宋秦中，徐 波，楊海娟

(蘇州市職業(yè)大學 a.機電工程學院；b.電子信息工程學院，江蘇 蘇州 215104)

電動自行車調(diào)速控制實驗系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

宋秦中a，徐 波b，楊海娟a

(蘇州市職業(yè)大學 a.機電工程學院；b.電子信息工程學院，江蘇 蘇州 215104)

為了提高學生設計、開發(fā)測控系統(tǒng)的能力和水平，基于虛擬儀器技術，采用霍爾傳感器實驗模塊，設計完成了電動自行車調(diào)速控制實驗系統(tǒng)。除了虛擬儀器軟硬件平臺外，該系統(tǒng)由開關型霍爾元件、線性霍爾元件及其附件、直流電機及其控制電路3部分組成，能夠模擬電動自行車調(diào)速控制過程，實時采集、分析并顯示調(diào)速過程的各種數(shù)據(jù)信息。實驗結(jié)果表明，“所見即所得”的虛擬儀器技術在實驗教學中可以很好地將虛擬實驗和真實實驗有機地結(jié)合起來，使學生掌握先進、高效的實驗手段，符合高技能人才的培養(yǎng)需要，也是教學模式創(chuàng)新的有益探索與實踐。

虛擬儀器技術；霍爾傳感器；調(diào)速控制系統(tǒng)；教學模式創(chuàng)新

1 實驗方案設計

調(diào)速轉(zhuǎn)把是電動車的調(diào)速部件，電動車上使用的轉(zhuǎn)把有光電轉(zhuǎn)把和霍爾轉(zhuǎn)把兩種，目前采用霍爾轉(zhuǎn)把的電動車占絕大多數(shù)。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把改變了霍爾元件周圍的磁場強度，也就改變了霍爾轉(zhuǎn)把的輸出電壓?？刂茊卧鶕?jù)霍爾電壓控制換擋調(diào)速，驅(qū)動輪轂式無刷直流電機工作。控制單元接收轉(zhuǎn)速傳感器(另一種霍爾傳感器)信號通過計算轉(zhuǎn)換得到電機當前轉(zhuǎn)速，當前轉(zhuǎn)速再同設定的轉(zhuǎn)速進行比較，通過計算來得到控制信號的值，從控制端輸出改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)反饋控制。

根據(jù)上述電動自行車調(diào)速控制原理，自行開發(fā)設計了變速自行車模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)電動自行車的調(diào)速控制。如圖1所示，實驗系統(tǒng)包含線性霍爾元件及其附件(帶磁鐵的圓盤)、開關型霍爾元件、直流電機及其控制電路和虛擬儀器軟、硬件平臺4個部分組成。實驗中，使用放置小磁鐵的圓盤模擬轉(zhuǎn)動電動車的把手，圓盤角度變化模擬電動車調(diào)速轉(zhuǎn)把的旋轉(zhuǎn)。由于霍爾效應致使反映轉(zhuǎn)速控制信息量的線性霍爾元件輸出電壓值跟隨變化，開關型霍爾元件監(jiān)測電機當前轉(zhuǎn)速，虛擬儀器硬件平臺的數(shù)據(jù)采集卡實時采集上述兩種類型霍爾元件輸出值，經(jīng)由虛擬儀器軟件平臺的分析、計算和處理。前者通過電機控制電路控制電機轉(zhuǎn)速，仿真自行車轉(zhuǎn)速。后者得出當前轉(zhuǎn)速值，可以模擬電動自行車低速、中速、高速運行的情形，各種數(shù)據(jù)可以實時顯示在監(jiān)控界面中。

圖1 實驗方案設計

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 霍爾傳感器測試平臺

為了方便實驗教學，同時促進學生對實驗內(nèi)容和實驗模塊的理解和掌握，設計了霍爾傳感器測試平臺，能夠進行模擬仿真與實物測試，如圖2所示。平臺中設計有傳感器介紹、特性曲線、實驗內(nèi)容和仿真與測量等環(huán)節(jié)，學生通過這些環(huán)節(jié)能夠?qū)煞N霍爾傳感器有深入的感性認識。平臺中的自動測量則是實物測試，滿足學生理性認識的需要。兩種傳感器的實物測試分析結(jié)果顯示，兩種傳感器功能正常，能夠滿足實驗的需要。

圖2 霍爾傳感器仿真與測試平臺

2.2 系統(tǒng)設計

對采集來的傳感器信號進行分析與顯示是軟件設計的重點。基于虛擬儀器技術，在LabVIEW軟件平臺完成了測控平臺的搭建，使用事件結(jié)構(gòu)的超時幀，完成數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)顯示與控制功能[3-6]，如圖3所示。

圖3 軟件設計

電動自行車的調(diào)速轉(zhuǎn)把的速度控制采用線性霍爾元件，其輸出電壓是隨磁場線性變化的，輸出電壓為0～5 V；在實際控制中，可將線性輸出電壓轉(zhuǎn)換為幾個擋位，控制AO輸出電壓值，來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，改變電動自行車行駛速度。電動自行車的行駛速度的測量采用開關型霍爾元件，其輸出電壓為標準的TTL信號，可使用AI通道采集波形并換算出電機轉(zhuǎn)速信息。

