關鍵詞：電動自行車 控制器電路
摘要：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。關於無刷控制器，受目前的技術和成本制約，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。
目前流行的電動自行車、電動摩托車大都使用直流電機，對直流電機調速的控制器有很多種類。電動車控制器核心是脈寬調製(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。關於無刷控制器，受目前的技術和成本制約，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。
本文分別介紹國內部分具有代表性的電動自行車控制器整機電路，並指出與其他產品的不同之處及其特點。所列電路均是根據實物進行測繪所得，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，該控制器由穩壓電源電路、PWM產生電路、電機驅動電路、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。
穩壓電源 由V3(TL431)，Q3等元件組成，從36V蓄電池經過串聯穩壓后得到+12V電壓，給控制電路供電，調節VR6可校準+12V電源。
PWM電路 以脈寬調製 器TL494為核心組成。R3、C4與內部電路產生振蕩，頻率大約為12kHz。
H是高變低型霍爾速度控制轉把，由鬆開到旋緊時，其輸出端可得到4V?1V的電壓。該電壓加到TL494的②腳，與①腳電壓進行比較，在⑧腳得到調寬脈衝。②腳電壓越低，⑧腳輸出的調寬脈衝的低電平部分越寬，電機轉速越高，電位器VR2用於零速調節，調節VR2使轉把鬆開時電機停轉再過一點。
電機驅動電路 由Q1、Q2、Q4等元件組成。電機MOTOR為永磁直流有刷電機。TL494的⑧腳輸出的調寬脈衝，經Q1反相放大驅動VDMOS管Q2。TL494的⑧腳輸出的調寬脈衝低電平部分越寬，則Q2導通時間越長，電機轉速越高。D1是電機續流二極體，防止Q2擊穿。TL494的⑧腳輸出低電平時，Q1、D2導通，Q4截止，Q2導通；TL494的⑧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Q2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)。當蓄電池電壓不低於38V時，LED1、LED2、LED3均點亮；當電池電壓低於38V時，LED3熄滅；當電池電壓低於35V時，LED2熄滅；當電池電壓低於33V時，LED1熄滅，此時應給電池充電。調節VR1、VR4、VR3可分別設定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①腳輸出低電平，三極體Q5導通，約5V電壓加到TL494的死區控制端④腳.該腳電位≥3.5V，就會迫使TL494內部調寬脈衝輸出管截止，從而使三極體Q1、Q2截止，電機停止運轉，蓄電池放電停止，進入電池保護狀態。此時LED5點亮，指示出該狀態。VR5用於設定電池保護點電壓。
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R14加到TL494的⑩腳。當⑩腳電位高於⑩腳電位時，TL494內部運放2輸出高電平，迫使TL494內部調寬脈衝輸出管截止，從而使Q1、Q2截止，電機停止運轉，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的死區控制端④腳，迫使TL494內部調寬脈衝輸出管截止，從而使Q1、Q2截止，電機停止運轉，實施制動保護。
2)調試
調速電路零速調試：速度轉把完全鬆開.調節VR2使電機停轉並再調過一點以保證可靠置零速。制動調試：轉動速度轉把，電機旋轉。此時閉合制動開關KEY2，Q2柵極應立即變為低電平0V。過流保護調試：轉動速度轉把，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，柵極應很快變為低電平。
蓄電池放電指示電路用可調電源代替蓄電池。電壓為38V時，調節VR1，使LED3剛好熄滅；電壓為35V時，調節VR2，使LED2剛好熄滅；電壓為33V時，調節VR3，使LED1剛好熄滅；電壓為31V時，調節VR5，使LED5剛好點亮，此時TL494的④腳應為高電平5V左右，進入電池欠壓保護狀態。通過上述設置，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。此時應注意，過一會兒電池電壓因電機停轉而回升，保護解除，又恢復工作。如此反覆保護-工作-保護的結果會損壞電池和控制器，故應避免出現這種狀況。
(2)上海偉顯牌控制器
使用LM324、LM393和LM339製作的有刷控制器可靠性是很高的，就是器件數量多些。該控制器僅用一片LM339製作有刷控制器部分。用另一塊LM339製成電量顯示部分。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速採用了光電速度轉把。由於北方乾燥，沙土灰塵大，影響了光電速度轉把的使用。實踐證明，完全可以用霍爾速度轉把替代它。具體方法見圖5。
光電速度轉把改為霍爾速度轉把關鍵有兩點：一是加裝+5V穩壓電源；二是根據原速度信號輸出點信號變化規律，選用相應信號變化的霍爾調速轉把。
