采用LM339電動(dòng)自行車有刷電機(jī)控制器的制作

對(duì)于有刷直流電機(jī)控制器，由于電機(jī)工作的額定電壓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、還有使用單片機(jī)PIC16C58B控制的，等等。但萬變不離其宗，這類控制器一般都由鋸齒波振蕩電路、PWM脈沖調(diào)制電路、PWM脈沖功率放大電路、速度調(diào)節(jié)控制電路、制動(dòng)控制電路、過流保護(hù)電路、欠電壓保護(hù)電路等組成。其原理框圖如下圖所示。

這里介紹一款最常見的使用單片LM339控制的電動(dòng)自行車有刷電機(jī)控制器，其電路原理如下圖所示。該線路設(shè)定不同的欠壓控制值，可用于36V或48V額定工作電壓的有刷直流電機(jī)控制。

1．鋸齒波振蕩電路

鋸齒波振蕩電路是LM339比較器功能的典型應(yīng)用電路之一，其電路原理如下圖所示。

圖中IC同相輸入端由電阻R3和R4分壓提供參考電位，R1和C1串聯(lián)電路的中間連接點(diǎn)與IC的反相輸入端連接，R2和C2串聯(lián)電路的中間連接點(diǎn)與IC的輸出端連接，輸出端與反相輸入端接有二極管D1。在電路上電后，由于電容C1兩端的電壓不能突變，故IC反相端為低電平，比較器的輸出端呈高電平。該電壓通過電阻R2使同相端的參考電壓升高。隨著電容C1通過電阻R1充電的進(jìn)行，使C1兩端的電位逐漸升高。

當(dāng)比較器反相端的電位高于其同相端的電位時(shí)，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出端呈低電平。輸出端的低電平一方面通過電阻R2使同相端的參考電位降低，另一方面使電容C1通過二極管D1進(jìn)行放電。隨著C1放電的進(jìn)行，其兩端的電壓逐步降低，當(dāng)?shù)陀诒容^器同相端的電壓時(shí)，比較器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，依次循環(huán)進(jìn)入振蕩狀態(tài)。這樣便在電容Cl兩端產(chǎn)生鋸齒波脈沖信號(hào)，鋸齒波的上升時(shí)間就是電容C1的充電時(shí)間，鋸齒波的下降時(shí)間就是電容C1的放電時(shí)間。

2．脈沖寬度調(diào)制

脈沖寬度調(diào)整實(shí)質(zhì)上也是通過比較器來實(shí)現(xiàn)的。把一比較器的反相輸入端接一個(gè)鋸齒波脈沖，在其同相輸入端的電位逐漸升高/降低變化時(shí)，比較器的輸出端就會(huì)得到一個(gè)脈沖寬度變化的矩形脈沖。若同相輸入端固定在某個(gè)電位上時(shí)，當(dāng)反相輸入端鋸齒波的電位低于同相端時(shí)，輸出端是高電位；當(dāng)反相輸入端鋸齒波的電位高于同相端時(shí)，輸出是低電位，其波形如下圖所示。

3．電路工作原理

電路中， 由ICIA、 電阻R9、R10、R11、R12、R13、電容C4、二極管D6組成鋸齒波產(chǎn)生電路，在ICIA的④腳輸出鋸齒波。PWM調(diào)制實(shí)質(zhì)上也是一個(gè)比較器，ICIB⑦腳上的電壓與⑥的鋸齒波電壓相比較，當(dāng)⑥腳電壓高于⑦腳電壓后，比較器輸出端①腳變低電平。⑥腳電壓低于⑦腳電壓后，比較器輸出端①腳變高電平。因此改變⑦腳上電平就能在①腳上得到不同占空比的方波。該方波通過互補(bǔ)放大去驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管，控制電機(jī)兩端的電壓。當(dāng)脈沖方波的周期固定時(shí)，加在電機(jī)上的方波維持高電平的寬度越大，其得到的平均電壓越高，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就越快。圖4中波形2的平均電壓要比波形1的高。ICIB⑦腳上的電壓分別有調(diào)速車把、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)控制。當(dāng)電池電壓降低，使ICIC⑨腳的電平低于其⑧腳電平時(shí)，比較器ICIC發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出端(14)腳呈低電平，鎖住PWM調(diào)制。同樣當(dāng)電機(jī)電流過大，使ICID(11)腳的電平低于其⑩腳電平時(shí)，比較器ICID發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出端(13)腳呈低電平，鎖住PWM調(diào)制。在PWM未被ICIC和ICID鎖住的情況下，ICIB⑦腳上的電壓由調(diào)速車把控制。轉(zhuǎn)動(dòng)車把，速度信號(hào)電壓升高，加在電機(jī)上的電壓也升高，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快。反之，電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢。

