电动自行车无刷控制器电路原理分析

根据实物绘出其电路图，如图所示。该控制器由CPU(PIC16F72)、2片74HC27(3输入或非门)、1片74HCO4D(反相器)、1片74HCO8D(双输入与门)和1片LM358(双运放)、6只大功率场效应管等组成，功率达350W，是一款比较典型的无刷电动车控制器，具有600和120°驱动模式自动切换功能。

电路组成及工作原理

该电路分为电源电路，信号输入与预处理、智能信号处理控制，驱动控制信号功率驱动开关等三部分。CPU(PIC16F72)单片机是智能处理控制部分的核心。PIC16F72的引脚功能描述见304页图中所注。

1.电源电路

该控制器有三组电源。第一组是提供总能源的电池。板子上的电解电容C1(1OOOμF/63V)、C11(1OOμF/63V)及C1O(0.1μF /63V)用于消除由电源线、电路板走线所带来的电阻、寄生电感等引起的杂波干扰。由于是工作在大电流、高频率、高温状态下，对电解电容有损耗角小、耐高温的要求，普通的电解电容容易发热爆裂。

第二组电源提供15V电压，一是给场效应管供电，由于场效应管必须有1OV以上、20V以下的电压才能很好地导通，所以必须有合适的电压为其供电，同时15V电压也为5V稳压块提供预稳压。稳压块为LM317，输出15V。由于LM317的输入输出压差不能超过40V，而输入电压(电池电压)可能高达 60V，因此在LM317前面加了一只330Ω/2W的电阻。

第三组电源是5V，稳压块采用LM78LO5，由于78LO5的最大输出电流只有1OOmA，所以并联了两只1.5kΩ的电阻R75、R76，以扩流。系统对5V电源的要求比较高，不单单是因为逻辑电路、CPU等的电源电压都不能过高，而且由于CPU的所有AD转换都是以5V电压为基准，所以若5V 不准，会出现电流检测、欠电压检测、手柄控制等均不能达到设计要求的情况，甚至不能动作。因此，该电压应严格控制在4.90V～5.1OV。

2.信号输入与预处理电路

该电路包括电源电压输入、工作电流比较、放大输入、手柄转把调速电压输入、刹车信号输入、电机转子位置传感器的霍尔信号输入，以及其他功能开关信号输入等。

(1)电源电压输入由于CPU只接收0V~5V的信号，所以电源电压必须经过分压才能输入CPU。

(2)工作电流放大、输入电路康铜丝R55采样的电流信号经过R6送入运放U1A(LM358)同相输入端(5)脚，经过放大，由(7)脚输出至U6(CPU)(2)脚，CPU根据该信号的高低控制PWM脉冲输出的大小，从而控制功率管电流的高低。UIB(LM358)作为比较器，其输出端(1)脚接CPU(21)脚。电流正常时，U1B(3)脚电压高于(2)脚，(1)脚输出高电平。当电流由于某种原因突然增大到一定程度时，(2)脚电压高于(3)脚，(1)脚输出低电平，从而将U6(21)脚过流保护端电位拉低，CPU据此完全关闭电机的输出，进入保护状态，对控制器输出的最大电流进行限制，以保护电池、控制器、电机等不会出现超过允许范围的大电流，避免故障进一步扩大。

(3)手柄转把输入部分+5V电源加到手柄转把的翟尔元件上，转动手柄转把，霍尔元件产生的1.2V~4.2V转速控制电压通过R37、R32分压，C27滤波后，输入到U6(5)脚，CPU据此控制驱动PWM信号，实现电机调速。

(4)刹车信号输入经R，34、R33分压，送到刹车信号(低电平有效)CPU(7)脚。正常行驶时，U6(7)脚为高电平，(13)脚正常输出驱动脉冲;刹车时，U6(7)脚电平被拉低，(13)脚停止驱动脉冲输出，达到刹车断电功能。

