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1、详解电动车控制器结构原理与维修之欧阳术创编详解电动车控制器结构原理与维修时间：2021.02.02创作：欧阳术控制器的结构与原理（一）控制器的组成与工作原理 1有刷控制器的结构与工作原理 电动自行车的控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动车整车中的核心部件。它的主要作用是控制电动机的转速。控制器和调速转把配合，控制电动机的转速，能随刹车开关的闭合使电动机断电。并通过仪表控制线路，使仪表显示电源电压、欠压及行驶里程。另外控制器还加入其他功能，例如定速巡航、零启动、反充电（能量再生）、行车里程计算与显示、电制动和智能助力控制，以及各种状态的指示功能等。 控制器的工作是由脉冲信号控制功率管的开启和关

2、闭时间，决定电动机换向的顺序和时间，从而决定电动机的转向和转速。 目前电动自行车的控制器，无论是有刷的还是无刷的，普遍采用脉宽调速（PWM）方式，控制器内部必须具有PWM发生器电路、电源电路、功率器件、功率器件驱动电路、控制部件（转把、闸把、电动机霍尔等）信号的采集与处理电路、过电流与欠电压等保护电路。 （1）有刷控制器的结构 有刷控制器的外形如图1所示。有刷控制器的内部主要由集成电路和外围元器件组成。有刷控制器的内部结构如图2所示。 （2）控制器的工作原理有刷控制器的工作原理如图3所示。 1）放电电路 该电路的主要功能是把蓄电池电压经限流电阻器，由稳压集成电路稳压后向控制器输出其内部电路所需

3、要的正常工作电压，如12 V、15V和18V等，然后12V电压再经三端稳压集成电路7805或主芯片内部5V稳压电路输出5V电压，供给外接元器件（转把和闸把）作为电源电压。在实际电路中，转把有5V或6. 25V供电电压，而闸把有5V、12V、15V、18V等几种供电电压。 2）欠电压保护电路 当蓄电池电压降低到设定值以下时，控制器保护电路检测到此信号并反馈到主芯片，主芯片切断输出控制信号，使电动机得不到供电电压而停转，从而保护蓄电池不出现低电压过放电现象。 3）限电流保护电路 当电动机异常或其他原因造成场效应晶体管电流增大时，限电流保护电阻上的电压相应升高，该升高电压加到主芯片控制电路而使主芯片

4、内部逻辑电路动作，切断输出驱动信号，场效应晶体管因无驱动电压而截止，电路得到保护。 4）驱动电路 驱动电路是把主芯片输出的微弱驱动脉冲电压加以放大，加到场效应晶体管的栅极，使其达到良好的饱和状态而导通。 5）输出电路 控制器的输出功率管一般使用场效应晶体管，它的栅极得到驱动后，场效应晶体管饱和导通。它相当于一个电子开关，导通时相当于开关闭合，接通电动机的工作电源，电动机得到电而转动。场效应晶体管截止时，相当于切断电动机工作电源，电动机失电而停转。 6）集成电路 集成电路的主要功能是把转把、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，控制场效应晶体管的导

5、通或截止。 （3）有刷控制器的外部连接线 普通型有刷控制器与外部件的连接线一般有9根引线，分别是电源正负极引线2根、转把引线3根、闸把引线2根和电动机引线2根。智能型有刷控制器还有3根助力器引线。普通型有刷控制器的外部连接线如图4所示。 36V有刷控制器与外部连接，如图5所示。2无刷控制器的结构与工作原理 无刷控制器的工作原理如图6所示。 （1）稳压电路 控制器内部稳压电路将蓄电池电压经限流电阻器、三端稳压集成电路稳定成12V、15V和18V，根据电路所需电压，分别供主芯片、三相驱动电路及欠电压保护电路作为正常时的工作电压。 （2）主芯片集成电路 该电路的主要功能如下。 1.输出5V电压供外接

