三友大功率有刷控制器电路图

三友SAYO ZHD2大功率有刷控制器电路图

(5)三友SAYO ZHD2大功率有刷控制器
这款控制器是石家庄地区货运三轮主流控制器之一。电路原理方框图及接线图见图8所示。该电路的特点是：
(1)频率低，约150Hz，因而续流二极管采用了普通整流桥；
(2)没有欠压和过流保护；
(3)采用了简单的门电路作三角波发生器；
(4)采用5只大功率VDMOS并联，并且采用了简单均衡电路；
(5)速度转把是自制的光电速度把。

该控制器有36V、48V、60V多种规格，主要区别在功率管部分，电路见图9。如此简明的控制器，主要损坏元件就是功率管。损坏的原因主要是串激电机碳刷接触不良，高压击穿功率管；还有堵转造成的过流和过热。

(6)有刷控制小结
无论更换原配套、还是换用其他品牌的有刷控制器，首先要搞清控制器的几条基本连线：电源正、负线，两条电机接线，三条速度转把接线，刹车把接线，钥匙接线。仪表接线等。进一步判断霍尔速度转把三条接线，具体到哪一条是+5V、地和速度信号，刹车把接线是断开有效还是短路有效等。
修理有刷控制器，首先要根据现象粗略估计损坏部位，排除控制器外部接触不良等低级故障。例如：飞车现象可能是VDMOS击穿，也可能是霍尔速度转把的接地端悬空；加电不转可能是控制器故障，也可能是外部连线烧断或接触不良，特别是刹车开关、钥匙、电池等部位；加载无力可能是电流取样电阻脱焊，也可能是电机问题等。确实认定是控制器内部故障，再打开检查维修。
要认清控制器内部关键器件，有些器件外形一样，例如TO-220封装的VDMOS、三端稳压器78xx、续流二极管等。生产厂商为保密往往把元器件的印刷标示打磨掉了，给维修增加了麻烦。小功率控制器，可根据连线部位等特征来认定，例如：续流二极管两端和电机两条线是并联关系，用万用表测一下就清楚了；VDMOS和三端稳压器78xx虽然都有一端接地，但VDMOS一端接电机，稳压器78xx则不接电机。集成块也可以从脚数和连线部位等特征来区分，例如：TL494是16脚的。LM324和LM339是14脚的，LM393和LM358是8脚的；虽然LM324和LM339都是14脚的，但是供电脚不同，LM324供电端是④脚，而接地端是⑾脚。LM339供电端是③脚.接地端是⑿。
接有直径1mm长度大约1cm的镍铜丝或康铜丝的电阻，一般是电流取样电阻，一端接VDMOS的源极S，一端接电池负极(粗黑)，康铜丝两端受热很易造成焊锡脱落。可能造成轻载正常、重载无力等故障。
根据原理图可以进一步沿信号通路分析，有刷控制器核心部位就是PWM。它前面的输入信号，一路是三角波发生器的三角波，一路是霍尔速度转把的速度信号。PWM的驱动信号加到VDMOS栅极。
维修重点：一是VDMOS。控制器中就是VDMOS损坏率高，多数为DS间击穿.造成加电就高速旋转。在不加电情况下，用万用表一测便知，一般换用好管故障就会排除。更换时，要注意绝缘和散热，要垫上导热绝缘片并涂上导热硅脂，固定好散热板的紧固件。伴随VDMOS击穿，还可能有其他周边元件损坏。如互补推挽下管PNP管等。另一个是稳压电源，可以带电检查其输出是否为额定稳压值，如没有，排除输出短路后，再沿电路向前检查。对于控制芯片采用TL494的电路，尽管内部复杂，只要检查关键点，就能判断大致情况。TLA94第⒁脚为+5V参考电源输出端，如⑿脚供电正确，⒁脚没有+5V。一般就是芯片坏了；③脚也是关键点，它为高电位时，芯片关闭输出，如果它为高电位，要检查造成原因，例如欠压保护，霍尔调速把故障等；④脚在有刷控制器中也是关键点，它为高电位(3.6V)时，芯片关闭输出，如果它为高电位，要检查造成原因。也可以检查后部的关键点，例如VDMOS栅极电压是否随霍尔速度转把转动变化等。

