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自己动手修电动车充电器
发表日期:2010-07-21 09:46:04 来源:《无线电》杂志 2009.04 作者:段丽红   张兰家 【 】 浏览:10894次 评论:6

电动车采用的电机分有刷电机和无 刷电机两种,由于无刷电机具有 噪声低、寿命长的特点,因而在电动车 中获得比较广泛应用。无刷电机的控制 器要比有刷电机控制器复杂得多,在维 修上有一定的难度,因此,本文从无刷 控制器的原理入手介绍维修要点,以期 对广大维修爱好者有所帮助。

基本原理

 

电动车无刷控制器主要由单片机 主控电路、功率管前级驱动电路、电 子换向器、霍尔信号检测电路、转把 信号电路、欠电检测电路、限流/过 流检测电路、刹车信号电路、限速电 路、电源电路等部分组成,其原理框 图如图1所示,下面介绍主要电路的工 作原理。

1.  电子换向器 无刷电机与有刷电机的根本区 别就在于无刷电机用电子换向器代替 了有刷电机的机械换向器,因而控制 方法也就大不相同,复杂程度明显提 高。在无刷电机控制器中,用6个功率 MOSFET管组成电子换向器,其结构如 图  2所示。图中MOSFET管VT1、VT4构 成无刷电机A相绕组的桥臂,VT3、VT6 构成无刷电机B相绕组的桥臂,VT5、 VT2构成无刷电机C相绕组的桥臂,在 任何情况,同一桥臂的上下两管不能 同时导通,否则要烧坏管子。

 6只功率MOSFET管按一定要求顺 次导通,就可实现无刷电机A、B、C三 相绕组的轮流通电,完成换相要求, 电机正常运转。 在电动车无刷电机控制器中,这 6只功率管有二二通电方式和三三通电 方式的运用,二二通电方式即每一瞬 间有两只功率管同时通电,三三通电 方式即每一瞬间有三只功率管同时通 电。对于二二通电方式,功率管须按 VT1、VT2;VT2、VT3;VT3、VT4; VT4、VT5;VT5、VT6;VT6、VT1; VT1、VT2¼¼的通电顺序,电机才能 正常运转。对于三三通电方式,功率 管须按VT1、VT2、VT3;VT2、VT3、 VT4;VT3、VT4、VT5;VT4、VT5、 VT6;VT5、VT6、VT1;VT6、  VT1、 VT2;VT1、VT2  、VT3¼¼的次序通 电,电机才能正常运转。

2.  功率管前级驱动电路

 

功 率 管 前 级 驱动电路用来驱动 电子换向器的 6 个 MOSFET管,由于6 个MOSFET管组成 了  3个相同的桥臂, 对这3个相同的桥臂  的驱动电路是相同的,因而功率管前 级驱动电路是由3组相同结构的电路组 成,图3所示的是一典型的功率管前级 驱动电路,对于一无刷控制器,有3个 这样的电路,分别驱动3个桥臂。

3.  单片机主控电路

 

单片机主控电路是无刷电机控制 器的核心部分,电机的霍尔信号、转 把信号、过流检测信号、刹车信号等 都直接输入给单片机,由单片机进行 处理,并由单片机输出电子换向器三 个桥臂的前级驱动信号,以控制电机 的运转,因而单片机主控电路是无刷 电机控制器的心脏部分。 单片机PIC16F72是目前电动车无 刷电机控制器的主流控制芯片,图4所 示的是用PIC16F72构成的无刷控制器 的典型应用电路,它包括了无刷电机 控制器的各主要输入、输出信号,如 图 4中的SPSIG端信号,该信号经过电 阻R69和R68组成的网络送入单片机的 第  脚    单片机根据该脚的电压信号变 5    , 化,决定输出驱动信号的脉宽,从而 决定电机的转速。目前市面上电动车 的转把输出信号电压一般在1~4.2V,


它内部是由一个线性霍尔元件和一个磁 体组成,转动转把、磁体移动,霍尔元 件感应变化的磁场而输出变化的电压。

4.  限速电路

 

