電動(dòng)自行車自從20世紀(jì)80年代發(fā)明以來經(jīng)歷了一個(gè)漫長的發(fā)展過程，在20世紀(jì)90年代北京的道路上曾經(jīng)出現(xiàn)過電動(dòng)自行車，但由于很多技術(shù)并沒有過關(guān)以及交通管理上的一些問題，逐漸在馬路上消失了。當(dāng)時(shí)主要的問題是電源沒過關(guān)，那時(shí)的電動(dòng)自行車使用的電源是汽車用的鉛酸蓄電池，維護(hù)非常麻煩，除了要及時(shí)充電外，還要經(jīng)常換蒸餾水，而且電池體積重量都很大。到了最近，電源問題得到較好的解決，于是電動(dòng)自行車就得到了迅速的發(fā)展。電動(dòng)自行車有很多的優(yōu)點(diǎn)，它不像汽車、摩托車那樣有廢氣及噪音污染，速度低、易于駕駛，一般只要會(huì)騎自行車，用不了一個(gè)小時(shí)就能掌握電動(dòng)自行車的操作，因此特別適合婦女及老人的使用。當(dāng)然不用諱言，電動(dòng)自行車雖然對(duì)環(huán)境沒有直接污染。但若對(duì)廢舊電池處理不好，和汽車的蓄電池一樣對(duì)環(huán)境也會(huì)造成很大的污染，因此在我國有些城市對(duì)電動(dòng)自行車的發(fā)展進(jìn)行了限制。但我想，隨著電池行業(yè)的發(fā)展以及找到對(duì)廢舊電池的更好處理方法，電動(dòng)自行車還會(huì)繼續(xù)得到發(fā)展。

電動(dòng)自行車由車架、電機(jī)、電源、控制器四部分組成（見圖1）。

1.車架

電動(dòng)自行車的車架雖然與普通自行車相似，但由于電動(dòng)自行車的車速較快（雖然規(guī)定的電動(dòng)自行車的最快速度為20公里，但大多電動(dòng)自行車可達(dá)25～30公里）、自重較大（主要是增加了電機(jī)及電池的重量，一般電動(dòng)自行車的自重在25～40公斤左右）。因此電動(dòng)自行車的車架要比普通自行車結(jié)實(shí)，選用較粗的鋼管作為結(jié)構(gòu)件，制動(dòng)器（剎車）的制動(dòng)力也比普通自行車大。為了增加騎行的舒適度，前后叉通常都加有減震器，并且為了安全，裝有轉(zhuǎn)把鎖、電池鎖等鎖具，并且與摩托車一樣，裝有儀表板、前大燈、轉(zhuǎn)向燈以及加速手把（“油門”）、控制按鈕、帶電開關(guān)的制動(dòng)手把等控制設(shè)備。此外車架上還要考慮安放電池及控制器等艙體。

2.電機(jī)

電動(dòng)自行車大都使用輪轂電機(jī)，即把電機(jī)做成輪轂的樣子，直接驅(qū)動(dòng)后輪，從而降低了成本，又提高了驅(qū)動(dòng)效率。部分電動(dòng)自行車采用高速電機(jī)加減速器的方案，這種方案由于使用了減速器，牽引力較大，所以爬坡的能力較大。同時(shí)電機(jī)運(yùn)行的效率較高。當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)增加了成本。

在電動(dòng)自行車中使用的電機(jī)有三種類型：高效低速稀土永磁直流無刷電機(jī)、高效低速稀土永磁直流有刷電機(jī)、高效高速稀土永磁直流有刷電機(jī)。輪轂電機(jī)都是低速電機(jī)，高速電機(jī)都帶減速器。而有刷與無刷是指電機(jī)的換向的方法。我們知道直流電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中繞組中的電流要不斷地改變方向以使轉(zhuǎn)子向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。普通的直流電機(jī)是用電刷與換向器通過機(jī)械接觸進(jìn)行換向，這就是我們前面所說的有刷電機(jī)，而無刷電機(jī)則是通過傳感器（通常用霍爾磁傳感器）檢測(cè)出繞組的位置，并通過單片機(jī)或?qū)Ｓ玫?a target="_blank">集成電路接通相應(yīng)的功率器件給繞組供電。這種電機(jī)由于沒有電刷與換向器的機(jī)械接觸與磨損，不需要經(jīng)常換電刷等易損件，從而提高了電機(jī)的壽命，減少了維修的費(fèi)用。這在電動(dòng)自行車上是非常重要的，因?yàn)樵陔妱?dòng)自行車上要打開輪轂電機(jī)是非常困難的。此外，無刷電機(jī)在運(yùn)行時(shí)不會(huì)像有刷電機(jī)那樣產(chǎn)生火花，干擾車上的電器設(shè)備（儀表、控制器）。但是，無刷電機(jī)需要比較復(fù)雜的控制器，因此控制器的成本要比有刷電機(jī)的高，但考慮到整車性能以及維護(hù)方面的方便，目前絕大多數(shù)的電動(dòng)自行車都使用高效低速稀土永磁無刷電機(jī)作為動(dòng)力。

