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。