电动车维修技巧第四章 直流无刷电动机控制器

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，H1、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H1检测到转子的N 极，产生信号使功率晶体管BG1导通，电流从电源正极经A点流入绕组，a点流出，经导通的BG1流入到电源负极，该电流使W1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H1、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5~3~1。

1、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，由其构成的电动自行车无刷电动机控制器功能强，可靠性高，图5~4~2为其引脚图，图5~4~3为其内部框图。

引脚：1）、B相上管驱动输出；2）、A相上
管驱动输出；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相位置位置输出信号输入端；7）、停止脚，作刹车断电及保护控制端；8）、基准电压输出；9）、过流信号输入端；10）、振荡器外接定时电阻、电容引脚；11）、转速控制端；12）、放大器输入端；13）、放大器输出端；14）、指示灯；15）地；16）地；17）电源；18）电源；19）、A三相下管驱动输出20）、B 三相下管驱动输出21）、C三相下管驱动输出；22）、相角调整端，60°/120°相带转换控制；23）控制；24）、C相上管驱动输出。

二、数字电路构成的无刷电动机控制器
数字电路构成的无刷电动机控制器根据无刷电动机控制原理采用数字电路实现的，将在第六节中详细介绍。

三、用可编程逻辑器件制成无刷电动机控制器。

可编程器件是一种新型数字电路器件，常用的有GAL、FPGA、Plsi、ispLSI等可编程器件，它可以将零散的数字器件集中编程于一块芯片中，使系统的体积压缩、连线减少、速度提高、故障率下降，达到初步优化系统的目的，同时还可以制作74×××或CD4×××等系列数字电路中所没有的非标准逻辑器件，甚至可以制作成特定用途的控制器，在电动自行车中采用可编程器件构成无刷电动机控制器，制作成的器件还可以加密，防止解读或非法拷贝。

常用可编程器件GAL16V8构成无刷电动机控制器。

第五节驱动集成电路工作原理
（一）、无刷驱动芯片
电动自行车无刷电动机控制器驱动电路，是把逻辑电路产生的三相励磁信号放大及电平移动，满足三相桥式场效应晶体管输出电路上、下管饱合导通要求。

常用的驱动电路有：1）、专用无刷驱动芯片；2）、由分立元件构成驱动电路；3、专用模块驱动电路。

使用专用驱动芯片构成无刷电动机控制器驱动电路，优点是驱动功率损耗小，外围电路简单，元件少，使用无源电路提高了驱动电路可靠性。

常用无刷电动机控制器驱动电路专用芯片有：IR2101、IR2102、IR2103、IR2110、IR2113、IR2130等。

一、IR2101（IR2102、IR2103）单相驱动专用芯片。

IR2101、IR2102、IR2103专用驱动电路芯片引脚功能、排列顺序基本相同，性能相似，工作原理一样，都为双列直插式8脚塑封。

其引脚功能如图5~5~1。

引脚说明：
1）、电源2）、下管驱动输入3）、上管驱动输入4）、下管驱动输出6）、接桥式相线输出端7）、上管驱动输出8）、自举升压端
二、IR2110、IR2113单相驱动芯片
IR2110、IR2113驱动集成电路引脚功能、排列顺序基本相同，为双列直插式14脚塑封，引脚功能如图5~5~2。

①下管驱动输入②接电流取样电阻到地③电源VCC ④
空脚；⑤、接三相桥式相线输出端⑥、自举升压引脚⑦上管驱动输出⑧空脚⑨电源VCC ⑩下管驱动信号输入○11地○12上管信号驱动输入○13地○14地
三、IR2130三相驱动芯片
IR2130为多功能三相驱动集成电路芯片，IR210X、IR211X系列驱动芯片均为单相驱动输出，需要三块驱动集成电路完成无刷控制器三相驱动，电路复杂，而IR2130则是把IR210X、IR211X系列三相三块驱动芯片集成在一起，由一块IR2130完成三相驱动，同时还具有过流保护、振荡器等电路，使三相驱动电路设计更加灵活，电路简洁可靠，性能提高。

