触发器U3组成。其输出经Q4倒相送U1的⑦脚，关断U1的输出。转把电压检测U2C的输出送单端触发器U3强制复位端④脚进行调速工作。
(4)北京某牌带防飞车功能有刷控制器
电路原理图见图7。
防飞车功能是靠串联在电机和电源正极之间继电器J的常闭触点J实现的。下面两种情况之一，都会使继电器得电，断开电机电源：一是电机过流；二是速度转把在零速位置时，VDMOS的漏极D为低电位(开关管击穿)。电机过流，电流取样电阻R1下端电压变低，电流检测IC1A的②脚变低，①脚变成高电位，经D5使T7、T8导通，J得电，常闭触点断开。
当速度转把在零速位置时，PWM IC2的①脚低电位，D3截止，T6截止，其集电极高电位。一种情况：如果功率开关管没击穿则VDMOS的漏极D为高电位，经R6使T6导通，其集电极低电位，二极管D4是正与门，由于T5、T6集电极只有一个高电位，二极管D4截止，T7、T8截止，J不得电，其常闭触点闭合.使电机受控于T1、T2；另一种情况：如果功率开关管已击穿，则VDMOS的漏极D为低电位，经R6使T5截止，其集电极高电位，二极管D4是正与门，由于T5、T6集电极都是高电位，二极管D4导通；T7、T8导通，J得电，其常闭触点断开，使电机失电而达到防飞车保护。
当速度转把不在零速位置时，PWM IC2的①脚是一串正脉冲，经积分电路R20、C7积分，C7电位升高，D3导通，T6导通.其集电极低电位，二极管D4是正与门，无论T5集电极电位是高还是低，二极管D4都截止，T7、T8截止。J不得电，其常闭触点使电机得电。保证了功率开关管VDMOS正常导通时的漏极D为低电位，电机只要不过流即可控制电机旋转。