1. 电动自行车电动机为什么会转动？
电动机是将蓄电池电能转换成机械能，驱动电动自行车车轮旋转的部件。直流电动机由固定的N、S磁极、通有电流的闭合线圈导体组成，并根据左手定则工作(见图1，闭合电路中导体在磁场的作用下受力，左手平展，手心对准N极，大拇指与并在一起的四指垂直，四指指向电流方向，大拇指所指的方向为受力方向)。使用中的直流电动机转子上的绕组不是由一个线圈构成，而由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩波动。在这个过程中，虽然外加的电源是直流的，但线圈中流过的电流是交流的，因而保证了其产生转矩的方向不变。
图1 左手定则示意图
电动自行车电动机的工作原理如图2所示。具体工作过程如下：
图2 电动自行车电动机工作原理
1）首先控制中心根据霍尔元件感应到的电动机转子目前所在位置。
2）然后依照定子绕组决定开启或关闭MOSFET的顺序，上臂MOSFET（包括AH、BH、CH）及下臂MOSFET（包括AL、BL、CL）使电流依序流经电动机绕组产生顺向或逆向旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电动机顺时针/逆时针转动。
3）当电动机转子转动到霍尔元件感应出另一组信号的位置时，控制器又再开启下一组MOSFET，如此循环，电动机就可以依同一方向继续转动，直到控制中心决定要电动机转子停止，则关闭功率晶体管或只开启下臂MOSFET。要电动机转子反向转动则MOSFET开启顺序相反。
有刷电动机通过电刷和换向器的作用完成上述的换向。有刷电动机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和电刷不转，线圈电流方向的交替变化，是靠随电动机转动的换相器和电刷来完成的。
无刷电动机则是通过位置传感器的作用来完成上述的换向。无刷电动机是由控制器提供不同电流方向的直流电，来达到电动机里面线圈电流方向的交替变化。无刷电动机的转子和定子之间没有电刷和换相器。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，三个位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制六个开关管的导通和截止，从而自动地控制了哪个绕组通电，及通电方向，从而实现了电子换向。
2. 电动自行车是如何工作的？
电动自行车的工作过程如图3所示。当接通蓄电池电源后，通过手柄控制控制器的输出电压到电动机，电动机通电产生旋转磁场，驱动车轮旋转，车辆开始行驶。车速快慢是通过调速开关变换电压来实现的。骑行者通过转动转把来控制控制器输送给电动机电压的高低，从而控制电动机的转速，也就控制了电动自行车行进的速度，并可通过观察仪表盘，了解当前蓄电池电压、电量、行车速度和骑行状态等信息。
图3 电动自行车工作原理实物模拟图
3. 电动自行车控制系统工作原理是怎样的？
电动自行车控制系统是由主芯片（或单片机）和周边元器件组成。单片机也称微控制器，是在一块集成片上把存储器、有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、通过方波控制功率管的导通时间以控制电动机转速的驱动电路输入/输出端口等集成在一起。周边元器件是一些功能元器件，如执行、采样等，它们是电阻、传感器、桥式开关电路，以及辅助单片机或专用集成电路完成控制过程的元器件。
电动自行车控制系统的作用主要是控制电动机运转速度（即车速）和对整车电气系统及有关电器装置进行有效控制和保护。根据采用电动机的形式不同，电动自行车的控制系统又分为普通型控制系统和智能型控制系统。
以某电动自行车无刷智能型控制系统为例，其控制原理如图4所示。该车采用六路MOS大电流开关管，受PWM信号的作用，起控制导通时间和关闭时间的作用。微处理器根据无刷电动机的霍尔信号，对上三路和下三路的MOS管驱动电路，给出有选择性的导通与截止信号，以完成对电动机的换向。另外，根据调速手柄的输入电压大小，将相应脉冲宽度的载波信号，与下三路MOS管导通信号混合，以达到控制电动机转速的目的。