限速电路是通过分压电阻,减小 送入单片机的转把最高电压信号,从 而限制了速度。如图4中把SPLIMT端接 地,则R67与R68即组成分压电路,降 低转把信号(SPSIG)送入单片机的5 脚的电压,从而限制了电动车的最高 转速。

5.        霍尔信号检测电路

在图4中,电阻R31~R36、电容 C16~C18组成霍尔信号检测输入电 路,电阻R34~R36形成上拉电位,电 容C16~C18起滤波作用,抑制干扰信 号。单片机的15、16、17脚分别检测 来自电机内的三路霍尔位置信号,以 决定换相时刻。

 

6.  欠压检测电路

 

在图4中,元件R70、R71、R72、 C23组成电池电压检测电路,检测值送 入单片机的3脚,当该脚检测值低于某 一数值时,可强迫无刷电机控制器不 工作,从而起到保护电池的作用。

7.  刹车信号电路

 

对于电动自行车 , 当手把刹车 时,单片机得到刹车信号,无刷电机 控制器停止输出控制信号,电机断 电,这称为刹车断电,对于有些无刷 控制器,当单片机得到刹车信号时, 则输出控制信号,强制电机抱住,使


 

电机不能转动,这称为电刹车。 目前市面上电动车的刹车信号有 高电平刹车信号和低电平刹车信号两 种,对于单片机一般只识别其中一种 信号,如果采用电平转换电路,则可 识别两种电平的刹车信号。在图4中, 当BK信号端为低电平,则单片机第7 脚得到低电平刹车信号,通知无刷控 制器完成刹车过程。当HBK端为高电 平时,通过电阻R66、R81、R88及三 极管VT20完成电平转换,三极管VT20 的集电极变为低电平,单片机第7脚为 低,通知无刷控制器完成刹车动作。

8.  电源电路

 

在无刷电机控制器中,一般需两组 电源,一个是14V电源供功率MOSFET驱 动用,另一个是5V电源,供单片机、电 机霍尔、转把霍尔等电路用。14V电源 一般由LM317调整管得到,5V电源一般 由78L05得到,电路程式如图5所示。

9.  限流/过流保护电路

 

限流保护是控制无刷电机控制器 在某一最大限定电流值下工作,对于 36V控制器,限流值一般在14±1A,对 于48V控制器限流值一般在17±1A。限 流保护其实又是过载保护,当上坡、 载重必然引起负载加重、电流增大, 但电流增大的极限就是限流值。 如图4中,IC6B(LM358)的运 放与电阻R73、R74、R75、R76及RT 构成限流信号检测电路。R T为串接于 MOSFET管上的电阻丝,如图2所示, 因为电机电流通过MOSFET管,也就流  过R  T,当流过电机的电流变化,反应在 R  T上就是R  T两端电压的变化。当流过RT 的电流大到限定电流时,此时IC6的第 7脚输出约3V的电压,单片机PIC16F72 的 2脚得到3V电压时,则降低MOSFET 驱动输出信号的占空比,迫使流过电机 的电流下降,即R  T上的电流下降,同时 R  T上的电压下降,使得IC6的第7脚输出 下降,如此动态调节,保证无刷电机控 制器工作于限流值以下。 过流保护是当电机电流达到限定 电流时,无刷电机控制器电流仍在上 升,则强迫停止电机供电。IC6A的运放 和R59、R61、R62及R T构成过流保护 检测电路,见图4。检测信号由IC6的1 脚输出,送入单片机的21脚。

维修要点

 

根据笔者在实际工作中的经验, 要修好无刷控制器,可按如下步骤进 行,将会收到事半功倍的效果。 第一步 正确判断无刷电机控制器 的各引出线功能 无刷电机控制器一般具备如下引 出线。

1.  电机线(图6中A线) 无刷电机控制器电机线有3根,称 为A、B、C相线,一般黄线为A相,蓝 线为B相,绿线为C相,但也有例外, 这就要求维修者试着调换3根线的次 序,直到电机运转正常。

