助力自行車助力系統(tǒng)研究

于 鑒

（青島邁金智能科技股份有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

現(xiàn)階段，在環(huán)保理念的推行下綠色出行已經(jīng)成為主流交通方式。助力自行車由于其自身便捷、環(huán)保的特點受到全國人民的廣泛關(guān)注[1]。但從當(dāng)前助力自行車的實際運(yùn)行情況而言，由于存在著助力性能智能化水平不足，不能根據(jù)騎行路況的變化及時作出反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致用戶在騎行過程中存在助力體驗感不佳的情況[2]。因此，設(shè)計一款助力介入靈敏，智能化水平高的助力系統(tǒng)對推動助力自行車的發(fā)展有著重要的意義。

1 助力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

1.1 整車體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次助力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計核心部件包含有助力驅(qū)動系統(tǒng)、供能模塊、車架、儀表等。其中助力驅(qū)動系統(tǒng)包含有電機(jī)、傳感器、控制器、變速器等構(gòu)件。整車體系結(jié)構(gòu)設(shè)計主要采用集中模塊中置方案，即整個驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)置在自行車的中軸位置。具體設(shè)計是將驅(qū)動系統(tǒng)置于腳踏位置，使其輸出軸與腳踏軸重合。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案能夠使人、助力系統(tǒng)、車的重心保持在一條垂直線上，符合運(yùn)動工程學(xué)理論要求，在實際的應(yīng)用過程中，驅(qū)動系統(tǒng)由于重心較低，并且該部位震動較少，能夠有效延長驅(qū)動系統(tǒng)的使用壽命。

1.2 驅(qū)動電機(jī)選型

本文所設(shè)計的助力自行車動力源主要是由鋰離子蓄電池所提供，為了降低車輛負(fù)載，蓄電池體積設(shè)計相對較小，因此供電功率較小，這也對電機(jī)的設(shè)計提出了更高的要求。目前，在助力自行車電機(jī)選型方面主要有永磁式直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)和高速永磁無刷電機(jī)，綜合三種電機(jī)的可靠性、噪聲、壽命、效率等方面來看，本次驅(qū)動系統(tǒng)所選用的電機(jī)為無刷直流電機(jī)，具體技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如下：電機(jī)額定電壓36 V，最大轉(zhuǎn)矩2 N·m，最大轉(zhuǎn)速3000 r/min，功率450 W。

1.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

傳動系統(tǒng)是整個助力系統(tǒng)最關(guān)鍵的一部分，該部分主要作用是傳輸電機(jī)驅(qū)動力，從而實現(xiàn)“助力”的目的?？紤]到穩(wěn)定性、傳動效率、噪音等因素，本次傳動系統(tǒng)設(shè)計主要采用三級齒輪減速，以此來滿足自行車助力時的大扭矩需求。為了避免在騎行過程中用戶反向踩踏對減速器產(chǎn)生影響，需要在一級齒輪傳動部位和三級齒輪傳動部位各加入一個單向離合器，以此來分離反向踩踏時對齒輪和電機(jī)所產(chǎn)生的沖擊力，進(jìn)而提高驅(qū)動系統(tǒng)的使用壽命，保障用戶的騎行安全。

2 扭矩傳感器設(shè)計

2.1 扭矩傳感器硬件的選用與安裝方式

本文基于應(yīng)變片測量原理來檢測助力自行車傳動軸扭矩。其中所應(yīng)用的應(yīng)變片為型號BSF120-2HA，該種應(yīng)變片線性度極限為2%，適用溫度為-30～80 ℃，并且該應(yīng)變片具有自動溫度補(bǔ)償功能，能夠滿足助力自行車扭矩測量的實際需求。根據(jù)助力自行車中軸扭矩傳感器的特征，本文選用20CrMoh 合金作為扭矩檢測的彈性軸，在彈性軸轉(zhuǎn)動時會發(fā)生一定的形變，進(jìn)而導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變。為了更好的檢測彈性軸所發(fā)生的應(yīng)力變化，應(yīng)變片黏貼位置應(yīng)當(dāng)設(shè)置在與軸心線偏移45°和135°的軸表面上，進(jìn)而形成惠斯通電橋通路。

2.2 傳感器信號傳輸方式設(shè)計

根據(jù)助力自行車使用工況特點分析，再加上應(yīng)變片粘貼在中軸上，在實際扭矩檢測過程中一直處于傳感器旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此無法通過導(dǎo)線連接的方式來收集傳感器所發(fā)生的型號。本次設(shè)計主要采用磁場耦合諧振式無線傳輸模塊來進(jìn)行傳感器信號傳輸。磁場耦合諧振式無線傳輸模塊主要有諧振耦合回路、電源、負(fù)載三部分所構(gòu)成。在本次設(shè)計當(dāng)中，電源模塊的主要作用是將輸入的36 V 電壓降至5 V 并輸入到諧振電路當(dāng)中。而諧振耦合回路主要是由定轉(zhuǎn)子板上的互感線圈以及相關(guān)補(bǔ)償電路所構(gòu)成。電源端通過DC/AC逆變電路轉(zhuǎn)換為高頻交流電，之后交流電輸入到諧振耦合回路當(dāng)中，進(jìn)而實現(xiàn)給負(fù)載供電。

