以PICl6F72為智能控制中心。350W的整機(jī)電路原理見下圖，電路框圖見右圖。
電路大體上分五部分：
電源穩(wěn)壓。電路供電部分：信號輸入與預(yù)處理部分；智能信號處理，控制部分；驅(qū)動(dòng)控制信號預(yù)處理部分；功率驅(qū)動(dòng)開關(guān)部分等。
下面先看此電路最核心的部分：PICl61'72單片機(jī)智能處理，弄清該智能處理，其他電路就容易明白。
一、智能信號處理、控制電路
下圖中a是PICl6F72在控制器中的各引腳應(yīng)用圖。
PICl6F72的外部資源：該單片機(jī)有28個(gè)引腳，去掉電源、復(fù)位、振蕩等，共有22個(gè)可復(fù)用的I/D口，其中第（13）腳是CCPl輸出口，可輸出分辨率達(dá)10bit的可調(diào)PWM信號，另有AN0～AN4共5路加模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入口，可提供檢測外部電路的電壓。一個(gè)外部中斷輸入腳，可處理突發(fā)事件。
各引腳應(yīng)用功能如下：1）MCLR復(fù)位/燒寫高壓輸入復(fù)用口。（2）電流檢測信號經(jīng)放大后的信號輸入口。將此信號進(jìn)行/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過運(yùn)算來控制PWM的輸出。使電流不致過大而燒毀功率管。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電壓應(yīng)在O～1.5V左右。（3）電源電壓檢，測輸入口，將此信號進(jìn)行。A/D轉(zhuǎn)換后判斷電池電壓是否過低，如果低則切斷輸出以保護(hù)電池。避免電池因過放電而損壞。正常時(shí)電壓應(yīng)在3V以上。（4）線性霍爾組成的手柄調(diào)速電壓輸入口，根據(jù)此電壓高低來控制輸出給電機(jī)的總功率，從而達(dá)到調(diào)整速度的目的。（5）剎車信號電壓輸入口?？梢允褂肁/D轉(zhuǎn)換器判斷，或根據(jù)電平高低判斷，平時(shí)該腳為高電平，當(dāng)有剎車信號輸入時(shí)，該腳變成低電平，單片機(jī)收到該信號后，切斷給電機(jī)的供電，以減少不必要的損耗。（6）1+1助力脈沖信號輸入口。當(dāng)騎行者踏動(dòng)踏板使車前行時(shí)，該口會(huì)收到齒輪傳感器發(fā)出的脈沖信號，該信號被單片機(jī)接收后，會(huì)給電機(jī)輸出一定功率以幫助騎行者更輕松地前行。（7）由于電機(jī)的位置傳感器排列方法不同，該口的電平高低決定適合哪種電機(jī)。目前市場上常見的有120度和。60度排列的電機(jī)。有的控制器還可以根據(jù)該口的電壓高低來控制啟動(dòng)時(shí)電流的大小，以適合不同的力度需求。（8（單片機(jī)電源地。（9）單片機(jī)外接振蕩器輸入腳。（10）單片機(jī)外接振蕩器反饋輸出腳。（11）功能開關(guān)1。（12）功能開關(guān)2。（13）PWM調(diào)制信號輸出腳。速度或電流由其輸出的脈沖占空比寬度控制。（14）功能開關(guān)3。⑧、⑩、⑩電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號輸入口，單片機(jī)根據(jù)其信號變化決定讓電機(jī)的相應(yīng)繞組通電，從而使電機(jī)始終向需要的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)信號如前述有120度和60度之分，這個(gè)角度實(shí)際上是這三個(gè)信號的電相位之差，120度。就是和三相電一樣，每個(gè)相位和前面的相位角相差120度，60度大家就是相差60度。（18）該口控制一個(gè)LED指示燈，用作故障顯示，當(dāng)控制器有重大故障時(shí)，該指示燈閃爍不同的次數(shù)，表示不同的故障類型以方便維修。（19）單片機(jī)電源地。（20）單片機(jī)電源正上限是+5.5V。（21）外部中斷輸入，當(dāng)電流由于意外原因突然增大而不在控制范圍時(shí)。該口有低電平脈沖輸入，從而產(chǎn)生中斷，關(guān)閉電機(jī)的輸出。（22）同步續(xù)流控制端，當(dāng)電流比較大時(shí)，該口輸出低電平，控制其后邏輯電路，使同步續(xù)流功能開啟。該功能在后面詳細(xì)講解。（23）～（28）功率管的邏輯開關(guān)，單片機(jī)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號。由這里輸出三相交流信號控制功率MOS.