图4 某电动自行车控制系统工作原理框图
采用单片机作为主控芯片的智能控制系统，可以实现控制和保护电动自行车的电动机、蓄电池，使电动自行车驱动系统工作在最佳状态。它们都具有自动开关、软起动、无级变速、过电流保护、欠电压保护、过载保护、温度自动保护等多种功能。
3.1. 开关功能
在控制器中设计有自动开关即PWM或斩波器电路，这样每秒钟内电流被接通的次数就可以固定下来，但每次的接通时间可以调整。因此，控制器实际上是一个开关电路。
3.2. 软起动功能
软起动起动速度较慢，是负重条件下起动车辆的一种方法。主要用来限制冲击电流，对蓄电池具有保护作用。还可以避免电动自行车在红绿灯路口或交通拥堵的地方起动速度过快而发生交通事故，确保人身安全。
3.3. 无级变速功能
控制器具有无级变速功能，使电动自行车在行驶过程中，可根据路面和车流的情况，合理迅速地进行速度的平稳调整，以适应行驶的需要。
3.4. 欠电压保护功能
当起动和路面状况突然变化，或电源电压已达放电终了时，控制器的电压取样电阻将分流信息馈入比较器，欠电压保护电路即可按预先设定程序发出指令，切断电流，终止蓄电池向电动机供电，从而保护电子器件和电源。
3.5. 过电流保护功能
过流保护又称限流保护，在控制器中设计有过电流保护电路，对控制器输出的最大电流值进行限制，从而保护蓄电池、电动机和控制器等的最大电流在允许范围内，以免电流过大，对电动机和电路元器件造成损坏。
3.6. 过载保护功能
电动自行车过载是很危险的，车主应注意电动自行车的载重能力。当载重超限后，过载保护电路会自动切断电源，以防止开关管等元器件发生损坏。过载保护和过电流保护基本相同，其原因是载重超限必然引起电流超限。
3.7. 温度自动保护功能
控制器中设计了温度过高或过低保护和补偿电路，以具有低温消减，高温线性回落功能，在温度过高或过低时自动保护，避免损坏有关部件。
3.8. 限速保护功能
限速保护功能就是使电动自行车只有在不超过预定车速的状态下方可运行。当车速超过一定预设值时，控制器将切断蓄电池与电动机间的电流，电动自行车被迫减速。当车速低于预设值后，又继续供电。这样一方面保护电器免受损害，另一方面也保证了骑行者的安全。
4. 电动自行车控制器都有哪些典型单元电路？
电动自行车控制器单元代表电路主要包括供电电路、PWM电路、电动机驱动电路、调速控制电路、欠电压保护电路、制动控制电路、显示电路等。下面以三友牌36V有刷控制器为例，对控制器单元代表电路进行介绍。
三友牌有刷控制器由PWM控制芯片TL494和其他外围元器件构成，其电路原理如图5所示。各单元电路工作过程如下：
图5 三友牌36V有刷控制器电路原理
4.1. 供电电路
由于蓄电池电压为36V，而TL494（IC1）的正常工作电压为12V，因此需利用三端受控型稳压器LM317（1C2）将 36V降到12V向TL494提供电源。
36V电压首先经C5滤波后，加到1C2的电压输入③脚。经R4、R5分压后，向控制脚1C1的①脚提供控制电压，由于1C2的②脚始终比①脚高出1.25V。因此R5、R4分压后，向IC2 的①脚提供10.75V左右的电压，IC2 的②脚输出 +12V 电压，一路加到IC1 的②脚供电；另一路加到 VT2集电极，向 VT2供电。
4.2. PWM电路
PWM 电路是由IC1的脚和⑩脚输出。12V电压经ICl的②脚，产生5V基准电压供其内部的振荡器并由IC1④脚输出；振荡器与IC1的⑤、⑥脚外接的定时元件C7、R9振荡产生锯齿波脉冲信号，由该脉冲信号控制PWM比较器产生激励脉冲，经驱动电路放大后，由IC1⑩脚输出。
4.3. 电动机驱动电路
电动机驱动电路由驱动电路和功率放大电路两部分组成。工作过程如下：
1）IC1 的⑩脚输出的激励脉冲信号经 VT2~VT4 组成的复合推挽电路放大后，输送到大功率场效应晶体管 VF1 的 G极。
