電動(dòng)自行車自從20世紀(jì)80年代發(fā)明以來(lái)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，在20世紀(jì)90年代北京的道路上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)電動(dòng)自行車，但由于很多技術(shù)并沒(méi)有過(guò)關(guān)以及交通管理上的一些問(wèn)題，逐漸在馬路上消失了。當(dāng)時(shí)主要的問(wèn)題是電源沒(méi)過(guò)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(wèn)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(méi)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(guó)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(jiàn)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(mén)”）、控制按鈕、帶電開(kāi)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)機(jī)械接觸進(jìn)行換向，這就是我們前面所說(shuō)的有刷電機(jī)，而無(wú)刷電機(jī)則是通過(guò)傳感器（通常用霍爾磁傳感器）檢測(cè)出繞組的位置，并通過(guò)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(méi)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(kāi)輪轂電機(jī)是非常困難的。此外，無(wú)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(wú)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(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力。

圖2是一種高效低速稀土永磁無(wú)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(kāi)電機(jī)，不僅由于定子與轉(zhuǎn)子之間的磁力很大卸開(kāi)后沒(méi)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(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。要求能持續(xù)通上10A并在瞬時(shí)有通過(guò)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(méi)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(shuō)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(lái)驅(qū)動(dòng)無(wú)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(lái)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(guò)載保護(hù)功能，在各種運(yùn)行狀態(tài)電流都不超過(guò)保護(hù)值；

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

剎車時(shí)自動(dòng)斷開(kāi)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(méi)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(guò)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(zhǎng)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(kāi)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(guò)增加手把轉(zhuǎn)角，但要降低車速則必須使用剎車解除來(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)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(lái)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(wú)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(guò)載保護(hù)、欠壓保護(hù)、保持、非零啟動(dòng)等功能；LM358用于過(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)信號(hào)連接器，CZ4－2接地， CZ4－1接剎車開(kāi)關(guān)。剎車時(shí)，輸出地電平使控制器斷開(kāi)電機(jī)的供電。CZ4－3接功能開(kāi)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(guò)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(guò)測(cè)定R7上的電壓來(lái)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)測(cè)定電源電壓來(lái)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(kāi)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(jiǎn)化操作，在電動(dòng)自行車上只有一個(gè)功能控制按鈕，通過(guò)單片機(jī)的處理來(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)P87LPC767-1輸出。

0.5秒轉(zhuǎn)彎燈閃動(dòng)信號(hào) 通過(guò)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(guò)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。