圖2是一種高效低速稀土永磁無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分是轉(zhuǎn)子，與普通電機(jī)不同，這種電機(jī)的繞組在定子上，而轉(zhuǎn)子上嵌有三組稀土制成的高磁強(qiáng)永磁體，一般為24塊，它的磁場(chǎng)強(qiáng)度決定了電機(jī)的效率和驅(qū)動(dòng)力的大小，所以用戶不要隨意打開電機(jī)，不僅由于定子與轉(zhuǎn)子之間的磁力很大卸開后沒有專用工具很難裝好，而且定子卸走后會(huì)使磁鋼退磁，從而降低了電機(jī)的性能。定子上繞有繞組的鐵芯及用于固定到車架的空心軸，在定子的邊緣裝有三個(gè)霍爾器件作為轉(zhuǎn)子的位置傳感器。所有接線都從固定軸的中孔中引出。引出線分兩組，比較粗的一組是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)線，用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。要求能持續(xù)通上10A并在瞬時(shí)有通過30A電流的能力。這一組三條線A、B、C分別連接到星形連接的三相電機(jī)繞組的接線端。另一組接線通常連在一個(gè)5線插頭上（雖然目前還沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但為了能使各種電機(jī)與不同廠家的控制器相接或者說為了使各種控制器能與不同廠家的電機(jī)相連接，這些連接器的規(guī)格、定義都在靠攏。），該組接線用于檢測(cè)繞組的位置，其中1為檢測(cè)器電源，通常為12V或5V，5為地，2、3、4為繞組相應(yīng)的霍爾位置檢測(cè)器的輸出a、b、c，它們與繞組的響應(yīng)關(guān)系用顏色標(biāo)記（例如2（a）是紅色，則紅色的粗線為A），在控制電路中通常采用三相全波式供電，對(duì)a、b、c三種信號(hào)的組合進(jìn)行譯碼后向六個(gè)功率管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)來驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)。為了讓大家對(duì)電動(dòng)自行車的電機(jī)有一個(gè)概念，附表給出一些電動(dòng)自行車的電機(jī)數(shù)據(jù)。

3.電源

電動(dòng)自行車幾乎都用能多次充電的蓄電池作為能源，目前使用的有全封閉免維護(hù)鉛酸蓄電池、鎘鎳電池、鎳氫電池、鋰電池、燃料電池等。由于全封閉免維護(hù)鉛酸蓄電池在價(jià)格上有較大的優(yōu)勢(shì)，所以絕大多數(shù)電動(dòng)自行車使用這種電池。電動(dòng)自行車上將電池串聯(lián)成電池組安裝在專用的電池盒中，每個(gè)電池的容量通常為12安時(shí)（大的有18安時(shí)）。 這種電池的壽命約為500次放電（壽命與電池質(zhì)量與使用方法有很大關(guān)系），因此使用電動(dòng)自行車時(shí)的日常費(fèi)用決不能只考慮使用的電費(fèi)，而要把一年要換一次的蓄電池的費(fèi)用考慮進(jìn)去（約400元）。

