电动自行车及其控制电路

　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。