南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系（南京 210016） 曹建平

1 前言
中國是一個(gè)“自行車大國”，隨著生活水平的提高以及工作節(jié)奏的加快，人們已不滿足于費(fèi) 時(shí)耗力的自行車作為代步工具。但是，限于人們的居住條件、購買能力及城市道路設(shè)施等因 素，暫時(shí)還不能普遍使用汽車。因此摩托車、燃油型助力車成了許多人的選擇對象。然而，正如大 家所看到的，隨之而來的卻是城市空氣污染和噪音污染的不斷加重，政府有關(guān)部門也不得不 采取措施，限制發(fā)展燃油型助力車以保護(hù)環(huán)境、減少污染。如何解決城市居民對交通工具的需求與空氣污染這一對矛盾已成為一個(gè)重要研究課題。可喜的是，作為這一研究成果之一的 電動(dòng)自行車以其重量輕、無污染、噪音小、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)而逐漸被人們接受，并正在成為一種大眾化的“綠色”代步工具。

2 問題的提出

電動(dòng)自行車的關(guān)鍵技術(shù)之一是電機(jī)調(diào)速控制器。但是，電動(dòng)自行車出故障較多的恰恰是調(diào)速控制器。特別是有些廠家生產(chǎn)的調(diào)速控制器在使用時(shí)稍有不慎就會燒壞功率驅(qū)動(dòng)元件，一度 使得電動(dòng)自行車的推廣出現(xiàn)了一定的困難。受某電動(dòng)自行車生產(chǎn)廠家的委托，筆者對那些出現(xiàn)故障的控制器進(jìn)行了解剖、分析和研究。研究結(jié)果表明，控制器之所以會發(fā)生功率驅(qū)動(dòng)元 件燒壞的情況，是由于電路設(shè)計(jì)不合理造成的。

3 原電路結(jié)構(gòu)的分析

圖1所示為出故障控制器的電路原理圖。

 

由圖可知，該電路各部分的功能為電池組E經(jīng)過電容器C1、C2濾波后向控制器電路提供穩(wěn)定的36V直流電壓；R1、R2、R3、R4、R5、RW1和運(yùn)算放 大器A1組成欠電壓測電路；R3、R4、R5、R15、C4及運(yùn)算放大器A2組成電流檢測與反潰電路（注：這里存在問題）：R7、R9、R10、R12 、C 7、?D2?及運(yùn)算放大器A3組成鋸齒波產(chǎn)生電路；R11、R13、R14、C 6、T1、T2、T3和運(yùn)算放大器(下面簡稱運(yùn)放)A4組成功率調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)電路；由R16、RW2及光電耦合器G01組成光控電路；M為直流電動(dòng)機(jī)；D3為續(xù)流二極管。

該電路的工作原理為：電路正常工作時(shí)，通過調(diào)節(jié)光電耦合器G01的光通量來改變C6上 的電壓值，此直流電壓與鋸齒波發(fā)生電路在C7上產(chǎn)生的鋸齒波電壓進(jìn)行比較，當(dāng)C6 上的電壓大于C7上的電壓時(shí)，運(yùn)放A4輸出為正電壓，從而使T1導(dǎo)通、T2截止，功率場效應(yīng)管T3的柵極因此被充電變?yōu)楦唠娖蕉鴮?dǎo)通，電機(jī)M得電運(yùn)轉(zhuǎn)：當(dāng)C6上的電壓小于C 7上的電壓時(shí)，運(yùn)放A4的輸出為負(fù)電壓，從而使T1截止，由于T2的發(fā)射極與T3的柵極回路相連，所以T3柵極上的高電壓使T2瞬時(shí)導(dǎo)通，柵極電荷通過T2迅速放掉，使T3截止，電機(jī)M因失電而停轉(zhuǎn)。C6上的電壓越 高，輸出導(dǎo)通的占空比則越大，電機(jī)M的轉(zhuǎn)速就越快；反之，則轉(zhuǎn)速越低。所以，調(diào)節(jié)G01 的光通量就可達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)M轉(zhuǎn)速的目的。欠電壓保護(hù)環(huán)節(jié)的工作原理是，當(dāng)供電電池組的 電壓下降到設(shè)定值以下時(shí)，運(yùn)放A1的同相輸入端的電位將低于其反相輸入端電位（反相輸入 端是由DW穩(wěn)壓提供的分壓值），從而使A1的輸出由正變負(fù)。這時(shí)，C6上的電壓將經(jīng)R8 、D1及A1放電，C6上的電壓迅速地降至?C7的電壓之下（UC6<UC7)， 因此，A4的輸 出變?yōu)樨?fù)，結(jié)果導(dǎo)致功率場效應(yīng)管T3截止。由于此時(shí)電池電壓已不足，所以A1的同相輸入端 電壓始終小于反相端電壓，故A1的輸出一直維持負(fù)值，T3將一直截止，電機(jī)M將因失電而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了欠電壓截止保護(hù)的功能。

