第二篇 控制器
第五章 无刷控制器实例
上接总第十二期《维修与充电》专版第三版）
2.采用单片机的无刷控制器
图2.5.4是一个36V电动自行车用无刷控制器框图，图2.5.5是该控制器电路原理图。
由于单片机89C2051属低端产品，内部没有PWM和A/D转换，它借助了三个模拟比较器完成相应工作。IC8B做电池欠压检测器，欠压时，给单片13脚一个低电平；IC8D做过流检测器，过流时，给单片机⑦脚一个低电平；借助普通I/O口11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，输入给单片机12脚PWM，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VDMOS管。
单片机通过内部预装的软件完成任务，不同产品的软件差异很大，烧片子（写入程序）时一般都进行了加密。市场上，一般销售的单片机是空白的，内部程序需用专用设备进行烧写。因此，采用单片机的各种控制器，普通售后服务作维修只是更换外围元件，单片机本身损坏，更换工作要依*原生产厂商进行，或供应写有程序的单片机。
单片机就是单片微型计算机，它的加入可以很容易地增加一些所谓智能功能，例如巡航功能。巡航功能就是通过按一下巡航功能按钮，电动自行车就以刚才的速度继续前进，松开霍耳速度转把也不受影响。
无刷控制器和无刷电机一般有8条连线，其中线包绕组三条，转子位置信号三条。共有36种接法：60°角的电机仅有两种接法正确，1个正转，1个反转；120°角的电机仅有六种接法正确，3个正转，3个反转。盲目试接很容易造成控制器或电机的损坏。关键是正确确定线包绕组和转子位置信号的相序，并且确定第一相。
为此，作者设计了无刷电机检测仪和无刷控制器检测仪，具有小学程度的修理工几分钟就能掌握，快速、准确确定绕组和转子位置信号的相序，以及第一相。检测仪对被测对象无损，还可以判断电机位置传感器故障、控制器质量、控制器故障部位等。
3.其他控制器概述
（1）未涉及到的无刷控制器
也有不需要位置传感器的无刷控制器，它是通过检测线圈电动势判断转子位置的。显然，电机未转动时，它是不能判断转子位置的，可以等电机转起来再加电，也可以按一定序列加电，试探出转子位置后，然后正确加电。
（2）未涉及到的开关磁组电机的控制器
开关磁组电机是另一种电机，过去在纺织行业有应用，现在有人研究将它用到电动自行车上，它的控制器类似无刷控制器。
第三篇 充电器
电动车辆的蓄电池补充能源，要通过充电器进行。充电器的种类很多，一般按有无工频变压器进行区分，可分为两大类：有工频变压器（常称为变压器降压型电源）充电器和开关电源式（无工频变压器）充电器。通常，大功率的充电器普遍使用了环式工频变压器，虽然效率低，但是电流大（可到30A）、可*性高。货运电动三轮车一般都使用这类充电器。而30A以下的电瓶，则大多采用开关电源技术的充电器，效率高，并甩掉了笨重的工频变压器。
开关电源技术的充电器细分，又有半桥式、单激式和脉冲式三类，半桥式分为普通分段半桥式、带负脉冲半桥式和带其他功能半桥式；单激式还可以再分成正激和反激两类，采用单片机的脉冲式充电器是近年来才涌现出来的。电动自行车充电器最大充电电流大多限制在2A左右。
第一篇的第二章介绍了充电器的一些基本单元电路，本章再介绍一些充电器特有的基本电路。然后介绍上述分类中各种典型的整机电路和它们的工作原理，为充电器维修奠定理论基础，为检修提供思路。
第一章 充电器单元电路
1.整流电路
在充电器中，必须把交流电变为直流电，这需要通过整流电路完成转换，英文缩写交流电为AC，直流电为DC，交流变直流为AC/DC。
（1）单相全波整流电路
