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电动车无刷电机控制器原理与维修

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    发表于 2020-7-8 15:05:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
    电动车无刷电机控制器原理与维修4 q; p/ ~" O: V5 e
    % z5 D& f; o1 g" T
    电动车采用的电机分有刷电机和无刷电机两种,由于无刷电机具有 噪声低、寿命长的特点,因而在电动车中获得比较广泛应用。无刷电机的控制器要比有刷电机控制器复杂得多,在维修上有一定的难度,因此,本文从无刷 控制器的原理入手介绍维修要点,以期对广大网友有所帮助。6 \2 T5 [& _: F" l8 `. q
    一、基本原理, o: R  `6 B& a' q
          电动车无刷控制器主要由单片机主控电路、功率管前级驱动电路、电子换向器、霍尔信号检测电路、转把 信号电路、欠电检测电路、限流/过流检测电路、刹车信号电路、限速电 路、电源电路等部分组成,其原理框图如图1所示,下面介绍主要电路的工作原理。
    4 w1 w* B0 p) h  C4 Z& T! b; W5 `$ s
    1. 电子换向器: T$ y: }2 O) O& @4 ^# J- a
          无刷电机与有刷电机的根本区 别就在于无刷电机用电子换向器代替 了有刷电机的机械换向器,因而控制 方法也就大不相同,复杂程度明显提 高。在无刷电机控制器中,用6个功率 MOSFET管组成电子换向器,其结构如图2所示。图中MOSFET管VT1、VT4构 成无刷电机A相绕组的桥臂,VT3、VT6 构成无刷电机B相绕组的桥臂,VT5、 VT2构成无刷电机C相绕组的桥臂,在 任何情况,同一桥臂的上下两管不能 同时导通,否则要烧坏管子。
    6 I1 m! m4 `0 O/ h: H( [, K
    ) w/ y* ^7 R2 d% i      6只功率MOSFET管按一定要求顺 次导通,就可实现无刷电机A、B、C三 相绕组的轮流通电,完成换相要求, 电机正常运转。 在电动车无刷电机控制器中,这 6只功率管有二二通电方式和三三通电 方式的运用,二二通电方式即每一瞬 间有两只功率管同时通电,三三通电 方式即每一瞬间有三只功率管同时通 电。对于二二通电方式,功率管须按 VT1、VT2;VT2、VT3;VT3、VT4; VT4、VT5;VT5、VT6;VT6、VT1; VT1、VT2¼¼的通电顺序,电机才能 正常运转。对于三三通电方式,功率 管须按VT1、VT2、VT3;VT2、VT3、 VT4;VT3、VT4、VT5;VT4、VT5、 VT6;VT5、VT6、VT1;VT6、 VT1、 VT2;VT1、VT2 、VT3¼¼的次序通 电,电机才能正常运转。
    , c3 `! g/ m/ y' K3 |0 `2. 功率管前级驱动电路8 {/ `6 s6 N5 }. z+ y* B/ Z* K! b
          功率管前级驱动电路用来驱动 电子换向器的 6 个 MOSFET管,由于6 个MOSFET管组成 了 3个相同的桥臂, 对这3个相同的桥臂 的驱动电路是相同的,因而功率管前 级驱动电路是由3组相同结构的电路组成,图3所示的是一典型的功率管前级 驱动电路,对于一无刷控制器,有3个 这样的电路,分别驱动3个桥臂。/ W5 r1 Y- Z$ E9 U
    * P3 _8 g' H8 H# c& \
    3. 单片机主控电路8 j/ m& r; u6 H: r
          单片机主控电路是无刷电机控制器的核心部分,电机的霍尔信号、转 把信号、过流检测信号、刹车信号等 都直接输入给单片机,由单片机进行处理,并由单片机输出电子换向器三个桥臂的前级驱动信号,以控制电机的运转,因而单片机主控电路是无刷 电机控制器的心脏部分。 单片机PIC16F72是目前电动车无刷电机控制器的主流控制芯片,图4所示的是用PIC16F72构成的无刷控制器 的典型应用电路,它包括了无刷电机控制器的各主要输入、输出信号,如图4中的SPSIG端信号,该信号经过电 阻R69和R68组成的网络送入单片机的第5脚,单片机根据该脚的电压信号变化决定输出驱动信号的脉宽,从而决定电机的转速。目前市面上电动车 的转把输出信号电压一般在1~4.2V,它内部是由一个线性霍尔元件和一个磁体组成,转动转把、磁体移动,霍尔元件感应变化的磁场而输出变化的电压。