 2.  电源线(图6中B线) 无刷电机控制器电源线一般用3根 线,其中一根细一些 的线为锁线,它是给 无刷电机控制器14V及 5V电源供电的,另外 两根粗线(红、黑) 给功率管供电。

3. 限速线(图6中C线)国家标准规定电动车的最高限速 为20km/h,因此各无刷电机控制器厂 家生产的控制器出厂时都留有如图7 中的D号线,当插头插上,则电动车 限速为20km/h,符合国家标准,如断 开,则电动车速度将大于20km/h,方 便用户选择。

4.  刹车线(图6中D线) 刹车线连接到电动车的把手开关 上,当刹车时开关动作,刹车信号送入单 片机,执行刹车断电或刹车抱死动作。

 

5.  速度线(图6中E线) 速度线与电动车仪表盘中的速度 表相连,在无刷电机控制器内它通过一 限流电阻与电机的某一根相线相连。电 机速度变化,反应在电机相线中电流变 化,则在速度线中电流也变化,反应在 仪表盘中就是速度的变化。

 6.  转把线(图6中F线) 转把线连接到电动车转把内的霍 尔上,转把线有3根线,分别为电源 正、电源负和信号线,一般红线为电源 正,黑线为电源负,信号线为蓝色。当 转把转动时,转把内磁铁相对霍尔运 动,产生由低到高的感应电压信号,该 信号送入单片机,执行调速指令。

7.  电机霍尔线(图6中G线) 电机霍尔线与电机内霍尔相连, 以决定电机换相时刻。霍尔线有5根 线:红为正,黑为负,其余3根线为3 个霍尔信号,这3根线与电机相连,

 

 

 

 


必须次序正确,否则电机不能正常运 转,有时需反复调换这3根线与电机相 连次序,直到电机运转正常。 第二步 目视检查 打开无刷电机控制器,如图7所 示,目视检查有无不良,重点检查各 导线是否焊接良好,功率MOS管、14V 稳压管、大电解电容、单片机、振荡 器是否焊接良好,如图7中A、B、C、 D、E标注的所示,要排除不良点。

 第三步 在不通电情况下用万用表检查

1.  先用万用表量外接电源端对地 阻抗是否正常,一般应大于 2kΩ。

 2.  分别测6个MOS管引脚间有无 短路现象,此点较为重要,无刷电机 控制器(如MOS管)较差,过流保护 控制不佳或散热做得不好,往往会引 起MOS管击穿,如图7中A部分。

3.  检查电源稳压管LM317引脚间 有无短路现象。

4.   测78L05与地间阻抗是否正 常,一般应大于1.5 kΩ。 第四步 在通电情况下测直流工作点 测 LM317 输出 ( 应为 14V )、 78L05输出(应为5V)、转把线霍尔 线、助力线、红线与黑线间电源(应 为5V)。 第五步 尝试通电运转

 1.   只连接电机线、霍尔线、转 把线,保证正确连接后通电试着转动 转把,先慢慢转动一小段位置(低 速),看电机运转状态是否正常,如 不正常,立即停机,重新检查。只有 电机低速正常,方可逐渐提高速度, 否则易损坏器件。

2.  在电机运转正常情况下,检查 刹车、助力、速度表、欠压、限流等 功能是否正常。

第六步 故障排除 有时故障现象是多方面因素造成 的,因此,我们要善于透过现象看本质, 逐一排除点,最后问题便迎刃而解,附 表是故障现象与原因的几点总结。

总之,在初步掌握无刷控制器基 本原理的基础上,按照以上所介绍的 几点步骤维修,将会收到事半功倍的 效果。本文旨在抛砖引玉,许多维修 技巧还要靠不断实践才能融会贯通。


