電動自行車及其控制器

　電動自行車自從20世紀80年代發明以來經歷了一個漫長的發展過程，在20世紀90年代北京的道路上曾經出現過電動自行車，但由於很多技術並沒有過關以及交通管理上的一些問題，逐漸在馬路上消失了。當時主要的問題是電源沒過關，那時的電動自行車使用的電源是汽車用的鉛酸蓄電池，維護非常麻煩，除了要及時充電外，還要經常換蒸餾水，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，於是電動自行車就得到了迅速的發展。電動自行車有很多的優點，它不像汽車、摩托車那樣有廢氣及噪音污染，速度低、易於駕駛，一般只要會騎自行車，用不了一個小時就能掌握電動自行車的操作，因此特別適合婦女及老人的使用。當然不用諱言，電動自行車雖然對環境沒有直接污染。但若對廢舊電池處理不好，和汽車的蓄電池一樣對環境也會造成很大的污染，因此在我國有些城市對電動自行車的發展進行了限制。但我想，隨著電池行業的發展以及找到對廢舊電池的更好處理方法，電動自行車還會繼續得到發展。
　電動自行車由車架、電機、電源、控制器四部分組成（見圖1）。
 
　1.車架 電動自行車的車架雖然與普通自行車相似，但由於電動自行車的車速較快（雖然規定的電動自行車的最快速度為20公里，但大多電動自行車可達25～30公里）、自重較大（主要是增加了電機及電池的重量，一般電動自行車的自重在25～40公斤左右）。因此電動自行車的車架要比普通自行車結實，選用較粗的鋼管作為結構件，制動器（剎車）的制動力也比普通自行車大。為了增加騎行的舒適度，前後叉通常都加有減震器，並且為了安全，裝有轉把鎖、電池鎖等鎖具，並且與摩托車一樣，裝有儀錶板、前大燈、轉向燈以及加速手把（“油門”）、控制按鈕、帶電開關的制動手把等控制設備。此外車架上還要考慮安放電池及控制器等艙體。

　2.電機 電動自行車大都使用輪轂電機，即把電機做成輪轂的樣子，直接驅動後輪，從而降低了成本，又提高了驅動效率。部分電動自行車採用高速電機加減速器的方案，這種方案由於使用了減速器，牽引力較大，所以爬坡的能力較大。同時電機運行的效率較高。當然，這種結構增加了成本。
　在電動自行車中使用的電機有三種類型：高效低速稀土永磁直流無刷電機、高效低速稀土永磁直流有刷電機、高效高速稀土永磁直流有刷電機。輪轂電機都是低速電機，高速電機都帶減速器。而有刷與無刷是指電機的換向的方法。我們知道直流電機在轉動的過程中繞組中的電流要不斷地改變方向以使轉子向一個方向轉動。普通的直流電機是用電刷與換向器通過機械接觸進行換向，這就是我們前面所說的有刷電機，而無刷電機則是通過感測器（通常用霍爾磁感測器）檢測出繞組的位置，並通過單片機或專用的集成電路接通相應的功率器件給繞組供電。這種電機由於沒有電刷與換向器的機械接觸與磨損，不需要經常換電刷等易損件，從而提高了電機的壽命，減少了維修的費用。這在電動自行車上是非常重要的，因為在電動自行車上要打開輪轂電機是非常困難的。此外，無刷電機在運行時不會像有刷電機那樣產生火花，干擾車上的電器設備（儀錶、控制器）。但是，無刷電機需要比較複雜的控制器，因此控制器的成本要比有刷電機的高，但考慮到整車性能以及維護方面的方便，目前絕大多數的電動自行車都使用高效低速稀土永磁無刷電機作為動力。
 
　圖2是一種高效低速稀土永磁無刷電機的結構，電機的轉動部分是轉子，與普通電機不同，這種電機的繞組在定子上，而轉子上嵌有三組稀土製成的高磁強永磁體，一般為24塊，它的磁場強度決定了電機的效率和驅動力的大小，所以用戶不要隨意打開電機，不僅由於定子與轉子之間的磁力很大卸開后沒有專用工具很難裝好，而且定子卸走後會使磁鋼退磁，從而降低了電機的性能。定子上繞有繞組的鐵芯及用於固定到車架的空心軸，在定子的邊緣裝有三個霍爾器件作為轉子的位置感測器。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的驅動線，用來驅動電機。要求能持續通上10A並在瞬時有通過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繞組的接線端。另一組接線通常連在一個5線插頭上（雖然目前還沒有一個標準，但為了能使各種電機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相連接，這些連接器的規格、定義都在靠攏。），該組接線用於檢測繞組的位置，其中1為檢測器電源，通常為12V或5V，5為地，2、3、4為繞組相應的霍爾位置檢測器的輸出a、b、c，它們與繞組的響應關係用顏色標記（例如2（a）是紅色，則紅色的粗線為A），在控制電路中通常採用三相全波式供電，對a、b、c三種信號的組合進行解碼後向六個功率管提供驅動信號來驅動無刷電機。為了讓大家對電動自行車的電機有一個概念，附表給出一些電動自行車的電機數據。

