36V通用型電動車無刷控制器電路剖析
一、概述
電動車無刷控制器不僅控制無刷電機(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)速，還要向其提供三相互為 1200的交流脈沖作為驅(qū)動電源。雖然無刷控制器電路較多，但組成基本一致，主要由穩(wěn) 壓電源、信號處理芯片、驅(qū)動電路，以及3組• 大功率MOS管組成，如圖1所示。穩(wěn)壓電 源將+36V或48V電壓穩(wěn)壓成+15V、+5V或 其他低壓，作為控制器中各Ic的工作電壓； 信號處理芯片根據(jù)轉(zhuǎn)把及閘把信號，輸出相 應(yīng)的上三路和下三路MOS管驅(qū)動信號；驅(qū) 動電路則將驅(qū)動信號整形放大，以保證大功 率MoS管深度導(dǎo)通與截止。
無刷控制器的電路主要有兩大類：一是 以摩托羅拉專用集成電路MC3303x系列為 主組成；二是用MCU單片作主芯片，通過 編程來滿足需要。目前，市場產(chǎn)品以前者為 主。下面以一款36V通用型電動車無刷控制器為例進(jìn)行介紹。該控制器實物如圖2所 示。實繪電路及實測數(shù)據(jù)見本書第357頁。
二、電路分析
1．穩(wěn)壓電路 ：該控制器的穩(wěn)壓電路如圖3所示(圖中 元件位號為自編號)。其電路較簡單，采用電 阻降壓、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓，此方式已被越來 越多的無刷控制器所采用。 由于該控制器采用了無刷電機(jī)專用控 制芯片MC33035，加之驅(qū)動電路供電由 NE555升壓后供給，所以對穩(wěn)壓電源的輸出 功率要求較低，采用穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓即能滿 足需求。 電池電壓+36V一路經(jīng)R1降壓‘、．c1濾 波后得到約+14．4V電壓，為MC33035DW 及過流、欠壓檢測IC(LM358)供電；另一路 經(jīng)R．2、I)4、C2穩(wěn)壓至6．5V，為轉(zhuǎn)把及霍爾 供電(此電壓在控制器所附的接線說明圖中 標(biāo)注為5V，但實測為6．5V)。另外，此電源中 31．6V的取法較特殊，利用穩(wěn)壓二極管D3 的穩(wěn)壓特性，將R3和D4上的電壓穩(wěn)壓 為+31．6V，作為NE555的供電電源。圖中 D1為防反接二極管，防止因電池正負(fù)極連 接錯誤損壞電路。 值得一提的是，該電路中的穩(wěn)壓二極管 的型號標(biāo)注分別為4744．、4743、4735，其實測 穩(wěn)壓值分別為14．4V、12．2V、6．5V。此類穩(wěn)壓 二極管標(biāo)注不同于常規(guī)標(biāo)法，難以通過型號 得知其穩(wěn)壓值。實修中，可換用相同或相近 穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓二極管，但功率應(yīng)不小于1W。
說明：圖3中所標(biāo)電壓為外加+33．2V 直流電源時的實測值．下同。
2．升壓電路：在講升壓電路之前，有必要說明為何要 設(shè)升壓電路。由于新型無刷控制器的橋式功 率管(上管及下管)無一例外地使用了大功 率的N溝道MOS管(即NMOS管)，而 NMOS管的深度導(dǎo)通條件是G、S極間電壓 應(yīng)大于10V。從上管與下管的連接關(guān)系可 知．當(dāng)上管導(dǎo)通后，其S極電壓等于電源電 壓。此時，若要使上管深度導(dǎo)通，則需在其G 極加上高于電源電壓10V的電壓。為此，電 路中應(yīng)設(shè)有升壓電路或自舉電路，以保證加 在上管G極的電壓高于電源電壓10V以上。
本控制器的升壓電路以NE555為核心 組成，電路如圖4所示。
這里用時基電路NE555構(gòu)成振蕩器。 圖中C14為振蕩電容，R1 5為放電電阻， Ikl4與R15串聯(lián)為充電電阻。 加電瞬問，+31．6V電壓一路經(jīng)R14、 R15給C14充電；另一路經(jīng)D6、D5給C12 I充電。當(dāng)NE555①腳電壓升至約20V時，以 I NE555為核心構(gòu)成的無穩(wěn)態(tài)振蕩器：【作，③ l-輸出脈沖．在輸出為低電平期間，+31．6V I電壓經(jīng)D6給c3充電，c3右端電位高于左 I端．當(dāng)c3兩端電位差約15V時，NE555③ I膏輸出高電平，c3左端電位為+31．6V。此 I；{I}，C3右端電位約為31．5V+1 5V，D6截止， i D5導(dǎo)通，C12 f二端電壓很快升至46．5v。升壓電壓輸出的+46．5V電壓用于驅(qū)動三相 橋式功率開關(guān)管的上管c •
3. 信號處理電路：該控制器的信號處理電路如圖5所示。 電路采用高性能第二代單片無刷電機(jī)控制 芯片MC33035。該IC內(nèi)含正確整流時序的 轉(zhuǎn)子位置譯碼器，頻率可編程的鋸齒波振蕩 器及誤差信號放大器等電路，并具有欠壓鎖 定、過流／過熱關(guān)斷等功能。
