本文介紹了通用電動自行車控制器系統(tǒng)構(gòu)架和基本的工作原理。同時本文從功率MOSFET管驅(qū)動,、電流檢測,、PCB設(shè)計和整機(jī)的防護(hù)四個方面詳細(xì)的探討了進(jìn)一步提高電動自行車控制器的可靠性的設(shè)計方法及其注意的細(xì)節(jié)。最后，給出了電動車控制器的電源電池,，集成的功率元件模塊的發(fā)展趨勢,。
關(guān)鍵詞：電動自行車 控制器 驅(qū)動 電流檢測 電動自行車具有環(huán)保節(jié)能，價格合適,，無噪聲,，便利等特點(diǎn)，因此獲得越來越廣泛的應(yīng)用,。常用的電動自行車通過控制器驅(qū)動電動車無刷直流電機(jī),，因此整個控制器的設(shè)計對于電動自行車性能及可靠性具有極其重要的作用。然而,，目前，從應(yīng)用的情況來看,，控制器的返修率仍然較高,。本文主要探討在控制器的設(shè)計過程中被電子工程師所忽略的技術(shù)問題，如電動車控制器的功率元件驅(qū)動,、電流檢測延時響應(yīng)等,，從而為電動自行車控制器的設(shè)計工程師提供一些參考，在最大的程度上提高系統(tǒng)的可靠性,，降低故障率,。1、電動自行車控制器系統(tǒng)構(gòu)架
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
無刷直流電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩,、長壽命和低噪聲的特點(diǎn),，因此在電動自行車中獲得廣泛的應(yīng)用。無刷直流電機(jī)控制要比有刷直流電機(jī)控制復(fù)雜,，無刷直流電機(jī)控制器的主功率電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
在圖1中，Q1和Q2構(gòu)成無刷直流電機(jī)A相繞組的橋臂,，Q3和Q4構(gòu)成無刷直流電機(jī)B相繞組的橋臂,，Q5和Q6構(gòu)成無刷直流電機(jī)C相繞組的橋臂。對于每個橋臂的工作模式如下：
模式1：Q1,、Q4導(dǎo)通,，電流從電池正極流經(jīng)Q1、A相繞組,、B相繞組,、Q4和電流檢測電阻，然后回到電池負(fù)極,。
模式2：Q1關(guān)斷,，Q4仍然導(dǎo)通，由于電流繞組為感性負(fù)載，其電流不能突變,，電感電流將維持原來的方向不變,，因此，A相下橋臂的功率MOSFET管Q2體內(nèi)寄生的二極管導(dǎo)通續(xù)流,。
模式3：控制器換相Q5導(dǎo)通,，A相繞組承受負(fù)電壓去磁，A相繞組的電流即Q2的電流下降到0,，完成A相的換相,。
如果上橋臂的功率MOSFET管關(guān)斷時，下橋臂的功率MOSFET管不導(dǎo)通,，完全依靠其體內(nèi)寄生的二極管導(dǎo)通續(xù)流,，這種控制方法為非同步整流控制；如果上橋臂的功率MOSFET管關(guān)斷時,，下橋臂的功率MOSFET管經(jīng)過一定的延時即后導(dǎo)通,，這種控制方法為同步整流控制。同步整流控制時,，下橋臂由功率MOSFET管導(dǎo)通續(xù)流,，因此提高了系統(tǒng)的效率。
對于非同步整流控制,，常用的控制IC為MC33035,。對于同步整流控制，常用的控制MCU為PIC16F72,，Cypress CY8C以及凌陽的單片機(jī),。同步整流控制具有高的效率，應(yīng)用更為廣泛,。
1.2 功率MOSFET管的驅(qū)動電路