　3.電源 電動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鉛酸蓄電池、鎘鎳電池、鎳氫電池、鋰電池、燃料電池等。由於全封閉免維護鉛酸蓄電池在價格上有較大的優勢，所以絕大多數電動自行車使用這種電池。電動自行車上將電池串聯成電池組安裝在專用的電池盒中，每個電池的容量通常為12安時（大的有18安時）。 這種電池的壽命約為500次放電（壽命與電池質量與使用方法有很大關係），因此使用電動自行車時的日常費用決不能只考慮使用的電費，而要把一年要換一次的蓄電池的費用考慮進去（約400元）。

　4.電動自行車的控制器 電動自行車的控制器用於控制電動自行車的運行，從功能上來看，它單單隻是使電動自行車能夠起停，總的要求有：

1. 運行控制:使電動自行車的速度能按照手把轉動的角度發生變化從零速度到最大速度；
2. 具有電流過載保護功能，在各種運行狀態電流都不超過保護值；
3. 過熱保護：當電動自行車長期運行在額定電流狀態控制器溫度過高時切斷電源供應；
4. 剎車時自動斷開供電電源；
5. 欠壓保護：當電源供電不足電池電壓下降到電池最低電壓時切斷電源，以保護電池。酸鉛電池不怕充足就怕沒電。 
6. 其它功能：為提高使用性能，電動自行車常附帶有一些其它功能。非零啟動功能是為了防止起動電流過大，具有該功能的自行車只有當電動自行車的車速大於某一速度（例如5公里/小時）后控制才起作用，以保護蓄電池，使蓄電池不在大電流放電狀態下工作；軟起動的目的同前，使電動自行車工作電流保持恆定，使蓄電池不在大電流放電狀態下工作；保持功能是使電動自行車的運行速度在手把給定的最大速度運行，以減輕長途騎行時的疲勞，即你騎行時將車速增加到某個速度運行時，可放開手把，自行車則維持在該速度上運行，若要增加速度則可通過增加手把轉角，但要降低車速則必須使用剎車解除來保持狀態；1:1功能是電動自行車行業的一個行話，實際上是一種助力功能，即電動自行車在比較輕鬆的騎行中運行，以使電池處於比較省電而騎行又比較省力，實際上真正要做到1:1功能需要在腳蹬上加力的感測器，根據感測器信號來控制供給電機的電流，但現在很多控制器的1:1功能僅僅是給電機一個固定的控制電壓，因此在上橋或迎風的時候，還會感到比較累。

　下面以一個具體的控制器為例來說明電動自行車控制器的原理。圖3為某種電動自行車控制器電原理圖。在圖中16V8為解碼器，將霍爾元件檢測出來的換相信號轉換為六個驅動功率管的控制信號；IR2136為無刷電機專用控制電路，為驅動功率管提供驅動信號；P87LPC767是帶有AD輸入及PMW輸出的單片機，它將手把的電平信號轉換為脈衝調寬信號，同時完成諸如過載保護、欠壓保護、保持、非零啟動等功能；LM358用於過載電流的放大；電動自行車的電源電壓為36V，而IR2136需要15V供電，單片機需要5V供電，因此使用7815、7805提供15V與5V電源；T1～T6(IRFZ44N)為六個N通道功率場效應管，接成三相全波電路，為三相電機繞組供電(RO1、YO1、BO1)。
 
