电动自行车及其控制器
电动自行车自从20世纪80年代发明以来经历了一个漫长的发展过程,在20世纪90年代北京的道路上曾经出现过电动自行车,但由于很多技术并没有过关以及交通管理上的一些问题,逐渐在马路上消失了。当时主要的问题是电源没过关,那时的电动自行车使用的电源是汽车用的铅酸蓄电池,维护非常麻烦,除了要及时充电外,还要经常换蒸馏水,而且电池体积重量都很大。到了最近,电源问题得到较好的解决,于是电动自行车就得到了迅速的发展。电动自行车有很多的优点,它不像汽车、摩托车那样有废气及噪音污染,速度低、易于驾驶,一般只要会骑自行车,用不了一个小时就能掌握电动自行车的操作,因此特别适合妇女及老人的使用。当然不用讳言,电动自行车虽然对环境没有直接污染。但若对废旧电池处理不好,和汽车的蓄电池一样对环境也会造成很大的污染,因此在我国有些城市对电动自行车的发展进行了限制。但我想,随着电池行业的发展以及找到对废旧电池的更好处理方法,电动自行车还会继续得到发展。 
电动自行车由车架、电机、电源、控制器四部分组成(见图1)。 
1.车架 电动自行车的车架虽然与普通自行车相似,但由于电动自行车的车速较快(虽然规定的电动自行车的最快速度为20公里,但大多电动自行车可达25～30公里)、自重较大(主要是增加了电机及电池的重量,一般电动自行车的自重在25～40公斤左右)。因此电动自行车的车架要比普通自行车结实,选用较粗的钢管作为结构件,制动器(刹车)的制动力也比普通自行车大。为了增加骑行的舒适度,前后叉通常都加有减震器,并且为了安全,装有转把锁、电池锁等锁具,并且与摩托车一样,装有仪表板、前大灯、转向灯以及加速手把(“油门”)、控制按钮、带电开关的制动手把等控制设备。此外车架上还要考虑安放电池及控制器等舱体。 
2.电机 电动自行车大都使用轮毂电机,即把电机做成轮毂的样子,直接驱动后轮,从而降低了成本,又提高了驱动效率。部分电动自行车采用高速电机加减速器的方案,这种方案由于使用了减速器,牵引力较大,所以爬坡的能力较大。同时电机运行的效率较高。当然,这种结构增加了成本。 
在电动自行车中使用的电机有三种类型:高效低速稀土永磁直流无刷电机、高效低速稀土永磁直流有刷电机、高效高速稀土永磁直流有刷电机。轮毂电机都是低速电机,高速电机都带减速器。而有刷与无刷是指电机的换向的方法。我们知道直流电机在转动的过程中绕组中的电流要不断地改变方向以使转子向一个方向转动。普通的直流电机是用电刷与换向器通过机械接触进行换向,这就是我们前面所说的有刷电机,而无刷电机则是通过传感器(通常用霍尔磁传感器)检测出绕组的位置,并通过单片机或专用的集成电路接通相应的功率器件给绕组供电。这种电机由于没有电刷与换向器的机械接触与磨损,不需要经常换电刷等易损件,从而提高了电机的寿命,减少了维修的费用。这在电动自行车上是非常重要的,因为在电动自行车上要打开轮毂电机是非常困难的。此外,无刷电机在运行时不会像有刷电机那样产生火花,干扰车上的电器设备(仪表、控制器)。但是,无刷电机需要比较复杂的控制器,因此控制器的成本要比有刷电机的高,但考虑到整车性能以及维护方面的方便,目前绝大多数的电动自行车都使用高效低速稀土永磁无刷电机作为动力。 