图3.1.1（a）是单相全波整流电路，图中变压器T次级线圈A、B带中心抽头O，初级线圈C、D，带点号的为同名端，同名端相位相同。整流过程如下，在正半周0~π期间，D1正向偏置导通，D2反向偏置截止，电流从A流经D1~R上端，再到R下端，返回O。在负半周π~2π期间，D1反向偏置截止，D2正向偏置导通，电流从B流经D2~R上端，再到R下端，也返回O。可以看出，正负半周D1、D2轮流导通，负载R上的电流总是从上到下，交流电在这里变成了直流电，波形见图3.1.1（b）所示。
（2）桥式整流电路
图3.1.1（a）所示为基于变压器中心抽头的单相全波整流电路，而在实际应用中，通常采用图3.1.2（a）所示的另一种单相全波整流电路，叫桥式全波整流电路。整流过程如下：输入电压Vi是交流电，在正半周0~π期间，D1、D4正向偏置导通，D2、D3反向偏置截止，电流从A流经D1~R上端，再到R下端，经D4返回B。在负半周π~2π期间，D1、D4反向偏置截止，D2、D3正向偏置导通，电流从B流经D2到R上端，再到R下端，经D3返回A。可以看出，正负半周D1、D4和D2、D3轮流导通，负载R上的电流总是从上到下，交流电在负载R上变成了单向的直流电，波形见图3.1.2（b）所示。
在开关电源式充电器中，这两种整流电路都得到了应用。在市电AC/DC中用桥式整流电路，在半桥式功率变换变压器的次级用全波整流电路。整流电路之后的直流电存在纹波。称之为脉动直流，还要进一步滤去纹波，变成平滑的直流才能给电路供电。
2.滤波电路
直流电通不过电容，交流电则能通过，但是具有一定的阻力，这就是电容的容抗Xc，其大小和交流电的频率f成反比，和电容的容量C成反比：
式中π是圆周率（常取3.14），f单位赫兹（Hz），C单位法拉（F）。
由上公式可以看出，理想电容的容抗对直流电（f=0）是无穷大，而对交流成分，频率越高容抗越小。
线圈在通过交流电时，也具有一定的阻力，这就是电感的感抗XL，和交流电的频率f成正比，和电感的电感量L成正比，在忽略线圈的直流电阻时：
XL=2πfL 式中π是圆周率（常取3.14），f单位赫兹（Hz），L单位亨利（H）。
由上述公式可以看出，理想电感的感抗对直流电（f=0）是0Ω，近似直通短路，而对交流成分，频率越高感抗越大。
利用电容和电感的电抗特点，可以组成形式多样的滤波器。在滤波器电路中，通常，将电感串联在电路中，利用的是电感对交流感抗大，阻挡交流成分；而将电容并联在电路中，利用的是电容对交流容抗小，短路、旁路交流成分。一般最常见的就是电源滤波电路和电源噪声滤波电路。
图2.5.4 36v单片机无刷控制框图
图2.5.5 89c2051单片机无刷控制器
(a）单相全波整流电路
(b)单相全波整流波形图
图3.1.1单相全波整流电器
(a)桥式整流电路
(b)桥式整流波形图
图3.1.2桥式整流电路
上节整流电路之后输出的脉动直流电，理论和实践都表明，它是直流电和许多频率不同的交流电的混合物。电源滤波电路的工作原理，也可以解释为：将交流成分堵挡或旁路（短路），保留直流成分。这里堵挡就是利用电感对交流感抗大，串联在电路里阻挡交流成分；旁路就是利用电容对直流电（f=0）容抗是无穷大，而对交流成分容抗小，并联在电路里将交流成分短路入地。
(a)电容电源滤波电器
(b)RC电源滤波电路
(c)噪声滤波电路（EMI）
图3.1.3滤波电路
图3.1.3（a）所示电路就是已经介绍过的电容滤波电路。接在整流电路之后，输入脉动直流电，输出较平滑的直流电。图3.1.3（b）所示电路由电容和电阻组合，叫RC滤波电路。图中C1是容量大的电解电容，具有一定的寄生电感，其感抗的存在造成对高频成分旁路效果差些。因此，一般并联一只容量不大但寄生电感很小的高频电容C2，可以明显改善对高频滤波的效果，弥补电解电容的不足。