6、转把、闸把作为电源电压。 2.根据无刷电动机的状态，霍尔检测元件检测到的信号对三相驱动电路产生相应驱动电压，使三相驱动电路轮换工作。 3.集成电路还将转把、闸把及欠电压保护电路、限流保护电路的输入控制信号经内部相关电路输出不同的控制信号。 （3）驱动电路 无刷控制器根据电动机的需要设置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。除此之外，由于驱动电压高于电源电压，因此驱动电路应包含升压电路。（4）输出电路 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。（5）欠电压保护电路 该电路主要是为防止蓄电

7、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，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不到保护信号时，主芯片切断驱动信号，输出功率管因得不到驱动励磁电压而不工作，从而保护蓄电池不在低电压下放电。（6）限流保护 该电路主要对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，此时限流电阻器上的电压随功率管的电流增大而升高，当该电压加到主芯片时，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。 小提示 无刷无霍尔控制器与无刷自学习控制器 （1）无刷无霍尔控制器 现在有

8、一种改良的无刷控制器不需要霍尔元件也可以感受到线包在磁场中的位置信号。这样控制器到电动机的线只有三根主相位线。如果电动机反转，把任意两根线调换一下就可正转。目前这种控制器在自行车起步时的控制还不完美，一般起步时有噪声，电机会抖动，电机起步后运行平稳正常。 （2）无刷自学习控制器 目前市场还有一种称为万能自学习的无刷控制器，不分60和120相位角，把电动机和控制器连线对颜色插好，把刹车断电线接好，按照说明书的方法让控制器自学习，不需要调线就可使控制器和电动机连接线接好。 有的控制器电源线有三根，除了粗红和粗黑线外还有一根细红线。这种控制器的粗红和粗黑线直接接到电池上，不经过电门锁，但是控制器还不

9、能工作，而要让细红线经过电门锁，打开电门锁后细红线给控制器内的继电器（电子开关）一个电压信号，继电器打开后控制器才能工作。 3无刷控制器的外部引线 无刷控制器的外部引线较多，其内部电路与有刷控制器相比较复杂。无刷控制器的外部引线如图7所示。 （1）电源线 无刷控制器的电源线有3根，通常使用三芯插件，其中粗红线为电源正极线，粗黑线是电源负极线，细红色（或橙色）线是电门锁线。 （2）转把线 无刷控制器的转把线有3根，通常使用三芯白色插件，其中红线是电源5V供电线，黑线是负极线，细绿线是信号线。 （3）电动机线 无刷控制器的电动机线有8根引线，其中3根蓝（A相）、绿（B相）、黄（C相）粗线是电动机相

10、线，采用弹头形插件。另外5根引线是电动机的霍尔元件引线，采用5芯插件，分别是霍尔元件的公共电源正极红线、公共负极黑线、A相霍尔输出蓝线、B相霍尔输出绿线和C相霍尔输出黄线。 （4） 11助力线 无刷控制器的1 : 1助力线有三根，通常采用三芯小黑色插件（这样与转把插件才有区分），其中红线是电源5V供电线，黑线是负极线，绿线是信号线。 （5）低刹线 无刷控制器的低刹线有两根，通常采用二芯白色插件，其中红（或白）线是5V刹车信号线，黑线是负极线。 （6）高刹线 无刷控制器的高刹线只有一根，通常采用绿白线，二芯白色插件。 （7）仪表线 无刷控制器的仪表线只有一根，通常采用绿线，弹头插件。 小提示：

11、一般情况下，无刷电动机控制器输出引线颜色与所接器件的对应关系见表1。 无刷控制器与外部电路连接48V无刷控制器与外部电路连接如图8所示。 （4）有刷控制器电路的工作过程 当打开电源锁后仪表上得到供电，电源指示灯亮显示蓄电池电量。同时控制器也得到供电。此时，电动机不转，但是控制器输出5V电压给转把内的霍尔元件供电。 当旋转转把时，转把信号线输出14. 2V电压，此电压传递给控制器，控制器的电动机引线输出040V由低到高的直流电压给电动机线圈，电动机开始由慢到快旋转。 当手捏闸把时，控制器得到50V（低电平刹车）的刹车信号电压，断开电动机供电，电动机停止运转，起刹车断电的作用4无刷控制器电路的工作

