本文介紹了通用電動(dòng)自行車控制器系統(tǒng)構(gòu)架和基本的工作原理。同時(shí)本文從功率MOSFET管驅(qū)動(dòng),、電流檢測、PCB設(shè)計(jì)和整機(jī)的防護(hù)四個(gè)方面詳細(xì)的探討了進(jìn)一步提高電動(dòng)自行車控制器的可靠性的設(shè)計(jì)方法及其注意的細(xì)節(jié),。最后，給出了電動(dòng)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(dòng)自行車 控制器 驅(qū)動(dòng) 電流檢測　電動(dòng)自行車具有環(huán)保節(jié)能，價(jià)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(dòng)自行車通過控制器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車無刷直流電機(jī),，因此整個(gè)控制器的設(shè)計(jì)對于電動(dòng)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(jì)過程中被電子工程師所忽略的技術(shù)問題,，如電動(dòng)車控制器的功率元件驅(qū)動(dòng)、電流檢測延時(shí)響應(yīng)等,，從而為電動(dòng)自行車控制器的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(shí),，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(shí)，下橋臂的功率MOSFET管經(jīng)過一定的延時(shí)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(shí)，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(dòng)電路

目前無刷直流電機(jī)控制器的功率MOSFET管的驅(qū)動(dòng)電路有兩種方案：集成的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路。使用集成的驅(qū)動(dòng)IC時(shí),，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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(dòng)電路，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)電路很難做到優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

當(dāng)系統(tǒng)使用不同的功率MOSFET管時(shí),，驅(qū)動(dòng)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(shí)，以得到合適的門極電壓隨時(shí)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(hào)的共差噪聲,。2,、電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì)中存在的問題

2.1 功率MOSFET管驅(qū)動(dòng)

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(dòng)電路的設(shè)計(jì)要考慮到這些參數(shù)的影響,。通常在電動(dòng)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(dòng)電路的參數(shù)以及一個(gè)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(shí)DS上的電壓尖峰，同時(shí)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(shí)間，從而增加了開通損耗,。

2.2 電流檢測

通常電動(dòng)車控制器發(fā)生故障是主功率MOSFET管的損壞,，有時(shí)是一個(gè)橋臂的單個(gè)功率管燒壞，有時(shí)是整個(gè)橋臂的兩個(gè)功率MOSFET管同時(shí)燒壞,。在起動(dòng)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(dòng)過程中,，由于CPU進(jìn)行初始化需要一定的時(shí)間，CPU輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的穩(wěn)定也需要一定的時(shí)間,，那么在起動(dòng)中就可能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)的信號(hào)邏輯關(guān)系不穩(wěn)定或混亂的現(xiàn)象,，從而導(dǎo)致一個(gè)橋臂上下管直通，而此時(shí)由于電流檢測電路的信號(hào)送到CPU時(shí),，CPU還來不及處理,，從而損壞功率MOSFET,。最好采用一定的上電時(shí)序電路，使CPU先上電,，穩(wěn)定后才加功率電源,。

堵轉(zhuǎn)是電動(dòng)自行車最惡劣的工作狀態(tài)，此時(shí)也會(huì)發(fā)生一個(gè)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(jì)時(shí)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(huì)影響電流檢測的精確度。電流取樣信號(hào)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(gè)管腳的焊錫也會(huì)影響取樣電阻的電阻值，從而也會(huì)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(gè)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(gè)RC的濾波器濾除干擾噪聲,，但這個(gè)RC的濾波器會(huì)對電流的取樣信號(hào)帶來延時(shí)，RC的值越大,，延時(shí)也就越大,，信號(hào)幅值的誤差也越大。LM358對輸入信號(hào)有一定的帶寬限制,，放大倍數(shù)越大,，信號(hào)的帶寬越窄。另外,，CPU在接收到過流信號(hào)時(shí),，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(shí)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(shí)間迅速增大,，電流檢測電阻的電壓信號(hào)也隨時(shí)間迅速增加,，當(dāng)CPU檢測到過流信號(hào)后輸出保護(hù)關(guān)斷脈沖前，各種延時(shí)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(shí),，LM358的帶寬進(jìn)一步的降低，影響過流保護(hù)的響應(yīng)時(shí)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(jí)的運(yùn)放LM258,，可以提高過流響應(yīng)的時(shí)間和精確度,。

2.3 PCB設(shè)計(jì)

PCB的布局通常是每個(gè)橋臂的上下MOSFET并排在一起放置，三個(gè)橋臂六個(gè)MOSFEF排成一列,，電流的取樣電阻放置在最邊沿的一個(gè)橋臂下,，那么就有一個(gè)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(gè)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(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰，從而燒壞MOSFET管,。因此在PCB的設(shè)計(jì)時(shí),，可以將電流檢測電阻放大中間的橋臂下方，從而使三個(gè)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(jì)時(shí)要做到功率地和信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(dòng)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(jià)格便宜,，易于充電和維修，因此,，仍然得到大多數(shù)電動(dòng)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(jià)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(huì)自放電，將會(huì)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(dòng)

未來的電動(dòng)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(dòng)電路的可靠性,。三個(gè)橋臂六個(gè)功率MOSFET管和六組由分離元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)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(jí)的質(zhì)量控制水平的基礎(chǔ)上,，提高系統(tǒng)的可靠性,。同時(shí)，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(gè)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(gè)控制器使用三個(gè)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(jì),。

（2）集成上下橋臂兩個(gè)功率MOSFET管及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路，這樣,，進(jìn)一步的簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。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(gè)橋臂的六個(gè)功率MOSFET管及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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(huì)發(fā)生一個(gè)功率MOSFET管或一組橋臂損壞整個(gè)模塊報(bào)廢的問題,。這樣才能在成本,、可靠性及設(shè)計(jì)復(fù)雜程度之間成為一個(gè)折衷的方案。

3.3 控制器功能的拓展

未來的電動(dòng)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。