电动车维修技巧第四章 直流无刷电动机控制器.docx

第四章 直流无刷电动机控制器第一节 直流无刷电动机特点电动自行车电动轮毂内部采用直流无刷电动机，与直流有刷电动 机驱动系统不同直流有刷电动机采用传统的直流电动机，是由磁铁 定子、碳刷、换向器和绕组电枢转子等组成，电动自行车有刷电动机 通过脉宽调制（PWM）电路改变直流电动机的两端电压，从而改变 电动机转速，达到控制电动自行车速度的目的而直流无刷电动机是 利用电子开关和位置传感器代替碳刷和换向器，将直流电通过逆变电 路分成三相，为定子绕组供电当定子绕组的某一相通电时，该电流 与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生力矩，驱动转子 旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开 关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位 置的变化而按一定的次序换相由于电子开关线路的导通次序是与转 子转角同步的，因而起到了机械换向器的换相作用直流无刷电动机效率高，使用寿命长，无须保养，免维护，噪声 小，输出力矩大，是电动自行车的发展方向常用的是低速无刷电动 机高速无刷有齿电动机是现在出现的一种新式电动机，具有更高的 机械效率，高达 85%以上，过载力矩大，是今年电动自行车发展一个 亮点。

第二节 无刷电动机基本原理直流无刷电动机控制器是用来控制电动机定子上各相绕组通 电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单 元两个部件组成功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将 电源的功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机的定子上各相 绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩而各相绕组导通的顺序和 时间，主要取决于来自位置传感器的信号及逻辑开关信号传统的永磁直流有刷电动机的定子由永久钢组成，其主要的作用 是在电动机气隙中产生磁场，而其电枢绕组通电后产生反应磁场，由 于碳刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行过程中 始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地旋转直 流无刷电动机为了实现无碳刷换向，把传统的直流永磁电动机的电枢 绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统永磁直流电动机 的结构正好相反仅仅这样安装还不行，因为用普通直流电源给定子 各相绕组供电，只能产生固定磁场，就不能与运转中的转子磁钢所产 生的永磁磁场相互作用，以产生单方向的转矩来驱动转子转动，因此， 直流无刷电动机系统除了由定子绕组和转子等组成电动机的主体以 外，必须有由位置传感器、控制器中的位置信号处理、逻辑开关信号 以及功率开关共同构成的电子换向的装置，使得直流无刷电动机在运 行过程中定子绕组所产生的磁场，和转动中的转子磁钢所产生的永久 磁场在空间上尽量保持垂直，从而使转子获得最大转矩。

直流无刷电动机控制器基本原理见图 5~2~2，图中 W 为定子绕 组，采用三相星形连接，三相绕组起点A、B、C接电源，三相绕组 末端 A、B、C 接 BG1、BG2、BG3，N、S 构成二极转子磁钢，以 BG1 、BG2、BG3 三只功率晶体管作电子开关，构成功率逻辑单元 完成三相绕组电子换向的作用，Hl、H2、H3是三只霍尔元件，用作 无刷电动机转子位置传感器直流无刷电动机转子转动原理如下：（见图 5~2~2）霍尔元件 Hl 检测到转子的 N 极，产生信号使功率晶体管 BGl 导通，电流从电源正极经 A 点流入绕组， a 点流出，经导通的 BGl 流入到电源负极，该电流使 Wl 绕组磁化为 S 极吸引转子的 N 极， 产生转矩使转子按图中箭头方向转动如5〜2〜2a 接着霍尔元件H2 检测到转子的 N 极，产生信号使功率晶体管 BG2 导通，电流从 电源正极经 B 点流入绕组， b 点流出，经导通的 BG2 流入到电源负 极，该电流使 W2 绕组磁化为 S 极吸引转子的 N 极，产生转矩，使 转子按图中箭头方向转动如5〜2〜2b转动的转子转到图5~2~2c所示 位置时，霍尔元件 H3 检测到转子的 N 极，产生信号使功率晶体管 BG3 导通，电流从电源正极经 C 点流入绕组， c 点流出，经导通的 BG3 流入到电源负极，该电流使 W3 绕组磁化为 S 极吸引转子的 N 极，产生转矩驱动转子磁极继续旋转，使转子按图中箭头方向转动如 5~2~2c，并重新回到了图5~2~2的们位置。