12、过程 当打开电源锁后，仪表上得到供电，电源指示灯亮，显示蓄电池电量。同时控制器也得到供电。此时，电动机不转，但是控制器输出5V电压给转把内的霍尔元件供电。 当旋转转把时，转把信号线输出14.2V电压，此电压传递给控制器，控制器的零启动功能使电动机启动，电动机启动后，其内部的磁钢转动，使霍尔传感器产生对应的位置信号，使霍尔元件输出05V的开关信号电压，此信号传递给控制器，控制器的三相引线输出038V的由低到高的交流电压，此电压给电动机线圈，电动机开始由慢到快旋转。 当手捏闸把时，控制器得到50V（低电平刹车）的刹车信号电压，断开电动机供电，电动机停止运转，起刹车断电的作用。 5无刷控制器与电动机

13、调线 无刷电动机共有8根引线，其中3根蓝（A相）、绿（B相）、黄（C相）粗线是电动机相线（即线圈引出线）。另外5根引线是无刷电动机的霍尔元件引线，分别是霍尔元件的公共电源正极红线、公共电源负极黑线、A相霍尔输出蓝线、B相霍尔输出绿线和C相霍尔输出黄线。无刷电动机的8根引线如图9所示。 无刷电动机有线圈引线3根、霍尔引线5根，这8根引线必须和控制器相应的相线一一对应连接，电动机才能正常旋转，否则电动机不能正常转动。由于无刷电动机与无刷控制器还没有统一的生产标准，所以无刷电动机与无刷控制器的8根引线颜色对应接线后电动机也不一定会正常旋转。无刷电动机的8根引线与控制器对接示意图如图10所示。 无刷电

14、动机的电角度有两种，即60和120。60的电动机接线有两种正确的接法，一种是正转；另一种是反转。120的电动机有6种接法，3种正转；3种反转。在电角度对应的前提下，如果控制器颜色与电动机颜色对应后转动还是不正常的话，则要进行调线。无刷电动机与控制器的连接有6根引线，需对调6次，因此共有36种接法。在实际维修中，为了方便维修，通常是霍尔插头直接插上，之后调整电动机引线。以下给出6种规律接法，基本有1种能让电动机运转正常。 1.电动机线蓝色对控制器蓝色，电动机线绿色对控制器绿色，电动机线黄色对控制器黄色。 2.电动机线蓝色对控制器蓝色，电动机线绿色对控制器黄色，电动机线黄色对控制器绿色。 3.电动

15、机线黄色对控制器黄色，电动机线蓝色对控制器绿色，电动机线绿色对控制器蓝色。 4.电动机线绿色对控制器绿色，电动机线蓝色对控制器黄色，电动机线黄色对控制器蓝色。 5.电动机线蓝色对控制器黄色，电动机线黄色对控制器绿色，电动机线绿色对控制器蓝色。 6.电动机线黄色对控制器蓝色，电动机线蓝色对控制器绿色，电动机线绿色对控制器黄色。 以上接法一一试过，如果无刷电动机反转，则表明无刷控制器与无刷电动机的相角是匹配的，可以通过调整电动机与控制器的相线来调整电动机的转向，将无刷电动机与无刷控制器的霍尔引线的绿色和黄色交换接线，同时将无刷电动机与无刷控制器的主相线蓝色和黄色交换接线，见表2。 另外，需要特别说

16、明，无刷电动机的换相是由控制器来实现的，所以它的反转需要对调两组引线，见表2中箭头。需要反转时，绝对不可通过反接控制器电源来实现，这样会损坏控制器。 小提示 控制器的识别 （1）有刷控制器 有刷直流电动机和控制器连接一般有两根引线，正负极对应相接即可。即其中红线接电源正极，黑线接电源负极。若电动机正、负极连接有误，则电动机只能反转，但不会损坏电动机，只需将两根引线对调就可使电动机正转。 （2）无刷控制器 无刷控制器和无刷电动机的连接相对比较麻烦。现最常见的无刷控制器和无刷电动机连线有8根，其中有三根主相位线（蓝、黄、绿粗线），还有五根霍尔线（细线），即一根霍尔电源正极（红线）、一根霍电源负极（