FET。開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉，使電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
有了智能化的控制中心。就需要有其他硬件接口電路為其服務(wù)。
二、電源電路
電路見下圖中b，控制器有三組電源，第一組是提供總能源的電池，電路中的C1：1000μF/63V、C11：47μF/63V及C13、C33：0.1μF/63V電解電容是退耦電容，用于消除由于電源線、電路板走線所帶來的電阻、寄生電感等引起的雜波干擾。由于工作在大電流、高頻率、高溫狀態(tài)下。特別要求電解電容器耐高溫以免引起發(fā)熱爆裂。
第二組電源提供12～5V的電壓。這組電壓主要提供給MOSFET的開通電壓。由于場效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)要求比較特殊，必須有10V以上20V以下的電壓才能良好導(dǎo)通。所以必須有合適的電壓供給，同時(shí)該組電壓也為后面5V穩(wěn)壓塊提供預(yù)穩(wěn)壓。這組電壓由LM317提供，輸出大約13.5V。由于LM317的
輸入輸出的壓差不能超過40V。而輸入電壓可能高達(dá)60V。因此在前面加了一個(gè)330Ω/2W的電阻，既預(yù)先降壓，又替317分擔(dān)了一部分功耗。
第三組電源是5V，由LM78L05提供。
由于78L05提供的最大電流是100mA.另并聯(lián)了兩個(gè)1.5kΩ的電阻以擴(kuò)流。同時(shí)也分擔(dān)一部分功耗。在整個(gè)系統(tǒng)中。對5V電源的要求比較高。
是因?yàn)檫壿嬰娐?、MCU等的電源電壓都不能過商，因此，該電壓的范圍應(yīng)被嚴(yán)格限制在4.90～5.10V之間。
三、信號輸入與預(yù)處理電路
這部分電路包括電源電壓輸入、電流比較、放大輸入、手柄龜壓輸入、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的霍爾信號輸入、剎車信號輸入及各種其他功能開關(guān)信號輸入等。
1.電源電壓輸入由于MCU只接受0～5V的信號。所以電源電壓必須經(jīng)過分壓才能輸。入MCU。
2。工作電流放大、輸入電路見下圖中c所示。 U3A、是一個(gè)放大電路，它將康銅絲R55采樣過來的電流信號經(jīng)過6.5倍放大送入單片機(jī)。最早的設(shè)計(jì)在R23上并聯(lián)了一個(gè)0.1μF的電容組成低通放大器，后來為了更好地實(shí)時(shí)檢測電流，將該電容去掉，這樣放大后的電壓和電流的實(shí)際變化基本一致，以便MCU采樣值更接近于實(shí)際值。
U3B是一個(gè)比較器電路，正常時(shí)的電流絕對不會(huì)讓該比較器翻轉(zhuǎn)。當(dāng)電流由于某種原因突然增大到一定程度時(shí)，該比較器翻轉(zhuǎn)。從而觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，單片機(jī)就會(huì)完全關(guān)閉電機(jī)的輸出進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。
3.手柄和位置傳感器輸入
手柄輸出的電壓范圍在1.2～4.2V的范圍內(nèi)，經(jīng)過阻容濾波后輸入單片機(jī)處理，手柄需要5V的電源才能工作，其電路見圖l中d。位置傳感器輸入見圖1中e。
由于該傳感器安裝在電機(jī)內(nèi)部，采用開路輸出的辦法，所以除提供5V電源外，每個(gè)傳感器都必須接上拉電阻，并對其輸出的信號進(jìn)行阻容濾波以抗干擾，同時(shí)在電源處接二極管、接地采用細(xì)銅膜做保險(xiǎn)絲，防止電機(jī)相線與霍爾信號線短路后。高電壓反串損壞其他元器件。