程序中同時有模擬信號的采集(AI)和模擬信號的生成(AO)。模擬信號采集(AI)，在while循環(huán)中，連續(xù)采樣，一路讀取線性霍爾傳感器由于磁鐵位置不同而得到的不同電壓值，另一路讀取開關型霍爾的脈沖信號，計算當前的電機轉(zhuǎn)速。模擬信號的生成(AO)，在while循環(huán)中，根據(jù)線性霍爾所采集的電壓值，更新AO輸出電壓以控制電機轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)果與討論

模擬電動自行車中速行駛的情形如圖4所示。轉(zhuǎn)動實驗模塊中放置小磁鐵的圓盤，模擬轉(zhuǎn)動電動車的調(diào)速轉(zhuǎn)把的旋轉(zhuǎn)，輸出模擬量控制電機轉(zhuǎn)速，使用開關型霍爾測量當前電機轉(zhuǎn)速，觀察圖4對應的監(jiān)控界面，此時的轉(zhuǎn)速控制電壓即線性霍爾傳感器輸出電壓為3.02 V，AO輸出值即電機控制電壓為6.5 V。對比低速轉(zhuǎn)動的情形，可以發(fā)現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)速明顯加快。

另外，只要改動部分軟件就可以實現(xiàn)限速控制和超速報警功能。如果進一步拓展，可以從模擬系統(tǒng)出發(fā)，研究電動自行車實際工程項目，引導學生進行創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)方面的設計和探索。學生自行設計的、可以商業(yè)化的作品，如電動自行車充電保護器和新型充電器，就是力圖解決電動自行車安全、可靠與快速充電的問題。

圖4 電動自行車前面板

4 結(jié)束語

本設計的實驗模塊，結(jié)合NI的數(shù)據(jù)采集卡，基于虛擬儀器平臺，實現(xiàn)了電動自行車的調(diào)速控制功能的仿真模擬，通過電動自行車調(diào)速控制系統(tǒng)這個實際的項目，促進學生對霍爾傳感器的理解與應用，促進學生深入理解測控系統(tǒng)的組成及特點，對后期學生的畢業(yè)實習、畢業(yè)設計提供有力的支持。

電動自行車調(diào)速控制系統(tǒng)取材于實際的工程項目，來源于本地區(qū)工程實際，目的是通過虛擬儀器將教學從課堂搬到項目化教學專用實驗室，按照認知規(guī)律和教育規(guī)律，形成實踐為中心的理論實踐一體化教學模式，實踐教學和理論教學多次循環(huán)、相互滲透，能夠有效地提高學生設計、開發(fā)測控系統(tǒng)的能力和水平。

借助具有“所見即所得”特點的虛擬儀器軟、硬件平臺，化解了“講不清、看不見、摸不著”等教學難題，可以很好地將虛擬實驗和真實實驗有機地結(jié)合起來，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。既加強了學生的基本功訓練，又讓學生掌握了先進、高效地實驗手段，能夠有效地提高學生的實踐能力、綜合素質(zhì)、工程意識，符合高技能人才的培養(yǎng)需要，是教學模式創(chuàng)新的有益探索與實踐。

[1]高峰．2014電動自行車的五大期待[J].電動自行車，2014(2):11-14．

[2]劉科,宋秦中．以實踐為中心的“虛擬儀器”教學研究[J].中國電力教育，2011(19):97-98.

[3]全曉莉,周南權.基于虛擬儀器技術的數(shù)字電路實驗系統(tǒng)研究[J].實驗技術與管理，2014，31(4):96-98.

[4]劉金雷,程鵬,吳嘉澍.基于虛擬儀器技術的發(fā)動機測試系統(tǒng)設計[J].儀表技術與傳感器，2012(11):50-52.

[5]劉東升,尹成群,呂安強，等.基于虛擬儀器技術的電子測量儀器平臺開發(fā)[J].儀表技術與傳感器,2011(9):23-24.

[6]劉科,宋秦中.高級.虛擬儀器應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

Design and Implementation of Electric Bicycle Speed Regulation Experiment System

SONG Qinzhonga, XU Bob, YANG Haijuana

(a.School of Mechatronic Engineering；b.School of Electronic Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)

In order to improve the students’ capability and level to design and develop control systems, based on virtual instrument technology, using designed Hall sensors experiment module, completed the design of electric bicycle speed regulation experimental system. In addition to the virtual instrument software and hardware platform, the system consists of three parts: switch Hall element, linear Hall element and its annex, the DC motor and its control circuit, capable of simulating the electric bicycle speed regulation process, real-time acquisition, analysis and displays various data speed process. The experimental results show that the virtual instrument technology in the experiment teaching can combine the virtual and real experiment, and make the students master the advanced and efficient experimental method, which is in accordance with the training needs of high skilled personnel, and is also a useful exploration and practice of teaching mode innovation.

virtual instrument technology; Hall sensor; speed regulation system; teaching mode innovation

2014-11-26；修改日期:2015-09-14

江蘇開放大學、江蘇城市職業(yè)學院“十二五”規(guī)劃課題(14SEW-Q-052)；蘇州市職業(yè)大學教改課題(SZDJG-13002)；蘇州市職業(yè)大學研究性課程(SZDYKC-150507)。

宋秦中(1980-)，男，碩士，講師，主要從事汽車電子技術、測控技術方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.008