17、黑线）、三根霍尔相线（蓝、黄、绿细线）。连接时将霍尔工作电压线细红线和细黑线对接即可。无刷电动机的主相位线分为A、B、C三相。无剧控制器和霍尔信号线分为a、b、c三相，只有电动机和控制器的A、B、C和a、b、c三相全部一一对应，而且相位角匹配（即60的电动机配60的控制器，120电动机配120的控制器，但不能用60相位角的控制器来驱动120相位角的电动机，也不能用120相位角的控制器来驱动60相位角的电动机），电动机才能正常运行。否则会出现电动机不转、转动无力、速度慢、有噪声或反转等情况。 因为现在没有统一的标准，各个厂家的产品对于相序对应颜色定义不一致，甚至同一厂家不同时期的产品都不一致，这

18、样就造成控制器和电动机相序配合麻烦。 小提示 无刷电动机和有刷电动机控制器的区别 有刷电动机只有脉宽调制功能。无刷直流电动机的驱动电路，功率管（MOS FET）用得较多；无刷直流电动机控制器的主芯片要具备对传感器信号的译码和时开关电路开及开关顺序的编码功能，同时还要具备脉宽调制功能，另外再加霍尔传感器等。 控制器虽各不相同，但同类型、使用相同集成电路的控制器大致相同。它们是在基本电路的基础上加以改进和完善的。车用电动机驱动电路的共同点如下。 驱动电路分两部分：一是控制电路；二是功率电路。控制电路一般由驱动电路PWM控制功率管的开关，以方波占空比控制得到不同的平均电压，使电动机调速，控制电路工作

19、电压比功率电路工作电压低。 功率电路则另外采用电动机的额定工作电压，所以电压与控制电路不同。两者虽用同一电源，但要分别供电。对无刷直流电动机，还要以霍尔信号为根据，输出高电平或低电平，控制各功率管的开关顺序，以达到换向（相）的目的，供电动机运转。 无刷直流电动机的驱动电路，以价格较高的功率管（MOS FET）用得较多；无刷直流电动机控制器的主集成电路要具备对传感器信号的译码和对开关电路开及开关顺序的编码功能，同时还要具备脉宽调制功能，另外再加霍尔传感器。有刷电动机则只要脉宽调制功能（二）控制器的分类与型号编制 1控制器的分类 1.根据控制电动机的不同，控制器可分为直流有刷电动机控制器、直流无刷

20、电动机控制器（分为数字式控制器和模拟式控制器两种）以及智能控制器等。 2.按控制器结构分类，可分为分离式和整体式两种。 a分离式控制器主体与显示部分分离，后者安装在车把上，控制器主体则隐藏在车体包箱内，不露在外面。 b整体式控制部分与显示部分合为一体，装在一个精致的专用塑料盒子里。盒子则安装在车把的正中，盒子的面板上开有数量不等的小孔，孔径为45mm，外敷透明防水膜。孔内相应位置设有发光二极管以指示车速、电源和电池剩余电量。 3.控制器按功率划分，可分为大功率控制器、中功率控制器和小功率控制器。小功率控制器适合于电动自行车使用。按所配的电动机不同，可分为有刷控制器和无刷控制器两种，由于无刷控制

21、器损坏率较高，应用较多的是有刷控制器。 4.按额定电压分类，可分为24V、36V、48V、60V、72V、80V控制器。 目前电动自行车采用的直流无刷电动机大都是三相电动机，电角度有60和120两种。电动机极数大部分为18极，也有16极、20极等。控制器根据霍尔元件反馈的电动机电极位置，控制相应的功率驱动管的开通或关断，在定子中产生旋转磁场，驱动电动机的转子转动。 2控制器型号的编制 根据所要驱动的电动机的形式、参数的不同，要选择的控制器的参数也不同。国标对电动自行车用控制器的命名方法如下。 ZK：有刷电动机用普通型驱动控制器。 ZKC：有刷电动机用智能型驱动控制器。 WZK：无刷电动机用普通