4.電動(dòng)自行車的控制器

電動(dòng)自行車的控制器用于控制電動(dòng)自行車的運(yùn)行，從功能上來看，它單單只是使電動(dòng)自行車能夠起停，總的要求有：

運(yùn)行控制：使電動(dòng)自行車的速度能按照手把轉(zhuǎn)動(dòng)的角度發(fā)生變化從零速度到最大速度；

具有電流過載保護(hù)功能，在各種運(yùn)行狀態(tài)電流都不超過保護(hù)值；

過熱保護(hù)：當(dāng)電動(dòng)自行車長期運(yùn)行在額定電流狀態(tài)控制器溫度過高時(shí)切斷電源供應(yīng)；

剎車時(shí)自動(dòng)斷開供電電源；

欠壓保護(hù)：當(dāng)電源供電不足電池電壓下降到電池最低電壓時(shí)切斷電源，以保護(hù)電池。酸鉛電池不怕充足就怕沒電。

其它功能：為提高使用性能，電動(dòng)自行車常附帶有一些其它功能。非零啟動(dòng)功能是為了防止起動(dòng)電流過大，具有該功能的自行車只有當(dāng)電動(dòng)自行車的車速大于某一速度（例如5公里/小時(shí)）后控制才起作用，以保護(hù)蓄電池，使蓄電池不在大電流放電狀態(tài)下工作；軟起動(dòng)的目的同前，使電動(dòng)自行車工作電流保持恒定，使蓄電池不在大電流放電狀態(tài)下工作；保持功能是使電動(dòng)自行車的運(yùn)行速度在手把給定的最大速度運(yùn)行，以減輕長途騎行時(shí)的疲勞，即你騎行時(shí)將車速增加到某個(gè)速度運(yùn)行時(shí)，可放開手把，自行車則維持在該速度上運(yùn)行，若要增加速度則可通過增加手把轉(zhuǎn)角，但要降低車速則必須使用剎車解除來保持狀態(tài)；1:1功能是電動(dòng)自行車行業(yè)的一個(gè)行話，實(shí)際上是一種助力功能，即電動(dòng)自行車在比較輕松的騎行中運(yùn)行，以使電池處于比較省電而騎行又比較省力，實(shí)際上真正要做到1:1功能需要在腳蹬上加力的傳感器，根據(jù)傳感器信號(hào)來控制供給電機(jī)的電流，但現(xiàn)在很多控制器的1:1功能僅僅是給電機(jī)一個(gè)固定的控制電壓，因此在上橋或迎風(fēng)的時(shí)候，還會(huì)感到比較累。

下面以一個(gè)具體的控制器為例來說明電動(dòng)自行車控制器的原理。圖3為某種電動(dòng)自行車控制器電原理圖。在圖中16V8為譯碼器，將霍爾元件檢測(cè)出來的換相信號(hào)轉(zhuǎn)換為六個(gè)驅(qū)動(dòng)功率管的控制信號(hào)；IR2136為無刷電機(jī)專用控制電路，為驅(qū)動(dòng)功率管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)；P87LPC767是帶有AD輸入及PMW輸出的單片機(jī)，它將手把的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖調(diào)寬信號(hào)，同時(shí)完成諸如過載保護(hù)、欠壓保護(hù)、保持、非零啟動(dòng)等功能；LM358用于過載電流的放大；電動(dòng)自行車的電源電壓為36V，而IR2136需要15V供電，單片機(jī)需要5V供電，因此使用7815、7805提供15V與5V電源；T1～T6（IRFZ44N）為六個(gè)N通道功率場(chǎng)效應(yīng)管，接成三相全波電路，為三相電機(jī)繞組供電（RO1、YO1、BO1）。

CZ1～CZ4為控制器與外部設(shè)備的連接器。其中，CZ1為換相信號(hào)連接器，與輪鼓電機(jī)的霍爾換相信號(hào)相接。CZ1－1接地，CZ1－5接5V，CZ1－2、3、4接換相信號(hào)；CZ2為儀表信號(hào)連接器，CZ2－1、5接地，CZ2－2、3接通訊線，傳送儀表的顯示信號(hào)，包括傳送電源電壓、過載電流、速度、控制器狀態(tài)等信號(hào)，CZ2－4接0.5秒脈沖信號(hào)，為轉(zhuǎn)向燈提供閃動(dòng)控制；CZ3為調(diào)速手把連接器， CZ3－1、3接調(diào)速手把的電源（地及+5V），CZ3－2接調(diào)速信號(hào)。當(dāng)手把的轉(zhuǎn)角從0轉(zhuǎn)向最大角度時(shí)，輸出1.4～4.5V；CZ4為開關(guān)信號(hào)連接器，CZ4－2接地， CZ4－1接剎車開關(guān)。剎車時(shí)，輸出地電平使控制器斷開電機(jī)的供電。CZ4－3接功能開關(guān)，用于選擇電動(dòng)自行車的運(yùn)行狀態(tài)，例如保持、助力等。

R3、RB3-3為電源電壓采樣電阻，從兩個(gè)電阻中間取得電源電壓的變化，以供單片機(jī)監(jiān)控電池電壓。在電池電壓低于33V時(shí)停止供電，以避免電池的過度放電；R7為電流采樣電阻，它串聯(lián)在電源的供電回路中，所以R7上的電壓與電源的供電電流成正比，可以通過測(cè)定R7上的電壓來測(cè)定電源的供給電流。為了不使在R7上損耗太大，R7用粗的（直徑1.5mm）的康銅絲制成，電阻約為0.01Ω，10A電流流過它時(shí)產(chǎn)生0.1V的電壓。為了提高控制精度，LM358對(duì)采樣電壓進(jìn)行放大。

