新型電動自行車控制系統設計研究

陳黃飛 方壯英 李安靜 許仕亮

摘 ? 要：現階段的新型電動自行車由自行車控制器、電池、蓄電池以及充電器組成，核心電動機系統部件包含直流、感應、開關磁阻以及永磁無刷4部分。文章就電動自行車控制系統組成部件以及設計進行有關分析，找到其中存在的問題，并針對其問題進行有關研究分析。

關鍵詞：電動自行車;控制系統;電動機

社會經濟快速發展，人們生活質量水平顯著提升。近年來，國家提出了“節能減排”的可持續發展戰略目標，而部分國家或城市早就制定了有關限制汽車尾氣排放的制度和規范性標準，劃分無污染排放區域，并制定有關法律方案，在一定程度上促進了具備“零排放”優勢的電動自行車發展。因此，我國將電動自行車研發列入了規劃之中，堅持“節能減排”理念，加強對電動自行車的研發力度。

1 ? ?現階段電動自行車依然存在的問題

現階段，我國電動自動車的“輕摩化”情形日益嚴重，對交通造成了不利影響，主要包括以下兩點。

1.1 ?道路交通秩序管理方面

我國電動自行車屬于非機動車的分類中，所以我國不同區域的交通行駛道路上，電動自行車依然和自行車一樣在非機動車道中行駛。根據調查分析可知，自行車在隔離帶的道路上行駛，平均車速是10 km/h。若和其他車輛混合行駛，自行車的平均車速會下降到3 km/h。所以說，電動自行車的車速不斷加快，一方面使非機動車道內自行車備受干擾，路通行能力出現降低現象，產生交通阻塞。另一方面，極其容易出現交通事故，造成不可預估的后果。

1.2 ?道路交通事故處理方面

由于道路上的電動自行車數量不斷增長，因其產生的交通事故也不斷在增加，因為電動自行車在屬性上定義為非機動車，所以使交通管理部門在事故處理過程中遇到重大阻礙。并且針對電動自行車以往沒有相關有效性管理規定，使交管部門在事件處理上沒有規范性的標準進行衡量，因此，該種現象不僅對交通管理工作造成困擾，對人們日常生活交通安全上也缺乏明確制度的保障。

2 ? ?電動自行車中存在問題的有關對策

由于對電動自行車的分類屬性概念模糊，導致大多數交管部門在針對電動自行車管理層面上有著許多的困難，因此，要對電動自行車屬性有著明確以及確定的劃分，并制定嚴格的法律規范制度。我國出臺了對電動自行車的明確分類，并結合其行駛速度進行明確劃分，給交通管理工作提供了極大的便利性，同時在一定層面上也保障了居民日常生活交通安全。

3 ? ?新型電動自行車自動控制系統的設計

3.1 ?系統的結構和工作原理

電動自行車核心系統是其內部運用的調控系統，主要負責兩個方面，分別是內、外部的信息處理，由此可見，該方面對控制系統的結構和信號處理能力有著更高的標準，而無刷類型的電動機就是信號驅動型系統。同時，也需要核心控制器對內外聯系的有效性進行控制，以保證更好地完成核心系統工作，也為控制器核心控制調控的合理性策略制定打下基礎。

系統結構部件主要由以下幾方面構成，分別是電源控制器、電壓控制器、電流保護器、轉速、剎車系統、聲控系統、光感控制等。系統的全面控制和電流系統的配合控制電源的走向由蓄電池來決定。根據對電源的輸出，實現對直流電（Direct Current，DC）控制，并且獲取不同的直流電壓一定能得到的光感控制預警系統和驅動程序，除此之外，還有新型的驅動型單片機，結合傳感器獲取的輸出信號數據，掌控整體脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號的趨向，把流動變化的電流轉變成驅動中電流脈沖信號，并對整體系統進行整合、分壓和分流控制，保證轉速能實現完美同步的控制目標[1]。

3.2 ?控制系統信號采樣和調理電路的設計

電流檢測在電流環系統控制中是重要組成部分，電動自行車在驅動狀態過程中，電動機是電動狀態，電流從蓄電池的正極向負極流向，而采樣點的電流變成了正極。電動自行車在回收運行狀態過程中，電動自行車屬于發電狀態，并對蓄電池進行充電，電流從蓄電池的負極向正極流向，而采樣點的電流變成了負極。

通常單片機的模擬—數字（Analogue to Digital，A/D）采樣模塊是無法判定電流的正負極的，所以，單片機的篩選上選用某公司推廣的外圍接口控制器（Peripheral Interface Controller，PIC）系列的單片機，PIC單片機結構是精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC），不同于普通的復雜指令集計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC），它是電動自行車整個系統的控制核心，PIC單片機中帶有的功能性特征，讓它在無刷電動機上發揮了有效的作用，并能進行合理控制。該系統中的電流采樣電路是就驅動和回收模式中的電流正負入手，研究雙向信號調理電路，并把負電流朝著正電流方向改變，但正電流依然處于不變的狀況[2]。

