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文檔簡介
1、!電動自行車控制器電路原理分析 目前流行的電動自行車、電動摩托車大都使用直流電機,對直流電機調(diào)速的控制器有很多種類。電動車控制器核心是脈寬調(diào)制(PWM)器,而一款完善的控制器,還應具有電瓶欠壓保護、電機過流保護、剎車斷電、電量顯示等功能。電動車控制器以功率大小可分為大功率、中功率、小功率三類。電動自行車使用小功率的,貨運三輪車和電摩托要使用中功率和大功率的。從配合電機分,可分為有刷、無刷兩大類。關(guān)于無刷控制器,受目前的技術(shù)和成本制約,損壞率較高。筆者認為,無刷控制器維修應以生產(chǎn)廠商為主。而應用較多的有刷控制器,是完全可以用同類控制器進行直接代換或維修的。 本文分別介紹國內(nèi)部分具有代表性的電動自
2、行車控制器整機電路,并指出與其他產(chǎn)品的不同之處及其特點。所列電路均是根據(jù)實物進行測繪所得,圖中元件號為筆者所標。通過介紹具體實例,達到舉一反三的目的。1.有刷控制器實例(1)山東某牌帶電量顯示有刷控制器電路方框圖見圖1。1)電路原理電路原理圖見圖2所示,該控制器由穩(wěn)壓電源電路、PWM產(chǎn)生電路、電機驅(qū)動電路、蓄電池放電指示電路、電機過流及蓄電池過放電保護電路等組成。穩(wěn)壓電源 由V3(TL431),Q3等元件組成,從36V蓄電池經(jīng)過串聯(lián)穩(wěn)壓后得到+12V電壓,給控制電路供電,調(diào)節(jié)VR6可校準+12V電源。PWM電路 以脈寬調(diào)制 器TL494為核心組成。R3、C4與內(nèi)部電路產(chǎn)生振蕩,頻率大約為12k
3、Hz。H是高變低型霍爾速度控制轉(zhuǎn)把,由松開到旋緊時,其輸出端可得到4V1V的電壓。該電壓加到TL494的腳,與腳電壓進行比較,在腳得到調(diào)寬脈沖。腳電壓越低,腳輸出的調(diào)寬脈沖的低電平部分越寬,電機轉(zhuǎn)速越高,電位器VR2用于零速調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)VR2使轉(zhuǎn)把松開時電機停轉(zhuǎn)再過一點。電機驅(qū)動電路 由Q1、Q2、Q4等元件組成。電機MOTOR為永磁直流有刷電機。TL494的腳輸出的調(diào)寬脈沖,經(jīng)Q1反相放大驅(qū)動VDMOS管Q2。TL494的腳輸出的調(diào)寬脈沖低電平部分越寬,則Q2導通時間越長,電機轉(zhuǎn)速越高。D1是電機續(xù)流二極管,防止Q2擊穿。TL494的腳輸出低電平時,Q1、D2導通,Q4截止,Q2導通;TL49
4、4的腳輸出高電平時,Q1、D2截止,Q4導通,迅速將Q2柵極電荷泄放,加速Q(mào)2的截止過程,對降低Q2溫度有十分重要的作用。蓄電池放電指示電路 由LM324組成四個比較器,12V由R24、VR1、VR4、VR3、VR5、R21分壓形成四個不同基準電壓分別加到四個比較器的反相端。蓄電池電壓經(jīng)R23和R22分壓加到每個比較器的同相端,該電壓和蓄電池電壓成比例。VA=VB*R22/(R22+R23)。當蓄電池電壓不低于38V時,LED1、LED2、LED3均點亮;當電池電壓低于38V時,LED3熄滅;當電池電壓低于35V時,LED2熄滅;當電池電壓低于33V時,LED1熄滅,此時應給電池充電。調(diào)節(jié)VR