    * ?2 U0 I- X$ B+ {
    3 e) T4 T' r3 F2 p7 B, \) s8 K: Q4. 限速电路3 @+ Y8 U$ q0 p8 u/ b1 |, F# `7 P
           限速电路是通过分压电阻,减小送入单片机的转把最高电压信号,从而限制了速度。如图4中把SPLIMT端接地,则R67与R68即组成分压电路,降 低转把信号(SPSIG)送入单片机的5 脚的电压,从而限制了电动车的最高转速。2 k! M' a1 e3 v' O( ?  U! _
    5. 霍尔信号检测电路" C1 x' g* z# w6 t
          在图4中,电阻R31~R36、电容 C16~C18组成霍尔信号检测输入电 路,电阻R34~R36形成上拉电位,电 容C16~C18起滤波作用,抑制干扰信 号。单片机的15、16、17脚分别检测 来自电机内的三路霍尔位置信号,以 决定换相时刻。
    8 _8 A2 l5 f1 y6.欠压检测电路$ `  s2 x  e4 d  e% [
          在图4中,元件R70、R71、R72、 C23组成电池电压检测电路,检测值送入单片机的3脚,当该脚检测值低于某 一数值时,可强迫无刷电机控制器不 工作,从而起到保护电池的作用。
    : {# n4 Z, ^3 x. @2 w9 x& U4 Y7.刹车信号电路
    1 e; f$ }, W7 l9 }( ^      对于电动自行车 , 当手把刹车时,单片机得到刹车信号,无刷电机 控制器停止输出控制信号,电机断电,这称为刹车断电,对于有些无刷控制器,当单片机得到刹车信号时,则输出控制信号,强制电机抱住,使电机不能转动,这称为电刹车。目前市面上电动车的刹车信号有 高电平刹车信号和低电平刹车信号两 种,对于单片机一般只识别其中一种 信号,如果采用电平转换电路,则可 识别两种电平的刹车信号。在图4中, 当BK信号端为低电平,则单片机第7 脚得到低电平刹车信号,通知无刷控 制器完成刹车过程。当HBK端为高电 平时,通过电阻R66、R81、R88及三 极管VT20完成电平转换,三极管VT20 的集电极变为低电平,单片机第7脚为 低,通知无刷控制器完成刹车动作。% N9 N& k- E$ M, n3 q- W
    8. 电源电路
    3 H4 Z# a3 E( l, i' y  Q      在无刷电机控制器中,一般需两组 电源,一个是14V电源供功率MOSFET驱 动用,另一个是5V电源,供单片机、电机霍尔、转把霍尔等电路用。14V电源 一般由LM317调整管得到,5V电源一般由78L05得到,电路程式如图5所示。
    / k  q) |  t) R, j6 X7 }0 @8 e
    ! U3 K: H2 y4 V+ A; x0 w* a9. 限流/过流保护电路0 m5 C: h2 C, q8 Z- s* j
           限流保护是控制无刷电机控制器在某一最大限定电流值下工作,对于 36V控制器,限流值一般在14±1A,对 于48V控制器限流值一般在17±1A。限流保护其实又是过载保护,当上坡、 载重必然引起负载加重、电流增大, 但电流增大的极限就是限流值。 如图4中,IC6B(LM358)的运 放与电阻R73、R74、R75、R76及RT 构成限流信号检测电路。R T为串接于 MOSFET管上的电阻丝,如图2所示, 因为电机电流通过MOSFET管,也就流 过R T,当流过电机的电流变化,反应在 R T上就是R T两端电压的变化。当流过RT 的电流大到限定电流时,此时IC6的第 7脚输出约3V的电压,单片机PIC16F72 的 2脚得到3V电压时,则降低MOSFET 驱动输出信号的占空比,迫使流过电机 的电流下降,即R T上的电流下降,同时 R T上的电压下降,使得IC6的第7脚输出 下降,如此动态调节,保证无刷电机控 制器工作于限流值以下。 过流保护是当电机电流达到限定 电流时,无刷电机控制器电流仍在上 升,则强迫停止电机供电。IC6A的运放 和R59、R61、R62及R T构成过流保护 检测电路,见图4。检测信号由IC6的1 脚输出,送入单片机的21脚。5 W& E+ z/ x( h

