[图文]电动自行车调速控制电路

南京工业职业技术学院电气工程系（南京 210016） 曹建平

1 前言
中国是一个“自行车大国”，随着生活水平的提高以及工作节奏的加快，人们已不满足于费 时耗力的自行车作为代步工具。但是，限于人们的居住条件、购买能力及城市道路设施等因 素，暂时还不能普遍使用汽车。因此摩托车、燃油型助力车成了许多人的选择对象。然而，正如大 家所看到的，随之而来的却是城市空气污染和噪音污染的不断加重，政府有关部门也不得不 采取措施，限制发展燃油型助力车以保护环境、减少污染。如何解决城市居民对交通工具的需求与空气污染这一对矛盾已成为一个重要研究课题。可喜的是，作为这一研究成果之一的 电动自行车以其重量轻、无污染、噪音小、占地面积少等优点而逐渐被人们接受，并正在成为一种大众化的“绿色”代步工具。

2 问题的提出

电动自行车的关键技术之一是电机调速控制器。但是，电动自行车出故障较多的恰恰是调速控制器。特别是有些厂家生产的调速控制器在使用时稍有不慎就会烧坏功率驱动元件，一度 使得电动自行车的推广出现了一定的困难。受某电动自行车生产厂家的委托，笔者对那些出现故障的控制器进行了解剖、分析和研究。研究结果表明，控制器之所以会发生功率驱动元 件烧坏的情况，是由于电路设计不合理造成的。

3 原电路结构的分析

图1所示为出故障控制器的电路原理图。

 

由图可知，该电路各部分的功能为电池组E经过电容器C1、C2滤波后向控制器电路提供稳定的36V直流电压；R1、R2、R3、R4、R5、RW1和运算放 大器A1组成欠电压测电路；R3、R4、R5、R15、C4及运算放大器A2组成电流检测与反溃电路（注：这里存在问题）：R7、R9、R10、R12 、C 7、?D2?及运算放大器A3组成锯齿波产生电路；R11、R13、R14、C 6、T1、T2、T3和运算放大器(下面简称运放)A4组成功率调节与驱动电路；由R16、RW2及光电耦合器G01组成光控电路；M为直流电动机；D3为续流二极管。

该电路的工作原理为：电路正常工作时，通过调节光电耦合器G01的光通量来改变C6上 的电压值，此直流电压与锯齿波发生电路在C7上产生的锯齿波电压进行比较，当C6 上的电压大于C7上的电压时，运放A4输出为正电压，从而使T1导通、T2截止，功率场效应管T3的栅极因此被充电变为高电平而导通，电机M得电运转：当C6上的电压小于C 7上的电压时，运放A4的输出为负电压，从而使T1截止，由于T2的发射极与T3的栅极回路相连，所以T3栅极上的高电压使T2瞬时导通，栅极电荷通过T2迅速放掉，使T3截止，电机M因失电而停转。C6上的电压越 高，输出导通的占空比则越大，电机M的转速就越快；反之，则转速越低。所以，调节G01 的光通量就可达到调节电动机M转速的目的。欠电压保护环节的工作原理是，当供电电池组的 电压下降到设定值以下时，运放A1的同相输入端的电位将低于其反相输入端电位（反相输入 端是由DW稳压提供的分压值），从而使A1的输出由正变负。这时，C6上的电压将经R8 、D1及A1放电，C6上的电压迅速地降至?C7的电压之下（UC6<UC7)， 因此，A4的输 出变为负，结果导致功率场效应管T3截止。由于此时电池电压已不足，所以A1的同相输入端 电压始终小于反相端电压，故A1的输出一直维持负值，T3将一直截止，电机M将因失电而停止转动，从而实现了欠电压截止保护的功能。

然而，电路中的电流检测与反馈环节存在着明显的问题，其反馈电阻R15在电路中的接 法不能起到正常的电流负反馈作用。因为R15是一个阻值小而功率大的电阻，在这个系 统中，在过电流情况下，R15上的压降一般只有0.1~0.2 V，从图1所示的接法中，我们很 容易看出，当发生过电流时，运放A2的两个输入端电位被同时提升，因而其输入电位差几乎 不变，所以对 输出不产生影响，不能起到电流负反馈作用。此外，笔者对原电路进行了试验：当该电路正常工作时，通过对电动机加载（即模拟过电流)使主回路产生过电流，这时利用示波器观察 运 放A2的两个输入端电位的变化情况，发现两电位均略往上升0.1V左右，A2的输出无变化，显然不能起到电流负反馈的作用，其结果也与上述分析结论完全相同。因此，可以认定此电路 的设计存在问题。

4 改进型电路的设计

在电动自行车调速控制器中，通常用功率场效应管作为功率驱动元件。根据场效应管的内部结构及工作机理分析，在有过电流发生时，功率场效应管的结温会迅速升高。由于功率场 效 应管的可靠性是随结温增加而降低的，因此，当结温超过额定值时，功率场效应管就会突然失效和严重损坏。由此看来，在原电路使用中功率场效应管易烧坏的原因显然是由于没有过 流保护。根据这一结论，笔者重新设计了一种电动自行车调速控制电路（见图2）。从图2的 电路结构中可以看出，改进后的电路基本保持了原电路的框架，其基本工作原理与 欠电压保护原理同前，但对过电流保护电路作了根本性的改动。改进后电路其过电流保护环节的工作原理是，当主回路中的电流由于过载或其他原因超过额定值的N倍（N可以设定）时，电阻R15上反馈到运放A2的反相输入端电压(因R15的一端 直接接至A2的反相输入端而成）将迅速高于其同相端的输入电压，使得A2的输出由正变负，从而将C6 上的电压通过R8、A2放掉，结果T3迅速截止；而T3的截止又使得反馈到A2反相输入端的电压下降，A2输出由负变正，这样，C6上的电压通过R8、A2放掉，结果T3迅速截止 ；而T3的截止又使得反馈到A2反相移入端的电压下降，A2输出由负变正，这样C6上的电压又充电到高于C7上的电压，结果是T3又导通……：如此反复运行，经过电流负反馈环节的快速调整，功率场效应管T3的平均电流下降，主回路中电机的电流重新回到设定值以内 ，于是起到了过电流保护作用。

5 使用情况与结论?

某电动自行车生产厂家对各种过电流情况的试验以及实际装车使用表明，改进后的控制器电路功能完善，设计合理，性能可靠。尤其是过电流保护环节的引入，使得当电动自行车突然 加载（或因故障引起过电流）时，电路能迅速反应并快速进入过电流保护状态，功率场效应管无发热现象。采用改进型电路后，控制器再也没有发生过烧坏功率场效应菅的情况。由此 可见，在电动自行车调速控制器电路中引入正确的过电流保护环节是成功解决控制器易烧坏功率场效应管这一难题的根本性措施。

本文摘自<<电子工程师>>