目前無刷直流電機(jī)控制器的功率MOSFET管的驅(qū)動電路有兩種方案：集成的驅(qū)動IC和由分離的元件即PNP三極管,、NPN三極管、電阻電容和邏輯電路組成的驅(qū)動電路,。使用集成的驅(qū)動IC時,，驅(qū)動電路設(shè)計相對的簡單，系統(tǒng)可靠性高,，結(jié)構(gòu)緊湊,，但成本高。使用分離的元件的驅(qū)動電路,，系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試復(fù)雜要復(fù)雜一些,，由于分離的元件參數(shù)的分散性，驅(qū)動電路很難做到優(yōu)化的設(shè)計,。
當(dāng)系統(tǒng)使用不同的功率MOSFET管時,，驅(qū)動電路的相關(guān)參數(shù)必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,，在功率MOSFET管開通時，以得到合適的門極電壓隨時間上升的斜率,，即dVgs/dt,，從而在功率MOSFET管的開通功耗和VDS電壓尖峰之間取得一定的在圖1中，Rs為電流檢測電阻,，Rs上的電流檢測電壓VRS送到圖2所示的電流檢測電路,；電流檢測電路為運(yùn)放LM358組成的同相放大器。同相放大器有較高的共模抑制比CMRR,，可以抑制來自接地的電流檢測電阻的共模噪聲,。電阻R4和電容C1組成RC濾波電路，抑制電流檢測信號的共差噪聲,。2,、電動自行車控制器設(shè)計中存在的問題
2.1 功率MOSFET管驅(qū)動
在圖1中，功率MOSFET管為AOS的AOT430,，從其數(shù)據(jù)表可以看出,，其門極和源極的電容以及門極和漏極的電容與其它公司不同，因此針對其應(yīng)用,，驅(qū)動電路的設(shè)計要考慮到這些參數(shù)的影響,。通常在電動自行車的應(yīng)用中,，通過調(diào)整門極串聯(lián)電阻和門極和源極的并聯(lián)電容的值來調(diào)整MOSFET的開通速度,。門極串聯(lián)電阻和門極和源極的并聯(lián)電容值越大，開關(guān)的速度越慢,。只有選取合適的驅(qū)動電路的參數(shù)以及一個橋臂上下管導(dǎo)通的間隔,，在同步整流控制方式上，就可以很好的控制開關(guān)管在關(guān)斷時DS上的電壓尖峰,，同時保證MOSFET的開關(guān)損耗在其所承受的額定值之內(nèi),。加大門極串聯(lián)電阻以及加大門極和源極的并聯(lián)電容的值可以降低MOSFET開通的速度，但也增加了其在電阻區(qū)的時間,，從而增加了開通損耗,。
2.2 電流檢測
通常電動車控制器發(fā)生故障是主功率MOSFET管的損壞，有時是一個橋臂的單個功率管燒壞,，有時是整個橋臂的兩個功率MOSFET管同時燒壞,。在起動以及堵轉(zhuǎn)的條件下，功率MOSFET管燒壞的幾率較大,。在同步整流控制方式中,，在起動過程中，由于CPU進(jìn)行初始化需要一定的時間,，CPU輸出的驅(qū)動信號的穩(wěn)定也需要一定的時間,，那么在起動中就可能產(chǎn)生驅(qū)動的信號邏輯關(guān)系不穩(wěn)定或混亂的現(xiàn)象,，從而導(dǎo)致一個橋臂上下管直通，而此時由于電流檢測電路的信號送到CPU時,，CPU還來不及處理,，從而損壞功率MOSFET。最好采用一定的上電時序電路,，使CPU先上電,，穩(wěn)定后才加功率電源。