图2是一种高效低速稀土永磁无刷电机的结构,电机的转动部分是转子,与普通电机不同,这种电机的绕组在定子上,而转子上嵌有三组稀土制成的高磁强永磁体,一般为24块,它的磁场强度决定了电机的效率和驱动力的大小,所以用户不要随意打开电机,不仅由于定子与转子之间的磁力很大卸开后没有专用工具很难装好,而且定子卸走后会使磁钢退磁,从而降低了电机的性能。定子上绕有绕组的铁芯及用于固定到车架的空心轴,在定子的边缘装有三个霍尔器件作为转子的位置传感器。所有接线都从固定轴的中孔中引出。引出线分两组,比较粗的一组是电机的驱动线,用来驱动电机。要求能持续通上10A并在瞬时有通过30A电流的能力。这一组三条线A、B、C分别连接到星形连接的三相电机绕组的接线端。另一组接线通常连在一个5线插头上(虽然目前还没有一个标准,但为了能使各种电机与不同厂家的控制器相接或者说为了使各种控制器能与不同厂家的电机相连接,这些连接器的规格、定义都在靠拢。),该组接线用于检测绕组的位置,其中1为检测器电源,通常为12V或5V,5为地,2、3、4为绕组相应的霍尔位置检测器的输出a、b、c,它们与绕组的响应关系用颜色标记(例如2(a)是红色,则红色的粗线为A),在控制电路中通常采用三相全波式供电,对a、b、c三种信号的组合进行译码后向六个功率管提供驱动信号来驱动无刷电机。为了让大家对电动自行车的电机有一个概念,附表给出一些电动自行车的电机数据。 
3.电源 电动自行车几乎都用能多次充电的蓄电池作为能源,目前使用的有全封闭免维护铅酸蓄电池、镉镍电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池等。由于全封闭免维护铅酸蓄电池在价格上有较大的优势,所以绝大多数电动自行车使用这种电池。电动自行车上将电池串联成电池组安装在专用的电池盒中,每个电池的容量通常为12安时(大的有18安时)。 这种电池的寿命约为500次放电(寿命与电池质量与使用方法有很大关系),因此使用电动自行车时的日常费用决不能只考虑使用的电费,而要把一年要换一次的蓄电池的费用考虑进去(约400元)。 
4.电动自行车的控制器 电动自行车的控制器用于控制电动自行车的运行,从功能上来看,它单单只是使电动自行车能够起停,总的要求有: 
(1)运行控制:使电动自行车的速度能按照手把转动的角度发生变化从零速度到最大速度; 
(2)具有电流过载保护功能,在各种运行状态电流都不超过保护值
(3)过热保护:当电动自行车长期运行在额定电流状态控制器温度过高时切断电源供应; 
(4)刹车时自动断开供电电源; 
(5)欠压保护:当电源供电不足电池电压下降到电池最低电压时切断电源,以保护电池。酸铅电池不怕充足就怕没电。 

(6)其它功能:为提高使用性能,电动自行车常附带有一些其它功能。非零启动功能是为了防止起动电流过大,具有该功能的自行车只有当电动自行车的车速大于某一速度(例如5公里/小时)后控制才起作用,以保护蓄电池,使蓄电池不在大电流放电状态下工作;软起动的目的同前,使电动自行车工作电流保持恒定,使蓄电池不在大电流放电状态下工作;保持功能是使电动自行车的运行速度在手把给定的最大速度运行,以减轻长途骑行时的疲劳,即你骑行时将车速增加到某个速度运行时,可放开手把,自行车则维持在该速度上运行,若要增加速度则可通过增加手把转角,但要降低车速则必须使用刹车解除来保持状态;1:1功能是电动自行车行业的一个行话,实际上是一种助力功能,即电动自行车在比较轻松的骑行中运行,以使电池处于比较省电而骑行又比较省力,实际上真正要做到1:1功能需要在脚蹬上加力的传感器,根据传感器信号来控制供给电机的电流,但现在很多控制器的1:1功能仅仅是给电机一个固定的控制电压,因此在上桥或迎风的时候,还会感到比较累。 
下面以一个具体的控制器为例来说明电动自行车控制器的原理。图3为某种电动自行车控制器电原理图。在图中16V8为译码器,将霍尔元件检测出来的换相信号转换为六个驱动功率管的控制信号;IR2136为无刷电机专用控制电路,为驱动功率管提供驱动信号;P87LPC767是带有AD输入及PMW输出的单片机,它将手把的电平信号转换为脉冲调宽信号,同时完成诸如过载保护、欠压保护、保持、非零启动等功能;LM358用于过载电流的放大;电动自行车的电源电压为36V,而IR2136需要15V供电,单片机需要5V供电,因此使用7815、7805提供15V与5V电源;T1～T6(IRFZ44N)为六个N通道功率场效应管,接成三相全波电路,为三相电机绕组供电(RO1、YO1、BO1)。 
CZ1～CZ4为控制器与外部设备的连接器。其中,CZ1为换相信号连接器,与轮鼓电机的霍尔换相信号相接。CZ1-1接地,CZ1-5接5V,CZ1-2、3、4接换相信号;CZ2为仪表信号连接器,CZ2-1、5接地,CZ2-2、3接通讯线,传送仪表的显示信号,包括传送电源电压、过载电流、速度、控制器状态等信号,CZ2-4接0.5秒脉冲信号,为转向灯提供闪动控制;CZ3为调速手把连接器, CZ3-1、3接调速手把的电源(地及+5V),CZ3-2接调速信号。当手把的转角从0转向最大角度时,输出1.4～4.5V;CZ4为开关信号连接器,CZ4-2接地, CZ4-1接刹车开关。刹车时,输出地电平使控制器断开电机的供电。CZ4-3接功能开关,用于选择电动自行车的运行状态,例如保持、助力等。 
R3、RB3-3为电源电压采样电阻,从两个电阻中间取得电源电压的变化,以供单片机监控电池电压。在电池电压低于33V时停止供电,以避免电池的过度放电;R7为电流采样电阻,它串联在电源的供电回路中,所以R7上的电压与电源的供电电流成正比,可以通过测定R7上的电压来测定电源的供给电流。为了不使在R7上损耗太大,R7用粗的(直径1.5mm)的康铜丝制成,电阻约为0.01Ω,10A电流流过它时产生0.1V的电压。为了提高控制精度,LM358对采样电压进行放大。 