这样，随着转子磁极的转 动，定子绕组在位置传感器 Hl、 H2、 H3 的控制下，便一相一相地 依次馈电给电动机，实现了各相绕组电流的换相不难看出，在换向的过程中定子绕组在工作气隙内所形成的旋转 磁场是跳式的这种旋转磁场在一圆周内有三种磁状态，每种磁状态 持续 120 度各相绕组电流与电动机转子磁场的相互关系如图 5~2~2所示，在图5〜2〜2a中为第一状态，W1绕组电流产生的磁场与转子 磁场的相互作用产生旋转力，使转子沿顺时针方向旋转；转过 120 度 后，便进入第二状态，这时流组 W1 断电，而绕组 V2 随之通电，此 时定子绕组所产生的磁场，转过了 120 度，如图 5〜2〜2b 所示，电动 机转子继续沿顺时针方向旋转，再转过120 度，便进入第三状态，这 时绕组 V2 断电， W3 通电，定子绕组所产生的磁场又转过了 120 度， 如图 5〜2〜2c 所示；绕组电流产生的磁场继续驱动转子沿顺时针方向 转过 120 度后，恢复到初始状态了这样周而复始，电动机转子便不 停地旋转图 5〜2〜3 显示出各相绕导通顺序示意图直流无刷电动机是磁钢旋转的直流电动机，其特性、转速控制与 直流有刷电动机相同。

电动自行车直流无刷电动机转子位置传感器都 采用霍尔元件第三节 无刷电动机控制器电路构成 上节以三相半控电路介绍了无刷电动机控制系统电路基本工作 原理，其系统结构简单，但电动机本体利用率很低，每个绕组只通电 1/3 时间，不适合作电动自行车电动机控制电路，电动自行车无刷电 动机系统采用三相全控电路无刷电动机中三只霍尔元件检测转子磁极位置，分别产生转子位 置信号送到位置检测电路在位置检测电路中三只霍尔元件产生的位 置信号分别被放大、整形后形成位置逻辑信号，通过三相逻辑驱动电 路适时馈电给直流无刷电动机定子，转子持续不断地获得最大转矩三相逻辑信号顺序，决定了直流无刷电动机转向，当改变位置检 测电路所产生的三相逻辑信号时序时，就改变了直流无刷电动机定子 的三相绕组导通顺序，转子旋转方向随之改变，达到转向控制的目的 我们知道普通直流电动机只要改变磁场方向或改变电枢电压的极性， 就可以改变其转向这些方法在直流无刷电动机中很难实现：一、直 流无刷电动机的磁场，由永久磁钢产生，方向是固定的，无法改变； 二、电子开关所用半导体器件具有单向导电性，电源电压极性改变非 常困难，一般只有通过改变控制定子绕组的换向次序来改变电动自行 车的旋转方向。

电动自行车直流无刷电动机系统采用了三相桥式全控方式，共需 六只场效应晶体管构成逆变电子开关电路组成逻辑开关电路，每相都 由上臂开关管和下臂开关管构成，上臂开关管和下臂开关管轮流导 通，并且有一时间间隔（死区时间），使定子中绕组的电流可以双向 流动上一节介绍的三相半控电路的特点是简单，但电动机本体的利 用低，每个绕组只通电1/3 时间，另外2/3时间处于断电状态，没有 得到充分的利用，在运行过程中其转矩波动较大，不在电动自行车无 刷电动机控制器中使用所以电动自行车的采用三相桥式全控电路电动自行车无刷电动机控制器和有刷电动机控制器比较 ,它们有 些电路及其功能相似，如都有内部电源电路，PWM脉宽调制和振荡 器，欠压、过流保护电路等；而有些电路功能相似，但电路组成不同， 如驱动电路、输出电路；还有些电路是无刷电动机控制器特有的，如 位置传感器处理电路、逻辑信号形成电路直流无刷电动机控制器控制电路主要有： 1、内部电源电路；2、 位置信号检测放大电路；3、PWM脉脉宽调制电路；4、三相逻辑信 号形成电路 （包括上臂驱动逻辑信号产生电路；下臂驱动逻辑信号及 脉宽调制信号综合电路） ； 5、锯齿波振荡器； 6、刹车断电电路； 7、 A 相、 B 相及 C 相预驱动电路； 8、三相桥式功率场效应晶体管开关 电路； 9 、欠压保护电路10 、过流保护电路等。