4.剎車信號輸入
由于剎車信號開關(guān)往往和剎車燈共用一個(gè)開關(guān)，每個(gè)廠商的剎車電壓也不統(tǒng)一，所以必須接入二極管防止反向電壓串入。高電平輸入部分，要求在8～50V輸入時(shí)，都能正常工作，其電路見圖1中f。
5.其他功能開關(guān)信號
功能實(shí)現(xiàn)均依靠內(nèi)部翟序?qū)崿F(xiàn)，在硬件中不作一一介紹。
四、驅(qū)動(dòng)控制信號預(yù)處理電路
驅(qū)動(dòng)控制信號由兩種信號合成：PWM信號和相位邏輯開關(guān)信號。這里先介紹一下功率開關(guān)部分：功率開關(guān)部分是由三組半橋開關(guān)組成的三相開關(guān)，用以改變電機(jī)線圈的通電順序和通電方向，一般把與電源正相接的功率管稱為上橋，與電源地相接的功率管稱為下橋，參考下圖，上橋的相位邏輯開關(guān)信號由A+、B+、C+提供，這三個(gè)控制信號必須與、PWM信號合成后控制對應(yīng)的上橋。下橋的相位邏輯開關(guān)信號由A-、B-、C-提供?；旧现苯颖挥脕砜刂葡聵虻拈_關(guān)。單片機(jī)的這六個(gè)腳上都接了一個(gè)2.2kΩ～10KΩ的電阻到地。是為了防止單片機(jī)處在復(fù)位時(shí)，由于這些腳均處于高阻狀態(tài)，有可能會(huì)引入干擾信號而導(dǎo)致后面邏輯電路誤動(dòng)作。這個(gè)比較簡單，但是在看到控制部分的電路圖并非上面所說的那么簡單，實(shí)際電路中間彎彎繞繞經(jīng)過了4個(gè)邏輯電路處理后才到達(dá)上下橋的驅(qū)動(dòng)電路，許多朋友會(huì)問：為什么要如此復(fù)雜呢？
其實(shí)這些電路都是為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能：同步續(xù)流。需要說明一下，這里的“同步續(xù)流”，被一些人稱為“同步整流”，同步整流是用在電源上的名詞，用在這里明顯不太合適。電路示意圖見左圖。
假設(shè)此時(shí)A相上橋和C相下橋通電，當(dāng)A 相上橋PWM占空比沒有達(dá)到100％時(shí)，通過電機(jī)線圈的電流是斷續(xù)的，但上橋關(guān)閉的時(shí)候。由手電機(jī)線圈是一個(gè)電感，線圈上必定會(huì)出現(xiàn)一個(gè)自感反電動(dòng)勢，這個(gè)反電動(dòng)勢必須維持線圈電流的方向不變，由于A相上橋已經(jīng)關(guān)閉，這個(gè)電流就會(huì)通過原來已經(jīng)開通的C相下橋、地、A相下橋的續(xù)流二極管繼續(xù)流動(dòng)。當(dāng)總電流小時(shí)這個(gè)自感電流并不大。但總電流大時(shí)，線圈中儲(chǔ)存的能量多起來，這個(gè)自感電流會(huì)相當(dāng)大。因MOSFET管的續(xù)流二極管本身的壓降大約在0.7～1V，在通過的自感電流大時(shí)，功耗便會(huì)相當(dāng)大，假設(shè)自感電流為10A，二極管壓降為0.7V時(shí)，功耗為7W，顯然這個(gè)發(fā)熱量是相當(dāng)大的，這時(shí)下橋便會(huì)變得很燙，假如此時(shí)把下橋打開，讓自感電流直接從MOSFET 管的溝道里走掉（MOSFET管導(dǎo)通時(shí)電流可以雙向流通），再假設(shè)MOSFET管導(dǎo)通電阻RDSOn=10mΩ，10A的時(shí)候功耗就變?yōu)閘W，理論上就可以大大降低下橋的功耗，從而降低溫升。但在實(shí)際上，由于上下橋在交叉導(dǎo)通時(shí)需要一個(gè)死區(qū)以避免雙管直通造成電源短路，這個(gè)作用會(huì)打一些折扣，不過效果還是很明顯。這也是為什么很多產(chǎn)品的下橋會(huì)用好一點(diǎn)的管子的原因。同步續(xù)流的實(shí)現(xiàn)如下。
