智能型电动助力自行车驱动系统的研制谭擞江建中汪信尧【捕- 篓】智能塑l 乜动助力臼打乍是 力和电) J 混合驱动的新型电动助山乍奉义对这一驱动秉境的两个关键技术一力矩传赔器和永避无刷直濉l U 帆的转矩闭环控制作r 详纳株讨摊jr 相应的解决方案并释到了实验验i I I ! 【关键i 司】p ，：，jU 年90i 。磊、寅j LT 卜。j人类对环境问题的日益关注，使得发展零污染捧放的电动车辆成为嗣内外近 年来的研究热点目前助动车在国内各火中城市应用非常普及，但由于其废气捧 放浓度高，对环境污染危害严重，已成为城市的一大污染源田内外很多厂商已 经开始将目光投向备种适于城市居民使用的低污染或无污染新型代步工具。根据 目前的电动车辆技术发展水平，优先发展轻型屯动车，具有巨大的市场潜力电 动踏板车和电动自行年是轻型电动车辆中最主要的代袭，日本的几大著名厂商如 雅马哈、本田均在积极发展电动白行车和电动摩托车欧洲最大的摩托车生产商 比砸乔公司( P i a g g i o ) 已与美国的蓄电池生产商o v o n i c 远成协议麸同开发电动 摩托乍_ j 锂金属混合屯池美囝的一些电动车开发商也开始向砸洲的电动午市场 进军如E vG l o b a lM o t o r 与台湾晟人的摩托车生产厂家光阳台作、z A P 与上湃的永久公司台作等。2 系统简介智能型电动白行车属于人力和电力驱动的混合型电动助力车从助力性能 上来说其特点是电力驱动系统与人力按t 一定比例同时提供驱动力矩这一比例 根据臼行车的行驶速度变化，随着速度的升高，电力驱动系统所提供的力矩比逐 渐减小。就控制系统的鲒携而言，与其他的电动乖辆驱动系统舶显著差别是：系 统的参考输入是作H I 在口行下脚踏上的人力实时跟踪信号，这样一个信号的取得， 需要通过传感器来实现驱动系统的控制框酗如图l 所示为了使电力助动功能 具有更人的灵活性，驱动系统提供了两路参考输入信号：一路输入为人力驱动力 矩的跟踪信号由力矩传婷器提供；另一路由拉杆式霍尔电位器提侠r 由手动控 制通过助动力矩的速度变化曲线这两路参考输入台成后转换为力矩闭环的参 考输入。，”“ 永磁无刷直流电机功率密度高无励磁损耗与其它三弦被也机相比在同 样的电流峰值下产生的转矩大，同时由丁不采用电剧可靠性高是电动年驱动 系统的理想选择之一系统中采用的燕外转子式永磁无刷直流电机。直接驱动自行中不需附加传动机构一1 1 5 一器巷传目湖述中概无l车，bI，、确|电f t o田l 鼍动摹蓑控l 3 力矩传感器原理力矩传感器安装在白行下与中轴连接的特制花盘上传感器先将力矩量转换 为位移量，再将位移量转换为与之成正比的电压信号实现位移测量的传感器种 类较多但自行车使川环境比较复杂。对传感器的可靠性要求较高电感传感器 虽然使埘可靠但是体积大，测量的线性范围小；屯容传盛罂的体积小结构简 单，灵敏度高但是测量范围小测量值受介质等影响较大，在现场使用也有困 难，同时，这两种传感器探头均需要较多引线因此都不能满足实际使用中的要 求为了克服以上两种传感器的缺点这里利用电涡流检测原理实现位移信号 到电骶信号的转换作为力矩传感器的组成的前端。第一部分是将力矩的变化通过机械的方式转 换为对应住移量的变化其基本原理如图2所示。部什1 为安装在臼行币中轴上的特制花 盘，部仆2 是截面为楔形的传动杆。花靠上 铸有两凹进扇形平面，在凹进平面内安装有两根强力弹簧3 ，弹簧一端嗣定。另一端与 传动杆2 相连。踩动白行车脚踏时，中轴带 动传动杆使弹簧3 受力变形，传动杆相对丁花盘发生转角变化。由于传动杆为楔形， 所以另一与楔型面相切的线圈架的两个支脚 沿楔型面滑动( 支脚端头为楔型) ，使线嘲架发生佩移位移与力矩的关系如式( 1 ) 所示l 力矩一拉转攮机构I 占= ( 培喙s T K o T( 1 )其中，6 为线罔架位移，K 为弹簧弹性系数，s 为中轴轴心到弹簧支点的距离，a 为轩楔璀面角度= t g n ，( 2Ks ) 由上式可见，位移6 与转矩T 成n 三比这样 便将力矩鼙转换成与之成正比的位移餐。 力矩传感器的第二部分将位移鼙转换为相对的电信号。