在助力自行車動作后，應(yīng)變片在檢測到中軸所產(chǎn)生的應(yīng)變力后，惠斯通電橋電路會產(chǎn)生的數(shù)字電壓信號，該信號通過脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換為交變磁場，進(jìn)而在線圈當(dāng)中形成具有頻率信息的磁場量，通過耦合電路傳輸完成后磁場會轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電壓信號，進(jìn)而實現(xiàn)扭矩數(shù)值的檢測。

3 助力算法設(shè)計

現(xiàn)如今，助力自行車助力系統(tǒng)大多采用的定助力比助力，該種助力模式主要是根據(jù)檢測中軸扭矩的大小給予相應(yīng)比例的助力輸出，但此種助力方式在陡坡路況和起步狀態(tài)時，由于扭矩輸出不足進(jìn)而影響到助力系統(tǒng)的介入，在一定程度上影響了用戶的騎行舒適性。對此，本文給予模糊控制原則構(gòu)建模糊控制器，進(jìn)而解決傳統(tǒng)助力系統(tǒng)所存在的問題。

3.1 模糊控制器設(shè)計

3.1.1 模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

從結(jié)構(gòu)層面來看，模糊控制器結(jié)構(gòu)分為一維、二維、三維，維數(shù)指的是輸入變量的個數(shù)。本文根據(jù)助力自行車的實際運(yùn)行特點，選擇二維模糊控制器結(jié)構(gòu)，相比較一維控制器而言，二維控制器變量更多，因此控制精度相對較高；與三維控制器相比，二維控制器變量少，因此模糊規(guī)則相對簡單。

3.1.2 模糊控制器變量設(shè)計

在助力自行車在行駛過程中，助力的介入需要綜合考量扭矩與車速兩方面因素，因此本次所設(shè)計的模糊控制器輸入變量為扭矩變化率和自行車車速，而輸出變量設(shè)置為定助力比下的扭矩增益量。

用戶在騎行助力自行車時，扭矩變化率理論范圍為應(yīng)變片的測量極限值，但由于人體力量的有限性，因此扭矩測量不可能達(dá)到極限，根據(jù)對正常人力量的分析，可以確定扭矩變化率范圍在-0.9～0.9 之間。但助力介入主要在扭矩增加階段，因此變化率不存在負(fù)值，因此設(shè)計扭矩變化率模糊論域范圍為0～0.9。通常情況下，模糊量選取3～10 個，綜合助力自行車的運(yùn)行狀態(tài)本次設(shè)計將扭矩變化率論域劃分為5 個模糊子集，分別為{負(fù)大、負(fù)小，零，正小，正大}，記作{A，B，C，D，E}，對應(yīng)特征點為{0，0.225，0.45，0.675，0.9}。

助力自行車速度最大值需要控制在25 km/h，車速范圍在0～25 km/h。因此本次車速變量值論域也劃分為{負(fù)大、負(fù)小，零，正小，正大}，記作{A，B，C，D，E}，對應(yīng)特征點為{5，10，15，20，25}。

扭矩增益量為電機(jī)扭矩輸出所增加的百分比值，為了確保助力自行車的行駛安全性，該值不能過大，根據(jù)自行車的實際運(yùn)行狀態(tài)將其范圍設(shè)置為0～0.5。本次扭矩增益量論域也劃分為{負(fù)大、負(fù)小，零，正小，正大}，記作{A，B，C，D，E}，對應(yīng)特征點為{0.1，0.2，0.3，0.4，0.5}。

3.1.3 模糊規(guī)則的制定

在助力自行車初始階段時，車速處于A 論域內(nèi)，扭矩變化率則是在D 或E 論域內(nèi)，此時定助力比輸出難以達(dá)到助力扭矩的實際需求，此時便需要增大扭矩增益量，而此時扭矩增益量應(yīng)當(dāng)處于E 論域內(nèi)。當(dāng)騎行至陡坡時，車輛在入坡時車速往往處于C 或D論域內(nèi)，此時為了確保車速不極速降低，需要給予適當(dāng)?shù)呐ぞ卦鲆媪浚豢蛇^大。在平路行駛當(dāng)中，騎手如果為加速用力踩腳蹬，此時扭矩變化率處于D 或E論域內(nèi)，同樣扭矩增益量需要適當(dāng)增大。因此，所建立的模糊規(guī)則如表1 所示。

表1 模糊規(guī)則

3.2 Simulink 模糊控制器仿真搭建

本次仿真采用MATLAB 軟件，將上述模糊控制器變量設(shè)計輸入到軟件當(dāng)中，在相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成后需要將模糊規(guī)則輸入到退路規(guī)則庫當(dāng)中，進(jìn)而在MATLAB 當(dāng)中導(dǎo)出模糊規(guī)則三維曲面，如圖1 所示。

