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        電助力自行車的FOC控制技術(shù)

        2020-05-06 09:08:32郝玉峰
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2020年3期

        郝玉峰

        摘? ?要:電助力自行車是自行車的一種,通常以鋰電池作為動力源,并裝有電機(jī)及其控制系統(tǒng)。文章介紹了電助力自行車(E-Bike)及其驅(qū)動方式,分析了目前E-Bike的控制方法及其優(yōu)劣,并結(jié)合扭矩傳感器的反饋信號,分析了在E-Bike上的FOC控制算法。最后對控制結(jié)果進(jìn)行分析,并對未來電助力自行車的控制算法發(fā)展方向進(jìn)行展望。

        關(guān)鍵詞:E-Bike? FOC? 扭矩傳感器? PMSM

        1? 電助力自行車(E-Bike)及其驅(qū)動電機(jī)

        電助力自行車是自行車的一種,通常以鋰電池作為動力源,并裝有電機(jī)及其控制系統(tǒng)。與電動自行車的區(qū)別就是,電助力自行車不是通過轉(zhuǎn)把來實現(xiàn)騎行控制,而是通過人騎行時踩踏腳踏板的力矩大小來輸出不同力矩與轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)助力騎行功能。由于這種動力方式并不完全依賴于電池動力輸出,而是人電動力混合的輸出方式,因此,電助力自行車的騎行續(xù)航能力比一般電動自行車要遠(yuǎn)很多。

        電助力自行車的電機(jī)一般為永磁同步電動機(jī)(PMSM),電機(jī)的安裝方式主要有中置(Mid-Motor)和后置(Rear-Motor)兩種。其外形如圖1所示。

        中置電機(jī)安裝在車架的中間部分,兩側(cè)安裝腳踏板,通過鏈條將動力傳遞到后輪。在沒有動力源的情況下,騎行阻力與非助力自行車相差不大。后置電機(jī)安裝在后輪輪轂處,直接驅(qū)動后輪提供助力。

        電助力自行車的助力感應(yīng)傳感器除了力矩傳感器外還有后軸勾爪傳感器、扭簧傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等[1],但從控制效果來看,最好的還是力矩傳感器,因為它可以及時準(zhǔn)確的感知騎行者的意圖,實時調(diào)節(jié)輸出力矩與轉(zhuǎn)速的大小,這是其他傳感器無法做到的。

        2? 應(yīng)用

        電助力自行車的系統(tǒng)如圖1,Battery為控制器提供電源,Motor根據(jù)控制器的控制輸出,作為系統(tǒng)的電助力動力源,Sensor為力矩傳感器,檢測腳踏力,Controller根據(jù)傳感器的輸入值控制電機(jī)的輸出扭矩與轉(zhuǎn)速,達(dá)到助力功能,Brake Cut Sensor 為剎車設(shè)備,Display顯示當(dāng)前車速,并提供其他控制、調(diào)節(jié)功能。

        2.1 驅(qū)動電路與電流采樣

        橋式功率開關(guān)的驅(qū)動芯片采用IR2101S,A相驅(qū)動電路如圖2,其他兩相的驅(qū)動電路與A相相同。

        電流采樣為單電阻采樣[3],經(jīng)運算放大器后輸入到MCU的AD轉(zhuǎn)換模塊。

        2.2 MCU控制芯片

        主控芯片選擇STM32F103C6T6[4-6],高級控制定時器T1互補(bǔ)輸出三相驅(qū)動信號,12位的逐次逼近型AD采樣電路采集電流信號、轉(zhuǎn)把信號和扭矩傳感器信號。如圖4。

        2.3 測試結(jié)果

        相電流波形如圖5所示。

        3? 結(jié)語

        本文以FOC電機(jī)控制理論為基礎(chǔ),闡述了實現(xiàn)電助力自行車控制的軟硬件實現(xiàn)。通過實驗,可以證明此種控制方法可以很好地實現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制?,F(xiàn)有控制技術(shù)仍然有一些缺點,比如不能很好地根據(jù)騎行者的騎行意圖對電機(jī)實現(xiàn)斷續(xù)控制,而是當(dāng)需要助力時一直進(jìn)行加速,導(dǎo)致輸出功率的浪費。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 張陽. 助力自行車[J].物理學(xué)報,1997(7):1375-1379.

        [2] AN1078。 Sensorless Field Oriented Control of a PMSM.

        [3] PMSM無傳感器FOC 的單分流三相電流重構(gòu)算法[Z].

        [4] RM0008。STM32F10xxx Reference Manual

        [5] 15060 Rev 4。Low-density performance line, ARM-based 32-bit MCU with 16 or32 KB Flash, USB, CAN, 6 timers, 2 ADCs, 6 communication interfaces.

        [6] UM0492。STM32F103xxpermanent-magnet synchronous motor FOC software library V2.0.

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