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(duì)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(duì)交通工具的需求與空氣污染這一對(duì)矛盾已成為一個(gè)重要研究課題?？上驳氖?，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(huì)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(duì)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(huì)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(cè)電路；R3、R4、R5、R15、C4及運(yùn)算放大器A2組成電流檢測(cè)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(chǎng)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

　　然而，電路中的電流檢測(cè)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?。因?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(duì) 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(duì)原電路進(jìn)行了試驗(yàn)：當(dāng)該電路正常工作時(shí)，通過對(duì)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(chǎng)效應(yīng)管作為功率驅(qū)動(dòng)元件。根據(jù)場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)溫會(huì)迅速升高。由于功率場(chǎng) 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(chǎng)效應(yīng)管就會(huì)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管這一難題的根本性措施。