原理圖所示線路作為額定電壓為36V的電動(dòng)車有刷電機(jī)控制時(shí)，調(diào)速控制電壓為1.1V～4.2V，限流值為15A±1A，欠壓保護(hù)值為31.5V，制動(dòng)控制為低電平。

二、元器件選擇

原理圖中所有的元器件都是常規(guī)的，其中電阻R20采用中1mm表1控制器材料清單的康銅絲約2cm長。圖中剎車開關(guān)和調(diào)速車把未列出。調(diào)速車把是一個(gè)霍爾傳感器，有三根引出線，其中兩根是電源的正/負(fù)極，另一根是信號(hào)（電壓）輸出。若讀者手頭沒有，且一時(shí)買不到時(shí)可用-4.7kΩ碳膜電位器代替。剎車開關(guān)可用微動(dòng)開關(guān)代之，或直接引出兩根導(dǎo)線，調(diào)試時(shí)將其短接即可。

三、安裝調(diào)試

1．安裝

根據(jù)電路原理繪制的印刷電路板如下圖(a)（略）所示，元器件布置如下圖(b) （略）所示。

元器件焊接時(shí)，先焊電阻、電容，再焊二極管、三極管、集成電路，最后焊引出線。其中電阻R5和R16暫時(shí)不必焊上，待調(diào)試時(shí)再調(diào)整。焊接完成后的控制板實(shí)物如下圖（略）所示。圖中粗紅線接電池正極、粗黑線接電池負(fù)極，粗黃線接電機(jī)正極、粗綠線接電機(jī)負(fù)極，細(xì)黃線和細(xì)黑線接制動(dòng)開關(guān)常開觸頭，細(xì)綠線（電源+）、細(xì)黑線（電源-）、細(xì)灰線（調(diào)速信號(hào)）分別接調(diào)速車把的。

2．調(diào)試

測試時(shí)控制器與電池、電機(jī)。調(diào)速車把、制動(dòng)開關(guān)的連接示意如下圖（略）所示。圖中剎車開關(guān)用一微動(dòng)開關(guān)代替。若讀者手頭沒有調(diào)速車把，可用-4.7k電位器代之，只要將電位器的中心抽頭與調(diào)速信號(hào)線相連，余下兩端分別接調(diào)速電源的正/負(fù)極即可。

(1)欠壓保護(hù)值整定

取一只68k電位器，阻值調(diào)至最大，焊出中間和邊上兩個(gè)引線，接在圖2中R5的位置。將圖8中的蓄電池用一可調(diào)穩(wěn)壓電源代替，初始時(shí)輸出電壓調(diào)至36V或48V。讓電機(jī)空載，轉(zhuǎn)動(dòng)車把（可用-4.7k電位器代），使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)為止。接著調(diào)低穩(wěn)壓電源輸出電壓，調(diào)至31.5V或42V，再調(diào)節(jié)68k電位器，直到電機(jī)正好停轉(zhuǎn)為止。

斷開電源，拆下68k電位器，測量出其電阻，用一阻值接近的固定電阻焊上。欠壓保護(hù)整定完畢。

(2)過電流保護(hù)值整定

同樣取一只68k電位器，阻值調(diào)至最大，焊出中間和邊上兩個(gè)引線，接在R16的位置。

將電機(jī)用一斷電阻絲取代，作為負(fù)載。

調(diào)節(jié)車把使電壓表指示最大，降低負(fù)載逐漸使輸出電流增大（注意功率管的溫度和散熱），直到15A為止，再調(diào)節(jié)68k電位器，直到電機(jī)正好停轉(zhuǎn)為止。斷開電源，拆下68k電位器，測量出其電阻，用一阻值接近的固定電阻焊上。過流保護(hù)整定完畢。

調(diào)試時(shí)用示波器測得IC1⑥腳的鋸齒波波形如下圖(a)所示，電機(jī)兩端的電壓波形如下圖(b)和(c)所示。