    0 c+ `; o' Z/ \* \& F9 q二、维修要点) _# s' S" {% e$ p, s& u
          根据笔者在实际工作中的经验, 要修好无刷控制器,可按如下步骤进 行,将会收到事半功倍的效果。 - q( N5 s& p) H( P; J0 Y; b# H

    $ r1 s: U; V+ U  N第一步 正确判断无刷电机控制器 的各引出线功能 无刷电机控制器一般具备如下引出线。
    / Z0 C, X7 Z) s0 V' \: L% `* i
    9 G0 i- T/ N. f2 `& d1. 电机线(图6中A线) 无刷电机控制器电机线有3根,称为A、B、C相线,一般黄线为A相,蓝 线为B相,绿线为C相,但也有例外, 这就要求维修者试着调换3根线的次序,直到电机运转正常。
    0 A# a* D% u5 o& @' {, k2. 电源线(图6中B线) 无刷电机控制器电源线一般用3根 线,其中一根细一些 的线为锁线,它是给 无刷电机控制器14V及 5V电源供电的,另外 两根粗线(红、黑) 给功率管供电。4 G& Y5 n2 M6 j% D8 E
    3. 限速线(图6中C线)国家标准规定电动车的最高限速 为20km/h,因此各无刷电机控制器厂 家生产的控制器出厂时都留有如图7 中的D号线,当插头插上,则电动车 限速为20km/h,符合国家标准,如断 开,则电动车速度将大于20km/h,方 便用户选择。
    5 d2 R7 C6 o( x4. 刹车线(图6中D线) 刹车线连接到电动车的把手开关上,当刹车时开关动作,刹车信号送入单 片机,执行刹车断电或刹车抱死动作。
    ' G5 `% M5 s4 W* t( Z5 @5. 速度线(图6中E线) 速度线与电动车仪表盘中的速度表相连,在无刷电机控制器内它通过一 限流电阻与电机的某一根相线相连。电 机速度变化,反应在电机相线中电流变化,则在速度线中电流也变化,反应在仪表盘中就是速度的变化。& R9 c5 i4 v+ ^0 |
    6. 转把线(图6中F线) 转把线连接到电动车转把内的霍尔上,转把线有3根线,分别为电源 正、电源负和信号线,一般红线为电源 正,黑线为电源负,信号线为蓝色。当 转把转动时,转把内磁铁相对霍尔运动,产生由低到高的感应电压信号,该 信号送入单片机,执行调速指令。
    2 O) R- R, a9 Q- z% I! @7. 电机霍尔线(图6中G线) 电机霍尔线与电机内霍尔相连, 以决定电机换相时刻。霍尔线有5根 线:红为正,黑为负,其余3根线为3 个霍尔信号,这3根线与电机相连,必须次序正确,否则电机不能正常运 转,有时需反复调换这3根线与电机相 连次序,直到电机运转正常。
    1 o- W1 i" ]5 l2 `1 \第二步 目视检查 打开无刷电机控制器,如图7所示,目视检查有无不良,重点检查各 导线是否焊接良好,功率MOS管、14V 稳压管、大电解电容、单片机、振荡器是否焊接良好,如图7中A、B、C、 D、E标注的所示,要排除不良点。% y- _  k2 K) ^" x" s+ o

    8 ?2 G  j, A6 U: r第三步 在不通电情况下用万用表检查- |/ w! |6 @1 b' m; Y
    1. 先用万用表量外接电源端对地 阻抗是否正常,一般应大于 2kΩ。
    0 J. E% T1 h" I- f: h2. 分别测6个MOS管引脚间有无 短路现象,此点较为重要,无刷电机 控制器(如MOS管)较差,过流保护 控制不佳或散热做得不好,往往会引 起MOS管击穿,如图7中A部分。
    # H, m# `8 F- W( E3. 检查电源稳压管LM317引脚间 有无短路现象。
    # }+ u: n$ n' Y& Q3 o) G4. 测78L05与地间阻抗是否正 常,一般应大于1.5 kΩ。 第四步 在通电情况下测直流工作点 测 LM317 输出 ( 应为 14V )、 78L05输出(应为5V)、转把线霍尔线、助力线、红线与黑线间电源(应 为5V)。 第五步 尝试通电运转1 Y' I- |! a- w& V7 G' T
    1. 只连接电机线、霍尔线、转 把线,保证正确连接后通电试着转动 转把,先慢慢转动一小段位置(低 速),看电机运转状态是否正常,如 不正常,立即停机,重新检查。只有 电机低速正常,方可逐渐提高速度, 否则易损坏器件。+ `1 P- e/ t6 I! \# @
    2. 在电机运转正常情况下,检查 刹车、助力、速度表、欠压、限流等 功能是否正常。
    ! `, e- |. n. [) _( f* |( y第六步 故障排除 有时故障现象是多方面因素造成 的,因此,我们要善于透过现象看本质, 逐一排除点,最后问题便迎刃而解,附表是故障现象与原因的几点总结。
    . K5 }6 A. j- m8 F" ~7 {2 ~       总之,在初步掌握无刷控制器基 本原理的基础上,按照以上所介绍的几点步骤维修,将会收到事半功倍的效果。本文旨在抛砖引玉,许多维修技巧还要靠不断实践才能融会贯通。$ E* H% u) F( H0 n9 A

    ! z6 M7 O  d9 R( i, p! [) o; ^; _8 V

    . f7 {% @) {  q. z0 ?6 g3 u5 P8 N6 ?+ X! r' U% _3 |, _) C! L

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