堵轉(zhuǎn)是電動自行車最惡劣的工作狀態(tài),，此時也會發(fā)生一個橋臂上下管的直通,。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，盡管采用了由LM385組成的電流檢測電路,，但是MOSFET仍然產(chǎn)生燒壞的現(xiàn)象,，這表明電流檢測電路沒有可靠的工作。電流檢測電阻采用一定長度的康銅絲,，考慮限流值的范圍,，設(shè)計時電流檢測電阻必須以最大的限流值作為參考。另外電阻的精度也會影響電流檢測的精確度,。電流取樣信號必須直接引自取樣電阻的兩端,，以免影響電流檢測的精度。另外檢測電阻兩個管腳的焊錫也會影響取樣電阻的電阻值,，從而也會影響取樣電流的精度
電流的取樣精度是系統(tǒng)進(jìn)行可靠的電流保護(hù)的前提,。在排除以上問題的前提下，還有一個十分重要的參數(shù)影響電流的取樣精度,。在圖1中,，使用了一個RC的濾波器濾除干擾噪聲，但這個RC的濾波器會對電流的取樣信號帶來延時,，RC的值越大,，延時也就越大，信號幅值的誤差也越大,。LM358對輸入信號有一定的帶寬限制,，放大倍數(shù)越大，信號的帶寬越窄,。另外,，CPU在接收到過流信號時，從響應(yīng)中斷到處理完中斷,，到最后關(guān)斷輸出脈沖也需要一定的時間,，那么這樣參數(shù)的細(xì)節(jié)不經(jīng)過仔細(xì)的考慮，在上下橋臂直通后短路,，電流隨時間迅速增大,，電流檢測電阻的電壓信號也隨時間迅速增加,，當(dāng)CPU檢測到過流信號后輸出保護(hù)關(guān)斷脈沖前，各種延時使上下橋臂直通產(chǎn)生的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際設(shè)定的過流保護(hù)點(diǎn),，從而燒壞MOSFET管,。尤其是在溫度升高時，LM358的帶寬進(jìn)一步的降低,，影響過流保護(hù)的響應(yīng)時間,。
由此可證：減小RC值，提高CPU的工作頻率,，使用高GBP的運(yùn)算放大器或使用工業(yè)級的運(yùn)放LM258,，可以提高過流響應(yīng)的時間和精確度。
2.3 PCB設(shè)計
PCB的布局通常是每個橋臂的上下MOSFET并排在一起放置,，三個橋臂六個MOSFEF排成一列,，電流的取樣電阻放置在最邊沿的一個橋臂下，那么就有一個橋臂離電流檢測電阻最遠(yuǎn),。從實(shí)際的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：最容易損壞的橋臂就是這個離電流檢測電阻最遠(yuǎn)的橋臂,。由于其回路的走線長，寄生電感值大,，在較高的電流變化的條件下,，會產(chǎn)生很大的電壓尖峰，從而燒壞MOSFET管,。因此在PCB的設(shè)計時,，可以將電流檢測電阻放大中間的橋臂下方，從而使三個橋臂的電感減小做到優(yōu)化和平衡,。另外,，也可以對最遠(yuǎn)的橋臂的DS間加RC形成的箝位吸收電路,，抑制電壓尖峰,。
在PCB設(shè)計時要做到功率地和信號地的分離，所有的芯片加去耦電容,，提高系統(tǒng)的抗干擾性,。
2.4 整機(jī)的防護(hù)
從用戶返修的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在潮濕的陰雨天,，控制器更容易損壞,。在整機(jī)中，絕大多數(shù)的控制器安放在電動自行車的底部,，只有極少數(shù)整機(jī)廠將控制器安放在電動自行車的上部座板下面,；而且絕大多數(shù)的控制器安放盒沒有防水措施。無防水措施且安放在電動自行車的底部的控制器,，在潮濕的陰雨天使用或停放在戶外,，濕氣或雨水極其容易進(jìn)入到控制器的PCB上,，導(dǎo)致電路板局部的短路，加電后,，燒壞控制器的功率MOSFET,。因此，在整機(jī)的設(shè)計上,，應(yīng)該加強(qiáng)對控制器的防水處理,，以提高控制器的可靠性。3,、電動自行車控制器發(fā)展趨勢