該有刷控制器以PWM電路為核心，前面有三角波發生器、電瓶欠壓檢測、電機過電流檢測；後面有驅動、功率開關等。每部分都是獨立的.檢查調試都比較方便。三角波發生器由IC2A、R17、C5、D2、R9、R10等組成施密特振蕩器，在C5上產生三角波。脈寬調製器是IC2B，它的輸入之一⑥腳，為來自C5上的三角波，輸入之二⑦腳，是來自速度轉把(J1)①腳的速度信號。從IC2B①腳輸出調寬脈衝，送互補推挽放大器。互補推挽驅動由T3、T4組成，脈衝高電平到來，上管NPN管T4導通，12V加到功率管T1、T2的柵極，T1、T2導通；脈衝低電平到來，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，當電瓶電壓低於31.5V時，它的⒁腳變為低電位，相當於R13輸入一端接地，將轉把速度信號降到接近零伏.使IC2B①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IC2D⑾腳，比較器翻轉⒀腳變為低電位，同樣相當於R13輸入一端接地.將轉把速度信號降到接近零伏，使T1、T2截止。
(3)四川綿陽產某牌中功率有刷控制器
該控制器採用無刷專用晶元,MC33035為核心製作的有刷控制器。
控制器電路原理圖見圖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，常開觸點閉合，電機得電。
1)當剎車時，左、右剎車開關閉合，+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，電機失電停止轉動。
2)在Q6導通，集電極電位降低時，D5也導通，降低了U1的⑦腳電位。該腳低電平關斷PWM輸出。
3)在Q6導通，集電極電位降低時，D6也導通，無論調速轉把在低速或高速位置，均將霍爾調速轉把轉速信號對地短路而降低送往U1⑾腳的信號電壓。
欠壓保護電路由欠壓檢測U2B和單端觸發器U3組成。其輸出經Q4倒相送U1的⑦腳，關斷U1的輸出。轉把電壓檢測U2C的輸出送單端觸發器U3強制複位端④腳進行調速工作。
(4)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在電機和電源正極之間繼電器J的常閉觸點J實現的。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；二是速度轉把在零速位置時，VDMOS的漏極D為低電位(開關管擊穿)。電機過流，電流取樣電阻R1下端電壓變低，電流檢測IC1A的②腳變低，①腳變成高電位，經D5使T7、T8導通，J得電，常閉觸點斷開。
當速度轉把在零速位置時，PWM IC2的①腳低電位，D3截止，T6截止，其集電極高電位。一種情況：如果功率開關管沒擊穿則VDMOS的漏極D為高電位，經R6使T6導通，其集電極低電位，二極體D4是正與門，由於T5、T6集電極只有一個高電位，二極體D4截止，T7、T8截止，J不得電，其常閉觸點閉合.使電機受控於T1、T2；另一種情況：如果功率開關管已擊穿，則VDMOS的漏極D為低電位，經R6使T5截止，其集電極高電位，二極體D4是正與門，由於T5、T6集電極都是高電位，二極體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。
當速度轉把不在零速位置時，PWM IC2的①腳是一串正脈衝，經積分電路R20、C7積分，C7電位升高，D3導通，T6導通.其集電極低電位，二極體D4是正與門，無論T5集電極電位是高還是低，二極體D4都截止，T7、T8截止。J不得電，其常閉觸點使電機得電。保證了功率開關管VDMOS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。
(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，因而續流二極體採用了普通整流橋；
(2)沒有欠壓和過流保護；
(3)採用了簡單的門電路作三角波發生器；
(4)採用5隻大功率VDMOS並聯，並且採用了簡單均衡電路；
(5)速度轉把是自製的光電速度把。
該控制器有36V、48V、60V多種規格，主要區別在功率管部分，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；還有堵轉造成的過流和過熱。
(6)電動機有刷控制器小結及維修
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，三條速度轉把接線，剎車把接線，鑰匙接線。儀錶接線等。進一步判斷霍爾速度轉把三條接線，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，首先要根據現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：飛車現象可能是VDMOS擊穿，也可能是霍爾速度轉把的接地端懸空；加電不轉可能是控制器故障，也可能是外部連線燒斷或接觸不良，特別是剎車開關、鑰匙、電池等部位；載入無力可能是電流取樣電阻脫焊，也可能是電機問題等。確實認定是控制器內部故障，再打開檢查維修。
