无刷控制器工作原理及实训方法

1.无刷控制器工作原理概述

无刷直流电动机本身没有换向器，靠控制器来改变电动机线圈的电流方向，同样保证转子和固定部分的磁场，保持朝一个方向的吸引力或排斥力。无刷控制器一般靠霍尔传感器确定转子磁场的位置，在恰当时机给相应线圈改换电流的方向。位置传感器除霍尔传感器外，还有光电传感器等。

采用霍尔传感器的无刷电动机和无刷控制器之间一般有8根导线连接；3根粗线是线圈引线，5根细线中，一根为+5V电源，一根为公共地，3根为转子位置信号线。

蓄电池输出的电压经稳压后为控制器内电子组件提供工作电压。微处理器芯片根据无刷电动机的霍尔信号对MOS管驱动电路给出有选择性的打开与关闭信号，以完成对电动机的换向。同时，根据调速转把的输入电压大小将相应的脉冲宽度载波信号与MOS管导通信号混合，以实施对电动机的速度进行控制。

MOS管驱动电路将PWM信号整形放大，提供给MOS管。由于MOS管驱动电路具有升压功能，可以将MOS管导通信号变成高于蓄电池电压的超高方波信号，以满足上MOS管驱动电压高于蓄电池电压的需要。MOS管是大电流的开关组件，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的控制。

欠电压保护电路的作用是对蓄电池进行保护，当蓄电池电压降到控制器设定值以下时，PWM芯片停止PWM信号输出，以保护蓄电池不至于在低电压的情况下放电工作。

限流电路是对控制器输出的最大电流进行限制，使蓄电池、控制器和电动机始终工作在允许的电压范围内，不至于因过电流而造成损坏。

2.典型无刷控制器工作原理分析

以MC33035P、IR2103和LM358构成的无刷控制器电路是一款典型的电动车无刷控制器。该无刷控制器电路原理如图4-24所示。主要由电源供电电路、PWM激励脉冲产生电路、电动机驱动电路和换相控制电路、调速控制电路、制动电路、蓄电池欠电压保护电路、过电流保护电路几个部分组成。各部分的工作过程如下。

（1）电源供电电路

蓄电池组电压经电容C4滤波后，经R1限流，经C2、C3再次滤波后，由IC2（7812）的引脚①进入，经稳压后为+12V电压，经引脚③输出，经C1滤波后提供给IC1（MC33035）、IC3（IR2103）、IC5（IR2103）正常工作所需电压。该电压又由R19限流、VD4稳压、C13滤波形成6V供电电压。

（2）PWM激励脉冲产生电路

12V电压经IC1的引脚⑰、⑱使IC1开始工作，其内部的基准电压发生器形成的6.25V的基准电压，经引脚⑧输出。IC1内部的振荡器及引脚⑩外接的定时元器件R23、C14开始振荡，产生锯齿波脉冲信号，并对该信号进行处理后，输出两路激励脉冲信号。即：由IC1的引脚⑲、⑳、引脚㉑输出高端激励脉冲信号；由IC1的引脚①、②、㉔输出低端激励脉冲信号。

（3）电动机驱动电路和换相控制电路

图4-24 由MC33035P、IR2103和LM358构成的无刷控制器电路原理分析图

电动机驱动电路由IC3～IC5和大功率场效应晶体管VT1～VT6等元器件组成。电动机的三相绕组由3个各自独立的单元电路对应驱动，3组电路原理完全相同。下面以电动机A相绕组的驱动单元电路为例进行分析。(www.xing528.com)

低端激励脉冲电压由IC3的引脚⑤输出，该电压通过限流电阻R7加到VT4的栅极，高端激励脉冲电压由引脚⑦输出，经R6加到VT1的栅极。VT1的漏极（D）接蓄电池正极，VT4的漏极与VT1源极（S）相连，并与电动机的A相绕组相连，源极（S）通过电源取样电阻R5接蓄电池负极。因此VT1、VT4以及两相电路的VT2和VT5、VT3和VT6都不能同时导通，反之，会造成短路现象。

从IC1的引脚①、②、⑲、⑳、㉔轮流输出对应的高低端激励脉冲，经IC2、IC3、IC4放大后驱动VT1～VT6轮流导通，在电动机的三相绕组中产生不断变化的电流，从而使电动机开始旋转。

位置传感信号由电动机内部的霍尔器件，根据转子所处的位置对应产生，并通过VD6～VD8反馈到IC1的引脚④～⑥，再由IC1内部的转子位置解码器对这几个引脚的信号进行解码，控制IC1的引脚①、②、⑲、⑳、㉔轮流输出对应的高低端激励脉冲，通过IC1～IC5驱动VT1～VT6轮流导通，实现换向控制。

（4）调速控制电路

转动转把时，其内部霍尔器件输出1～4.2V的电压。该电压由低到高变化时，IC1的引脚◈11电压因R28而随之升高，从而使IC1内部的PWM处理器产生PWM激励脉冲信号占空比增大，其引脚①、②、⑲、⑳、㉔输出的高低端激励脉冲占空比增大后，通过IC3、IC4、IC5驱动VT1～VT6的导通时间延长，电动机的转速提高。

反之，当转把电压由高到低变化时，IC1的引脚⑪电压降低，PWM激励脉冲信号占空比减少，VT1～VT6的导通时间缩短，电动机的转速随之降低。

IC1的引脚⑪电压通过R29和限速开关接地，当限速开关连接时，电压被锁在一定范围内，从而使激励脉冲信号的占空比不能达到最大，电动机只能在一定的转速内旋转，从而达到了限速的目的。

（5）制动电路

IC1的引脚㉓直接接地。当捏下制动把时，制动把开关连通，之前IC1的引脚⑦为高电平，通过二极管VD9或VD10和制动把开关接地，使IC1的引脚⑦变为低电平，IC1停止输出激励脉冲信号，VT1～VT6截止，电动机停止旋转，实现制动的目的。

（6）蓄电池欠电压保护电路

蓄电池组电压由R32、R20、R21分压后，加到IC6（LM358）的反相输入引脚②，6.25V基准电压由IC1的引脚⑧输出，经R31、R22分压，经R32加到IC6的同相输入引脚②和引脚⑤作为参考电压。

在蓄电池电压充足时，IC6的引脚②电压高于引脚③参考电压，低电平从IC6的引脚①输出，经R33加到IC6的反相输入引脚⑥。此时IC6的引脚⑤为高电平，经比较后，从IC6的引脚⑦输出高电平，使二极管VD6截止。

当蓄电池组放电后（电压下降到终止电压），IC6的引脚②电压低于引脚③参考电压，高电平由IC6的引脚①输出。这时IC6的引脚⑥高于引脚⑤参考电压，低电平由IC6的引脚⑦输出。由于VD5导通，因此使IC1的引脚⑦变为低电平，从而控制IC1关闭激励脉冲信号输出，使VT1～VT6截止，从而使电动机停止旋转。

（7）过电流保护电路

电动车控制器正常工作时，VT1～VT6的导通电流较小，电阻R5两端产生的压降较低，IC1的引脚⑨电压达不到过电流检测电路的阈值。当电动车在行驶过程中因某种原因电流过大时，VT1～VT6产生激励脉冲信号输出，导致VT1～VT6截止，从而使电动机停止旋转，起过电流保护保用