然而，電路中的電流檢測與反饋環(huán)節(jié)存在著明顯的問題，其反饋電阻R15在電路中的接 法不能起到正常的電流負(fù)反饋?zhàn)饔谩Ｒ驗(yàn)镽15是一個(gè)阻值小而功率大的電阻，在這個(gè)系 統(tǒng)中，在過電流情況下，R15上的壓降一般只有0.1~0.2 V，從圖1所示的接法中，我們很 容易看出，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)，運(yùn)放A2的兩個(gè)輸入端電位被同時(shí)提升，因而其輸入電位差幾乎 不變，所以對 輸出不產(chǎn)生影響，不能起到電流負(fù)反饋?zhàn)饔?。此外，筆者對原電路進(jìn)行了試驗(yàn)：當(dāng)該電路正常工作時(shí)，通過對電動(dòng)機(jī)加載（即模擬過電流)使主回路產(chǎn)生過電流，這時(shí)利用示波器觀察 運(yùn) 放A2的兩個(gè)輸入端電位的變化情況，發(fā)現(xiàn)兩電位均略往上升0.1V左右，A2的輸出無變化，顯然不能起到電流負(fù)反饋的作用，其結(jié)果也與上述分析結(jié)論完全相同。因此，可以認(rèn)定此電路 的設(shè)計(jì)存在問題。

4 改進(jìn)型電路的設(shè)計(jì)

在電動(dòng)自行車調(diào)速控制器中，通常用功率場效應(yīng)管作為功率驅(qū)動(dòng)元件。根據(jù)場效應(yīng)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理分析，在有過電流發(fā)生時(shí)，功率場效應(yīng)管的結(jié)溫會迅速升高。由于功率場 效 應(yīng)管的可靠性是隨結(jié)溫增加而降低的，因此，當(dāng)結(jié)溫超過額定值時(shí)，功率場效應(yīng)管就會突然失效和嚴(yán)重?fù)p壞。由此看來，在原電路使用中功率場效應(yīng)管易燒壞的原因顯然是由于沒有過 流保護(hù)。根據(jù)這一結(jié)論，筆者重新設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)自行車調(diào)速控制電路（見圖2）。從圖2的 電路結(jié)構(gòu)中可以看出，改進(jìn)后的電路基本保持了原電路的框架，其基本工作原理與 欠電壓保護(hù)原理同前，但對過電流保護(hù)電路作了根本性的改動(dòng)。改進(jìn)后電路其過電流保護(hù)環(huán)節(jié)的工作原理是，當(dāng)主回路中的電流由于過載或其他原因超過額定值的N倍（N可以設(shè)定）時(shí)，電阻R15上反饋到運(yùn)放A2的反相輸入端電壓(因R15的一端 直接接至A2的反相輸入端而成）將迅速高于其同相端的輸入電壓，使得A2的輸出由正變負(fù)，從而將C6 上的電壓通過R8、A2放掉，結(jié)果T3迅速截止；而T3的截止又使得反饋到A2反相輸入端的電壓下降，A2輸出由負(fù)變正，這樣，C6上的電壓通過R8、A2放掉，結(jié)果T3迅速截止 ；而T3的截止又使得反饋到A2反相移入端的電壓下降，A2輸出由負(fù)變正，這樣C6上的電壓又充電到高于C7上的電壓，結(jié)果是T3又導(dǎo)通……：如此反復(fù)運(yùn)行，經(jīng)過電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)的快速調(diào)整，功率場效應(yīng)管T3的平均電流下降，主回路中電機(jī)的電流重新回到設(shè)定值以內(nèi) ，于是起到了過電流保護(hù)作用。

5 使用情況與結(jié)論?

某電動(dòng)自行車生產(chǎn)廠家對各種過電流情況的試驗(yàn)以及實(shí)際裝車使用表明，改進(jìn)后的控制器電路功能完善，設(shè)計(jì)合理，性能可靠。尤其是過電流保護(hù)環(huán)節(jié)的引入，使得當(dāng)電動(dòng)自行車突然 加載（或因故障引起過電流）時(shí)，電路能迅速反應(yīng)并快速進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)，功率場效應(yīng)管無發(fā)熱現(xiàn)象。采用改進(jìn)型電路后，控制器再也沒有發(fā)生過燒壞功率場效應(yīng)菅的情況。由此 可見，在電動(dòng)自行車調(diào)速控制器電路中引入正確的過電流保護(hù)環(huán)節(jié)是成功解決控制器易燒壞功率場效應(yīng)管這一難題的根本性措施。

本文摘自<<電子工程師>>