22、型驱动控制器。 WZKC：无刷电动机用智能型驱动控制器。 例如，ZK3610A表示普通有刷控制器，额定电压为36V，额定电流为10A，厂家A类产品。 又如，WZKC3610B表示智能无刷控制器，额定电压为36V，额定电流为10A，厂家B类型产品三、控制器附件的结构与原理 1调速转把 电动自行车速度控速机构是一个转把，又称为控速转把。与摩托车一样安装在车把的右手位置，骑行时转动转把即可控制车速。它有接触式和非接触式两种。接触式主要是电阻型；非接触式有霍尔传感器、光电传感器和电感传感器等。目前大多数采用霍尔转把。 调速转把是用霍尔组件作为传感器，其霍尔组件可分为开关型和线性霍尔组件两种，霍尔组件的

23、三根引线按标准排列为绿（信号）、红（电源）和黄（地线），不同的霍尔组件与不同的控制器及车型配套使用。 通常使用的霍尔元件的型号是3501、3508、3515、3516、3517、3518等。霍尔转把分为单霍尔转把和双霍尔转把。霍尔转把的外形如图11所示，其内部结构如图12所示。 目前在电动车上使用的转把的信号种类主要有六种，见表3。 其中最常用的转把是，14.2V（俗称正把）和1.21V（俗称反把）。在这两种信号的转把中，又以14.2V的转把占绝大多数。 霍尔转把的工作原理是，霍尔组件通常是粘接在转把里圈，固定在车把上，而与其对应的磁钢粘在转把可动部分，霍尔转把输出电压大小，取决于霍尔周围磁场

24、的强度。转动转把即改变磁场，霍尔组件发出传感信号，通过控制器控制电动机的转速。 当开关型霍尔组件敏感面有磁场时，组件输出低电平信号；无磁场则无信号输出。根据输出的信号进行控制，其供电电压为4.524V；而线性霍尔组件则是通过组件敏感面对磁场感应的强弱变化进行调速，当电源供电电压为5V时，其输出信号电压在1.04.2V之间连续地发生线性变化。 电动自行车调速电路原理如图13所示，该电路主要是用来控制电动自行车的速度和保护电动机不产生过电流。转把松开为电机速度最低挡，旋紧为电机速度最高挡。 调速电路包括电源电路、脉冲调宽产生电路、电动机驱动电路、电动机过电流保护电路。 当转动转把时，H的2脚可输出

25、可变电压，并送到TL494的2脚，TL191将2脚电压与1脚电压进行比较，在其8脚输出调制脉冲，2脚电压越低，8脚调制脉冲就越宽，通过V1、VF放大后，控制电动机的转速就越快；反之，则越慢，从而达到调速的目的。 2制动闸把 制动闸把是车轮制动和制动断电开关的手柄。它分为机械闸把和电子闸把，其中机械闸把又分为机械常开闸把（不制动时）和常闭（闸把制动时）两种，目前广泛使用的是常开型，有两根引线，一般红线接电源正极，黑线接电源负极。其电源电压一般为5V，也有12V或15V等。电子闸把则又分为电子常高闸把和电子常低闸把两种。 电子闸把采用的是霍尔开关组件，该组件不制动时有高低电平之分。机械常开闸把和电

26、子常高闸把都可以与左右闸把直接并联工作；而机械常闭闸把为串联工作，电子常低闸把则用附加电路进行工作。 （1）机械制动闸把的结构原理 1）制动断电机构的结构 电动自行车闸把比普通自行车闸把多了一个常开触头（不能互换使用），它安装在电动自行车把的左右两个制动闸把上，闸把可以围绕转轴转动，制动钢索的另一端与车闸连接，其结构造如图14所示。 制动断电的开闭接点，与电动机的构造有关，大都是断开集成电路的接地脚，从而断开电源，或采用常开接点开关，制动时开关闭合使集成电路某脚接地，电流断开。也有采用磁一干簧管电路断电的。 常见单极性开关霍尔元件型号有3122、3123、3141、3143、3144、3161

