下面我们分别对有刷控制器和无刷控制器的电路做简要的分析。

1.有刷控制器的电路图解

电动自行车的有刷控制器一般包含稳压电源电路、调速控制信号放大电路、PWM电路、功率场效应晶体管变换输出电路、欠电压保护电路、过电流/限电流保护电路等。

典型有刷控制器的电路如图4-31所示。

图4-31 典型有刷控制器的电路图

（1）稳压电源电路

稳压电源电路主要是为控制器内部的电子组件或者电路提供工作电压，一般是低于36V的直流电压，即5V、12V等，因此内部稳压电路有采用电阻限流、三端稳压器稳压的，有采用电阻限流稳压二极管稳压的，有采用电阻限流降压的等多种电路形式或结构，还有的采用DC-DC开关电源型。

1）采用三端稳压器稳压。常用的三端稳压集成电路有7805（78105）、7806、7812、7815。它们的输出电压分别为5V、6V、12V和15V等4种。

①78××系列三端稳压集成电路。图4-32所示为78××系列三端稳压集成电路。

图4-32 78××系列三端稳压集成电路

图4-32中，R为降压限流电阻、C₁、C₂为滤波电容。内部电源输出的5V、6V电源，主要为调速转把中的霍尔组件提供电源，或为电子闸把中霍尔组件提供5V电源。7812、7815输出电压分别为12V、15V，为控制器内部集成电路、驱动电路供电。有的电子闸把中霍尔组件由12V或15V电源供电。

②TL431精密稳压器稳压。由TL431提供稳定电压的电路，如图4-33所示。R₃、R₄分压决定输出电压V_o。R4两端电压为2.5V，在电动自行车控制器中常用5V稳压电源。

2）采用稳压二极管稳压。如图4-34所示，一般常用稳压管VS稳压值为5V、12V或15V，功率为1W。

图4-33 TL431精密稳压器

图4-34 稳压二极管稳压电路

（2）PWM电路

主芯片的主要功能是把调速转把、闸把及欠电压保护电路、过电流保护电路的信号经内部电路放大、转换处理后，输出相应的信号以控制场效应晶体管的导通或截止。

脉宽调制PWM芯片输入两个信号：一是幅度不变的三角波，二是调速转把的调速输入电压。PWM芯片输出相应脉冲宽度加到驱动电路来控制功率开关管的导通。

PWM电路往往采用PWM集成电路为核心组成，主要是根据调速手柄的输入电压，控制输出相应脉冲宽度的方波，该方波再输送到驱动整形电路。驱动整形电路一般由MOS管组成，把PWM信号整形后再送到开关电路，去控制控制电路的导通时间与关闭时间，从而控制电动机。开关电路的引线与电动机另一引线相连。

电动机驱动电路如图4-35所示。

图4-35 电动机驱动电路

该电路是由U₁的2脚（来自调速手柄的可变电压）与1脚电压比较（1、2脚图中未标注），8脚输出PWM脉冲，8脚脉冲宽度受2脚电压影响，一般是2脚电压越低，则8脚脉冲宽度越宽。8脚脉冲经过VT₁、VT₂对PWM信号放大，VT₃为开关控制，然后共同作用在电动机上，实现对电动机转速的控制驱动。VD₁是续流二极管，主要起到保护电动机的作用。

（3）驱动电路

驱动电路把主芯片输出的微弱驱动脉冲电压加以放大，然后加到场效应晶体管的栅极，使功率管良好地饱和导通，有刷电动机控制器的驱动器电路采用推挽放大器构成。

控制器的功率开关管是电压控制型VDMOS，对驱动电路的输出功率比双极型的晶体管要小。图4-36给出了常见的两种驱动电路。

如图4-36a所示，为控制器中广泛应用的互补推挽式（图腾柱式）放大器。上面为是一只NPN管，下面是一只PNP管。两只管子的基极直接相连，接输入信号，发射极也直接相连，做输出。

如图4-36b所示，为TL494内部的PWM输出信号，由内部输出级NPN管发射极e输出。内部接成了射极跟随器，输出电流很强，经R₁、VD直到VDMOS的栅极。在输出正脉冲时，VT₂发射结反偏截止，VDMOS管导通；当正脉冲结束低电平到来时，VD反偏截止。VT₂发射结正偏导通，迅速将VDMOS管栅极的残余电荷放掉，加快了它的截止。供电是18V，VS是10～12V稳压管，保护功率管栅极不被击穿，R₂是VT₂的基极电阻。

（4）输出电路

控制器的输出功率管一般使用功率场效应晶体管，它的栅极得到驱动电压后饱和导通。最少的是1只，最多的是5只并联使用，一般采用2只。它相当于一个电子开关，导通时相当于开关闭合，接通电动机工作电源，电动机得电而转动。场效应晶体管截止时，相当于关切断电动机工作电源，电动机断电而停转。

