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电动自行车有刷电机控制器的设计与制作

[日期:2014-11-10] 来源:  作者:江苏 陈洁 [字体: ]

 

  电动自行车具有无尾气污染、行驶噪音小、轻便美观等特点,由电池、直流电机、车架、控制器、充电器等组成。其中电机、控制器安装在车架上。控制器是整个自行车的控制核心之一,负责驱动电机的速度调节。根据电机的不同,控制器分为有刷电机控制器和无刷电机控制器两种。这里将介绍有刷电机控制器的制作。
  
  一、电路原理
  
  对于有刷直流电机控制器,由于电机工作的额定电压和采用的控制芯片不同,其控制器也不同。有使用LT494和LM324或LM358芯片的、也有使用NE555和LM339芯片的、还有使用单片机PIC16C58B控制的等等。但万变不离其宗,这类控制器一般都由锯齿波振荡电路、PWM脉冲调制电路、PWM脉冲功率放大电路、速度控制电路、制动控制电路、过流保护电路、欠电压保护电路等组成。这里介绍一款常见的、使用单片LM339控制的电动自行车有刷电机控制器.其电路原理如下图所示。该线路设定不同的欠压控制值,可用于36V或48V额定工作电压的有刷直流电机控制。

电动自行车有刷电机控制器


  
  1.芯片LM339介绍
  
  LM339是一块低功率四电压比较器集成电路,该器件有DIP14、S014、TSSOP14三种封装。常应用于比较器、CMOS器件驱动、TTL器件驱动、低频运算放大器电路、变压器耦合放大电路等。
  
  2.锯齿波振荡电路
  
  锯齿波振荡电路是LM339比较器功能的典型应用电路之一,其电路如下图所示。

锯齿波振荡电路


  
  图中lC同相输入端由电阻R3和R4分压提供参考电位,R1和C1串联电路的中间连接点与lC的反相输入端连接,R2和C2串联电路的中间连接点与lC的输出端连接,输出端与反相输入端接有二极管D1。在电路上电后,由于电容C1两端的电压不能突变,故IC反相端为低电平,比较器的输出端呈高电平。该电压通过电阻R2使同相端的参考电压升高。随着电容C1通过电阻R1充电的进行,使C1两端的电位逐渐升高。当比较器反相端的电位高于其同相端的电位时,比较器发生翻转,输出端呈低电平。输出端的低电平一方面通过电阻R2使同相端的参考电位降低,另一方面使电容C1通过二极管D1进行放电。随着C1放电的进行,其两端的电压逐步降低,当低于比较器同相端的电压时,比较器又发生翻转,依次循环进入振荡状态。这样便在电容C1两端产生锯齿波脉冲信号,锯齿波的上升时间就是电容C1的充电时间,锯齿波的下降时间就是电容C1的放电时间。
  
  原理图中,由IC1A、电阻R9、R10、R11、R12、R13.电容C4、二极管D6组成锯齿波产生电路,在IC1A的(D脚输出锯齿波。PWM调制实质上也是一个比较器,IC1B⑦脚上的电压与⑥的锯齿波电压相比较,当⑥脚电压高于⑦脚电压后,比较器输出端①脚变低电平。⑥脚电压低于⑦脚电压后,比较器输出端①脚变高电平。因此改变⑦脚上电平就能在①脚上得到不同占空比的方波。该方波通过互补放大去驱动MOSFET功率管,控制电机的电压。IC1B⑦脚上的电压分别有调速车把、过流保护、欠压保护控制。
  
  当电池电压降低,使ICIC⑨脚的电平低于其⑧脚电平时,比较器IC1C发生翻转,输出端14脚呈低电平,锁住PWM调制。同样当电机电流过大,使IC1D(11)脚的电平低于其⑩脚电平时,比较器ICID发生翻转,输出端13脚星低电平,锁住PWM调制。在PWM未被IC1C和IC1D锁住的情况下,ICIB⑦脚上的电压由调速车把控制。转动车把,电压升高,加在电机上的电压也升高,电机转速加快。反之,电机转速减慢。
  
  原理图所示线路作为额定电压为36V的电动车有刷电机控制时,调速控制电压为1.1V-4.2V,限流值为15A±1A,欠压保护值为31.5V,制动控制为低电平。
  
  二、元器件选择
  
  原理图中所有的元器件都是常规的,其中电阻R20采用φ1mm的康铜丝约2cm长。
  
  三、安装调试
  
  1.安装
  
  元器件焊接时,先焊电阻、电容,再焊二极管、三极管、集成电路,最后焊引出线。其中电阻R5和R16暂时不必焊上,待调试时再调整。焊接完成后的控制板实物如下图所示。图中粗红线接电池正极、粗黑线接电池负极,粗黄线接电机正极、粗绿线接电机负极,细黄线和细黑线接制动开关常开触头,细绿线(电源+)、细黑线(电源一)、细灰线(调速信号)分别接调速车把的。

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  2.调试
  
  测试时控制器与电池、电机。调速车把、制动开关的连接示意如下图所示。图中刹车开关用一微动开关代替。若读者手头没有调速车把,可用一10kΩ电位器代之,只要将电位器的中心抽头与调速信号线相连,余下两端分别接调速电源的正,负极即可。
  
  (1)欠压保护值整定取一只68kΩ电位器,阻值调至最大,焊出中间和边上两个引线,接在图中R5的位置。将图7中的蓄电池用一可调稳压电源代替,初始时输出电压调至36V或48V。让电机空载,转动车把(可用-4.7kΩ电位器代),使电机转动为止。
  
  接着调低稳压电源输出电压,调至31.5V或42V,再调节68kΩ电位器,直到电机正好停转为止。断开电源,拆下68kΩ电位器,测量出其电阻,用一阻值接近的固定电阻焊上。欠压保护整定完毕。
  
  (2)过电流保护值整定同样取一只68kΩ电位器,阻值调至最大,焊出中间和边上两个引线,接在图中R16的位置。将图中的电机用一断电阻丝取代,作为负载。调节车把使电压表指示最大,降低负载逐渐使输出电流增大(注意功率管的温度和散热),直到15A为止,再调节68kΩ电位器,直到电机正好停转为止。断开电源,拆下68kΩ电位器.测量出其电阻,用一阻值接近的固定电阻焊上。过流保护整定完毕。

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