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第三节 控制器可靠性及质量判断
1、电动车控制器的实现方式与组成部分
目前电动自行车用有刷无刷控制器普遍采用PWM调速方式，控制器内部必需要PWM发生器电路，另外还有电源电路，功率器件，功率器件驱动电路，控制部件（转把、刹把、电机霍耳等）信号采集与处理电路，过流与欠压等保护电路。
2、影响控制器可靠性的因素
控制器的失效，从表现形式来看，一般有以下几种，1）功率器件损坏；2）控制器内部供电电源损坏；3）控制器工作时断时续。4）连接线磨损及接插件接触不良或脱落引起控制信号丢失。针对以上失效形式的起因分析如下：
A、功率器件的损坏，一般有以下几种可能：电机损坏引起的，功率器件本身的质量差或选用等级不够引起的，器件安装或振动松动引起的，电机过载引起的，功率器件驱动电路损坏或参数设计不合理引起的。
B、控制器内部电源损坏，一般有以下几种可能：控制器内部电路短路，外围控制部件短路，外部引线短路。
C、控制器工作起来时断时续，一般有以下几种可能：器件本身在高温或低温环境下参数漂移，控制器总体设计功耗大导致某些器件局部温度过高而使器件本身进入保护状态，接触不良。
D、连接线磨损及接插件接触不良或脱落，一般有以下几种可能：线材选择不合理，对线材的保护不完备，接插件的选型不好，线束与接插件的压接不牢。
3、提高控制器可靠性的方案
了解电动车控制系统可能发生故障点以后，有针对性的可靠性设计就有了目标。
A、首先是功率器件的型号，品牌，产地与供应商的选择，然后对功率器件的筛选老化，以上两点是提高功率器件可靠性前提。在此基础上，对功率器件安装工艺的设计和对功率器件驱动电路的设计才有意义。对无刷电机控制器而言，一般上三路功率管的驱动比较复杂，目前大多数厂家采用专用驱动芯片驱动。专用驱动芯片的不足之处是价格较高，内部的变频电路采用了有源电路，转换效率偏低，其主要的应用场合是在周围电路完全没有交流电存在情况下，利用其内部电路完成变频、升压与整流。在电动自行车无刷控制器中由于有了PWM信号，就可以直接从电机换相的交流信号中取出频率信号进行倍压整流，用于无刷控制器的上三路功率管的驱动，这样从电路原理上分析，有以下几点好处：1、降低驱动功率损耗，2、简化驱动电路，3、使用无源电路直接有效的提高驱动电路的可靠性。4、可以根据用户需要，很灵活地实现刹车对电机的电制动功能。
B、对于控制器内部电源，为了防止控制器内部或外部短路对电源的损坏，同时也是出于对电源自身的保护，可以把电源设计成多路独立供电方式，这样既可以防止局部电路（转把、刹把、电机传感器等）发生短路而烧坏控制器，又可以防止电源电压异常升高而击穿外部器件。基于以上考虑，并降低电源自身的功耗，提高电源的转换效率，可以采用DC-DC模块（直流变换器）来实现。由于DC-DC模块的负载能力强，自身的功率损耗相当低（不到0.1W），这样在提高控制器的整体效率，降低控制器的运行温度方面有着线性稳压器无可比拟的优点。总之，在有刷或无刷控制器的电路中，由于控制器内部电源担负着模块电路与电动车外围控制器件的供电，因此控制器内部电源的可靠性就相当重要了，这样不但能提高整个控制系统的可靠性，同时也避免了在整车装配过程中由于误操作而损坏控制器。
C、要克服控制器对温度的敏感，第一是选择温度系数好的元器件，第二是从设计上降低各模块电路的功率消耗，第三是尽量减少无用功消耗，第四是充分考虑到控制器的散热。如果采用无功消耗的功率管驱动方案，加上高效率的DC-DC电源模块，可以将控制器的工作电流降低到30mA以下。在这里需要解释一下的是，在电动车控制器里，用于采样电流信号的小阻值大功率电阻器件属于控制器的功率器件之一，电流采样电阻的功率消耗属于无用功消耗，应该算控制器功率损耗的一部分，要减小控制器的功耗，降低控制器的运行温度，可以利用电机的转速与电机电流的绝对对应关系，通过检测电机转动转速来监测电机电流，从而达到控制电流的目的。其中涉及的关键技术点是，一定要有电机堵转和换相信号丢失或错相监测，以免控制器功率管击穿或电机短路时，电流得不到控制。由于控制器直接读取转速电流，不但可以对过流保护或减流保护控制的非常精确，还可以利用转速信号与转把信号和电池电压信号的对应关系，判断出电机是出于什么样的负载情况下运行。如果是无刷电机，控制器可以针对不同的负载情况与不同的转速信号，选择最优化的驱动方案，这在优化了无刷控制器与电机负载的全功率匹配的同时也提高了无刷控制器的可靠性。
D、由于电动车电气系统信号的传输是用连接线束来完成的，出于提高电动车整车的可靠性和提高控制器本身的可靠性出发，对电动车连接线束与接插件的要求是：连接可靠，防水，防尘，抗震，防氧化，防磨损。基于以上要求，电动车连接线束与接插件要有完备的防护套，接插件一定要达到汽车级的接插标准，因为电动车的使用环境从某种意义上讲，比汽车的使用环境还要恶劣。
4、控制器实时保护功能对控制器可靠性的作用
对于控制器的欠压保护功能，保护的是电池，过流保护功能不但保护了电机，还保护了控制器本身，这是控制器最基本的保护功能。如果控制器只具有欠压与过流（或限流）保护功能，实际上是把对电机的所有保护功能全部转化成过流（或限流）保护功能，这样对在复杂工况下使用的电动车电气系统来说，其设计可靠性就很低了。对于无刷电机控制器，由于输入控制变量与控制器使用的功率器件比较多，控制器可以利用各种输入信号对控制系统完成相当完善与相当灵活的保护，这些保护功能可以有：过流保护、减流保护、低电流过载保护、电机换相信号错误保护，在没有过流的情况下电机堵转直接保护等。无刷控制器通过直接读取各种控制信号，进行实时处理或保护，这种就可以大大提高无刷控制器的设计可靠性。从批量使用的效果来看，采用实时控制与保护技术的无刷控制器返修率可以控制在千分之二以内。
(未完待续) |
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