在电机的驱动电路中D1、C4(D2、C3,D3、C2)组成升压电路。以使T1(T2、T3)在开关状态下能充分饱和,因为功率场效应管在工作时栅极控制电压(栅极对源极)必须大于开启电压(约1V)。当T1(T2、T3)导通时它的源极电压接近电源电压,因此栅极电压必须高于电源电压,升压电路利用电机绕组的交流电压,通过电容隔离与二极管的整流向IR2136的VB1(VB2、VB3)提供高于电源10V的电压,从而使IR2136能提供高于电源电压的控制电压,以使高位场效应管能在截止饱和状态下工作。 
GAL16V8用于进行译码,输入到16V8的信号有霍尔传感器输入的绕组位置信号(16V8的1、2、3)、单片机提供的脉冲调宽信号(16V8的4)、刹车信号(16V8的5),通过16V8的综合,输出三个上位管(16V8的18、17、16)与三个下位管的控制信号(15、14、13)。脉冲调宽信号用于控制自行车的车速,刹车信号用于强制切断电机电源。16V8的12、19为转弯灯0.5秒控制信号。由单片机(P87LPC767-14)提供,经16V8隔离,通过CZ2-4送出。在控制器中,单片机P87LPC767采集各种外部信息,经过综合,输出脉冲调宽信号对电动自行车进行控制。 

单片机首先要采集电动自行车中的各种信息,这些信息由模拟信号及开关信号两部分组成。 
模拟信号由单片机的AD变换器输入端输入,它们是: 
手把信号 它是控制脉宽的主信号,在正常情况下手把信号应与脉宽成正比,它从单片机的AD0(P87LPC767-18)输入。 
总电流信号 用于对电机的过流进行控制,它由电流采样电阻R7取出,经LM358放大,从单片机的AD1(P87LPC767-17)输入。
电池电压 当电池电压降低时,欠压控制需要通过测定电源电压来给出控制信号,它从单片机的AD2(P87LPC767-16)输入。 
助力调整信号 用于调整助理状态下电机控制信号的大小,由W1给出,从P87LPC767-14(AD3)输入。 
开关信号由单片机的普通I/O口输入,它们是: 
刹车信号 用于阻断调宽脉冲,同时还作为一种“复位”信号,用于解除某些工作状态(例如保持状态),此外也用于向仪表提供状态信号(表示自行车处于刹车状态)。从P87LPC767-2输入。 
功能按钮信号 功能按钮用于控制电动自行车的运行状态(助动状态、保持状态、非零起动状态、正常操控状态等),为了简化操作,在电动自行车上只有一个功能控制按钮,通过单片机的处理来实现电动自行车的多种功能选择。例如接通电源时,电动自行车进入助动状态;按一次功能控制按钮,转入正常操控状态;再按一次则转入保持状态。以后每按一次功能控制按钮,电动自行车将在保持状态与正常操控状态之间转换。从P87LPC767-9输入。 
由于仪表信号由单片机通过串行口提供,因此所有需要向仪表提供的信号都要送到单片机中: 
限速开关(XS) 用于自行车出厂调试,从P87LPC767-10输入。 
作为输出信号有: 
脉冲调宽信号 通过P87LPC767-1输出。 
0.5秒转弯灯闪动信号 通过P87L PC767-8输出。 
与单片机相连的其它电路有: 
复位电路 由R10与C17组成。 
晶振电路 由JZ1、C19、C20组成。 

单片机的作用体现在脉冲调宽信号如何与其它各种信号的关联上。通过关联,实现电动自行车的各种功能。图4是某种电动自行车控制器的单片机工作流程图。