以上电路可以由专用 控制芯片实现，也可以由数字电路、单片机、可编程器件组成，与驱 动、输出电路构成无刷电动机控制器无刷电动机控制器基本电路如图 5~3~11、 内部电源电路无刷电动机控制器内部电源电路和有刷电动机控制器电源电路 相似，一般由 7815、 LM317 等构成，可参考有刷电动机控制器内部 电源电路2、 位置信号处理电路无刷电动机控制器位置信号处理电路，先对无刷电动机中位置传 感器产生的位置信号进行放大、整形，形成具有一定时序的三相逻辑 信号当改变三相信号时序时，就可以改变电动机转向3、 位置检测电路和三相逻辑信号形成电路放大整形后的位置信号分别送到三相上臂驱动信号形成电路和 三相下臂驱动信号形成电路中，产生三相桥式上臂驱动信号和三相桥 式下臂驱动信号4、 PWM 脉宽调制电路和振荡电路振荡电路由振荡器、定时电阻、电容构成由振荡电路产生的锯 齿波与调速信号送到比较器中，通过比较器，产生PWM脉宽调制信 号，送入到三相桥式下臂驱动信号形成电路中，与位置逻辑信号综合， 最后对三相桥式输出电路下臂场效应晶体管进行调制，完成无刷电动 机转速控制5、驱动电路上、下臂驱动信号送到驱动电路，由驱动电路对逻辑信号放大、 电平移动，达到上、下臂场效应晶体管输出电路所需驱动电平，同时 减少场效应晶体管输出电路对控制电路影响。

6、三相场效应晶体管输出电路 无刷电动机控制器场效应晶体管输出电路由六只场效应晶体管 接成三相桥式全控式电子开关，构成逆变输出电路，完成电子换相7、刹车断电电路 闸把产生的刹车信号送到控制器中，加到停止引脚上，通过逻辑 电路处理，关断上、下臂逻辑信号输出，实现刹车断电第四节无刷电动机专用控制芯片无刷电动机控制器核心电路一般有以下几种构成方式：1、无刷 控制电路专用芯片，如 MC33033、MC33035； 2、单片机构成无刷 电动机控制信号形成电路；3、数字电路构成无刷电动机控制信号形 成电路；4、可编程逻辑器件构成无刷控制信号形成电路上一节介绍了无刷电动机控制器的基本电路通过第六节数字电 路构成的无刷电动机控制器介绍，详细了解电动自行车直流无刷电动机控制器工作原理根据其工作原理，无刷电动机控制器数字逻辑电 路部分有以下几种方式完成： 一、把数字逻辑电路、三角波振荡器、 PWM 脉宽调制电路集成在一块构成专用芯片特点是外围电路简单， 工作可靠，但功能单一二、是数字电路的逻辑功能用单片机实现， 特点是功能强可实现多种附加功能，具有智能等优点，电路比较复 杂三、是由数字电路实现无刷电动机控制的逻辑功能。

四、用可编 程逻辑器件制成无刷电动机控制器一、专用无刷电动机控制芯片1、MC33033 为 20 脚扁平封装型式，由它构成的电动自行车无 刷电动机控制器采用贴片工艺，体积小、功率消耗低其引脚功能： 1）、B相上管输出；2）、A相上管输出；3）转向控制；4）、A相位 置传感器输入脚；5）、B相位置传感器输入脚；6）、C相位置传感器 输入脚； 7）、基准电压输出脚； 8）、锯齿波振荡器外接定时电阻、电 容引脚； 9）、转速控制脚； 10）、内部放大器输入端； 11）、内部放大 器输出端；12）、过流信号输入端；13）、地；14）、电源；15）、C相 下管输出； 16）、 B 相下管输出； 17）、 A 相下管输出； 18）、相角调 整端，60°/120°相带转换控制； 19）、停止脚，作刹车断电及保护 控制端；20）、C相上管输出端2、 MC33035 专用无刷控制芯片MC33035 有扁平封装和双列直插式封装型式，由其构成的。