常用的50Hz交流市电，本来是光滑的正弦波，但是工农业生产和生活中使用的各种电器，在使用中对它造成了污染，可以看作在50Hz正弦波交流市电中，掺进了许多高频交流干扰。图3.1.3（c）所示电路就是开关电源式充电器所特有的电源噪声滤波电路，英文学名叫EMI。串联在市电和桥式整流电路之间。一方面，它阻挡了市电中的干扰窜进充电器，另一方面，它也阻挡了充电器中开关电源产生的干扰反窜回市电电网中造成电磁污染。
图3.1.3（c）中左边图的L是双线并绕在同一个磁芯上的滤波电感。电感L串联在电路中，利用其交流共模感抗大，阻挡共模高频干扰成分；电容C1、C2并联在电路中，利用其高频容抗小，短路、旁路高频干扰成分。图3.1.3（c）中右边图是左边图的改进，电容变成了四只C1、C2、C3、C4。它们的其中一端都接地，可将差模和共模的高频干扰通过电源插头的保护地，引入大地。这几只电容容量不大，但关系人身安全，要求不漏电、耐压高。
3.防浪涌电路
开关电源式充电器中，在市电桥式整流电路后面，几乎接有电容滤波电路。滤波电容两端的电压通电为0V，加电瞬间，电容两端的电压不能跳变，相当于短路，电流极大。这个冲击电流，叫浪涌电流，极易损坏整流管等元件，为了保护它们，在电路里串联一只负温度系数的热敏电阻。见图3.1.4（b）所示。
(a)负温度系数电阻NTC特性曲线
(b)使用负温度系数热敏电阻的防浪涌电路
图3.1.4使用负温度系数热敏电阻的防浪涌电路
大多数导电材料的电阻具有正温度系数，也就是随温度上升，电阻值上升，但是这种变化微不足道。这里讲的热敏电阻是有明显正温度系数（PTC）或负温度系数的（NTC）的电阻。
在充电器里广泛使用的是负温度系数电阻，其特性见图3.1.4（a）所示。在室温下，通电前，它仅有5~10Ω电阻值，当有电流通过时，温度会上升，其电阻会减小。这种负温度系数电阻串联在充电器的市电输入电路里，加电瞬间，室温下5~10Ω电阻的串联大大降低了浪涌电流，随通电时间增加，NTC温度升高，其电阻值下降接近0Ω，但为了维持电阻发热，需要保持一个非常小的电阻，这个小电阻对电路功率影响很小。因此，这种简单有效的防浪涌电路被广泛应用在开关电源式的充电器中。
热敏电阻在原理图的代号是Rt，在实际使用中无正负极之分。
在桥式整流电路的二极管上并联小电容，对二极管也有抗浪涌保护作用。
4.防市电过压电路
充电器还使用一种压敏电阻作市电输入过压保护，这种电阻两端电压没有超过保护值时，阻值呈现无穷大。但是当两端电压超过保护启动电压时，其电阻值急骤下降，接近短路。压敏电阻并联在充电器的市电输入电路中，在市电低于240~250V时，它的阻值接近无穷大，当市电高于保护值时，其电阻值接近0Ω，将市电输入短路，造成保险管熔断，从而切断电源，起到过压保护作用。压敏电阻在原理图中的代号是Rv，在实际使用中无正负极之分，特性和应用见图3.1.5所示。
压敏电阻启动电压的测量可用摇表和电压表配合进行，具体方法见第五篇。
5.负脉冲充电电路
美国人麦斯在上世纪第二届国际电动车辆会议上，提出了关于蓄电池充电的三个定律，成为脉冲充电、快速充电技术的基础。世界公认：脉冲充电间隙短暂放电，可以去极化、增加极板接受能力，还可以降低充电温度。近年来，国人在这些应用领域搞得热火朝天，将快速充电采用的放电技术叫做负脉冲充电，实际就是充电过程中，每秒（1000ms）使电瓶放电1~2ms。
图3.1.6所示是浙江天能为该厂电池配套的负脉冲充电电路部分。Q6导通，将电瓶短路，电瓶放电。Q6截止，电瓶恢复充电。Q6的导通和截止受多谐振荡器和IC3的C联合控制，Q5是Q6的驱动。Q5和Q6是直接耦合，俗称达林顿。多谐振荡器也是矩形波振荡器，后面将有工作原理介绍。
上述充电器在放电时，并没有断开充电电路，为了保护充电部分，串联了电感，利用了电感里的电流不能突变这一点。更先进的充电器每次放电前，首先断开充电电路，36121型充电器就是其中之一，使用了单片机控制器，整机电路将在后面介绍。