1.倒向、截波與死區(qū)控制
電路見下圖中g(shù)。單片機(jī)產(chǎn)生的PWMl3占空比信號一路通過與門，經(jīng)R53、R52、C7l截波（縮小占空比）后輸出，相位不變，截波量大約為1.5μs,形成PWM信號。此路輸出至上橋驅(qū)動(dòng)。與上橋邏輯開關(guān)信號相“與”后驅(qū)動(dòng)上橋MOSFET管。另一路經(jīng)R57和C24，反相器U5A移相，相移量大約750ns：再經(jīng)U5B反相。形成PWM-信號，最后合成至下橋驅(qū)動(dòng)。此時(shí)兩個(gè)信號輸出時(shí)相位相同，但PWM-信號占空比比PWMl3信號占空比大。1.5μs，但由于PWM-信號已經(jīng)偏移750ns，所以PWM信號剛好套在PWM-信號中間。兩邊空出750ns作為MOSFETT管開關(guān)的死區(qū)。處理后波形示意圖見右圖。
2.同步續(xù)流的邏輯關(guān)系
A相驅(qū)動(dòng)電路見下圖所示。
因?yàn)槿囹?qū)動(dòng)電路完全相同，所以這里僅以A相為例，說明同步續(xù)流功能的實(shí)現(xiàn)過程。
當(dāng)A相的邏輯開關(guān)信號“A+”為高電平時(shí)，A相上橋被“PWM”信號驅(qū)動(dòng)，在整機(jī)電流較小的情況下，PV信號為高電平，不管或非門U3C其他兩個(gè)輸入腳電平如何，其輸出總是低電平。所以此時(shí)或非門U2B僅受“A-”信號控制，“A-”信號是下橋的邏輯開關(guān)，它僅在下橋需要導(dǎo)通時(shí)置高電平，平時(shí)為低電平。當(dāng)整機(jī)電流比較大，麗PWM占空比小于100％時(shí)，由于A相上橋在PWM間隙關(guān)斷導(dǎo)致電機(jī)線圈中出現(xiàn)較大感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過另一相的下橋和A相下橋的二極管泄放，為降低該二極管的功耗，此時(shí)應(yīng)將A相下橋MOSFET管打開以減小壓降，這時(shí)單片機(jī)將“PV”信號端拉低。在PV信號和反向后的“A+”信號共同作用下，“PWM-”信號通過U3C傳遞到U2B，而此時(shí)由于“A-”為低，所以U2B受“PWM-”信號控制，在PWM信號關(guān)斷的間隙使下橋MOSFET管導(dǎo)通。當(dāng)“A+”信號為低電平時(shí)，“PWM-”信號并不影響下橋，保證了下橋的正確邏輯而不會(huì)誤導(dǎo)通。
五、功率驅(qū)動(dòng)開關(guān)部分
以單獨(dú)一組A相上下橋驅(qū)動(dòng)電路為例，見下圖。
鑒于P溝道的功率MOSFET管又貴又難買，為了節(jié)省成本，多用N溝道的代替，但N溝道的MOSFET管導(dǎo)通時(shí)其柵極G的電壓必須比源極S高出10V以上才能保證完全導(dǎo)通，這樣在上橋?qū)〞r(shí)，假設(shè)電源電壓為48V，那么上橋G極的電壓就必須比電源電壓高12V，電就是大于60V才行。但怎樣獲得比電源電壓還高的驅(qū)動(dòng)電壓呢？一般情況可以通過變壓器耦合驅(qū)動(dòng)信號、電荷泵升壓提供高壓等方法，而在這里，則采用了一種叫做“高壓浮柵型驅(qū)動(dòng)電路”來驅(qū)動(dòng)上橋。
顧名思義，浮柵驅(qū)動(dòng)的柵極是浮動(dòng)的，這是一個(gè)很形象的描述。根據(jù)線路圖來分析一下柵極是怎樣“浮動(dòng)”起來的。