提示：MC33033、MC33034、MC33035等 為系列同類產(chǎn)品，MC33034在國外應(yīng)用最 普遍，國內(nèi)則較多地采用MC33035，它們的 功能和組成大同小異，只是MC33034簡化 了MC33035中部分輔助功能引腳，并采用 雙列DS0-20腳塑封。
(1)關(guān)鍵引腳介紹 接通電源后，MC33035∞腳為A、B、 C相位置傳感器輸入，IC內(nèi)部電路根據(jù)此 三腳電平的高低，譯碼輸出正確時序的A、 B、c上下驅(qū)動信號，分別從②、⑨、①、⑩、 @、⑩腳輸出。 ’
MC33035⑧腳為參考電壓輸出端，其電 壓值為6．25V。該電壓一方面作為MC33035 ⑩腳外接振蕩定時電容的充電電源，另一方 面作為LM358的②、⑤腳的基準(zhǔn)電壓。
MC33035的⑧腳為內(nèi)部誤差信號放大 ‘器反相輸入端，其電位高低將決定A、B、C 輸出脈沖的占空比，即電機(jī)的轉(zhuǎn)速。此腳外 接剎車把和調(diào)速把。剎車時，剎車藍(lán)線與地 線短接，MCl 13035的⑩腳電壓被拉低至 0V，無驅(qū)動脈沖輸出；調(diào)速時，轉(zhuǎn)把的調(diào)速 電壓(TS)經(jīng)R6加到MC33035的⑨腳。轉(zhuǎn) 。動調(diào)速把，TS電壓不同，MC33035將據(jù)此 輸出不同占空比的脈沖，達(dá)到調(diào)速的目的。MC33035的④腳為600／1200相角無刷 電機(jī)控制選擇端。高電平時控制600電機(jī)，低 電平時控制1200電機(jī)。在更換控制器時，無 刷控制器相角必須和無刷電機(jī)相角一致，否則電機(jī)不會轉(zhuǎn)動。
MC33035的④腳為輸出使能端，低電平時允許電機(jī)運(yùn)行，高電平時電機(jī)停止運(yùn) 行。部分控制器該腳外接剎車信號，將此腳 作為剎車控制端。
(2)過流及欠壓保護(hù)
MC33035⑦腳為輸出使能端，高電平時 電機(jī)轉(zhuǎn)動。LM358@腳外接由康銅絲做成的 O．01fl過流檢測電阻。橋式功率驅(qū)動電路的 工作電流在此電阻上形成的電壓作為過流 檢測信號，從LM358@腳輸入，作為反相輸 人信號，而⑧腳的同相輸入信號由 MC33035⑧腳輸出的基準(zhǔn)電壓經(jīng)R3、R4分 壓所得。正常工作時，⑤腳電壓高于⑥腳電 壓，LM358⑦腳輸出高電平，D2截止，不拉低MC33035⑦腳電壓。若輸出過流時，rM358@腳電壓將高于⑤腳電壓，LM358(D 腳輸出低電平，D2導(dǎo)通，使MC33035@腳 也是低電平，電機(jī)停轉(zhuǎn)，達(dá)到過流保護(hù)的目 的。
電池電壓經(jīng)R1、R2分壓后加到LM358 ③腳，作為同相輸入信號，MC33035⑧腳輸 出的6．25V基準(zhǔn)電壓直接加到LM358的② 腳，作為反相輸入信號。電池電壓為36V時， LM358⑧腳電壓約7．2V，高于②腳電壓， LM358④腳輸出高電平，D4截止，不影響 MC33035的工作狀態(tài)；當(dāng)電池電壓下降至 31 V時，LM358⑧腳電壓將低于6．25V， LM358q)腳輸出低電平，D4導(dǎo)通，MC33035 的@腳電壓降至近0V，電機(jī)停轉(zhuǎn)，以防止蓄 電池過度放電o
4．后級驅(qū)動電路
無刷電機(jī)控制器設(shè)有A、B、C三組驅(qū)動 電路，其電路連接關(guān)系相同。下面以A相驅(qū) 動為例加以介紹。
A相驅(qū)動電路如圖6所示。圖中Q2、 R19、R16、穩(wěn)壓管D7組成電子開關(guān)電路。 以NE555為核心的升壓電路輸出的+46V 電壓加到Q2的發(fā)射極。當(dāng)MC33035@腳輸 出低電平時，在I)7的穩(wěn)壓作用下，D7負(fù)端 電壓為31V，Q2導(dǎo)通，+46V電壓經(jīng)Q2e-c 結(jié)、R18加至A相驅(qū)動上管的G極，使此管 深度導(dǎo)通；當(dāng)MC33035②腳輸出高電平時． 等效于懸空狀態(tài)，D7負(fù)端電壓等于+46V，Q2 截止．A相上端管因無GS偏壓而截止。
一旦電子開關(guān)Q2由導(dǎo)通變成截止， Q2 C極電壓降至0V，Q1由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通， 迅速釋放驅(qū)動上管導(dǎo)通時G—S極間電容所 儲存的電荷，使上管迅速可靠地截止。
當(dāng)MC33035的⑧腳輸出高電平時，A 組驅(qū)動下管導(dǎo)通。同樣，Q3作用是為了泄放 下管導(dǎo)通時G-S極間的儲存電荷，使下管 迅速可靠地截止。
需要說明的是，A、B、C三相驅(qū)動的六 只驅(qū)動管中，某一時刻只能有兩只導(dǎo)通，并 且同組中的兩只不可能同時導(dǎo)通。這六只管 子的導(dǎo)通時序由MC33035根據(jù)輸入的霍爾 信號及無刷電機(jī)相角決定。