功率开关管损坏的原因和对策：
1)热损坏开关管过热后性能下降，极易损坏。开关管发热主要是导通损耗和开关损耗。导通压降和电流的乘积越大发热越多。压降大原因之一是器件本身问题，靠严格筛选解决，并联使用要经过配对；压降大原因之二不是器件本身问题，是开关通过放大区时间过长，通过改善(栅极驱动和泄放)电路设计解决。欠压保护和过流保护工作在临界(如堵转引起逐周过流保护动作)时，切换频繁，PWM频率升高，开关管开关损耗随频率升高而升高造成过热。关于欠压保护工作在临界切换频繁的改进，采用改进施密特电路，正反馈加一个二极管和一个电阻。
2)电压击穿主要是开关管本身耐压不够，当电压过高的一瞬间，还没来得及将热传到散热器，管子DS就击穿了，所以也称冷击穿。器件本身应经过严格筛选，并联应用器件要经过配对，否则易损坏；外因主要是电机大电流工作时，突然关断，引起瞬间高反电势，例如有刷电机碳刷接触不良。解决方案是并联大电流、高速、低压降续流二极管.例如采用30A双快恢复(或肖特基)管。还有，在开关管DS间加阻容吸收保护。
3)提高大功率控制器可靠性对策 大功率控制器要采用大电流高反压耐高温开关管。但是，大功率场效应管耐压和导通电阻制造时是有矛盾的，例如耐压60V左右的管子，导通电阻可以做到8mΩ，耐压升高到100V，导通电阻就成几倍增加。行之有效的措施是：一是降低振荡频率；二是增加并联器件数；三是增加驱动功率；四是加大散热板面积；五是振荡、三角波形成、PWM等电路不用WPM专用芯片TL494等，而选用故障率较低的比较器(LM339)、简单门电路等器件制作；六是功率冗余，就是功率管和续流管多只并联，但要特别注意分布参数；七是欠压保护改为欠压提示，不关断等。

2.无刷控制器
有刷电机是靠换向器(也叫整流子)来保证转子(旋转部分)和固定部分的磁场保持连续朝一个方向的吸引力或排斥力。这套换向机构最重要的机件就是电刷，控制器无须改变电流方向，其控制器叫有刷控制器。换向器有触点，是有磨损的。而无刷直流电机本身没有换向器，靠控制器改变电机线圈内部电流方向，同样保证转子和固定部分的磁场，保持连续朝一个方向的吸引力或排斥力。控制器采用晶体管无触点开关，永不磨损，这就是无刷控制器。无刷控制器一般靠霍尔传感器确定转子磁场位置，在恰当时机给相应线圈改换电流方向。位置传感器除霍尔传感器，还有光电传感器等。采用霍尔传感器的无刷电机和无刷控制器之间一般有8条导线连接；三根粗线是线圈引线，5条细线中，一条+5V，一条公共地，三条转子位置信号线。
当前市场上，无刷控制器有两大类：一类以单片机为核心，一类以专用芯片MC33035(MC33033)、A3932SEQ、LB11690、MC33039等为核心。

