電助力自行車的FOC控制技術

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，并裝有電機及其控制系統。文章介紹了電助力自行車（E-Bike）及其驅動方式，分析了目前E-Bike的控制方法及其優劣，并結合扭矩傳感器的反饋信號，分析了在E-Bike上的FOC控制算法。最后對控制結果進行分析，并對未來電助力自行車的控制算法發展方向進行展望。

關鍵詞：E-Bike? FOC? 扭矩傳感器? PMSM

1? 電助力自行車（E-Bike）及其驅動電機

電助力自行車是自行車的一種，通常以鋰電池作為動力源，并裝有電機及其控制系統。與電動自行車的區別就是，電助力自行車不是通過轉把來實現騎行控制，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速，實現助力騎行功能。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航能力比一般電動自行車要遠很多。

電助力自行車的電機一般為永磁同步電動機（PMSM），電機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。

中置電機安裝在車架的中間部分，兩側安裝腳踏板，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。后置電機安裝在后輪輪轂處，直接驅動后輪提供助力。

電助力自行車的助力感應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，因為它可以及時準確的感知騎行者的意圖，實時調節輸出力矩與轉速的大小，這是其他傳感器無法做到的。

2? 應用

電助力自行車的系統如圖1，Battery為控制器提供電源，Motor根據控制器的控制輸出，作為系統的電助力動力源，Sensor為力矩傳感器，檢測腳踏力，Controller根據傳感器的輸入值控制電機的輸出扭矩與轉速，達到助力功能，Brake Cut Sensor 為剎車設備，Display顯示當前車速，并提供其他控制、調節功能。

2.1 驅動電路與電流采樣

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

電流采樣為單電阻采樣[3]，經運算放大器后輸入到MCU的AD轉換模塊。

2.2 MCU控制芯片

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

2.3 測試結果

相電流波形如圖5所示。

3? 結語

本文以FOC電機控制理論為基礎，闡述了實現電助力自行車控制的軟硬件實現。通過實驗，可以證明此種控制方法可以很好地實現電機的閉環控制。現有控制技術仍然有一些缺點，比如不能很好地根據騎行者的騎行意圖對電機實現斷續控制，而是當需要助力時一直進行加速，導致輸出功率的浪費。

參考文獻

[1] 張陽. 助力自行車[J].物理學報，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.