3.1 控制器的電源電池
目前,，絕大多數(shù)的電動自行車使用三節(jié)或四節(jié)的鉛酸電池，電源的總線電壓為36V或48V,。相對而言,，盡管鉛酸電池的能量密度低，體積大,，不環(huán)保,，但是由于其價格便宜，易于充電和維修,，因此,，仍然得到大多數(shù)電動自行車整車廠的采用。常規(guī)的鋰離子電池盡管能量密度高,，體積小,，但是由于其安全性和充電管理復(fù)雜，總體成本高等問題,，應(yīng)用比例很小,。從未來的發(fā)展來看，Ni-MH鎳氫電池和改進(jìn)的鋰鐵電池將在性價比上具有極強(qiáng)的競爭優(yōu)勢,。
Ni-MH鎳氫電池比常規(guī)的鋰離子電池安全,，比鉛酸電池和鎳鎘電池具有更高的能量密度和功率密度，可以快速的充放電,，充放電的次數(shù)多,，而且具有無記憶效應(yīng)、無污染,、不需要維護(hù)等特點(diǎn),，在一些高端的市場，已經(jīng)獲得應(yīng)用,，而且在未來幾年,，換用鎳氫電池的比率和趨勢將越來越明顯。
此外,，近幾年出現(xiàn)的新型的鋰鐵電池與常規(guī)的鋰離子電池相比,，其單節(jié)的電壓3.7-3.8V,，盡管能量密度和功率密度要稍低一些，但安全性得到了極大的提高,。鋰鐵電池的充電管理復(fù)雜程度和鎳氫電池差不多,，但其能量密度和功率密度比鎳氫電池高，不會自放電,，將會更為高端的市場上獲得一定的應(yīng)用,。
3.2 功率MOSFET管和驅(qū)動
未來的電動自行車控制器將更著眼于進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和緊湊性。為了提高系統(tǒng)的可靠性,，必須提高功率MOSFET管和驅(qū)動電路的可靠性,。三個橋臂六個功率MOSFET管和六組由分離元件構(gòu)成的驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行優(yōu)化，即使用集成的模塊,，在芯片級的質(zhì)量控制水平的基礎(chǔ)上,，提高系統(tǒng)的可靠性。同時,，使用集成的模塊,，也進(jìn)一步的提高了系統(tǒng)的緊湊性。
集成的模塊有三種方式：
（1）集成上下橋臂兩個功率MOSFET管,，下橋臂的功率MOSFET管具有更低的導(dǎo)通電阻,。這樣，一個控制器使用三個模塊,，上下橋臂功率MOSFET管連線電感小,，PCB的布局更加緊湊，布線更加簡短,，從而簡化了系統(tǒng)的設(shè)計,。
（2）集成上下橋臂兩個功率MOSFET管及相應(yīng)的驅(qū)動電路。由于模塊內(nèi)MOSFET的參數(shù)一致,，因此可以針對MOSFET的具體參數(shù),，使用優(yōu)化的驅(qū)動電路，這樣,，進(jìn)一步的簡化了系統(tǒng)的設(shè)計,。其內(nèi)部將帶有過溫OT和過流OC的保護(hù),，進(jìn)一步的提高系統(tǒng)的可靠性,。 （3）集成三個橋臂的六個功率MOSFET管及相應(yīng)的驅(qū)動電路，這是全集成的最簡潔的模塊方案,，模塊內(nèi)部必須帶有可靠的過溫OT,、過流OC、過壓OV等各種保護(hù)功能,，才不會發(fā)生一個功率MOSFET管或一組橋臂損壞整個模塊報廢的問題,。這樣才能在成本,、可靠性及設(shè)計復(fù)雜程度之間成為一個折衷的方案。
3.3 控制器功能的拓展
未來的電動自行車控制器將在功能上進(jìn)一步的拓展,，如帶有儀表控制和車燈控制的功能,，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)的成本，提高的緊湊性,。