5、1、VR4、VR3可分別設(shè)定LED3、LED2、LED1熄滅時的電壓。LED4用作電源指示,LED5用作欠壓切斷控制器輸出指示。蓄電池過放電保護 當蓄電池放電到31.5V時.LM324的腳輸出低電平,三極管Q5導通,約5V電壓加到TL494的死區(qū)控制端腳.該腳電位3.5V,就會迫使TL494內(nèi)部調(diào)寬脈沖輸出管截止,從而使三極管Q1、Q2截止,電機停止運轉(zhuǎn),蓄電池放電停止,進入電池保護狀態(tài)。此時LED5點亮,指示出該狀態(tài)。VR5用于設(shè)定電池保護點電壓。電機過流保護 R30為電機電流取樣電阻,當過流時,取樣電壓經(jīng)R14加到TL494的腳。當腳電位高于腳電位時,TL494內(nèi)部運放2輸出高電平,迫使T
6、L494內(nèi)部調(diào)寬脈沖輸出管截止,從而使Q1、Q2截止,電機停止運轉(zhuǎn),從而保護了電機。制動保護 當剎車制動時,KEY2接通.5V電壓加到TL494的死區(qū)控制端腳,迫使TL494內(nèi)部調(diào)寬脈沖輸出管截止,從而使Q1、Q2截止,電機停止運轉(zhuǎn),實施制動保護。2)調(diào)試調(diào)速電路零速調(diào)試:速度轉(zhuǎn)把完全松開.調(diào)節(jié)VR2使電機停轉(zhuǎn)并再調(diào)過一點以保證可靠置零速。制動調(diào)試:轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)把,電機旋轉(zhuǎn)。此時閉合制動開關(guān)KEY2,Q2柵極應立即變?yōu)榈碗娖?V。過流保護調(diào)試:轉(zhuǎn)動速度轉(zhuǎn)把,Q2柵極為高電平12V。此時在源極對地之間加上0.8V左右的電壓,柵極應很快變?yōu)榈碗娖健P铍姵胤烹娭甘倦娐酚每烧{(diào)電源代替蓄電池。電壓為38V
7、時,調(diào)節(jié)VR1,使LED3剛好熄滅;電壓為35V時,調(diào)節(jié)VR2,使LED2剛好熄滅;電壓為33V時,調(diào)節(jié)VR3,使LED1剛好熄滅;電壓為31V時,調(diào)節(jié)VR5,使LED5剛好點亮,此時TL494的腳應為高電平5V左右,進入電池欠壓保護狀態(tài)。通過上述設(shè)置,僅LED1點亮時,電壓為33V-34V,應及時給蓄電池充電,不過LED1熄滅至LED5點亮這段時間,蓄電池還可維持運行,但LED5點亮時,進入欠壓保護狀態(tài)。此時應注意,過一會兒電池電壓因電機停轉(zhuǎn)而回升,保護解除,又恢復工作。如此反復保護-工作-保護的結(jié)果會損壞電池和控制器,故應避免出現(xiàn)這種狀況。 (2)上海偉顯牌控制器使用LM324、LM393
8、和LM339制作的有刷控制器可靠性是很高的,就是器件數(shù)量多些。該控制器僅用一片LM339制作有刷控制器部分。用另一塊LM339制成電量顯示部分。顯示部分見圖3,電路原理見圖4所示。上海偉星對該控制器的調(diào)速采用了光電速度轉(zhuǎn)把。由于北方干燥,沙土灰塵大,影響了光電速度轉(zhuǎn)把的使用。實踐證明,完全可以用霍爾速度轉(zhuǎn)把替代它。具體方法見圖5。光電速度轉(zhuǎn)把改為霍爾速度轉(zhuǎn)把關(guān)鍵有兩點:一是加裝+5V穩(wěn)壓電源;二是根據(jù)原速度信號輸出點信號變化規(guī)律,選用相應信號變化的霍爾調(diào)速轉(zhuǎn)把。該有刷控制器以PWM電路為核心,前面有三角波發(fā)生器、電瓶欠壓檢測、電機過電流檢測;后面有驅(qū)動、功率開關(guān)等。每部分都是獨立的.檢查調(diào)試都
