電助力自行車(chē)的FOC控制技術(shù)

郝玉峰

摘? ?要：電助力自行車(chē)是自行車(chē)的一種，通常以鋰電池作為動(dòng)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(chē)（E-Bike）及其驅(qū)動(dòng)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(hào)，分析了在E-Bike上的FOC控制算法。最后對(duì)控制結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)未來(lái)電助力自行車(chē)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(chē)（E-Bike）及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)

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

電助力自行車(chē)的電機(jī)一般為永磁同步電動(dòng)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(chē)架的中間部分，兩側(cè)安裝腳踏板，通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳遞到后輪。在沒(méi)有動(dòng)力源的情況下，騎行阻力與非助力自行車(chē)相差不大。后置電機(jī)安裝在后輪輪轂處，直接驅(qū)動(dòng)后輪提供助力。

電助力自行車(chē)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(lái)看，最好的還是力矩傳感器，因?yàn)樗梢约皶r(shí)準(zhǔn)確的感知騎行者的意圖，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出力矩與轉(zhuǎn)速的大小，這是其他傳感器無(wú)法做到的。

2? 應(yīng)用

電助力自行車(chē)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(dòng)力源，Sensor為力矩傳感器，檢測(cè)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(chē)設(shè)備，Display顯示當(dāng)前車(chē)速，并提供其他控制、調(diào)節(jié)功能。

2.1 驅(qū)動(dòng)電路與電流采樣

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

電流采樣為單電阻采樣[3]，經(jīng)運(yùn)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(jí)控制定時(shí)器T1互補(bǔ)輸出三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，12位的逐次逼近型AD采樣電路采集電流信號(hào)、轉(zhuǎn)把信號(hào)和扭矩傳感器信號(hào)。如圖4。

2.3 測(cè)試結(jié)果

相電流波形如圖5所示。

3? 結(jié)語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

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

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

[3] PMSM無(wú)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.