利用电涡流传感测量 原理米实现电涡流传感器由一只制定于框架上的向平线嘲作为探头，与一个电 弈并联或串联构成谐振同路，如幽3 所示在没有测量体时，把该回赂调谐至 某一频率传感器的线罔在高频讯号的激励下，或由其白身构成的自激振荡回路一1 1 6 一貂m 口啊3电鼻 传量示i 墨陶电囊 传盘电中，产生一高频交变敲场当被测导电体靠近传感线圈时在磁场作_ I J 范围的导 体表层便由r 感应电势而产生电涡流，从而X 对线嘲的磁通产生反作用其等效电 路地l 鳘 4 肖线罔与被测导体的距离发生变化时，导致被测导体中泓流的变化 从而引起线圈等效电阻R 、等效电感L 及晶质因数Q 的变化当涡流增大时。阻 抗z 减小，谐振回路两端的电压幅值减小，因而可以得到电涡流的大小与输出电 压幅值的关系所得的电压信号通过A ，D 转换与单片机接口 凹5 为白行车( 2 6 型) 的蹬力周期变化曲线。Y 轴为后轮获得的转矩x 轴 为脚踏曲柄与垂直位置的夹角曲线I 为一般情况下的蹬力变化情况，曲线2 为 极限蹬力变化情况是平时骑车所_ l l 的晟火蹬力实验测得最太蹬力T = 3 4 3 0 N m 中轴轴心刊传动杆弹簧支点处的距离为L = 4 6 m m ，弹簧的弹性系数为K ；2 3 9 xl O N ，m ，传动杆斜面角度为a = 6 0 由( 1 ) 式可得出传感器线啊探头的实际最人位移6 为2 7 m m 图6 为根据实验所得的电压一位移曲线由削可知，测黛 范罔满足要求，电压与位移的芙系并不完全是线性的但通过A ，D 转换后，f ；I 软 件的形式进 j 校止则非常方便。4 永磁无刷直流电机转矩闭环技术由幽l 可知，为了使得电力驱动系统可【三I 按比例实现助力。需要构建转矩闭 环相对而言，永磁无刷直流电机的输山转矩与相电流幅值成正比，转矩闭环可 以直接通过电流闭环实现，控制十分简便。这一电流闭环，确切地说，是相电流 闭环，反馈必须通过测量电机的相电流实现。 无刷直流电机绕组为Y 型联接时其驱动系统中逆变器多采用1 2 0 度相带导 通方式，以获得较人的转矩，电流比这一电流导通模式使得我们可以通过直流母5白行车力壹化t1 1 7 一霸力耀幢电压位生化 、一7 一硇毫茂主电与毫t 采样一t 蠢采样曩相电流采样瑚难：为此，我们改进了相电流检测方法，相应的主电路如目7 所示。 由丁电弈c 的充放电以及电感L 的滤波。我们可以得到较为平滑的直流电流。幽 8 为实验所得的电流波形在单极性P w M 模式F ，电流的纹设为：扯瓣( 2 ) L c f ；一忽略无刷直流电机换相过程中的三相同时导通情况可以得到相电流与传感器所 检测到的电流存在如下关系：，= 亡k( 3 )这样，根据P w M 的叶空比和所测得的直流母线电流，便可求出相电流大小5 结论力矩传感器录1 转矩c | j 环控制是智能酗电动臼行车纳关键技术。对于力矩传感 器，本文所采川的方法是先将自行下脚跻的转矩姑转换成t ；) = 移j 蕃：，再利用电涡流 传感原理将位移量转换为电信号。其优点是传感器整体结构紧凑，对环境的适应 性强，探头的引线少，成本低，性能可椎。在无刷霸：流电机的转矩闭环控制方面， 对系统的土电路和电流传感器加以改进，提出了新的相电流检测方法以上方法 均得到了实验验证参考主t【I l硝t 订建中工毋：崭， ! l I 山上曲动一行车事础系统数字式力矩传尊嚣的研览c v D 9 2 l坤扭靛际守川电满漉传巷器的 【本臌瓒分析与事截选抒仪器仪表学撖，1 0 年第2 捌IlN o1 p I l3 l2 2f 3 l谭徽上咖汗似尧 l ：建巾吼十电疽传巷器蛮璜的上捌n 诫电动机相电漉捡舅电虮与控制学_ l l i 19 干雏期v o I2N o 0 2 37 2 ll 】TJ l h n ，RcB 。c r r ，- n dME h - n In e “ - I e d r t g _ l - I 。n 斯I b r v i h I e E c Mdr v 膳E En 口H jP m r 日c c ，r 口H v o l6 _ o1 P pl l I I2 6 ，J I n ，1 9 9 l一1 1 8 智能型电动助力自行车驱动系统的研制智能型电动助力自行车驱动系统的研制作者：谭徽 作者单位：本文链接：http:/d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_60332.aspx