9、比較方便。三角波發(fā)生器由IC2A、R17、C5、D2、R9、R10等組成施密特振蕩器,在C5上產(chǎn)生三角波。脈寬調(diào)制器是IC2B,它的輸入之一腳,為來自C5上的三角波,輸入之二腳,是來自速度轉(zhuǎn)把(J1)腳的速度信號。從IC2B腳輸出調(diào)寬脈沖,送互補推挽放大器?;パa推挽驅(qū)動由T3、T4組成,脈沖高電平到來,上管NPN管T4導通,12V加到功率管T1、T2的柵極,T1、T2導通;脈沖低電平到來,上管NPN管T4截止.下管PNP管T2導通,將T1、T2柵極的電荷迅速放掉,T1、T2截止。電池欠壓保護由IC2C組成電壓比較器,當電瓶電壓低于31.5V時,它的腳變?yōu)榈碗娢?,相當于R13輸入一端接地,將轉(zhuǎn)把
10、速度信號降到接近零伏.使IC2B腳呈低電平,T4截止、T3導通;T1、T2截止。過電流保護由IC2D組成電壓比較器,當過電流時。R4右端電位變低.通過R5加到IC2D腳,比較器翻轉(zhuǎn)腳變?yōu)榈碗娢?,同樣相當于R13輸入一端接地.將轉(zhuǎn)把速度信號降到接近零伏,使T1、T2截止。 (3)四川綿陽產(chǎn)某牌中功率有刷控制器該控制器采用無刷專用芯片,MC33035為核心制作的有刷控制器??刂破麟娐吩韴D見圖6所示,該控制器的特點是剎車時三管齊下,具體工作原理如下:剎車電路主要由J、Q3、Q6等組成。繼電器常開觸點串聯(lián)在電機的供電電路中,+24V通過R29、D8為Q3提供基極電流,Q3導通,J得電吸合,常開觸點閉
11、合,電機得電。1)當剎車時,左、右剎車開關(guān)閉合,+15V通過R25、R21為Q6提供基極電流,Q6導通,集電極電位降低,D4導通,使D8截止,Q3失去基極電流而截止,J失電,常開觸點斷開,電機失電停止轉(zhuǎn)動。2)在Q6導通,集電極電位降低時,D5也導通,降低了U1的腳電位。該腳低電平關(guān)斷PWM輸出。3)在Q6導通,集電極電位降低時,D6也導通,無論調(diào)速轉(zhuǎn)把在低速或高速位置,均將霍爾調(diào)速轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)速信號對地短路而降低送往U1腳的信號電壓。欠壓保護電路由欠壓檢測U2B和單端觸發(fā)器U3組成。其輸出經(jīng)Q4倒相送U1的腳,關(guān)斷U1的輸出。轉(zhuǎn)把電壓檢測U2C的輸出送單端觸發(fā)器U3強制復位端腳進行調(diào)速工作。 (4
12、)北京某牌帶防飛車功能有刷控制器電路原理圖見圖7。防飛車功能是靠串聯(lián)在電機和電源正極之間繼電器J的常閉觸點J實現(xiàn)的。下面兩種情況之一,都會使繼電器得電,斷開電機電源:一是電機過流;二是速度轉(zhuǎn)把在零速位置時,VDMOS的漏極D為低電位(開關(guān)管擊穿)。電機過流,電流取樣電阻R1下端電壓變低,電流檢測IC1A的腳變低,腳變成高電位,經(jīng)D5使T7、T8導通,J得電,常閉觸點斷開。當速度轉(zhuǎn)把在零速位置時,PWM IC2的腳低電位,D3截止,T6截止,其集電極高電位。一種情況:如果功率開關(guān)管沒擊穿則VDMOS的漏極D為高電位,經(jīng)R6使T6導通,其集電極低電位,二極管D4是正與門,由于T5、T6集電極只有一
