基于單片機(jī)的電動(dòng)自行車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張燁爾，吳繼華，陳文達(dá)，閆慶軍

（紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000）

0 引言

電動(dòng)自行車價(jià)格低廉，出行便捷，已經(jīng)成為人們不可缺少的代步工具。然而，隨著越來越多的電動(dòng)自行車的出現(xiàn)，其各方面的不足也不斷顯現(xiàn)。由于現(xiàn)有技術(shù)的缺陷以及出于經(jīng)濟(jì)利益的考慮，電動(dòng)自行車的剎車系統(tǒng)主要采用“抱剎”技術(shù)，對(duì)電動(dòng)自行車車輪輪圈有較大磨損，并且存在著極大的安全隱患。目前市面上65%以上的電動(dòng)自行車用的都是“抱剎”［1］。由于“抱剎”系統(tǒng)在剎車時(shí)受力不均衡，導(dǎo)致局部摩擦力過大，鉚釘外露，與車輪直接接觸、摩擦而產(chǎn)生刺耳的噪音。而且，鉚釘、閘皮間磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)閘片被拉斷的現(xiàn)象，造成安全隱患。經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，58%的車閘損耗形式是閘皮磨損；37%是鉚釘外露；5%是由于閘鋼帶斷裂。因此，將剎車失效的主要因素確定為設(shè)計(jì)缺陷和材料性質(zhì)2個(gè)方面［2］。為此，利用 AT89C52單片機(jī)，改進(jìn)“抱剎”系統(tǒng)的同時(shí)添加了電機(jī)控制系統(tǒng)。

1 “抱剎”系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析

隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，像其他制動(dòng)系統(tǒng)的部件一樣，剎車片材料不斷推陳出新。目前市場(chǎng)上所使用的剎車片材料多為無石棉、半金屬材料。“半金屬”混合物型剎車片，其主要是采用粗糙的鋼絲絨作為加固纖維和重要的混合物，具有較高的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性。但是“半金屬”剎車片需要更高的制動(dòng)壓力來完成同樣的制動(dòng)效果，特別是在低溫環(huán)境中，高金屬含量同樣也就意味著剎車片會(huì)引起較大的制動(dòng)盤或制動(dòng)鼓的表面磨損，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更大的噪音。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，“抱剎”系統(tǒng)暴露在空氣中，其剎車時(shí)所產(chǎn)生的熱量能夠快速發(fā)散于大氣中。因此，對(duì)于“抱剎”系統(tǒng)而言，減少噪音比散熱更為重要。本研究在電動(dòng)自行車的“抱剎”系統(tǒng)中使用NAO（無石棉有機(jī)物）型剎車片（大約包含17種不同的混合物材料），雖然它不具有“半金屬”剎車片那樣良好的導(dǎo)熱性和良好的高溫可控性，然而其可在保證較好制動(dòng)性能的基礎(chǔ)上減少噪音污染［3］。

現(xiàn)有電動(dòng)自行車的剎車都是通過閘皮單方面受力，制動(dòng)轉(zhuǎn)軸，使車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)?？紤]到受力的均勻性，將原先的剎車鋼帶的單邊運(yùn)動(dòng)改為兩邊同時(shí)運(yùn)動(dòng)，且將剎車鋼帶分為2段。

因剎車面較光滑、剎車片易碳化，兩者之間的摩擦力將會(huì)不斷小，此時(shí)剎車所需要的阻力更大，長(zhǎng)期用力收縮剎把后，剎把和剎車線的靈敏度將下降。因此，在已有手剎的基礎(chǔ)上加入腳剎來加大阻力，從而改善剎車的制動(dòng)效果以及增加剎車使用壽命。

由于剎車時(shí)受力不均衡，導(dǎo)致局部摩擦力過大，鉚釘外露，與閘盤直接接觸、摩擦而產(chǎn)生刺耳噪音。為了徹底消除噪音，將原來用鉚釘連接改用強(qiáng)度極大的粘合劑來固定閘皮，這樣即使剎車片磨損嚴(yán)重，也不會(huì)因?yàn)殂T釘外露而產(chǎn)生噪音。制動(dòng)過程中存在的噪音和安全問題。電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)主要指電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，分為控制電路和功率電路。本課題通過對(duì)控制電路的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)高效、快速和準(zhǔn)確地控制電動(dòng)自行車的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)平滑制動(dòng)。

系統(tǒng)選用AT89C52單片機(jī)，具有抗干擾能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高以及價(jià)格便宜等特點(diǎn)。具體實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1 基于單片機(jī)的電動(dòng)自行車控制器原理

AT89C52單片機(jī)根據(jù)輸入的位置信號(hào)、手柄電壓、剎車信號(hào)和欠壓信號(hào)，產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)用來控制功率驅(qū)動(dòng)電路，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的［4］。同時(shí)，根據(jù)功率驅(qū)動(dòng)電路的電流取樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電路的反饋控制，達(dá)到控制整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目的?？刂葡到y(tǒng)利用PWM技術(shù)，通過對(duì)電力電子器件占空比的控制來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)輸出電壓和電流穩(wěn)定以及能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)圖2所示的主程序流程，用單片機(jī)的2個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生占空比可調(diào)的脈沖（PWM），以單片機(jī)的定時(shí)器0產(chǎn)生的1ms中斷為PWM的固定周期，用定時(shí)器1產(chǎn)生的中斷來確定脈寬［5］。單片機(jī)讀取調(diào)

