详解电动车控制器结构原理与维修

详解电动车控制器结构原理与维修控制器的结构与原理（一）控制器的组成与工作原理1．有刷控制器的结构与工作原理电动自行车的控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动车整车中的核心部件。它的主要作用是控制电动机的转速。控制器和调速转把配合，控制电动机的转速，能随刹车开关的闭合使电动机断电。并通过仪表控制线路，使仪表显示电源电压、欠压及行驶里程。另外控制器还加入其他功能，例如定速巡航、零启动、反充电（能量再生）、行车里程计算与显示、电制动和智能助力控制，以及各种状态的指示功能等。控制器的工作是由脉冲信号控制功率管的开启和关闭时间，决定电动机换向的顺序和时间，从而决定电动机的转向和转速。目前电动自行车的控制器，无论是有刷的还是无刷的，普遍采用脉宽调速（PWM）方式，控制器内部必须具有PWM发生器电路、电源电路、功率器件、功率器件驱动电路、控制部件（转把、闸把、电动机霍尔等）信号的采集与处理电路、过电流与欠电压等保护电路。（1）有刷控制器的结构有刷控制器的外形如图1所示。有刷控制器的内部主要由集成电路和外围元器件组成。有刷控制器的内部结构如图2所示。（2）控制器的工作原理有刷控制器的工作原理如图3所示。1）放电电路该电路的主要功能是把蓄电池电压经限流电阻器，由稳压集成电路稳压后向控制器输出其内部电路所需要的正常工作电压，如12V、15V和18V等，然后12V电压再经三端稳压集成电路7805或主芯片内部5V稳压电路输出5V电压，供给外接元器件（转把和闸把）作为电源电压。在实际电路中，转把有5V或6.25V供电电压，而闸把有5V、12V、15V、18V等几种供电电压。2）欠电压保护电路当蓄电池电压降低到设定值以下时，控制器保护电路检测到此信号并反馈到主芯片，主芯片切断输出控制信号，使电动机得不到供电电压而停转，从而保护蓄电池不出现低电压过放电现象。3）限电流保护电路当电动机异常或其他原因造成场效应晶体管电流增大时，限电流保护电阻上的电压相应升高，该升高电压加到主芯片控制电路而使主芯片内部逻辑电路动作，切断输出驱动信号，场效应晶体管因无驱动电压而截止，电路得到保护。4）驱动电路驱动电路是把主芯片输出的微弱驱动脉冲电压加以放大，加到场效应晶体管的栅极，使其达到良好的饱和状态而导通。5）输出电路控制器的输出功率管一般使用场效应晶体管，它的栅极得到驱动后，场效应晶体管饱和导通。它相当于一个电子开关，导通时相当于开关闭合，接通电动机的工作电源，电动机得到电而转动。场效应晶体管截止时，相当于切断电动机工作电源，电动机失电而停转。6）集成电路集成电路的主要功能是把转把、闸把及欠电压保护电路、过电流保护电路的信号，经内部电路放大、转换处理后输出相应的信号，控制场效应晶体管的导通或截止。（3）有刷控制器的外部连接线普通型有刷控制器与外部件的连接线一般有9根引线，分别是电源正负极引线2根、转把引线3根、闸把引线2根和电动机引线2根。智能型有刷控制器还有3根助力器引线。普通型有刷控制器的外部连接线如图4所示。36V有刷控制器与外部连接，如图5所示。2．无刷控制器的结构与工作原理无刷控制器的工作原理如图6所示。（1）稳压电路控制器内部稳压电路将蓄电池电压经限流电阻器、三端稳压集成电路稳定成12V、15V和18V，根据电路所需电压，分别供主芯片、三相驱动电路及欠电压保护电路作为正常时的工作电压。（2）主芯片集成电路该电路的主要功能如下。1.输出5V电压供外接转把、闸把作为电源电压。2.根据无刷电动机的状态，霍尔检测元件检测到的信号对三相驱动电路产生相应驱动电压，使三相驱动电路轮换工作。3.集成电路还将转把、闸把及欠电压保护电路、限流保护电路的输入控制信号经内部相关电路输出不同的控制信号。（3）驱动电路无刷控制器根据电动机的需要设置3个相同的驱动电路。驱动电路将主芯片输出的脉冲信号加以整形、放大后提供给输出级的功率管。除此之外，由于驱动电压高于电源电压，因此驱动电路应包含升压电路。