13、個高電位,二極管D4截止,T7、T8截止,J不得電,其常閉觸點閉合.使電機受控于T1、T2;另一種情況:如果功率開關(guān)管已擊穿,則VDMOS的漏極D為低電位,經(jīng)R6使T5截止,其集電極高電位,二極管D4是正與門,由于T5、T6集電極都是高電位,二極管D4導通;T7、T8導通,J得電,其常閉觸點斷開,使電機失電而達到防飛車保護。當速度轉(zhuǎn)把不在零速位置時,PWM IC2的腳是一串正脈沖,經(jīng)積分電路R20、C7積分,C7電位升高,D3導通,T6導通.其集電極低電位,二極管D4是正與門,無論T5集電極電位是高還是低,二極管D4都截止,T7、T8截止。J不得電,其常閉觸點使電機得電。保證了功率開關(guān)管VDM
14、OS正常導通時的漏極D為低電位,電機只要不過流即可控制電機旋轉(zhuǎn)。 (5)三友SAYO ZHD2大功率有刷控制器電路這款控制器是石家莊地區(qū)貨運三輪主流控制器之一。電路原理方框圖及接線圖見圖8所示。該電路的特點是:(1)頻率低,約150Hz,因而續(xù)流二極管采用了普通整流橋;(2)沒有欠壓和過流保護;(3)采用了簡單的門電路作三角波發(fā)生器;(4)采用5只大功率VDMOS并聯(lián),并且采用了簡單均衡電路;(5)速度轉(zhuǎn)把是自制的光電速度把。該控制器有36V、48V、60V多種規(guī)格,主要區(qū)別在功率管部分,電路見圖9。如此簡明的控制器,主要損壞元件就是功率管。損壞的原因主要是串激電機碳刷接觸不良,高壓擊穿功率管
15、;還有堵轉(zhuǎn)造成的過流和過熱。 (6)電動機有刷控制器小結(jié)及維修無論更換原配套、還是換用其他品牌的有刷控制器,首先要搞清控制器的幾條基本連線:電源正、負線,兩條電機接線,三條速度轉(zhuǎn)把接線,剎車把接線,鑰匙接線。儀表接線等。進一步判斷霍爾速度轉(zhuǎn)把三條接線,具體到哪一條是+5V、地和速度信號,剎車把接線是斷開有效還是短路有效等。修理有刷控制器,首先要根據(jù)現(xiàn)象粗略估計損壞部位,排除控制器外部接觸不良等低級故障。例如:飛車現(xiàn)象可能是VDMOS擊穿,也可能是霍爾速度轉(zhuǎn)把的接地端懸空;加電不轉(zhuǎn)可能是控制器故障,也可能是外部連線燒斷或接觸不良,特別是剎車開關(guān)、鑰匙、電池等部位;加載無力可能是電流取樣
16、電阻脫焊,也可能是電機問題等。確實認定是控制器內(nèi)部故障,再打開檢查維修。要認清控制器內(nèi)部關(guān)鍵器件,有些器件外形一樣,例如TO-220封裝的VDMOS、三端穩(wěn)壓器78xx、續(xù)流二極管等。生產(chǎn)廠商為保密往往把元器件的印刷標示打磨掉了,給維修增加了麻煩。小功率控制器,可根據(jù)連線部位等特征來認定,例如:續(xù)流二極管兩端和電機兩條線是并聯(lián)關(guān)系,用萬用表測一下就清楚了;VDMOS和三端穩(wěn)壓器78xx雖然都有一端接地,但VDMOS一端接電機,穩(wěn)壓器78xx則不接電機。集成塊也可以從腳數(shù)和連線部位等特征來區(qū)分,例如:TL494是16腳的。LM324和LM339是14腳的,LM393和LM358是8腳的;雖然LM
17、324和LM339都是14腳的,但是供電腳不同,LM324供電端是腳,而接地端是腳。LM339供電端是腳.接地端是。接有直徑1mm長度大約1cm的鎳銅絲或康銅絲的電阻,一般是電流取樣電阻,一端接VDMOS的源極S,一端接電池負極(粗黑),康銅絲兩端受熱很易造成焊錫脫落??赡茉斐奢p載正常、重載無力等故障。根據(jù)原理圖可以進一步沿信號通路分析,有刷控制器核心部位就是PWM。它前面的輸入信號,一路是三角波發(fā)生器的三角波,一路是霍爾速度轉(zhuǎn)把的速度信號。PWM的驅(qū)動信號加到VDMOS柵極。維修重點:一是VDMOS。控制器中就是VDMOS損壞率高,多數(shù)為DS間擊穿.造成加電就高速旋轉(zhuǎn)。在不加電情況下,用萬用