(5)电机转子位置传感器输入由于该传感器安装在电机内部，采用开路输出的办法，所以除提供+5V电源外，每个传感器U、V、W都必须接上拉电阻(R49～R51)，传感器U、V、W输出的信号经电阻R29～R31、电容C30～C32滤波后，送到U6(15)～(17)脚，CPU根据其信号变化让电机相应绕组通电，从而使电机始终向需要的方向转动。此外在电源处接有一只二极管D4，接地采用细铜膜做保险丝，以防止电机相线与霍尔信号线短路后高电压反窜进来，损坏板子上的其他零件。

(6)限速控制当限速开关接通时，调速信号经R33对地拉低，从而使转速不能调得太高，以达到限速目的。

(7)电池欠压检测输入电池电压经R3、R11分压，C21滤波后，加到U6(3)脚，CPU据此信号判断电池电压是否过低。当电池电压降低到控制器设定值以下时，CPU停止PWM芯片信号的输出，以保护电池不至于在低电压惰况下放电，避免电池因过放电而损坏。

3.驱动控制信号和功率驱动开关

从U6(13)脚输出的PWM占空比驱动控制信号，一路经R53、R52、C71载波(缩小占空比)后输出，相位不变，形成PWM信号，加到与门 U4(74CO8D)(13)脚，与U6脚送　　来的相位开关信号进行逻辑合成，再以一定的逻辑顺序分别从(3)、(6)、(8)脚输出高电平加到三极管 Q1～Q3基极，使之导通，驱动T1、T4、T7导通，从而使三组上桥臂场效应V1、V3、V5按一定的逻辑顺序轮流导通工作，将电源电压加至电机绕组。

另一路经R57、C24加到U5(74CO4D)(1)脚，经反相形成PWM信号，由(4)脚输出到或非门U3(74C27D)(2)、(4)、(10)脚，与U6(22)脚同步续流控制端送来的同步续流信号比较后，由(6)、(8)、(12)脚输出到或非门U2(74C27D)(1)、(9)、(10)脚，与U6(26)～(28)脚送来的相位开关信号进行合成，由或非门U2(6)、(12)、(8)脚分别输出高电平，加到三极管N2、N4、 N6基极，使三极管N2、N4、N6导通，从而使三组下桥臂场效应管V2、V4、V6按一定的逻辑顺序轮流导通工作，电流通过电机绕组流回电源负极，从而得到模拟三相交流电，使电机旋转起来。

自检后的状态由LED2显示结果，进行判断。LED显示情况与控制器状态的对应关系如下：

闪1停1--自检正常通过;闪2停1--欠压：闪3停1-LM358故障;闪4停1--电机霍尔信号故障：闪5停1--下管故障;闪6停1--上管故障;闪7停1--过流保护;闪8停1--刹车保护;闪9停1--手把地线断开;闪10停1--手把信号和手把电源线短路;闪1停11--上电时手把信号未复位。

在检修时，首先要排除短路故障，特别是未级功率管。

在电门锁一侧，可以断开电门锁插接件测电流，若电流约为65mA，则说明控制器前级无短路。

当无短路而电机不转时，应先捡查初始化自检条件是否正常。

检查电机霍尔元件好坏的方法：打开电门锁，用指针式万用表交流1OV挡分别测U6(15)～(17)脚，即电机霍尔的W、V和U相的输入端，用手慢慢转动电机轮，如果表的指针在OV~4V左右波动，说明电机霍尔元件基本正常。

检查控制器前级是否正常的方法：首先控制器应能自检，观索LED2灯闪停是否正常。若LED2闪一次停一次，说明自检通过，否则应检查自裣灯指示的相关故障电路。

自检正常通过后，用万用表交流1OV挡测U6(26)～(28)脚(即下管换相信号)，转动转把使电机轮尽量旋转慢一点，若表针在OV~4V左右波动，再测U6(23)～(25)脚(即上营换相信号)，表针应在OV~2V左右波动。然后测U6(CPU)(13)脚(即PWM输出脚)，此点电压随转把的转动而变化，若为OV~4.8V，说明U6输出基本正常。

电机电流检测和保护电路由电流取样电阻R5、6和U1等组成。当无刷电机电流增大到使U1(2)脚电压高于(3)脚约0.23V时，U1(1)脚变为低电平，U6(21)脚变为低电平，单片机进入过流保护状态。