6.单向可控硅及其应用
可控硅学名叫晶闸管，又叫可控整流器。有双向和单向可控硅两大类。有的充电器中采用了5A以下的单向可控硅，在下例千鹤充电器中，可控硅当作充电开关使用；在捷安特一款充电器中，组成过压保护电路，超过46V即关闭PWM。
单向可控硅在电路图中的代号为SCR，图3.1.7（a）所示是常用单向可控硅外形，图3.1.7（b）所示是在电路图中的符号。单向可控硅有三个电极：控制极G、阳极A、阴极K。控制极G和阴极K之间相当于一个PN结。单向可控硅相当于一个无触点开关，其G极加有一个相对于阴极为正的脉冲时，可控硅导通。单向可控硅导通后，去掉触发正脉冲，仍然保持导通。关断的方法就是使流经可控硅的电流小于其维持电流，如AK两端的电压降低到近于0V，或者反过来使电位A负K正。图3.1.7（d）所示是在千鹤充电器中的应用电路，两端加的是脉冲直流电，过零自然关断。
可控硅的主要技术参数有：
（1）额定通态平均电流IT，在一定条件下，阳极、阴极间可以连续通过的50Hz正弦半波电流的平均值。
（2）正向阻断峰值电压VPF，在控制极开路未加触发信号，阳极正向电压还未超过导通电压时，可以重复加在可控硅两端的正向峰值电压。可控硅承受的正向电压峰值，不能超过手册给出的这个参数值。
（3）反向阻断值电压VPR，当可控硅加反向电压，处于反向关断状态时，可以重复加在可控硅两端的反向峰值电压。使用时，不能超过手册给出的这个参数值。
（4）控制极触发电流Ig、触发电压VGT在规定的环境温度下，阳极、阴极间加有一定电压时，可控硅从关断状态转为导通状态所需要的最小控制极电流和电压。
（5）维持电流Ih，在规定温度下，控制极断路，维持可控硅导通所必需的最小阳极正向电流。
图3.1.7（d）所示画出了千鹤充电器中和可控硅相关的电路。单向可控硅SCR1作为充电开关，它导通时为电瓶充电，这个充电器为100Hz脉冲充电器。
充电开关控制由DW3、T1、T2组成，在馒头形的100Hz脉冲直流电的每个周期，V+电位上升到DW3反向击穿时，V+经D4、R20、R21、DW3使T2导通，进而使T1导通，V+经T1、D2使SCR1导通，在V+电位高于电瓶电压时，V+对电瓶充电。但是，如果将R20和R21结合部接地，V+电位再高，DW3、T2、T1、SCR也不会导通。保护电路和充电停就是利用将R20和R21结合部电位拉低实现关闭充电输出。
由于供电电源是桥式整流输出的馒头形100Hz脉动直流电，过零时可控硅关断，充电电流波形如图3.1.7（d）所示。
7.全桥和半桥式开关电源的DC/AC功率转换
开关电源的优点是：比串联式稳压器效率高省电；PWM频率高达几十千赫；变压器、电感的体积重量可以做得很小，节省铜材钢材；保护电路动作时间可以做到小于半导体元件的热（也叫焦耳）损坏时间。
功率转换部分由变压器进行能量转换和传递，是个关键部位。由于变压器能对交流电进行电能传递，对直流电则需要通过开关将通过初级绕组的电流大小和方向进行不断变换这就是开关电源名字的来历。图3.1.8给出了常用的全桥和半桥式开关电源的工作过程，图中V为直流电源；L1为变压器的初级绕组，L2为次级绕组；K是开关，实际电路中K是功率开关管；箭头是电流方向。
图3.1.8（a）是全桥式的，成本高，市场上不多见。图3.1.8（b）是充电器半桥式开关电源主流电路，本文介绍的半桥式充电器就属于这类。
开关电源中开关管导通时间长，传输电能多，次级绕组的输出电压高，电流就相应大。用PWM控制功率开关管，就可以改变次级绕组输出电压和电流。加上闭环反馈就可以稳定电压、电流或限制功率 （待续） | 
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