电动车无刷控制器基本原理

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，下面介绍主要电路的工 作原理。

1. 电子换向器

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。

2. 功率管前级驱动电路

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。

3. 单片机主控电路

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，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 脚 单片机根据该脚的电压信号变 5 ， 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。

4. 限速电路

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。

5. 霍尔信号检测电路

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。

6.欠压检测电路

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。

7.刹车信号电路

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。

8. 电源电路

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。

9. 限流/过流保护电路

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， 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，检测信号由IC6的1 脚输出，送入单片机的21脚。