电动自行车控制器电路及原理大全

1、电动自行车控制器电路及原理大全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

2、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。争洋开关刹车断电3伏电EVDMUS电变低块反嗪电觉取样R301) 电路原理电机驱动电路、蓄电池放电指示电路原理图见图2所示，该控制器由稳压电源电路、PWM产生电路、电路、电机过流及蓄电池过放电保护电路等组成。tl2VRlj10kC1I IO3llAIS 2Dk =*- im啊Q + 12Vo-RID 10ft脸 150k>CZ>4RII IDO-C9 土耶1DJ

3、 工 105 JiJTR1B 1eRi? Ik与 R1b 1kI A-czi0的Clorai c2'HI11ftff£2Ml0(Ht赣CT飓潞皿1215Ut RHWCZjrii m510U楠1JQ1 2SATJJ0-N-LED2cu lOtkiFCIT L仍 X ikv皿职0D325 咕02 I廖!制0&hrk 2SA715 R2 >的jS旧4 皿U瓜4/£计 IL妇R36 JO*: - 114-C3£l(ftC4 lOuRH地'1 LJJ* *典 I is s11UM -rJ-FW IH Itr1-44cr>| a回一： *

4、WT t 蛎1邮L J+12V电压，给控制电路供稳压电源 由V3(TL431) , Q3等元件组成，从36V蓄电池经过串联稳压后得到电，调节VR6可校准+12V电源。12kHzoPWM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的脚，与脚电压进行比较，在脚得到调宽脉冲。脚电压越低，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

5、磁直流有刷电机。 TL494的脚输出的调宽脉冲，经 Q1反相放大驱动 VDMOS管Q2o TL494的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的脚输出低电平时， Q1、 D2导通，Q4截止，Q2导通；TL494的脚输出高电平时， 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

6、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，仕匕时应给电池充电。调节 VR1、 VR4、 VR3可分另U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的死区控制端脚.该脚电位A3.5V

7、,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的脚。当脚电 位高于脚电位时，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

8、) 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的脚应为高电平 5V左右，进入电池欠

9、压保护状态。通过上 述设置，仅LED 1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

10、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。仙一5,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，它的输入之一脚，为来自C5上的三角波，输入之二脚，是来自速度转

11、把(J1)脚的速度信号。从IC2B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(14)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IC2B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IC2DQ1

12、)脚，比较器翻转(13)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。山曜1事It出任电*JKU5CIE15EIBISu*3ur H-册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

13、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 U1 (11)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。n

14、uI/+LX=R?.»thhiTnuUTHU.-k?*±_.$1+T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的脚变低，脚变成高电位，经 D 5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

15、，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、T 8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

16、、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。(5) 三友SAYO ZHD2大功率有刷控制器电路8所示。该电路的这款控制器是石家庄地区货运三轮主流控制器之一。电路原理方框图及接线图见图特点是:(1) 频率低，约150Hz ,因而续流二极管米用了普通整流桥；(2) 没有欠压和过流保护；(3) 采用了简单的门电路作三角波发生器；(4) 采用5只大功率VDMOS并联，并且采用了简单均衡电路;(5) 速度转把是自制的光电速度把。机该控制器有36V、48V、60V多种规格，主要区别在功率管部分，电路见图 9。如此简明的控

17、制器, 主要损坏元件就是功率管。损坏的原因主要是串激电机碳刷接触不良，高压击穿功率管；还有堵转造成的 过流和过热。1.5«U3 H«»l50CTH7ttMciAMS用E】DI皇 1N4O07MH8caK?b®2. ?u 强部IB#网VDMOS 的(6) 电动机有刷控制器小结及维修无论更换原配套、还是换用其他品牌的有刷控制器，首先要搞清控制器的几条基本连线：电源正、负线，两条电机接线，三条速度转把接线，刹车把接线，钥匙接线。仪表接线等。进一步判断霍尔速度转把三条接线，具体到哪一条是 +5V、地和速度信号，刹车把接线是断开有效还是短路有效等。修理有刷控制器，

18、首先要根据现象粗略估计损坏部位，排除控制器外部接触不良等低级故障。例如：飞车现象可能是VDMOS击穿，也可能是霍尔速度转把的接地端悬空；加电不转可能是控制器故障，也可能是外部连线烧断或接触不良，特别是刹车开关、钥匙、电池等部位；加载无力可能是电流取样电阻脱焊，也可能是电机问题等。确实认定是控制器内部故障，再打开检查维修。要认清控制器内部关键器件，有些器件外形一样，例如 TO-220封装的VDMOS、三端稳压器78xx、续流二极管等。生产厂商为保密往往把元器件的印刷标示打磨掉了，给维修增加了麻烦。小功率控制器，可根据连线部位等特征来认定，例如：续流二极管两端和电机两条线是并联关系，用万用表测一下

19、就清楚了； VDMOS和三端稳压器78xx虽然都有一端接地，但VDMOS 一端接电机，稳压器78xx则不接电机。集成块也可以从脚数和连线部位等特征来区分，例如：TL494是16脚的。LM324和LM339是14脚的，LM393和LM358是8脚的；虽然LM324和LM339都是14脚的，但是供电脚不同，LM324 供电端是脚，而接地端是(11)脚。 LM339供电端是脚.接地端是(12)。接有直径1mm 长度大约1cm的镣铜丝或康铜丝的电阻，一般是电流取样电阻，一端接源极S, 一端接电池负极（粗黑），康铜丝两端受热很易造成焊锡脱落。可能造成轻载正常、重载无力等故 障。根据原理图可以进一步沿信号