（4）输出电路输出电路由6个相同的大电流功率管组成。它的导通和截止在时间和相位上是有先后顺序的，否则电动机不能转动。（5）欠电压保护电路该电路主要是为防止蓄电池在低压下出现过放电现象而设计的。当蓄电池端电压下降到控制器设定值时，保护电路工作，并且将检测信号加到主芯片内部，当主芯片内部电路检测不到保护信号时，主芯片切断驱动信号，输出功率管因得不到驱动励磁电压而不工作，从而保护蓄电池不在低电压下放电。（6）限流保护该电路主要对控制器输出大电流时进行控制，即保护蓄电池、控制器、电动机在安全范围内工作。当电动机负载加重时，功率管的输出电流增大，此时限流电阻器上的电压随功率管的电流增大而升高，当该电压加到主芯片时，主芯片检测到该电压，控制功率管的导通时间，使功率管不在大电流下工作。小提示无刷无霍尔控制器与无刷自学习控制器（1）无刷无霍尔控制器现在有一种改良的无刷控制器不需要霍尔元件也可以感受到线包在磁场中的位置信号。这样控制器到电动机的线只有三根主相位线。如果电动机反转，把任意两根线调换一下就可正转。目前这种控制器在自行车起步时的控制还不完美，一般起步时有噪声，电机会抖动，电机起步后运行平稳正常。（2）无刷自学习控制器目前市场还有一种称为万能自学习的无刷控制器，不分60°和120°相位角，把电动机和控制器连线对颜色插好，把刹车断电线接好，按照说明书的方法让控制器自学习，不需要调线就可使控制器和电动机连接线接好。有的控制器电源线有三根，除了粗红和粗黑线外还有一根细红线。这种控制器的粗红和粗黑线直接接到电池上，不经过电门锁，但是控制器还不能工作，而要让细红线经过电门锁，打开电门锁后细红线给控制器内的继电器（电子开关）一个电压信号，继电器打开后控制器才能工作。3．无刷控制器的外部引线无刷控制器的外部引线较多，其内部电路与有刷控制器相比较复杂。无刷控制器的外部引线如图7所示。（1）电源线无刷控制器的电源线有3根，通常使用三芯插件，其中粗红线为电源正极线，粗黑线是电源负极线，细红色（或橙色）线是电门锁线。（2）转把线无刷控制器的转把线有3根，通常使用三芯白色插件，其中红线是电源5V供电线，黑线是负极线，细绿线是信号线。（3）电动机线无刷控制器的电动机线有8根引线，其中3根蓝（A相）、绿（B相）、黄（C相）粗线是电动机相线，采用弹头形插件。另外5根引线是电动机的霍尔元件引线，采用5芯插件，分别是霍尔元件的公共电源正极红线、公共负极黑线、A相霍尔输出蓝线、B相霍尔输出绿线和C相霍尔输出黄线。（4）1∶1助力线无刷控制器的1:1助力线有三根，通常采用三芯小黑色插件（这样与转把插件才有区分），其中红线是电源5V供电线，黑线是负极线，绿线是信号线。（5）低刹线无刷控制器的低刹线有两根，通常采用二芯白色插件，其中红（或白）线是5V刹车信号线，黑线是负极线。（6）高刹线无刷控制器的高刹线只有一根，通常采用绿白线，二芯白色插件。（7）仪表线无刷控制器的仪表线只有一根，通常采用绿线，弹头插件。小提示：一般情况下，无刷电动机控制器输出引线颜色与所接器件的对应关系见表1。无刷控制器与外部电路连接48V无刷控制器与外部电路连接如图8所示。（4）有刷控制器电路的工作过程当打开电源锁后仪表上得到供电，电源指示灯亮显示蓄电池电量。同时控制器也得到供电。此时，电动机不转，但是控制器输出5V电压给转把内的霍尔元件供电。当旋转转把时，转把信号线输出1～4.2V电压，此电压传递给控制器，控制器的电动机引线输出0～40V由低到高的直流电压给电动机线圈，电动机开始由慢到快旋转。当手捏闸把时，控制器得到5～0V（低电平刹车）的刹车信号电压，断开电动机供电，电动机停止运转，起刹车断电的作用4．无刷控制器电路的工作过程当打开电源锁后，仪表上得到供电，电源指示灯亮，显示蓄电池电量。同时控制器也得到供电。此时，电动机不转，但是控制器输出5V电压给转把内的霍尔元件供电。