圖2 主程序流程

2 基于AT89C52單片機(jī)的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)自行車以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，因此，在電動(dòng)自行車制動(dòng)過程中“抱剎”系統(tǒng)起到的只是一個(gè)輔助的剎車制動(dòng)作用，關(guān)鍵是要通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從根本上解決電動(dòng)自行車速擋位值，把該擋位值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的定時(shí)器1的初值。實(shí)現(xiàn)通過修改定時(shí)器1的初值來控制占空比。該P(yáng)WM信號(hào)輸出到功率驅(qū)動(dòng)電路即可控制電機(jī)速度。電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制就是從根本上控制了電動(dòng)自行車的運(yùn)行速度，且當(dāng)電動(dòng)自行車處于緊急制動(dòng)狀態(tài)時(shí)電機(jī)會(huì)進(jìn)入反轉(zhuǎn)狀態(tài)，使得電動(dòng)自行車能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)。

H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。AT89C52單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)工作過程如下：

a.Moto＿L，Moto＿R均為低電平時(shí)，Q1，Q2，Q3，Q4截止，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。

b.Moto＿L為高電平，Moto＿R為低電平時(shí)，Q1，Q4導(dǎo)通，Q2，Q3截止，電流沿Q1、電動(dòng)機(jī)正端（左接線）、電動(dòng)機(jī)負(fù)端（右接線）和Q4流動(dòng)，所以電機(jī)正轉(zhuǎn)。

c.Moto＿L為低電平，Moto＿R為高電平時(shí)，Q1，Q4截止，Q2，Q3導(dǎo)通，電流沿Q3、電動(dòng)機(jī)負(fù)端（右接線）、電動(dòng)機(jī)正端（左接線）和Q2流動(dòng)，所以電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖3 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

擋位讀取電路如圖4所示。擋位讀取工作過程：當(dāng)擋位開關(guān)撥動(dòng)到相應(yīng)擋位時(shí)，該擋位讀取線為低電平，由于P1口內(nèi)置有上拉電阻，因此，其余擋位線為高電平；可見每個(gè)擋位都可以讀取到一個(gè)相應(yīng)的不同P1值，由此可用該值判斷實(shí)時(shí)的擋位信息；擋位信息又將迅速傳送到單片機(jī)，以PWM信號(hào)作用于功率驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

圖4 擋位讀取電路

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)充分利用了AT89C52單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源以及高效的運(yùn)算處理能力，遵循“硬件軟化”的設(shè)計(jì)思想，盡量用軟件的方法實(shí)現(xiàn)一部分需要硬件電路去實(shí)現(xiàn)的功能，這樣不但簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，減小了控制器的體積，降低了系統(tǒng)成本，而且由于硬件電路的簡(jiǎn)化，使得由硬件電路引入的干擾也得到減少，從而提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，首先在實(shí)驗(yàn)室中利用自行搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電動(dòng)車與測(cè)速電機(jī)連接以測(cè)定電動(dòng)自行車實(shí)際轉(zhuǎn)速，應(yīng)用秒表測(cè)定剎車時(shí)間，應(yīng)用精密脈沖聲級(jí)計(jì)測(cè)定剎車噪聲。實(shí)驗(yàn)證明，在一定的行駛速度下，應(yīng)用設(shè)計(jì)的制動(dòng)系統(tǒng)比未應(yīng)用時(shí)的制動(dòng)時(shí)間減小10%～20%，制動(dòng)噪音降低30%～40%。

4 結(jié)束語

遵循“硬件軟化”的設(shè)計(jì)思想，對(duì)基于AT89C52單片機(jī)的電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，達(dá)到電動(dòng)車平穩(wěn)制動(dòng)的目的。以改進(jìn)“抱剎”系統(tǒng)為輔助，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)自行車的噪音控制和安全、平滑制動(dòng)。

通過對(duì)電動(dòng)自行車噪音與平滑制動(dòng)的改進(jìn)，電動(dòng)自行車將不僅具有清潔無污染、動(dòng)力源多樣化、能量轉(zhuǎn)換效率高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且能夠真正做到安全、便捷。

［1］陸百甫，陳 淮，林小毛，等.中國(guó)輕型電動(dòng)車發(fā)展戰(zhàn)略研究課題報(bào)告［R］.中國(guó)經(jīng)濟(jì)報(bào)告課題組，2006.

［2］陳清泉，詹宜巨.21世紀(jì)的綠色交通工具——電動(dòng)車［M］.廣州：暨南大學(xué)出版社，2006.

［3］朱張校，姚可夫.工程材料［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［4］張 深.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［5］陳國(guó)呈.PWM逆變技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.