2）当IC1的①0脚输出激励脉冲为高电平时，VT2导通，VT3、VT4因反偏而截止。
3） 12V 电压经 VT2 的 C、E 极到 VF1 的 G 极，致使 VF1 导通。
4）36V电压经电动机的正、负极，VF1的D、S极到蓄电池的负极形成闭合回路，此时电动机开始转动。R3、VT3为钳位电路，控制 VF1的G极电压，避免 VF1因过激励而损坏。
5）当IC1的⑩脚输出激励脉冲为负电平时，VT2截止，VT3、VT4导通，将 VF1的G极的电压对地迅速释放，使VF1快速进入截止状态，减少功耗。电动机两端并联的VD5用于在VF1截止期间将电动机绕组中产生的反向电动势泄放，避免VF1在截止期间击穿。
4.4. 调速控制电路
调速控制是通过控制PWM电路输出的激励脉冲信号占空比来完成。当转动调速转把时，调速转把输出的电压随着变化，使IC1的④脚电压发生变化，从而实现调整控制。
当电压变低时，通过内部的比较器处理，使IC1的⑩脚输出激励脉冲占空比加大，VF1的导通时间延长，电动机转速提高，车速加快：当电压变高时，IC1的⑩0脚输出激励脉冲占空比减少，VF1的导通时间缩短，电动机速度减慢，车速降低。
4.5. 欠电压保护电路
欠电压保护电路是为防止蓄电池过放电，从而影响蓄电池的使用寿命。该电路由IC1内的比较器、其外围取样电路和欠电压保护显示电路构成。工作过程如下：
1) IC1 的④脚输出的基准 5V 电压经 R12→R11→VD2→VD3 分压，向 IC1 的①脚提供参考电压。同时，蓄电池端电压经R6、R7、R8取样，再经滤波电容C6滤除干扰脉冲后，送到IC1的②脚。
2）当蓄电池电压下降到31.5V时，IC1的②脚电压低于①脚电压，比较器输出高电平，并由③脚输出两路电压：一路到 VT5基极使VT5导通，点亮欠电压指示灯；另一路经R10→VD4→IC1的①脚，使①脚维持高电平，比较器一直处于高电平输出状态，此时控制PWM处理器不再输出激励脉冲，电动机停止转动。
3）当蓄电池电压恢复到36V时，IC1的②脚电压高于①脚，此时比较器输出低电平，PWM处理器开始输出激励脉冲，电动机重新起动。
4） 由于IC1 的⑤脚接 5V 电源，⑩脚通过 VD3、VD2 接地使IC1 内部的比较器一直输出低电平，因此对欠电压保护电路不造成影响。
4.6. 制动控制电路
制动控制过程由闸把开关和IC1的④脚内部电路共同完成。制动时，闸把开关导通，+5V电压经闸把开关加到IC1的④脚，经比较器处理后，使PWM处理器电路的激励脉冲输出停止，导致电动机被停转，同时闸把拉动闸线使抱闸抱紧，完成制动过程。
4.7. 显示电路
电动自行车带电量显示有刷控制器，通过发光二极管显示蓄电池电量情况，提醒用户及时对蓄电池充电，防止蓄电池因过放电而影响使用寿命，从而有效地保护蓄电池。图6所示为某电动自行车电量显示电路部分原理图。
图6 某电动自行车电量显示电路部分原理图
该电量显示电路由LM324的4个电压比较器及其外围元器件组成。R23、R22将电源36V 分压后提供给 LM324 内部的 4 个电压比较器的同相输入端。+12V 电压经 R24→VR1→VR2→VR3→VR5→R21分压后，分别为LM324提供4种不同的基准电压到各自的反相输入端。电压VA和蓄电池的电压成比例。
当LED、LED2、LED3均被点亮时，则说明蓄电池电压不低于38V；当LED3熄灭时，则说明蓄电池电压低于38V；当LED2熄灭时，则说明蓄电池电压低于35V；当LED1熄灭时，则说明蓄电池电压低于33V，提示用户给蓄电池充电。
LED4用于电源指示。LED5用于欠电压切断控制器输出指示。通过调节VR1、VR2、VR3，可分别设定LED1、LED2、LED3熄灭时的电压值。
5. 电动自行车充电器都有哪些典型单元电路？
电动自行车充电器单元代表电路主要包括市电滤波电路、电源变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、显示电路等。
5.1. 市电滤波电路