有刷控制器功率变换输出电路如图4-37所示。

图4-37中，VT₁、VT₂为互补推挽驱动电路，R为防振电阻。MOS场效应晶体管输入阻抗非常高，栅极很容易感应干扰信号而自激，接入R可以防止MOS场效应晶体管栅极自激。

图4-36 两种VDMOS驱动电路

a）互补推挽式驱动电路 b）TL494内部的PWM驱动电路

当VF导通时，脉宽控制芯片输出的驱动信号接两只共基极驱动推挽管，驱动电推挽管VT₁是NPN型，VT₂是PNP型。两只推挽管VT₁、VT₂的基极相连接入脉宽控制芯片。VT₁、VT₂的发射极也连接在一起并接在功率管VF的控制栅极。

推挽管的工作原理是：当PWM芯片输出为高电平时，推挽管VT₁导通，VT₂截止；当PWM输出为低电平时，推挽管VT₂导通，VT₁截止，这样VT₁和VT₂两管轮流导通其间存在一定的死区，其主要原因是VT₁和VT₂的发射极没有接特定的偏置电压。

硅管的发射极死区电压为0.6V左右，锗管的发射极死区电压为0.3V左右。

图4-37 有刷控制器功率变换输出电路

（5）保护电路

保护电路实现的功能如下。

1）限电流保护。限电流保护（或过电流保护）电路如图4-38所示。其作用是对控制器输出的最大电流进行限制，以保护蓄电池、控制器的功率管、电动机等不会出现允许范围以上的大电流而损坏。

图4-38 限电流保护电路

图4-38所示的限电流保护电路由取样电阻R_S、运算放大器N及参考电压分压电阻R₁、R₂组成，有刷电动机控制器中R_S接场效应晶体管源极与地之间。R_S采样电阻一般取值0.01Ω/5W，取值过大则控制器功率消耗过多，输出功率减小；取值过小，则起不到采样作用。

当控制器输出电流达到限流值12A（15A）时，此电压经电阻R₃送往运算放大器一端。电阻R₁和R₂对参考电压V_rf进行分压，电阻R₂上分得的电压为V_R2，此电压送往运算放大器另一端。由运算放大器对V_RS和V_R2进行比较，如果V_RS﹥V_R2运算放大器N输出控制信号，控制信号使PWM电路输出脉宽变窄，输出电压下降，从而使输出电流减小；当电流超过限流值时，运算放大器输出保护信号，使PWM电路停止输出功率，场效应晶体管关闭，起到保护控制器和蓄电池的作用。

2）欠电压保护。欠电压保护电路在蓄电池电压降低到控制器设定值以下时，停止PWM芯片信号的输出，以保护蓄电池不至于在低电压情况下放电，其电路如图4-39所示。

图4-39中，36V电压通过VS、R₁、RP、R₂采样，与R₃、R₄参考电压分压进行比较，当蓄电池电压大于31.5V时，比较器无输出信号，不影响控制器正常工作；当蓄电池电压小于31.5V时，比较器翻转，输出信号关断场效应晶体管以保护电池和控制器，避免蓄电池过放电，造成蓄电池过早损坏，并防止低压时电动机电流过大而烧坏控制器。

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图4-39 欠电压保护电路

3）过载保护。过载保护和限电流保护是相同的。载重超限必然引起电流超限，首先烧毁开关功率管，只要无刷控制器功率烧毁一只，变成两相供电后，电动机运转变得无力，骑行者立即可以感应到脉动异常；如继续骑行，接着就烧毁第2个、第3个功率管。有两相功率管不工作，电动机即停止运行，有刷电动机则失去控制功能。但只要有过电流保护，载重超限后电路自动切断电源，可以避免因超载造成的损失。

4）限速保护。这是助力型电动自行车独有的控制程序。车速超过某一预定值时，电路停止供电不予助力。对电动型电动自行车而言，统一规定车速为20km/h。车用电动机在设计时，额定转速就已经设定好了，控制电路也已经设好。电动自行车只能在不超过这个速度状态下运行。

5）欠速保护。这是为不具备零速起步功能的无刷控制系统而设置的，当车速没有达到规定的速度时，电路拒绝供电。

（6）电量显示

为便于用户了解蓄电池的能量情况，设置了电量显示电路。

（7）防“飞车”电路

在电源与电动机间串接继电器，如果有“飞车”现象，控制器输出控制信号加到继电器上切断电源与电动机的供电电路。如果电动机不“飞车”，霍尔组件将检测不到异常“飞车”信号，控制器不会切断电源与电动机的供电通路，电动机会受调速转把控制而正常旋转。

