无刷电动机控制器工作原理揭秘

2023-09-27 理论教育版权反馈

【摘要】：图解演示图8-23为常见无刷直流电动机控制器的原理框图。欠压保护电路主要是在蓄电池电压降低到控制器的设定值后，停止PWM信号的输出，从而保护蓄电池不至于在低电压的情况下进行工作。

图解演示

图8-23为常见无刷直流电动机控制器的原理框图。无刷直流电动机控制器是利用逻辑电路来控制电动机线圈的电流方向，从而替代了传统的电刷控制电动机线圈的方式，同时该控制器可以根据电动机内传感器发出的信号，确定换向的时间和顺序，以此来改变电动机的转速和方向。

从图8-23可知，控制芯片根据无刷直流电动机霍尔元件输出的信号分别对六只场效应晶体管进行驱动，有规律地给电动机绕组提供电流，形成旋转磁场，同时，根据转把的输入电压大小，控制相应激励脉冲的宽度，从而控制无刷直流电动机的速度。

场效应晶体管（功率管）是大电流开关元件，其导通时间与关闭时间受导通信号［由PWM（脉宽调制）信号合成的混合信号］控制。

欠压保护电路主要是在蓄电池电压降低到控制器的设定值后，停止PWM信号的输出，从而保护蓄电池不至于在低电压的情况下进行工作。

限流保护电路，则是对控制器输出的最大电流进行限制，从而保护蓄电池、场效应晶体管（功率管）和电动机等不会出现允许范围以外的大电流。

图8-23 常见无刷直流电动机控制电路的原理框图

提示说明

值得注意的是，无刷控制器相角必须和无刷直流电动机的相角保持一致，才可以使电动机运转，这就需要霍尔元件检测转子磁极的当前位置（相位角）。

目前，市场上流行的无刷直流电动机控制电路主要有两种形式：一种为采用专用PWM信号产生芯片（MC33035、A3932SEQ等），另一种为采用微处理器作为控制电路。

1.采用专用无刷直流电动机控制芯片（MC33035+IR2103组合）的控制电路

图解演示

图8-24为采用无刷直流电动机专用控制芯片（MC33035+IR2103组合）的控制电路原理图。该电路主要由供电电路、驱动电路、刹车控制电路、调速控制电路、欠电压保护电路、过流保护电路等构成。

（1）供电及驱动电路

电池的36V电压经电阻器R1限流，电容器C3、C2滤波后送入三端稳压器IC27812的①脚，经其稳压后，由其③脚输出+12V电压，该电压经电容器C1滤波后，送入IC1的脚、脚，为其提供工作电压；同时分别送入三个驱动器IC3、IC4、IC5的①脚供电。

另外，+12V电压再经电阻器R19限流、二极管VS4稳压、C13滤波后输出+6V电压，分别为IC6及转把供电。

（2）电动机驱动电路（启动电路）

控制芯片MC33035的脚、脚得到供电电压后，IC1内部开始工作，其①脚和脚、脚和脚、②脚和脚分别输出驱动信号，送入IC3、IC4、IC5处理后，去驱动VF1～VF6，最后去驱动电动机三相绕组，使电动机旋转。

图8-24 采用无刷直流电动机专用控制芯片（MC33035+IR2103组合）的控制电路原理图

相关资料

芯片MC33035的内部结构框图及引脚外接元器件如图8-25所示，其各引脚功能见表8-4。

图8-25 MC33035内部结构框图及引脚外接元器件

表8-4 MC33035各引脚功能

（续）

（3）刹车控制电路

该电路中，IC1的⑦脚及外围电路与闸把开关组成刹车电路。电动自行车正常运转时，IC1⑦脚为高电平，当捏下闸把时，闸把中的常开触点闭合，IC1⑦脚电压经二极管和闸把开关后接地，IC1⑦脚变为低电平，IC1停止工作，VF1～VF6截止，电动机停止转动。随后闸把拉动钢丝使自行车抱闸闸紧，电动自行车停车。

（4）调速控制电路

该电路中，调速电路主要是由IC1的脚及外接电路和转把电路（霍尔IC）等部分构成的。转把的①脚为6V供电端，②脚为调速信号输出端。

在旋转转把时，其②脚输出的直流控制电压经R28送入IC1的脚，当该直流电压从低到高变化时，IC1的脚电压相应也升高，经IC1内部电路处理后，输出PWM信号，使通过IC3～IC5驱动VT1～VT6的导通时间延长，电动机绕组电流加大，电动机转速提高。反之，电动机转速降低，进而实现电动自行车的调速功能。

（5）欠压保护电路

该电路中，电压比较器IC6（LM358），采样电阻器R20、R21，IC1的⑦脚构成了该控制器的欠压保护电路。

当电池电量充足时，加到IC6②脚的电压高于③脚的基准电压，其①脚输出低电平，经电阻器后送入IC6B⑥脚（低电平），与⑤脚基准电压相比较后，由其⑦脚输出高电平，VD5截止，IC1的⑦脚电平保持为高电平，IC1正常工作。

当电池放电至低于约31.5V时，IC6A②脚电压低于③脚电压，其①脚输出高电平，那么加到IC6B⑥脚为高电平，相应其⑦脚输出低电平，VD5导通，IC1⑦脚的电平也变为低电平，IC1停止工作，无PWM信号输出，电动机停止转动，实现欠压保护。

（6）过流保护电路

该电路中，IC1的⑨脚，电容器C9，电阻器R12、R5构成了过流保护电路。

当电动自行车正常行车时，电阻器R5上流过的电流较小，其产生的压降也较低，经R19后加到IC1⑨脚的电压极低，不足以驱动IC1内部的电流保护电路动作，IC1正常工作。

当负载过大或某种原因引起场效应晶体管VF1～VF6导通电流过大时，R5两端压降升高，相应加到IC1⑨脚的电压也升高，当该电压足以促使IC1内部的过流电路动作时，IC1将停止工作，VF1～VF6停止工作，电动机停止转动，实现过流保护。

2.采用微处理器芯片的控制器电路分析

图解演示

图8-26所示为采用微处理器89C2051为控制核心的无刷直流电动机控制电路，该电路的工作原理与前述电路相似。

图8-26 采用单片机89C2051 为控制核心的无刷直流电动机控制电器

图8-26中89C2051作为电动机驱动电路的控制核心，产生PWM信号，该信号再经激励放大器（IR2103）和场效应管功率放大器，为电动机的三个绕组提供驱动电流，电动机内设有三个霍尔IC用以检测电动机转子磁极的位置，然后将位置信号送到微处理器中，使微处理器输出的驱动信号符合相位要求。IC8B作为电池欠压检测器，欠压时，给微处理器的脚一个低电平；IC8D为过流检测器，过流时，给单片机⑦脚一个低电平；借助普通I／O接口脚输出，通过积分电路和转把模拟速度信号在IC8A进行比较后，输入微处理器脚，用软件完成PWM控制，然后分三相六路输出到三个专用驱动芯片IR2103。由IR2103驱动每相的上、下场效应晶体管。

无刷电动机控制器工作原理揭秘

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