　CZ1～CZ4為控制器與外部設備的連接器。其中，CZ1為換相信號連接器，與輪鼓電機的霍爾換相信號相接。CZ1－1接地，CZ1－5接5V，CZ1－2、3、4接換相信號；CZ2為儀錶信號連接器，CZ2－1、5接地，CZ2－2、3接通訊線，傳送儀錶的顯示信號，包括傳送電源電壓、過載電流、速度、控制器狀態等信號，CZ2－4接0.5秒脈衝信號，為轉向燈提供閃動控制；CZ3為調速手把連接器， CZ3－1、3接調速手把的電源(地及+5V)，CZ3－2接調速信號。當手把的轉角從0轉向最大角度時，輸出1.4～4.5V；CZ4為開關信號連接器，CZ4－2接地， CZ4－1接剎車開關。剎車時，輸出地電平使控制器斷開電機的供電。CZ4－3接功能開關，用於選擇電動自行車的運行狀態，例如保持、助力等。
　R3、RB3-3為電源電壓採樣電阻，從兩個電阻中間取得電源電壓的變化，以供單片機監控電池電壓。在電池電壓低於33V時停止供電，以避免電池的過度放電；R7為電流採樣電阻，它串聯在電源的供電迴路中，所以R7上的電壓與電源的供電電流成正比，可以通過測定R7上的電壓來測定電源的供給電流。為了不使在R7上損耗太大，R7用粗的(直徑1.5mm)的康銅絲製成，電阻約為0.01Ω，10A電流流過它時產生0.1V的電壓。為了提高控制精度，LM358對採樣電壓進行放大。
　在電機的驅動電路中D1、C4(D2、C3，D3、C2)組成升壓電路。以使T1(T2、T3)在開關狀態下能充分飽和，因為功率場效應管在工作時柵極控制電壓(柵極對源極)必須大於開啟電壓(約1V)。當T1(T2、T3)導通時它的源極電壓接近電源電壓，因此柵極電壓必須高於電源電壓，升壓電路利用電機繞組的交流電壓，通過電容隔離與二極體的整流向IR2136的VB1(VB2、VB3)提供高於電源10V的電壓，從而使IR2136能提供高於電源電壓的控制電壓，以使高位場效應管能在截止飽和狀態下工作。
　GAL16V8用於進行解碼，輸入到16V8的信號有霍爾感測器輸入的繞組位置信號(16V8的1、2、3)、單片機提供的脈衝調寬信號(16V8的4)、剎車信號(16V8的5)，通過16V8的綜合，輸出三個上位管(16V8的18、17、16)與三個下位管的控制信號(15、14、13)。脈衝調寬信號用於控制自行車的車速，剎車信號用於強制切斷電機電源。16V8的12、19為轉彎燈0.5秒控制信號。由單片機(P87LPC767-14)提供，經16V8隔離，通過CZ2-4送出。在控制器中，單片機P87LPC767採集各種外部信息，經過綜合，輸出脈衝調寬信號對電動自行車進行控制。
　單片機首先要採集電動自行車中的各種信息，這些信息由模擬信號及開關信號兩部分組成。
　模擬信號由單片機的AD變換器輸入端輸入，它們是:

• 手把信號 它是控制脈寬的主信號，在正常情況下手把信號應與脈寬成正比，它從單片機的AD0(P87LPC767-18)輸入。
• 總電流信號 用於對電機的過流進行控制，它由電流採樣電阻R7取出，經LM358放大，從單片機的AD1(P87LPC767-17)輸入。
• 電池電壓 當電池電壓降低時，欠壓控制需要通過測定電源電壓來給出控制信號，它從單片機的AD2(P87LPC767-16)輸入。
• 助力調整信號 用於調整助理狀態下電機控制信號的大小，由W1給出，從P87LPC767-14(AD3)輸入。

    開關信號由單片機的普通I/O口輸入，它們是:

• 剎車信號 用於阻斷調寬脈衝，同時還作為一種“複位”信號，用於解除某些工作狀態(例如保持狀態)，此外也用於向儀錶提供狀態信號(表示自行車處於剎車狀態)。從P87LPC767-2輸入。
• 功能按鈕信號 功能按鈕用於控制電動自行車的運行狀態(助動狀態、保持狀態、非零起動狀態、正常操控狀態等)，為了簡化操作，在電動自行車上只有一個功能控制按鈕，通過單片機的處理來實現電動自行車的多種功能選擇。例如接通電源時，電動自行車進入助動狀態；按一次功能控制按鈕，轉入正常操控狀態；再按一次則轉入保持狀態。以後每按一次功能控制按鈕，電動自行車將在保持狀態與正常操控狀態之間轉換。從P87LPC767-9輸入。

　由於儀錶信號由單片機通過串列口提供，因此所有需要向儀錶提供的信號都要送到單片機中：
　限速開關(XS) 用於自行車出廠調試，從P87LPC767-10輸入。
　作為輸出信號有：

• 脈衝調寬信號 通過P87LPC767-1輸出。
• 0.5秒轉彎燈閃動信號 通過P87L PC767-8輸出。

    與單片機相連的其它電路有：

• 複位電路 由R10與C17組成。
• 晶振電路 由JZ1、C19、C20組成。

　單片機的作用體現在脈衝調寬信號如何與其它各種信號的關聯上。通過關聯，實現電動自行車的各種功能。圖4是某種電動自行車控制器的單片機工作流程圖。