电路引脚如图5~5~3
○1电源VCC ○28A相自举升压端
○2A相上管输入○27A相上管驱动输出
○3B相上管输入○26A相输出点
○4C相上管输入○25NC空
○5A相下管输入○24B相自举升压端
○6B相下管输入○23B相上管驱动输出
○7C相下管输入○22B相输出端
○8刹车端○21NC空脚
○9地○20C相自举升压端
○10V REF基准电压○19C相上管驱动输出
○11OSC振荡器外接电容电阻端○18C相输出端
○12地○17NC空
○13电流检测输入○16A相下管驱动输出
○14C相下管驱动输出○15B相下管驱动输出（9；放大器输出端；10放大器输入端；11、振荡器；）
（二）无刷电动机驱动芯片工作原理
一、无刷电动机驱动芯片工作原理
下面以IR2101介绍无刷电动机驱动芯片电路工作原理，以A相为例说明无刷电动机驱动芯片工作原理。

无刷电动机控制芯片输出A 相下臂驱动信号到IR2101的③脚，上臂驱动信号到IR2101的②脚，且上下臂驱动信号不可能同时输出，并且有一定死区时间。

当无刷电动机控制芯片输出下臂励磁信号时，IR2101的③脚为高电平，通过放大后从⑤脚输出高电平，经R2加到场效应晶体管T2栅极，T2饱和导通，此时无刷电动机控制芯片不输出上臂励磁信号，T1截止。

T2饱和后其漏极D与源极S之间饱和压降很小，电子开关T2接通，A点被T2接地。

此时，一方面电流从A相绕组流出经T2到地产生定子磁场，驱动转子转矩；另一方面，15V电源经隔离二极管D1、升压电容C1、T2到地形成充电回路，15V电源对电容C1充电，使电容两端电压很快充到15V（下臂无励磁信号，T2截止）。

当无刷电动机控制芯片输出A相上臂励磁信号时，加到IR2101的②脚为高电平，在IR2101内部有一个由IR2101②脚控制的电子开关闭合，此电子开关连接IR2101的⑦脚和⑧脚（无刷电动机控制芯片无下臂励磁信号输出）。

充满电荷的电容C1两端电压为15V左右，其正端通过IR2101的⑦脚和⑧脚内闭合的电子开关、R1加到A相上臂场效应晶体管T1的栅极，而其负端接在T1的源极，使T1栅极与源极之间电压为15V左右，T1场效应晶体管饱和导通，作为上臂输出电子开关接通，36V通过接通的电子开关T1加到A相桥式输出端，A点
电压为36V，电流从A相电子开关T1流入到A相线圈中，产生与下管导通时极性相反的励磁磁场，驱动转子继续转动。

此时，T1栅极电压为VG1=VC1+V A=15V+36V=51V，D1截止，使升压驱动电源与15V电源隔离。

通过IR2101内部电路和外部的隔离二极管D1、升压C1等元件，组成一个电荷泵：在T2管励磁时，C1充满电荷；在T1管励磁时，C1放电，把T1栅极电压提高到51V，像水泵一样使上管栅极电压高于电源电压。

这样只用一个低压电源就可以完成一个需要高于电源电压驱动电压。

无刷电动机控制电路中的PWM脉宽调制信号频率较高，场效应晶体管栅极阻抗高，C1充电快，而放电微小，C1两端电压基本保持15V不变。

当无刷电动机控制芯片不输出A相上臂励磁信号时，IR2101②脚恢复为低电平，其内部电子开关断开⑦脚、⑧脚而接通⑦脚、○6脚使T1栅极和源极相通，导通时栅极存储的电荷被泄放掉，保证磁效应管T1可靠地截止。

以上分相了A相一个工作周期，当控制芯片不断输出励磁信号，IR2101重复上述过程。

通过以上分析可以看出使用驱动集成电路不需有源电路产生51V高压，电路简单，因为是无源驱动，工作可靠，缺点是成本较高。

（三）模块驱动电路。