无刷直流电机控制器简介

直流电机控制器的种类较多，功能、用途也各不相同，按不同的标准有不同的分类。常根据不同电机适配要求分类。按电机结构可分为有刷直流电机控制器和无刷直流电机控制器；按额定电压又可分为24V、36V、48V直流电机控制器。按控制器结构形式可分为分离式和整体式；按电路组成又可分为模拟式控制器、数字式控制器和智能式控制器。市场上常用的控制器绝大多数为整体式控制器，一般是根据电压等级的不同区分有刷控制器和无刷控制器两种情况。无刷电机中常见的相位代数角有60°和120°两种，所以配套使用的无刷控制器也存在60°和120°两种不同。直流电机控制器虽然电压等级不同，但控制原理却基本相同。
无刷控制器的引出线中有5根粗线，其中电源线2根（红色为正极、黑色为负极），3根粗线（黄、绿、蓝）接无刷电机的三相线。还有5根细线（红、黑、黄、绿、蓝）接无刷电机霍尔信号线。至电机的8根线通过接插件与电机一一对应地配合。另外有很多的细线，其中基本功能线分别为接调速转把3根（红、绿、黑）、制动刹把2根（黄、黑），有些控制器将调速转把的黑线跟制动刹把的黑线共用，因此变为4根引出线；仪表速度信号线（粉红）；限速线1根（白）。还有部分控制器带有助力传感器3根线（红、绿、黑）或仪表电源线2根线（红、黑）。为缩短大电流主回路的长度和取消大电流在电锁线路中的电压降，有些电动自行车电路中蓄电池的主电源线直接接到控制器，用一细电源线（红）从电锁引至无刷控制器，电锁接通时高压电信号送到控制器，通过内部的开关电路接通主电源进行工作。由于各车型对控制器的功能要求不同，控制器引出线的数量、颜色、采用的插接件连接方式不完全一致。
电动自行车无刷直流电机控制器与有刷直流电机控制器进行比较，它们有些电路及其功能相似，如都有内部电源电路，PWM电路和振荡器，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；还有些电路是无刷直流电机控制器特有的，如位置传感器电路、逻辑信号形成电路等。
无刷控制器的工作原理是，利用电子设备替代了传统碳刷控制电机线圈的电流方向，同时根据电机内的传感器发出的信号，确定换向的时间和顺序，来改变电机的转速和方向。
无刷直流电机控制器控制电路主要有：1）内部稳压电源电路；2）位置信号检测放大电路；3）PWM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、下臂驱动逻辑信号产生电路和脉宽调制信号综合电路）；5）锯齿波振荡器；6）A、B、C三相预驱动电路；7）三相桥式功率场效应晶体管开关电路；8）制动断电电路；9）欠压保护电路；10）限流保护电路等。
电动自行车工作时蓄电池的电压随行驶路程的延长不断下降，且变化较大,如不经过稳压电源电路直接给控制器供电，控制器内部电子电路将不能正常稳定工作。控制器内部电源电路为控制器内部各种电路芯片、外部控制零部件提供所需要的不同电源电压。一般由三端稳压集成电路、输出电压可调稳压集成电路以及稳压二极管构成。常用三端稳压集成电路有78L05、7806、7812、7815。它们的输出电压分别为5V、6V、12V、15V。内部电源输出的5V、6V电压主要为调速转把中的霍尔元件提供电源，也为部分使用电子制动刹把控制器的霍尔元件提供电源。12V、15V电压为控制器内部集成电路、驱动电路提供电源。
控制器常用的三端可调输出稳压集成电路是LM317，其原理是利用电阻对输出电压分压取样，送到稳压集成电路调整端调节输出电压，常用输出电压为12V或者15V。TL431是一种并联精密可调稳压电源，利用分压电阻对调整电压进行控制，在电动自行车控制器中常用5V稳压源。
位置信号检测放大电路，先对无刷电动机中霍尔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，就可以改变电机转向。放大、整形后的位置信号分别送到三相上臂驱动信号生成电路和三相下臂驱动信号生成电路中，产生三相桥式上臂驱动信号和三相桥式下臂驱动信号。
锯齿波振荡电路由振荡器、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信号。
主处理芯片PWM根据位置信号检测放大电路提供的无刷电机霍尔信号，对上三路和下三路的MOS管驱动电路给出有选择的打开与关闭信号，以完成对无刷电机的换相。同时，根据调速转把输入电压的大小，将相应脉冲宽度的载波信号与下三路MOS管导通信号混合，以达到控制电机转速的目的。
电动自行车控制器内功率变换用电子开关，采用大功率场效应晶体管（又称MOS管），是单极性电压控制元件，具有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等优点，特别适合调制电路。不论有刷电机控制器还是无刷电机控制器，一般都采用MOS功率场效应晶体管作电子开关，便于采用PWM。PWM芯片根据调速转把的输入电压，输出相应脉冲宽度的方波给MOS管驱动电路，MOS管驱动电路将PWM信号整形放大、电平移动，达到上、下臂场效应晶体管输出所需的驱动电平提供给MOS管，同时也减少MOS管输出电路对控制电路的影响。另外，对于上三路的三个MOS管来说，它们的驱动要求高于蓄电池供电电压，因此，MOS管驱动电路还要具有升压功能，将上三路的MOS管导通信号变成高于蓄电池电压的超高方波信号。
MOS管是大电流开关器件，其导通时间与关闭时间受导通信号与PWM信号合成的混合信号控制。三相场效应晶体管输出电路由6只场效应晶体管接成三相桥式全控电子开关，构成逆变输出电路，完成电子换相。
制动断电电路是通过将制动刹把产生的制动信号送到控制器中，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，实现制动断电功能。
欠压保护电路通过取样电阻取样与参考电压进行比较，当蓄电池组电压大于欠压保护值时，取样电阻上的分压值大于参考电压值，比较器无输出信号，控制器保持正常工作状况不受影响；当蓄电池组电压小于欠压值时，比较器翻转，输出信号关断场效应晶体管以保护蓄电池组，避免蓄电池组过放电，造成蓄电池极板发生硫酸盐化导致蓄电池组性能下降，使蓄电池提前报废。
限流保护电路是对控制器输出的最大电流进行限制，以保护蓄电池、控制器、电机等不会出现超出允许范围的大电流。电路是由取样电阻、运算放大器及参考电压分压电阻组成，当控制器输出电流达到限流值时，取样电阻上的电压送到运算放大器一端。分压电阻对参考电压进行分压，运算比较，如果取样电阻电压大于分压电阻电压，运算放大器输出控制信号，控制信号使PWM电路输出脉冲变窄，输出电压下降，从而使输出电流减小；当电流超过限流值时，运算放大器输出保护信号，使PWM电路停止输出功率，场效应管关闭，以保护蓄电池、控制器、电机等不会出现超出允许范围的大电流。防止电流过大而烧坏控制器大功率元件、电机绕组线圈和蓄电池组极板发热损伤。