市电滤波电路的作用是滤除交流电的高频干扰，以免干扰脉冲对后级开关电源电路的正常工作产生影响。
典型市电滤波电路如图7所示，主要由电源交流熔断器、互感滤波器、共模滤波电容器、差模滤波电容器等元件组成。
市电滤波电路中的C1、C2、C3、C4电容器不仅可以滤除市电的高频干扰，同时还可以阻止开关电源产生的高频脉冲进入电网，对其他用电设备造成影响。
图7 典型市电滤波电路
5.2. 电源变压电路
电源变压电路主要由变压器组成，如图8所示。220V市电通过电源变压器进行降压，经整流、滤波，再经稳压电路进行稳压，最终成为稳定的直流电源，供应后级电路用电。
图8 典型电源变压电路
电源变压器由一次绕组、二次绕组以及铁心组成。电源交流电压通过一次绕组输入，通过二次绕组输出。
5.3. 整流电路
电源变压器电路经过变压器变压后仍然是交流电，需要转换为直流电才能供给后级电路使用。整流电路的作用是将交流电转换为直流电。
整流电路主要是利用二极管单向导电的特性组成的电路。常见的电源整流电路有半波整流、全波整流以及桥式整流。目前的整流电路多数使用全波整流和桥式整流电路。两种整流电路如图9所示。
图9 两种常见整流电路
5.4. 滤波电路
电动自行车充电器电路中，整流电路的输出电压不是纯粹的直流，需要利用储能作用的电抗性元器件（如电容、电感）组成的滤波电路将交流电转换为直流电，滤除整流电路输出电压中的脉动成分，以获得直流电压。滤波电路的作用就是将市电整流电路之后输出的有纹波直流电，变成平滑的直流电，以提供给后级电路使用。
滤波电路的种类很多，常见的滤波电路是电容滤波电路。电容滤波电路主要是利用电容充、放电时隔直流通交流的特性达到滤波的作用，如图10所示。
图10 电容滤波电路
5.5. 稳压电路
稳压电路即是在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定的电路。电路中的许多部位都需要稳定的直流电压才能正常工作。稳压电路的作用就是无论输入电压还是负载发生变化，输出电压总是稳定不变的。
稳压电路的基本结构由调整元器件、基准电压电路、取样电路、比较放大电路构成。
稳压电路种类较多，常见的有稳压二极管稳压电路、开关型稳压电路、串联型稳压电路等。
电动自行车充电器和控制器电路采用集成稳压器的较多。例如比较常见的三端固定输出集成稳压器等。
三端固定输出集成稳压器是一种串联调整式稳压器。它将全部电路集成在单块硅片上，整个集成稳压电路只有输入、输出和公共3个引出端。典型产品有78××正电压输出系列和79××负电压输出系列，它们的外形实物及电路符号如图11所示。
图11 三端固定输出集成稳压器实物及电路符号识别
78××系列三端固定正电压集成稳压器从字正面看，左边引脚为输入脚，中间引脚为公共地，右边引脚为输出脚。常见型号有W7805、W7806、W7810、W7812、W7815、W78L05等。
79××系列三端固定负压集成稳压器常见型号有LM7905、LM7909、LM7912等。
5.6. 显示电路
电动自行车的充电显示通常采用发光二极管（LED）。一般发光二极管内部只封装一个管芯，它只能发出单一色的光。而变色发光二极管则封装了两个管芯，一个管芯为红光材料，另一个管芯为绿光材料，可以发出三种颜色的光。
变色发光二极管电路如图12所示。变色发光二极管有三个引脚R、G、C，其中C为公共极。当在R上加正电压时，管子发红光；在G上加正电压时，管子发绿光；当R、G对C同时加正电压时，管子发出红、绿光的混合光，呈现橙色光。
图12 两种变色发光二极管电路及实物
还有一种变色发光二极管是由两种不同材料的管芯反向并联构成的，只有两个引脚R、G。当R、G间加正向电压时，发红光的管芯通电发出红光：当R、G间加负向电压时，发绿光管芯通电发出绿光；当在R、G间加交变电压时，红、绿光交替闪亮，但由于人眼视觉残留的作用，当交变电压的周期小于0.1s时，人眼则感到它发出的是橙色光。充电器显示电路中，红灯代表正常充电，绿灯代表涓流充电或充满电。