20、通路分析，有刷控制器核心部位就是PWMo它前面的输入信号，一路是三角波发生器的三角波，一路是霍尔速度转把的速度信号。PWM的驱动信号加到 VDMOS栅极。维修重点：一是VDMOS。控制器中就是 VDMOS损坏率高，多数为DS间击穿.造成加电就高速旋转。 在不加电情况下，用万用表一测便知，一般换用好管故障就会排除。更换时，要注意绝缘和散热，要垫上 导热绝缘片并涂上导热硅脂，固定好散热板的紧固件。伴随VDMOS击穿，还可能有其他周边元件损坏。如互补推挽下管PNP管等。另一个是稳压电源，可以带电检查其输出是否为额定稳压值，如没有，排除输 出短路后，再沿电路向前检查。对于控制芯片采用TL494的电路，

21、尽管内部复杂，只要检查关键点，就能判断大致情况。TLA94第（M）脚为+5V参考电源输出端，如（12）脚供电正确，（14）脚没有+5V。一般就是芯片坏了；脚也是关键点，它为高电位时，芯片关闭输出，如果它为高电位，要检查造成原因，例如欠压保 护，霍尔调速把故障等；脚在有刷控制器中也是关键点，它为高电位 （3.6V）时，芯片关闭输出，如果它 为高电位，要检查造成原因。也可以检查后部的关键点，例如 VDMOS栅极电压是否随霍尔速度转把转动 变化等。功率开关管损坏的原因和对策：1）热损坏开关管过热后性能下降，极易损坏。开关管发热主要是导通损耗和开关损耗。导通压降和电流的乘积越大发热越多。压降大原因之一

22、是器件本身问题，靠严格筛选解决，并联使用要经过配对；压降 大原因之二不是器件本身问题，是开关通过放大区时间过长，通过改善（栅极驱动和泄放）电路设计解决。欠压保护和过流保护工作在临界（如堵转引起逐周过流保护动作）时，切换频繁，PWM频率升高，开关管开 关损耗随频率升高而升高造成过热。关于欠压保护工作在临界切换频繁的改进，采用改进施密特电路，正 反馈加一个二极管和一个电阻。2）电压击穿主要是开关管本身而寸压不够，当电压过高的一瞬间，还没来得及将热传到散热器，管子DS就击穿了，所以也称冷击穿。器件本身应经过严格筛选，并联应用器件要经过配对，否则易损坏；外因主要是电机大电流工作时，突然关断，引起瞬间高

23、反电势，例如有刷电机碳刷接触不良。解决方案是并联 大电流、高速、低压降续流二极管.例如采用30A双快恢复（或肖特基）管。还有，在开关管 DS间加阻容吸收保护。3）提高大功率控制器可靠性对策 大功率控制器要采用大电流高反压耐高温开关管。 但是，大功率场效 应管耐压和导通电阻制造时是有矛盾的，例如耐压 60V左右的管子，导通电阻可以做到 8任，耐压升高 到100V ,导通电阻就成几倍增加。行之有效的措施是：一是降低振荡频率；二是增加并联器件数；三是PWM等电路不用 WPM专用芯片 TL494增加驱动功率；四是加大散热板面积；五是振荡、三角波形成、 等，而选用故障率较低的比较器 （LM339）、简单

24、门电路等器件制作；六是功率冗余，就是功率管和续流管 多只并联，但要特别注意分布参数；七是欠压保护改为欠压提示，不关断等。2.无刷控制器有刷电机是靠换向器（也叫整流子）来保证转子（旋转部分）和固定部分的磁场保持连续朝一个方向的吸 引力或排斥力。这套换向机构最重要的机件就是电刷，控制器无须改变电流方向，其控制器叫有刷控制器。换向器有触点，是有磨损的。而无刷直流电机本身没有换向器，靠控制器改变电机线圈内部电流方向，同 样保证转子和固定部分的磁场，保持连续朝一个方向的吸引力或排斥力。控制器采用晶体管无触点开关， 永不磨损，这就是无刷控制器。无刷控制器一般靠霍尔传感器确定转子磁场位置，在恰当时机给相应线

25、圈 改换电流方向。位置传感器除霍尔传感器，还有光电传感器等。采用霍尔传感器的无刷电机和无刷控制器 之间一般有8条导线连接；三根粗线是线圈引线，5条细线中，一条+5V , 一条公共地，三条转子位置信号线。当前市场上，无刷控制器有两大类：一类以单片机为核心，一类以专用芯片MC33035（MC33033）、A3932SEQ、LB11690、MC33039 等为核心。（1）24V电动自行车用无刷控制器电路读者可以查到芯片厂家给出的无刷控制器典型应用图。图中在无刷电机和MC33035 之间，仅有个驱动电路的方框，没有具体电路，一般认为是典型三相桥式输出电路，上管为双极型三极管，下管为VDMOS场效应管。

26、也有人认为上管为 P沟道场效应管，下管为 N沟道场效应管。由于大功率 P沟道场效应管价 格昂贵，限制了应用。国内在三相桥式输出电路中，上管、下管全部采用VDMOS场效应管，驱动有的采用IR2103（驱动一相），有的用IR2130（驱动三相，但价格昂贵）。有的采用分立元件，由此派生出了几种 版本。关键问题是，在上管导通时，漏极和源极电位近似等于电源正极电位，要保持上管导通，必须使上管 栅极电位高于电源正极电位 12V左右。IR2103和IR2130 比较简单，通过外接一只隔离二极管和一只 自举电容就解决了。当下管导通上管截止时，隔离二极管导通，自举电容充电，两端电压接近电源电压； 当下管截止上管导通时，隔离二极管截止，自举电容储存的电荷给上管栅极供电，电位大大高于电源正极 电位，使上管保持导通。图10是一个24V电动自行车用无刷控制器电路。图中三只接在VCC和VB之间的二极管为隔离二极管，接在VB和VS之间的电容为自举电容岫;v«砰"UIt4C '册K?*：1I