采用LM339電動自行車有刷電機控制器的制作

對于有刷直流電機控制器，由于電機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脈沖調制電路、PWM脈沖功率放大電路、速度調節控制電路、制動控制電路、過流保護電路、欠電壓保護電路等組成。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控制的電動自行車有刷電機控制器，其電路原理如下圖所示。該線路設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串聯電路的中間連接點與IC的反相輸入端連接，R2和C2串聯電路的中間連接點與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充電的進行，使C1兩端的電位逐漸升高。

當比較器反相端的電位高于其同相端的電位時，比較器發生翻轉，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進行放電。隨著C1放電的進行，其兩端的電壓逐步降低，當低于比較器同相端的電壓時，比較器又發生翻轉，依次循環進入振蕩狀態。這樣便在電容Cl兩端產生鋸齒波脈沖信號，鋸齒波的上升時間就是電容C1的充電時間，鋸齒波的下降時間就是電容C1的放電時間。

2．脈沖寬度調制

脈沖寬度調整實質上也是通過比較器來實現的。把一比較器的反相輸入端接一個鋸齒波脈沖，在其同相輸入端的電位逐漸升高/降低變化時，比較器的輸出端就會得到一個脈沖寬度變化的矩形脈沖。若同相輸入端固定在某個電位上時，當反相輸入端鋸齒波的電位低于同相端時，輸出端是高電位；當反相輸入端鋸齒波的電位高于同相端時，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組成鋸齒波產生電路，在ICIA的④腳輸出鋸齒波。PWM調制實質上也是一個比較器，ICIB⑦腳上的電壓與⑥的鋸齒波電壓相比較，當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。該方波通過互補放大去驅動MOSFET功率管，控制電機兩端的電壓。當脈沖方波的周期固定時，加在電機上的方波維持高電平的寬度越大，其得到的平均電壓越高，電機的旋轉速度就越快。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速車把、過流保護、欠壓保護控制。當電池電壓降低，使ICIC⑨腳的電平低于其⑧腳電平時，比較器ICIC發生翻轉，輸出端(14)腳呈低電平，鎖住PWM調制。同樣當電機電流過大，使ICID(11)腳的電平低于其⑩腳電平時，比較器ICID發生翻轉，輸出端(13)腳呈低電平，鎖住PWM調制。在PWM未被ICIC和ICID鎖住的情況下，ICIB⑦腳上的電壓由調速車把控制。轉動車把，速度信號電壓升高，加在電機上的電壓也升高，電機轉速加快。反之，電機轉速減慢。

原理圖所示線路作為額定電壓為36V的電動車有刷電機控制時，調速控制電壓為1.1V～4.2V，限流值為15A±1A，欠壓保護值為31.5V，制動控制為低電平。

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。圖中剎車開關和調速車把未列出。調速車把是一個霍爾傳感器，有三根引出線，其中兩根是電源的正/負極，另一根是信號（電壓）輸出。若讀者手頭沒有，且一時買不到時可用-4.7kΩ碳膜電位器代替。剎車開關可用微動開關代之，或直接引出兩根導線，調試時將其短接即可。

三、安裝調試

1．安裝

根據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，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暫時不必焊上，待調試時再調整。焊接完成后的控制板實物如下圖（略）所示。圖中粗紅線接電池正極、粗黑線接電池負極，粗黃線接電機正極、粗綠線接電機負極，細黃線和細黑線接制動開關常開觸頭，細綠線（電源+）、細黑線（電源-）、細灰線（調速信號）分別接調速車把的。

2．調試

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

(1)欠壓保護值整定

取一只68k電位器，阻值調至最大，焊出中間和邊上兩個引線，接在圖2中R5的位置。將圖8中的蓄電池用一可調穩壓電源代替，初始時輸出電壓調至36V或48V。讓電機空載，轉動車把（可用-4.7k電位器代），使電機轉動為止。接著調低穩壓電源輸出電壓，調至31.5V或42V，再調節68k電位器，直到電機正好停轉為止。

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。欠壓保護整定完畢。

(2)過電流保護值整定

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

將電機用一斷電阻絲取代，作為負載。

調節車把使電壓表指示最大，降低負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，再調節68k電位器，直到電機正好停轉為止。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。過流保護整定完畢。

調試時用示波器測得IC1⑥腳的鋸齒波波形如下圖(a)所示，電機兩端的電壓波形如下圖(b)和(c)所示。