18、表一測便知,一般換用好管故障就會排除。更換時,要注意絕緣和散熱,要墊上導熱絕緣片并涂上導熱硅脂,固定好散熱板的緊固件。伴隨VDMOS擊穿,還可能有其他周邊元件損壞。如互補推挽下管PNP管等。另一個是穩(wěn)壓電源,可以帶電檢查其輸出是否為額定穩(wěn)壓值,如沒有,排除輸出短路后,再沿電路向前檢查。對于控制芯片采用TL494的電路,盡管內(nèi)部復雜,只要檢查關(guān)鍵點,就能判斷大致情況。TLA94第腳為+5V參考電源輸出端,如腳供電正確,腳沒有+5V。一般就是芯片壞了;腳也是關(guān)鍵點,它為高電位時,芯片關(guān)閉輸出,如果它為高電位,要檢查造成原因,例如欠壓保護,霍爾調(diào)速把故障等;腳在有刷控制器中也是關(guān)鍵點,它為高電位(3
19、.6V)時,芯片關(guān)閉輸出,如果它為高電位,要檢查造成原因。也可以檢查后部的關(guān)鍵點,例如VDMOS柵極電壓是否隨霍爾速度轉(zhuǎn)把轉(zhuǎn)動變化等。功率開關(guān)管損壞的原因和對策:1)熱損壞開關(guān)管過熱后性能下降,極易損壞。開關(guān)管發(fā)熱主要是導通損耗和開關(guān)損耗。導通壓降和電流的乘積越大發(fā)熱越多。壓降大原因之一是器件本身問題,靠嚴格篩選解決,并聯(lián)使用要經(jīng)過配對;壓降大原因之二不是器件本身問題,是開關(guān)通過放大區(qū)時間過長,通過改善(柵極驅(qū)動和泄放)電路設(shè)計解決。欠壓保護和過流保護工作在臨界(如堵轉(zhuǎn)引起逐周過流保護動作)時,切換頻繁,PWM頻率升高,開關(guān)管開關(guān)損耗隨頻率升高而升高造成過熱。關(guān)于欠壓保護工作在臨界切換頻繁的改
20、進,采用改進施密特電路,正反饋加一個二極管和一個電阻。2)電壓擊穿主要是開關(guān)管本身耐壓不夠,當電壓過高的一瞬間,還沒來得及將熱傳到散熱器,管子DS就擊穿了,所以也稱冷擊穿。器件本身應經(jīng)過嚴格篩選,并聯(lián)應用器件要經(jīng)過配對,否則易損壞;外因主要是電機大電流工作時,突然關(guān)斷,引起瞬間高反電勢,例如有刷電機碳刷接觸不良。解決方案是并聯(lián)大電流、高速、低壓降續(xù)流二極管.例如采用30A雙快恢復(或肖特基)管。還有,在開關(guān)管DS間加阻容吸收保護。3)提高大功率控制器可靠性對策 大功率控制器要采用大電流高反壓耐高溫開關(guān)管。但是,大功率場效應管耐壓和導通電阻制造時是有矛盾的,例如耐壓60V左右的管子,導通電阻可以做到8m,耐壓升高到100V,導通電阻就成幾倍增加。行之有效的措施是:一是降低振蕩頻率;二是增加并聯(lián)器件數(shù);三是增加驅(qū)動功率;四是加大散熱板面積;五是振蕩、三角波形成、PWM等電路不用WPM專用芯片TL494等,而選用故障率較低的比較器(LM339)、簡單門電路等器件制作;六是功率冗余,就是功率管和續(xù)流管多只并聯(lián),但要特別注意分布參數(shù);七是欠壓保護改為欠壓提示
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