要認清控制器內部關鍵器件，有些器件外形一樣，例如TO-220封裝的VDMOS、三端穩壓器78xx、續流二極體等。生產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，可根據連線部位等特徵來認定，例如：續流二極體兩端和電機兩條線是並聯關係，用萬用表測一下就清楚了；VDMOS和三端穩壓器78xx雖然都有一端接地，但VDMOS一端接電機，穩壓器78xx則不接電機。集成塊也可以從腳數和連線部位等特徵來區分，例如：TL494是16腳的。LM324和LM339是14腳的，LM393和LM358是8腳的；雖然LM324和LM339都是14腳的，但是供電腳不同，LM324供電端是④腳，而接地端是⑾腳。LM339供電端是③腳.接地端是⑿。
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。可能造成輕載正常、重載無力等故障。
根據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，一路是三角波發生器的三角波，一路是霍爾速度轉把的速度信號。PWM的驅動信號加到VDMOS柵極。
維修重點：一是VDMOS。控制器中就是VDMOS損壞率高，多數為DS間擊穿.造成加電就高速旋轉。在不加電情況下，用萬用表一測便知，一般換用好管故障就會排除。更換時，要注意絕緣和散熱，要墊上導熱絕緣片並塗上導熱硅脂，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。另一個是穩壓電源，可以帶電檢查其輸出是否為額定穩壓值，如沒有，排除輸出短路后，再沿電路向前檢查。對於控制晶元採用TL494的電路，儘管內部複雜，只要檢查關鍵點，就能判斷大致情況。TLA94第⒁腳為+5V參考電源輸出端，如⑿腳供電正確，⒁腳沒有+5V。一般就是晶元壞了；③腳也是關鍵點，它為高電位時，晶元關閉輸出，如果它為高電位，要檢查造成原因，例如欠壓保護，霍爾調速把故障等；④腳在有刷控制器中也是關鍵點，它為高電位(3.6V)時，晶元關閉輸出，如果它為高電位，要檢查造成原因。也可以檢查後部的關鍵點，例如VDMOS柵極電壓是否隨霍爾速度轉把轉動變化等。
功率開關管損壞的原因和對策：
1)熱損壞開關管過熱后性能下降，極易損壞。開關管發熱主要是導通損耗和開關損耗。導通壓降和電流的乘積越大發熱越多。壓降大原因之一是器件本身問題，靠嚴格篩選解決，並聯使用要經過配對；壓降大原因之二不是器件本身問題，是開關通過放大區時間過長，通過改善(柵極驅動和泄放)電路設計解決。欠壓保護和過流保護工作在臨界(如堵轉引起逐周過流保護動作)時，切換頻繁，PWM頻率升高，開關管開關損耗隨頻率升高而升高造成過熱。關於欠壓保護工作在臨界切換頻繁的改進，採用改進施密特電路，正反饋加一個二極體和一個電阻。
2)電壓擊穿主要是開關管本身耐壓不夠，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。器件本身應經過嚴格篩選，並聯應用器件要經過配對，否則易損壞；外因主要是電機大電流工作時，突然關斷，引起瞬間高反電勢，例如有刷電機碳刷接觸不良。解決方案是並聯大電流、高速、低壓降續流二極體.例如採用30A雙快恢復(或肖特基)管。還有，在開關管DS間加阻容吸收保護。
3)提高大功率控制器可靠性對策 大功率控制器要採用大電流高反壓耐高溫開關管。但是，大功率場效應管耐壓和導通電阻製造時是有矛盾的，例如耐壓60V左右的管子，導通電阻可以做到8mΩ，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；二是增加並聯器件數；三是增加驅動功率；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專用晶元TL494等，而選用故障率較低的比較器(LM339)、簡單門電路等器件製作；六是功率冗餘，就是功率管和續流管多隻並聯，但要特別注意分佈參數；七是欠壓保護改為欠壓提示，不關斷等。
2.無刷控制器
(2)採用單片機的電動車無刷控制器
圖11是以89C2051為核心的控制器電路圖。由於89C2051屬低端產品，內部沒有PWM和A/D轉換，它藉助了三個模擬比較器完成相應工作。IC8B作為電池欠壓檢測器，欠壓時，給單片機(13)腳一個低電平；IC8D做過流檢測器，過流時，給單片機⑦腳一個低電平；藉助普通I/O口(11)腳輸出，通過積分電路和轉把模擬速度信號在IC8A進行比較后.輸入單片機(12)腳，用軟體完成PWM控制，然後分三相六路輸出到三個專用驅動晶元IR2103。由IR2103驅動每相的上、下VDMOS管。
單片機通過內部軟體完成任務，不同產品的軟體差異很大，寫入程序時一般都進行了加密。市場上銷售的單片機是空白的，內部程序需用專用設備進行燒寫。因此，採用單片機的各種控制器，普通售後服務作維修只是更換外圍元件，單片機本身損壞，更換工作要依靠原生產廠商進行，或供應寫有程序的單片機。單片機就是單片微型計算機，它的加入可以很容易地增加一些所謂智能功能，例如巡航功能。巡航功能就是通過按一下巡航功能按鈕，電動自行車就以剛才的速度繼續前進，鬆開霍爾速度轉把也不受影響。
3.其他控制器
(1)未涉及到的無刷控制器
也有不需要位置感測器的無刷控制器，它是通過檢測線圈電動勢判斷轉子位置的。顯然，電機未轉動時，它是不能判斷轉子位置的，可以等電機轉起來再加電，也可以按一定序列加電，試探出轉子位置后，然後正確加電。
(2)未涉及到的開關磁阻電機的控制器
開關磁阻電機是又一種電機，過去在紡織行業有應用，現在有人研究將它用到電動自行車上，它的控制器類似無刷控制器。