27、、3240、3361、3362，其开关霍尔元件电路原理图如图15所示。 2）闸把的工作原理 在电动自行车正常行驶过程中当握住闸把手柄时，闸把手柄位置产生变化，使微动开关触头被弹起，之后由微动开关触头产生刹车转换信号，并输出给控制器，控制器在接收到信号后切断电源，使电动机停止工作；同时，闸把围绕转轴转动，闸线拉动车闸，从而使车轮减慢或停止转动，如图16所示。2）电子闸把结构原理 1）电子闸把内部电路 电子闸把的内部电路集成在开关霍尔元件内容，其内部电路框图如图17所示。 电子闸把的工作方式有两种，一种是刹车时信号电平为高电平；另一种的为低电平。 刹车时信号为高电平的，闸把工作电压为5V时，不捏闸

28、把信号线上无电压，捏闸把时在信号线上产生一个约3. 5 V的电压信号并传给控制器。 刹车时信号为低电平的，闸把工作电压为5V时，不捏闸把信号线上有一个约3. 5 V的电压，捏闸把时在线号线上的电压信号变为0V并传给控制器。 电子闸把一般和专用的控制器配套使用。左、右闸把是并联关系。电子式霍尔闸把有三根引线，红线为电源线，黑线为接地线，蓝线为输出信号线。其电源为5V。将对应的线两两并接后，接往控制器的三根闸把线。 2）电子闸把制动原理 当握紧闸把制动时，微型开关的触头被压回，将常闭接点断开，闸把开关或霍尔器件输出低电平，电动机上的电源被控制器切断，之后电动机供电线路短路，短路电流就产生堵塞转转矩

29、，迫使电动机停止转动，实现制动的目的。 放开闸把后触点被弹簧弹回，电路恢复闭合，将通断信号传送给控制电路。制动时，不论是前制动还是后制动，都应立即切断电源。 小提示 机械闸把替换电子闸把的方法 1.当电子闸把刹车时信号电平为高电平的工作方式时，机械闸把的两根线接车上原来接电子闸把的正极线和信号线。 2.当电子闸把刹车时信号电平为低电平的工作方式时，机械闸把的两根线接车上原来接电子闸把的负极线和信号线。 如果以上两种方法均不行，就必须采取原来的电子闸把。 助力器实际和转把是并联关系，它们的工作电压一样，信号线可以使用同一根。只是有一些控制器有专门的助力器连接线。如果没有专门的助力器连接线，可以将

30、其并联到转把。 3助力传感器 助力传感器的作用是在人力脚蹬时驱动电动机转动。它一般安装在右中轴旁，磁环装在中轴上并随中轴转动。磁环转动时，传感器感知转动信号，经模块整形、放大而形成脉冲助力信号并驱动控制器向电动机供电，电动机得电运转。 助力传感器有三根引线，分别是5V电源线（红色）、信号输出线（绿色）和接地线（黑色）。 4飞车保护器 在控制器使用过程中，若驱动功率管击穿损坏，则会使电动机绕组电流达到最大值，导致电动机转速最大，俗称“飞车”或“惊车”。为防止电动自行车飞车，在控制器上安装有飞车保护器二、控制器的使用与维护（一）控制器的使用 使用控制器应注意的事项如下。 1.电动自行车的控制器在出

31、厂前已调整到最佳状态。控制器出现电气故障或失控现象，使用人员一般只可对线缆、接插件进行检查，若不能排除故障，应与维修点联系。 2.控制器主板为控制器的主回路，一般放置于电动自行车中间塑料套内，具有较大的电流，会发出热量。控制器不宜在阳光下暴晒或长时间淋雨，以免被损坏。 3.电动自行车骑行时，启动尽量采用脚踏辅助，减少启动电流，遇到比较长的陡坡和逆风行驶时，最好脚踏助力，降低工作电流，以延长电动机和蓄电池的使用寿命。 4.电动机与控制器应相匹配，它包含电压、功率的匹配。如霍尔组件相位角应相对应，三相主线和五根霍尔组件引线相序应相对应。（二）控制器的维护 控制器的维护主要有以下几个方面。 1.平时应经常检查各插件插接情况，是否有松动、接触不良或脱离。 当显示板的显示不正常时，首先应检查插接件。有时不管怎么操作，车就是不走，首先想到的就是电池接线情况；其次检查电动机或霍尔传感器插接件（有的不用插接件或插接口在控制器盒内）。调速手柄失灵、制动不能断电等故障，大都是插