(1)采用无刷专用芯片MC33035(MC33033)的控制器
MC33035是高性能单片无刷直流电机控制器，该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对传感器温度进行补偿的参考电平，同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制比较器、三个集电极开路驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管(MOSFET)的大电流图腾柱式底部输出器。此外，MC33035还有欠压锁定功能，同时带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、以及运行使能等。MC33035有多种封装，下面介绍24脚双向直列(DIP)封装的管脚排列及功能定义。
①、②、(24)脚为BT、AT、CT三个集电极开路驱动输出，用于驱动外部功率开关管。③脚为Fwd/Rev正向/反向输入，用于改变电机转向。(④、⑤、⑥脚为SA、SB、SC三个传感器输入，用于控制整流序列。输入逻辑0定义为小于85mV，逻辑1为高于115mV。MC33035内部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入，以便系统能够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。传感器输入可直接与集电极开路型霍尔效应开关或光电耦合器相连。此外，该电路还内含上拉电阻，其输入门限典型值为2.2V的TTL兼容电平。⑦脚为Output Enable输出使能，高电平有效。该脚为高电平时，可使电机转动。⑧脚为Reference Output参考电压输出，为振荡器定时电容CT提供充电电流，并为误差放大器提供参考电压，也可以向传感器提供电源。⑨脚为Current Sense Noninverting Input电流检测同相输入。在一个给定的振荡器周期中，一个相对于管脚⒂为100mV的信号可中止输出开关导通。通常此脚连接到电流检测的上端。⑩脚为Oscillator振荡器引脚，振荡频率由定时元件RT和CT所选择的参数值决定。⑾脚为Error Amp Nominverting Input误差信号放大器同相输入端。通常连接到霍尔速度控制器上。⑿脚为Error Amp Noninverting Input误差信号放大器反相输入端。在开环应用情况
下，此输入通常连接到误差放大器输出端。⒀脚为Error Amp Out/PWM Input误差放大器输出/PWM输入。在闭环应用情况下，此脚用作补偿。⒁脚为Fault Output故障输出端。当下列的任一或多个条件满足时，集电极开路输出端被触发而变为低；无效的传感器输入码，电流检测超过100mV，低电压锁定或热关断。⒂脚为Current Sense Inverting Input电流检测反相输入端。用于给内部100mV门限电压提供参考地，该管脚通常连接到电流检测电阻的底端。⒃脚为Gnd，该脚用于为控制电路提供一个分离的接地点，并可作为参考返回到电源地。⒄脚为Vcc正电源。Vcc在10V～30V的范围内，控制器均可正常工作。⒅脚为Vcc底部驱动输出的高端电压是由该脚提供的。工作范围从10V～30V。⒆珍、⒇、(21)脚为CB、BB、AB这三个图腾柱式底部驱动输出，被设计用于直接驱动外部底部功率开关管。(22)脚为60°/120°Select，此管脚的电气状态可决定控制电路是工作在60°(高电平状态)还是120°(低电平状态)的传感器电气相位输入状态下。(23)脚为Brake输出使能，该管脚为低时允许马达运行，为高时马达运行停止。
读者可以查到芯片厂家给出的无刷控制器典型应用图。图中在无刷电机和MC33035之间，仅有个驱动电路的方框，没有具体电路，一般认为是典型三相桥式输出电路，上管为双极型三极管，下管为VDMOS场效应管。也有人认为上管为P沟道场效应管，下管为N沟道场效应管。由于大功率P沟道场效应管价格昂贵，限制了应用。国内在三相桥式输出电路中，上管、下管全部采用VDMOS场效应管，驱动有的采用IR2103(驱动一相)，有的用IR2130(驱动三相，但价格昂贵)。有的采用分立元件，由此派生出了几种版本。
关键问题是，在上管导通时，漏极和源极电位近似等于电源正极电位，要保持上管导通，必须使上管栅极电位高于电源正极电位12V左右。IR2103和IR2130 比较简单，通过外接一只隔离二极管和一只自举电容就解决了。当下管导通上管截止时，隔离二极管导通，自举电容充电，两端电压接近电源电压；当下管截止上管导通时，隔离二极管截止，自举电容储存的电荷给上管栅极供电，电位大大高于电源正极电位，使上管保持导通。
图10是一个24V电动自行车用无刷控制器电路。图中三只接在VCC和VB之间的二极管为隔离二极管，接在VB和VS之间的电容为自举电容。