当旋转转把时，转把信号线输出1～4.2V电压，此电压传递给控制器，控制器的零启动功能使电动机启动，电动机启动后，其内部的磁钢转动，使霍尔传感器产生对应的位置信号，使霍尔元件输出0～5V的开关信号电压，此信号传递给控制器，控制器的三相引线输出0～38V的由低到高的交流电压，此电压给电动机线圈，电动机开始由慢到快旋转。当手捏闸把时，控制器得到5～0V（低电平刹车）的刹车信号电压，断开电动机供电，电动机停止运转，起刹车断电的作用。5．无刷控制器与电动机调线无刷电动机共有8根引线，其中3根蓝（A相）、绿（B相）、黄（C相）粗线是电动机相线（即线圈引出线）。另外5根引线是无刷电动机的霍尔元件引线，分别是霍尔元件的公共电源正极红线、公共电源负极黑线、A相霍尔输出蓝线、B相霍尔输出绿线和C相霍尔输出黄线。无刷电动机的8根引线如图9所示。无刷电动机有线圈引线3根、霍尔引线5根，这8根引线必须和控制器相应的相线一一对应连接，电动机才能正常旋转，否则电动机不能正常转动。由于无刷电动机与无刷控制器还没有统一的生产标准，所以无刷电动机与无刷控制器的8根引线颜色对应接线后电动机也不一定会正常旋转。无刷电动机的8根引线与控制器对接示意图如图10所示。无刷电动机的电角度有两种，即60°和120°。60°的电动机接线有两种正确的接法，一种是正转；另一种是反转。120°的电动机有6种接法，3种正转；3种反转。在电角度对应的前提下，如果控制器颜色与电动机颜色对应后转动还是不正常的话，则要进行调线。无刷电动机与控制器的连接有6根引线，需对调6次，因此共有36种接法。在实际维修中，为了方便维修，通常是霍尔插头直接插上，之后调整电动机引线。以下给出6种规律接法，基本有1种能让电动机运转正常。1.电动机线蓝色对控制器蓝色，电动机线绿色对控制器绿色，电动机线黄色对控制器黄色。2.电动机线蓝色对控制器蓝色，电动机线绿色对控制器黄色，电动机线黄色对控制器绿色。3.电动机线黄色对控制器黄色，电动机线蓝色对控制器绿色，电动机线绿色对控制器蓝色。4.电动机线绿色对控制器绿色，电动机线蓝色对控制器黄色，电动机线黄色对控制器蓝色。5.电动机线蓝色对控制器黄色，电动机线黄色对控制器绿色，电动机线绿色对控制器蓝色。6.电动机线黄色对控制器蓝色，电动机线蓝色对控制器绿色，电动机线绿色对控制器黄色。以上接法一一试过，如果无刷电动机反转，则表明无刷控制器与无刷电动机的相角是匹配的，可以通过调整电动机与控制器的相线来调整电动机的转向，将无刷电动机与无刷控制器的霍尔引线的绿色和黄色交换接线，同时将无刷电动机与无刷控制器的主相线蓝色和黄色交换接线，见表2。另外，需要特别说明，无刷电动机的换相是由控制器来实现的，所以它的反转需要对调两组引线，见表2中箭头。需要反转时，绝对不可通过反接控制器电源来实现，这样会损坏控制器。小提示控制器的识别（1）有刷控制器有刷直流电动机和控制器连接一般有两根引线，正负极对应相接即可。即其中红线接电源正极，黑线接电源负极。若电动机正、负极连接有误，则电动机只能反转，但不会损坏电动机，只需将两根引线对调就可使电动机正转。（2）无刷控制器无刷控制器和无刷电动机的连接相对比较麻烦。现最常见的无刷控制器和无刷电动机连线有8根，其中有三根主相位线（蓝、黄、绿粗线），还有五根霍尔线（细线），即一根霍尔电源正极（红线）、一根霍电源负极（黑线）、三根霍尔相线（蓝、黄、绿细线）。连接时将霍尔工作电压线细红线和细黑线对接即可。无刷电动机的主相位线分为A、B、C三相。无剧控制器和霍尔信号线分为a、b、c三相，只有电动机和控制器的A、B、C和a、b、c三相全部一一对应，而且相位角匹配（即60°的电动机配60°的控制器，120°电动机配120°的控制器，但不能用60°相位角的控制器来驱动120°相位角的电动机，也不能用120°相位角的控制器来驱动60°相位角的电动机），电动机才能正常运行。否则会出现电动机不转、转动无力、速度慢、有噪声或反转等情况。因为现在没有统一的标准，各个厂家的产品对于相序对应颜色定义不一致，甚至同一厂家不同时期的产品都不一致，这样就造成控制