电动车的充电器总是难免出现一 些故障,虽然换个新的也就是 百拾元钱,但是对有一定基础的电子 爱好者来讲,闲暇之余自己动手修理 一下,未尝不是一件乐事。前一段 时间,我的电动车的充电器出现了故 障,利用周末时间我忙活了半天,修 好了充电器,既省了钱,又锻炼了动 手的能力,可谓是一箭双雕。 一次,充电器在充电过程中突然 冒出浓烟并伴有刺鼻的气味,幸好及时 发现,赶紧拔掉电源的插头。为不耽误 使用,想买个新的,到门市一打听,价 格倒是很便宜,不到50元,但仅从外表 一看就知道不是正装,感到质量和安全 性更是无法保证,打算花100多元买个 厂家正装的,碰巧门市部又暂时无货, 想来思去,为何不自己动手修一修。 打开充电器,正如预料的一样, +B的滤波电容50V/220µF已经爆裂, 电解液外溢,电路板是一片狼藉,焊 下损坏的电容器,用毛刷和酒精将电 路板冲洗干净(这个步骤很重要,不

能马虎,否则由于电解液的腐蚀作用 会后患无穷),换上新的电容器,检 查其他电路,没发现明显的问题,通 电试验,同时用电表检测输出电压, 输出电压高达70V,怎么会这么高呢? 根据平日里的经验,这个36V的充电器 空载时的输出电压为40V左右,心中正 在犯嘀咕,随之冒出一股浓烟并发出 "嗞嗞"的声响,刺鼻的电解液的味 道弥漫四周,只听"啪"的一声,不 好!马上断电,好险啊,刚换上的电 容器又爆裂了。问题很清楚了,是输 出电压过高引起的电容损坏。观察充 电器电路,该电路是以常用的U3842 为核心的电流调整型开关电源,配合 LM358双运放来实现三阶段充电方式 (恒流、恒压、涓流),用光电耦合 器和精密基准电压源 TL431等完成的, 电压过高一般是反馈调整环路出了毛 病。根据此思路,重点检查和稳压有 关联的元器件,以光电耦合器U3842 和基准电压源  TL  431为核心,检查反 馈控制环路。在这些元器件中,电阻 可以静态测量,光电耦合器也可以用 两个电表配合测量完成(实际上用代 换法也很简单)。以上检查没发现异 常,在U3842和TL431中,TL431损坏 的可能性较大。花费不到5元钱就可 以买来了U3842和TL431。换上新的电 容50V/220µF,再换上TL431,谨慎试 验,随时准备断电,等测其输出电压 如期待的那样为正常的41V,才放下心 来,OK!一个TL431就搞定了。进一步 观察和测量,发现一切正常。仅花几 元钱就修复了充电器,爽!

 充电器的工作原理与一般的开 关稳压电源大致相同,包括整流、滤 波、开关振荡,稳压控制等部分。如 果不是大面积的损坏,大部分的充电 器还是有修理价值的,修理的费用不 多,修复后质量也不打折,要比很多 伪劣的产品好得多。即便又买个新 的,修好的这个也可以放起来备用, 保证电动车正常使用,所以,如果你 是一名电子爱好者,可以自己动动 手,体验一下成功的乐趣!

 

 

 

 

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精密基准电压源  TL431

 

TL431是一个有良好的热稳定性能 的三端可调分流基准源。它的输出电 压用两个电阻就可以任意地设置到从 U ref(2.5V)到36V范围内的任何值。其 性能优良,质优价廉,广泛用于开关 电源或精密线性稳压电源中,经常维 修家电的人对此一定不陌生,TL431的 电路图形符号和基本接线如图1所示。 图1中   ,A为阳极,使用时需接地;K为 阴极,需经限流电阻接正电源。U REF是输出电压U O的设定端,外接电阻分压 器。TL431的外形图和等效电路如图2 所示,主要包括①误差放大器,其同 相输入端接从电阻分压器上得到的取 样电压,反相端则接内部2.5V基准电压 U ref,也称为基准端;②内部2.5V基准 电压源U ref;③NPN型晶体管VT,它在 电路中起到调节负载电流的作用;④ 保护二极管VD,它的作用是防止因K-A 间电源极性接反而损坏芯片。

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