3.3 ?無刷直流電動機的結構及原理

在20世紀，電動機作為機電能量的轉換裝置，已經隨著國民經濟的發展在各個領域廣泛應用，主要包括同步電動機、異步電動機與直流電動機3種。由于3種電動機的優缺點均很明顯，在工農業生產中大多數均采用三相異步電動機。20世紀30～60年代，很多專家致力于研究以電子換相代替電刷機械換相的直流無刷電動機，由于直流無刷電動機結構簡單、運行可靠、維護方便，在醫療器械、儀器儀表、化工、輕紡等方面日益普及。

隨著科學技術的不斷發展和完善，材料科學也得到了重大的突破，隨之而生的是一種新型技術—永磁無刷電機。其自誕生以來，就一直備受社會關注，并被廣泛地應用于直流電機的不同種類換相裝置過程中，不但具備大量的優勢特性，還能保留原有技術具備的特性，真正實現了“魚我所欲也，熊掌亦我所欲也”，在有關領域受到熱烈歡迎。

現階段，國內生產的電動自行車的種類各式各樣，驅動系統通常也是由無刷和有刷兩種類型的電機組成，工作電壓在24～46 V，在正常功率范疇內。正常工作過程中，嚴格按照行業內規范的電流標準，針對電壓最小的24 V電動自行車，將直流機其額定電流值減小，主要由本機、傳感器和電子電路開關3部分組成，并且傳感器需要在電機轉軸上完整連接工作。在位置傳感器中的定子得到一定程度的通電階段后，要使電流以及轉子在兩種磁極中造成的磁場上因磁極有異而出現旋轉反映，導致磁場信號轉化成電信號，并供應開關線路，為每個相繞維持固定順序提供重要性的保障。定子內導通的電流實際上是隨著變化順序而變化，開關內中的導入電流大概是與轉子角度一起同步進行的，因此，在整體系統中它具備一直換向的特征。

若把光感器件看作成A，B，C這3種器件并平分360°，同時，均勻地分布在電機中，能利用遮光板在轉軸上做協調工作，在一定程度上使光線沒有改變的照射到相關器件上，所以必須要結合光感元件被照射的固定幅度，來對轉子的位置進行主要判定。比如工作內容實際上要從n極轉向到a位置上，在通過傳感器獲得回饋信號數據，保證電流具備良好的流通作用。同時，要在流入流出兩個方向上設定好必有的磁場，并把磁場和因電磁場而出現的力矩做相反工作此來造成轉子的逆旋轉從n級轉到b處位置，b需要環繞才能接通電流，導致V2晶體元件的開關被切斷，最后會出現應有的磁場和正確的轉軸角度。若想實現逆向環繞電磁場轉動力矩，就要把磁場的兩極做互相轉變工作，把n級調整到新的位置，設想那個新位置是c，并且一直使上一個位置再被取代之后保證能替換到最新的位置上，如此循環，電動機就能實現高效運作，為電動自行車控制系統日后的正常運作以及安全行駛提供了重要的保障。尤其是在電場和磁場的實驗中，為了能達到換相的重要性目標，在運作工作中由于釘子每組內部都具有氣隙，也使磁場的旋轉的量化特性得到了關鍵保障。旋轉一周是360°，因此，平均分成3種類型的磁場，在不同的角度情況上能出現3種不同類型的電磁場狀態，在一定層面上使3種磁場狀態中的每一個都能出現120°的平均角度[3]。

4 ? ?結語

單片機在電動自行車控制系統中是重要的核心組成部分之一，對整個系統應做相關有效性的整體控制，通過對換相、速度以及位置多層面的監控系統的運用，對PWM的調控機制提供了重要性的保障。同時，由于專用驅動型芯片的使用讓整體系統有了一定程度的優化，也讓外部系統設施數量出現了減少的效果。合理運用WTBO15系統，對增強系統的安全性以及流暢性有著重要的作用，既在使用上有合理的性價比，又能節約生產成本，還增強了電動自行車行業的競爭能力，滿足消費者實惠的需求，增強了電動自行車的智能化以及便捷作用，為人們日常生活交通出行上，提供了巨大的便利[4]。

[參考文獻]

[1]韋凌翔，廖明軍，王志遠，等.典型信號控制交叉口左轉電動自行車通行空間交通特性研究及寬容設計方法[J].鹽城工學院學報（自然科學版），2019（1）：45-50.

[2]張宏杰，馬運亮，魏才柱，等.基于滑模變結構控制的電動自行車控制系統設計[J].南通職業大學學報，2018（4）：83-86，90.

[3]譚武龍，丘志敏.一種便攜式電動自行車的設計[J].中國資源綜合利用，2018（10）：171-174.

[4]張天龍，周廣軍，殷姣，等.電動自行車充電口缺陷風險分析[J].標準科學，2018（8）：135-136.