在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路中D1、C4（D2、C3，D3、C2）組成升壓電路。以使T1（T2、T3）在開關(guān)狀態(tài)下能充分飽和，因?yàn)楣β蕡?chǎng)效應(yīng)管在工作時(shí)柵極控制電壓（柵極對(duì)源極）必須大于開啟電壓（約1V）。當(dāng)T1（T2、T3）導(dǎo)通時(shí)它的源極電壓接近電源電壓，因此柵極電壓必須高于電源電壓，升壓電路利用電機(jī)繞組的交流電壓，通過電容隔離與二極管的整流向IR2136的VB1（VB2、VB3）提供高于電源10V的電壓，從而使IR2136能提供高于電源電壓的控制電壓，以使高位場(chǎng)效應(yīng)管能在截止飽和狀態(tài)下工作。

GAL16V8用于進(jìn)行譯碼，輸入到16V8的信號(hào)有霍爾傳感器輸入的繞組位置信號(hào)（16V8的1、2、3）、單片機(jī)提供的脈沖調(diào)寬信號(hào)（16V8的4）、剎車信號(hào)（16V8的5），通過16V8的綜合，輸出三個(gè)上位管（16V8的18、17、16）與三個(gè)下位管的控制信號(hào)（15、14、13）。脈沖調(diào)寬信號(hào)用于控制自行車的車速，剎車信號(hào)用于強(qiáng)制切斷電機(jī)電源。16V8的12、19為轉(zhuǎn)彎燈0.5秒控制信號(hào)。由單片機(jī)（P87LPC767-14）提供，經(jīng)16V8隔離，通過CZ2-4送出。在控制器中，單片機(jī)P87LPC767采集各種外部信息，經(jīng)過綜合，輸出脈沖調(diào)寬信號(hào)對(duì)電動(dòng)自行車進(jìn)行控制。

單片機(jī)首先要采集電動(dòng)自行車中的各種信息，這些信息由模擬信號(hào)及開關(guān)信號(hào)兩部分組成。

模擬信號(hào)由單片機(jī)的AD變換器輸入端輸入，它們是：

手把信號(hào) 它是控制脈寬的主信號(hào)，在正常情況下手把信號(hào)應(yīng)與脈寬成正比，它從單片機(jī)的AD0（P87LPC767-18）輸入。

總電流信號(hào) 用于對(duì)電機(jī)的過流進(jìn)行控制，它由電流采樣電阻R7取出，經(jīng)LM358放大，從單片機(jī)的AD1（P87LPC767-17）輸入。

電池電壓 當(dāng)電池電壓降低時(shí)，欠壓控制需要通過測(cè)定電源電壓來給出控制信號(hào)，它從單片機(jī)的AD2（P87LPC767-16）輸入。

助力調(diào)整信號(hào) 用于調(diào)整助理狀態(tài)下電機(jī)控制信號(hào)的大小，由W1給出，從P87LPC767-14（AD3）輸入。

開關(guān)信號(hào)由單片機(jī)的普通I/O口輸入，它們是：

剎車信號(hào) 用于阻斷調(diào)寬脈沖，同時(shí)還作為一種“復(fù)位”信號(hào)，用于解除某些工作狀態(tài)（例如保持狀態(tài)），此外也用于向儀表提供狀態(tài)信號(hào)（表示自行車處于剎車狀態(tài)）。從P87LPC767-2輸入。

功能按鈕信號(hào) 功能按鈕用于控制電動(dòng)自行車的運(yùn)行狀態(tài)（助動(dòng)狀態(tài)、保持狀態(tài)、非零起動(dòng)狀態(tài)、正常操控狀態(tài)等），為了簡化操作，在電動(dòng)自行車上只有一個(gè)功能控制按鈕，通過單片機(jī)的處理來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的多種功能選擇。例如接通電源時(shí)，電動(dòng)自行車進(jìn)入助動(dòng)狀態(tài)；按一次功能控制按鈕，轉(zhuǎn)入正常操控狀態(tài)；再按一次則轉(zhuǎn)入保持狀態(tài)。以后每按一次功能控制按鈕，電動(dòng)自行車將在保持狀態(tài)與正常操控狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。從P87LPC767-9輸入。

由于儀表信號(hào)由單片機(jī)通過串行口提供，因此所有需要向儀表提供的信號(hào)都要送到單片機(jī)中：

限速開關(guān)（XS） 用于自行車出廠調(diào)試，從P87LPC767-10輸入。

作為輸出信號(hào)有：

脈沖調(diào)寬信號(hào) 通過P87LPC767-1輸出。

0.5秒轉(zhuǎn)彎燈閃動(dòng)信號(hào) 通過P87L PC767-8輸出。

與單片機(jī)相連的其它電路有：

復(fù)位電路 由R10與C17組成。

晶振電路 由JZ1、C19、C20組成。

單片機(jī)的作用體現(xiàn)在脈沖調(diào)寬信號(hào)如何與其它各種信號(hào)的關(guān)聯(lián)上。通過關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的各種功能。圖4是某種電動(dòng)自行車控制器的單片機(jī)工作流程圖。