2.智能有刷控制器的电路分析

智能型有刷控制器利用数字技术、PWM控制技术，采用单片机控制和管理电动自行车整车的电器部件，实现控制器的智能化和人性化，具有极高的可靠性，对全车电器自动检测且自动保护，特别是能实现输出端直接短路保护功能，提供整车“助力”（助力比为1∶1、1∶2、1∶3）、“电动”、“自动巡航定速”3种骑行模式。如和与之配套的系列仪表板结合能显示出各种功能状态，助力时具备防反转功能。

3.无刷控制器电路分析

无刷电动机控制器和有刷电动机控制器有些电路及功能相似，如都有内部电源电路，PWM电路和振荡器，欠电压、过电流保护电路等。而有些电路功能虽相似，但电路组成却不同，如驱动电路、输出电路。

（1）无刷控制器与有刷控制器的主要差别

1）输入多了一个转子位置信号，这是3个霍尔传感器送来的，由它们来决定6个输出驱动信号的相序。

2）输出是三相的共6个驱动信号，这6个信号严格按一定时序排列，分别对应6只三相桥式功率开关管。

3）只对6个信号中的3个进行脉宽调制（PWM），一般调制低端驱动。

（2）无刷控制器控制电路的组成

直流无刷电动机控制器控制电路一般包含：

1）内部电源电路；

2）位置信号检测放大电路；

3）PWM电路；

4）三相逻辑信号形成电路（包括上臂驱动逻辑信号产生电路、下臂驱动逻辑信号产生电路及脉宽调制信号综合电路）；

5）锯齿波振荡器；

6）制动断电电路；

7）A相、B相及C相预驱动电路；

8）三相桥式功率场效应晶体管开关电路；

9）欠电压保护电路；

10）过电流保护电路。

（3）无刷控制器的基本电路

如图4-40所示，为典型无刷控制器的基本电路。

（1）内部电源电路

无刷电动机控制器内部电源电路与有刷电动机控制器电源电路相似，为三相六拍激励脉冲形成及控制电路、驱动电路、调速控制电路等供电。一般由7815、LM317等构成。

（2）位置信号处理电路

无刷电动机控制器位置信号处理电路，先对无刷电动机中位置传感器产生的位置信号进行放大、整形，形成具有一定时序的三相逻辑信号。当改变三相信号时序时，就可以改变电动机转向。

（3）PWM电路

图4-40 典型无刷控制器的基本电路

PWM电路根据无刷电动机的位置霍尔检测元件输入的信号，主芯片产生三相驱动电路所需的驱动电压，使三相驱动电路轮换工作。主芯片还能把调速转把、闸把及欠电压保护电压、限电流保护电路的输入控制信号经内部相关电路处理后输出不同的控制信号。

（4）位置检测电路和三相逻辑信号形成电路

放大整形后的位置信号分别送到三相上臂驱动信号形成电路和三相下臂驱动信号形成电路中，产生三相桥式上臂驱动信号和三相桥式下臂驱动信号。

（5）振荡电路

振荡电路由振荡器、定时电阻R_T、电容C_T构成。由振荡电路产生的锯齿波与调速信号送到比较器中，通过比较器、产生PWM信号，送入三相桥式下臂驱动信号形成电路中，与位置逻辑信号综合，最后对三相桥式输出电路下臂场效应晶体管进行调制，完成无刷电机转速控制。

（6）制动断电电路

闸把产生的制动信号送到控制器中，加到停止引脚上，通过逻辑电路处理，关断上、下臂逻辑信号输出，实现制动断电。

（7）驱动电路

无刷控制器根据电动机的需要设置有3个相同的驱动电路，驱动电路将主芯片输出的脉冲信号加以整形、放大后提供给输出级的功率管。由6只场效应晶体管接成三相桥式全控制电子开关构成逆变输出电路，完成电子换相。

由于上面3个臂的输出管的驱动电压高于电源电压，因而驱动电路还设计了升压电路。

（8）三相场效应晶体管输出电路

无刷电动机控制器场效应晶体管输出电路，由6个相同的大电流功率管组成，它的导通和截止在时间和相位上是有先后顺序的，否则电动机不能转动。

（9）欠电压保护电路

该电路主要是为防止蓄电池在低压下出现过放电现象而设计的。当蓄电池端电压下降到控制器设定值时欠电压保护电路工作，并且将检测信号加到主芯片内部。当主芯片内部电路检测到保护信号时，主芯片切断驱动信号，输出功率管因得不到驱动激励电压而不工作，从而保护蓄电池不在低电压下放电。

（10）过电流保护电路

该电路主要在控制器输出大电流时进行控制，即保护蓄电池、控制器、电动机在安全范围内工作。当电动机负载加重时，功率管的输出电流增大，此时欠电流电阻上的电压随功率管电流的增大而升高。当该电压加到主芯片上时主芯片检测到该电压，控制功率管的导通时间，使功率管不在大电流下工作。