先看一下C5的接法。這是整個(gè)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵所在，C5正極通過二極管接到+12V的電源（實(shí)際在13.15V。左右），負(fù)極接到電機(jī)的相線，與它所驅(qū)動(dòng)的MOSFET管V1的源極接在一起，在電機(jī)不動(dòng)的情況下，所有的MOSFET管關(guān)閉，此時(shí)C5通過二極管D1、電阻R40充電至接近13.5V，當(dāng)A+和PWM的合成信號使U4A的（3）腳輸出高電平時(shí)，Ql導(dǎo)通帶動(dòng)T1導(dǎo)通，這樣12V多的電壓就會(huì)加到V1的柵極使V1導(dǎo)通，而Vl導(dǎo)通使電源電壓加至負(fù)載，也就是Vl的源極電壓會(huì)升高至48V，而此時(shí)由于C5充滿電。C5上的電壓仍然是12V，所以可以維持Tl的導(dǎo)通并使Vl柵極的電壓始終保持高于VCC，這樣Vl的柵極就好像隨著源極電壓浮動(dòng)而浮動(dòng)，所以叫做“浮柵驅(qū)動(dòng)”。
這時(shí)如果U4A的（3）腳一直維持高電平的話，在電容k1和MOSFET管本身GS問電容充飽電之后，C5上儲(chǔ)存的電荷主要通過T1的b-e結(jié)、電阻a1到三極管Q1放電（由于此時(shí)二極管D7處于正偏狀態(tài)，所以T2的b-e結(jié)反偏截止，因此T2并不參與放電），如果C5足夠大，那么可以在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)保證V1的驅(qū)動(dòng)電壓在合理的范圍內(nèi)。這里電阻b1放在Q1的射極上，組成一個(gè)近似恒流的驅(qū)動(dòng)電路，用以保證在C5正極電壓升得很高時(shí)，通過三極管Q1的放電電流不致過大而導(dǎo)致電容很快放完。當(dāng)U4A的（3）腳輸出低電平時(shí)，Q1、T1迅速關(guān)閉，T2開始導(dǎo)通，將k1和柵極本身積累的電荷迅速泄放，V1被關(guān)閉，而此時(shí)由于另兩組中的一組之下橋維持在導(dǎo)通狀態(tài)，電容C5就會(huì)通過電機(jī)繞組和該下橋迅速充電補(bǔ)充電能，為下一個(gè)周期做準(zhǔn)備。
從上面的過程可以看出，電容C5的充電量應(yīng)該是越大越好，但電容太大，可能二極管來不及給電容充電，電容小了，又不能保證導(dǎo)通時(shí)間，所以這種驅(qū)動(dòng)不能使Vl長時(shí)間維持在導(dǎo)通狀態(tài)，這也是為什么PWM信號要耦合到上橋的一個(gè)原因。
其次對于這個(gè)驅(qū)動(dòng)電路有人還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疑問：按理說，用作功率開關(guān)的MOSFET管，為了減少開關(guān)損耗，應(yīng)盡量避免MOSFET管工作在放大狀態(tài)，按照這個(gè)原則，驅(qū)動(dòng)MOSFET管的電平應(yīng)該是快速上升、快速下降。而且這個(gè)速度是越快越好，但此電路中增加了電阻e1、e2和電容k1 、k2，這四個(gè)元件在邀里的作用是使驅(qū)動(dòng)MOSFET管的電壓波形上升沿沒那么陡峭。為什么要這樣做呢？
這個(gè)要從MOSFET管的結(jié)構(gòu)來看，MOSFET管本身各極之間存在極間電容，這個(gè)電容被稱為密勒電容。而現(xiàn)在這種上下橋類似推挽結(jié)構(gòu)的電路，上橋?qū)〞r(shí)，由于下橋漏極的電壓急劇升高，這種電壓變化會(huì)通過下橋的密勒電容傳遞給下橋的柵極，若將上橋?qū)〞r(shí)下橋漏極電壓升高的速度以Av／At表示，當(dāng)Av／At足夠大時(shí)，傳遞給下橋柵極的電荷便會(huì)積蓄到足以使下橋?qū)ǖ牡夭?，這樣就會(huì)導(dǎo)致上下橋瞬間同時(shí)導(dǎo)通直接將電源短路。而解決這個(gè)問題最簡單的辦法，就是讓上下橋開通的速度不要那么快，所以加上阻容延時(shí)，并且這里的kl、k2還有吸收部分沖擊電壓的功效。