圖1 模糊規(guī)則特性曲面

4 助力系統(tǒng)性能測試

4.1 測試系統(tǒng)實驗裝置的構(gòu)建

本實驗裝置主要是有機(jī)械傳動部分、數(shù)據(jù)采樣部分、輔助裝置構(gòu)成，其中機(jī)械傳動部分主要作用是模擬用戶騎行時給中軸帶來的扭矩以及車輛行駛當(dāng)中所受到的阻力負(fù)載，數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)主要是采集自行車車輪轉(zhuǎn)速以及車輛負(fù)載力矩。輔助裝置包含有車輛固定架，配電柜等裝置。

在實驗之前，首先需要將同步帶安裝到位之后安裝橡膠輪，將自行車放置于試驗臺上并進(jìn)行固定，整個車體上需要掛載與人體配重一致的砝碼。而后將機(jī)械傳動部分與自行車驅(qū)動系統(tǒng)相連接，以此來實現(xiàn)扭矩的輸入。在完成所有設(shè)備安裝后，啟動電機(jī)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。

4.2 機(jī)械傳動部分驅(qū)動力模擬可行性分析

為了確保測試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的模擬出騎行過程中用戶腳蹬給中軸帶來的扭矩，首先需要對機(jī)械傳動部分驅(qū)動力進(jìn)行實驗測試。在具體實驗當(dāng)中，利用伺服電機(jī)內(nèi)置的扭矩檢測模塊檢測伺服電機(jī)扭矩數(shù)值，同時利用本次設(shè)計的助力自行車扭矩檢測系統(tǒng)測出扭矩數(shù)值，檢驗兩組數(shù)值是否一致。檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 驅(qū)動力驗證實驗具體數(shù)值對比

由圖2 可知，伺服電機(jī)輸出扭矩與自行車扭矩檢測器所測得的扭矩數(shù)值基本一致，因此本實驗裝置能夠用于助力系統(tǒng)性能的測試。

4.3 助力系統(tǒng)算法實驗驗證

4.3.1 起步助力性能驗證

在實驗過程中，實驗裝置機(jī)械傳動部分中的磁粉測功機(jī)給自行車施加恒定的阻力，伺服電機(jī)模擬騎行過程為中軸輸入相應(yīng)的扭矩，數(shù)據(jù)采集模塊將自行車的速度傳輸?shù)斤@示界面當(dāng)中，具體實驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同助力控制方式車輛起步速度趨勢圖

由圖3 可見，相比較傳統(tǒng)定助力比助力方式，模糊控制助力方式起步速度更大，在20 s 內(nèi)便能夠達(dá)到最大行駛速度，而傳統(tǒng)助力方式需要40 s 才能使車輛達(dá)到最大速度，這也與Simulink 模糊控制器仿真結(jié)果相吻合，由此可見模糊控制助力算法下，起步性能更好。

4.3.2 陡坡助力性能驗證

在實驗過程中，實驗裝置機(jī)械傳動部分中的磁粉測功機(jī)給自行車施加恒定的阻力，伺服電機(jī)模擬騎行過程為中軸輸入相應(yīng)的扭矩，使驅(qū)動中軸轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值（自行車速度達(dá)到25 km/h）。之后在磁粉測功機(jī)中加入15°坡度阻力，在系統(tǒng)導(dǎo)入阻力后采集20 s的速度數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同助力控制方式車輛陡坡速度趨勢圖

由圖4 可知，在模糊控制助力方式的支持下，坡度阻力介入后車速在20s 內(nèi)由25km/h 降至21.85km/h；而在傳統(tǒng)定助力比助力方式下，坡度阻力介入后車速在20 s 內(nèi)由25 km/h 降至14.6 km/h，此項實驗數(shù)據(jù)與Simulink 模糊控制器仿真結(jié)果相吻合。由此可見，模糊控制助力方式下助力系統(tǒng)的坡度助力性能更佳。

5 結(jié)論

1）根據(jù)助力自行車的特點設(shè)計了助力驅(qū)動系統(tǒng)，確定了電機(jī)參數(shù)和傳動結(jié)構(gòu)。

2）基于BSF120-2HA 應(yīng)變片設(shè)計扭矩傳感器，并將磁場耦合諧振式無線傳輸方式作為傳感器信號傳輸設(shè)計。

3）設(shè)計模糊控制器，確定相關(guān)變量，搭建了Simulink模糊控制器仿真模型。

4）對本文所設(shè)計的助力系統(tǒng)進(jìn)行實驗檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論起步階段還是上坡階段，基于模糊控制助力方式下的助力自行車助力系統(tǒng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)控制模式下的助力系統(tǒng)，這也與Simulink 模糊控制器仿真結(jié)果相吻合，因此模糊控制助力方式能夠更好的適應(yīng)不同路況的騎行。