电动助力自行车的助力扭矩控制算法研究
发布时间：2022-01-26 00:32
近年来,电动自行车、电动摩托车等以电机作为主要驱动装置的二轮车辆已经成为我国交通体系中的重要组成部分,是电动车辆多样化的重要体现。而电动助力自行车作为一种新型的高科技交通工具,以其“电动助力”的功能,在起步、爬坡和顶风情况下达到省力骑行的效果,具有巨大的科研价值和广阔的市场前景。助力扭矩控制算法作为电动助力自行车最核心的控制策略,直接影响着骑行的舒适度。在遇到上坡路你况或者载重变化的情况下,需要如何提供助力是一个显而易见的问题。因此,本文针对电动助力自行车提出了一种自适应的助力扭矩控制算法,使得车辆在载重变化和道路坡度干扰下,仍能维持稳定的车辆行驶状态,达到较优的助力骑行感受。首先,根据系统动力学分析,建立整车纵向动力学的数学模型,同时建立踩踏力矩估算模型以及助力电机模型。其次,本文提出了应用于助力自行车的扭矩控制算法,以改善坡度及载重干扰情况下的助力性能。该算法是基于模型追踪控制,将实际模型与名义模型的车辆运动状态进行差异对比,通过负反馈进行助力补偿,不需要对道路坡度和载重进行复杂的估算。并且通过仿真对比,验证了该方法的有效性和优越性。此外,依据劳斯判据,在理论上验证了该控制系统的稳...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国内外各品牌助力款型和价格对比图
奔觳獾降慕挪忍ち?匦藕牛?源宋?慰祭纯刂频?机输出助力扭矩[29-30]。无力矩传感器的助力控制系统是通过车速、踏频等输入信号，间接地估算骑行的踩踏力矩，再根据这个估计力矩，控制助力电机输出扭矩，从而实现整个助力过程。如图1.5所示，“1+1助力”方案是直接根据踩踏频率来提供助力的[31]，当踩踏速率越高，提供的助力扭矩就越大。那么在骑行遇到上坡路况的时候，踩踏频率会明显不足，不能提供足够的助力。这种助力控制方法，与助力车的定义背道而驰，在上坡时骑行将会很费劲，是一种伪助力的控制系统[32]。图1.5“1+1助力”方案所使用的具有磁片和霍尔元件的轮盘为了能够更好地估算踩踏力矩，国内外的许多学者提出了对脚踩踏力的估算方法。Chang[33]提出了一种基于干扰观测器来估算脚踩踏力和阻力之和的方法。Fan[34]提出通过干扰观测器来补偿外部因素的变化，以提高助力的鲁棒性。孙[35]提出了一种根据踏频和曲柄位置来估计脚踩踏力的方法。HNik[36]通过区分踩踏力与地面摩擦力矩的频率来估测脚踏力。HSChuang[37]提出通过把脚踏力作为阶跃函数进行估算。TomizukaM[38]提出将脚踏力当作成一个恒定力矩和波动力矩之和进行观测估算。虽然上述的无力矩传感器检测方案在一定程度上已经验证了其方案的可行性，但是由于车辆行驶路况是复杂多变的，需要进行复杂建模来精确估计踩踏力矩，才能达到较好的控制效果。力矩传感器作为的电动助力自行车的一个核心部件，它能够实时检测骑行者施加在踏板上的力矩信号，系统控制器依据该踩踏力矩信号，实现助力电机的输出扭矩控制。
Ｄ敲矗?镄性谟龅缴掀碌缆肥保?助力扭矩会随着踩踏力矩的增大而增大，这说明了基于力矩传感器的电动助力自行车，能够在上坡路况下也尽量省力，骑行非常舒适。目前市场上的助力车主要采用的几款力矩传感器，主要是中轴型、转矩位移型、后轴勾爪型。（1）中轴型力矩传感器中轴型力矩传感器采用一种逆磁致伸缩材料。它会在外磁场作用下，尺寸发生伸长或缩短，消除磁场后，又会恢复到原来的长度；反过来，通过外力使得物体变形发生尺寸变化，其磁场也会发生相应改变。该现象被称为逆磁致伸缩效应[39]。中轴型力矩传感器如图1.6所示，作用在中轴上的扭矩会使得其上面的逆磁致伸缩材料的磁质特性发生变化，输出相应的电信号来检测踩踏力矩。在日本欧洲等地区，中轴型力矩传感器已经逐渐成熟，日本雅马哈、松下早在90年代就开始研发此类力矩传感器。该力矩传感器集成于中轴上，提高了系统的整体性，其精度高、灵敏性强，但是由于其逆磁致材料昂贵，开发难度较大，暂时没有在国内普及。图1.6中轴型力矩传感器（2）转矩位移型力矩传感器转矩位移型力矩传感器主要是通过踩踏力驱动中轴时使得弹性元件发生位移，利用位移与踩踏力矩的线性关系来检测力矩。如下图1.7所示，当大链盘上有力矩作用时，大链盘上的弹性装置会产生一定的位移，而且踩踏力越大，弹簧变形越大，可通过两个线性霍尔来估计弹簧位置变化。可是，该传感器对安装尺寸要求非常高，生产工艺也相当复杂，而且存在弹性元件形变一致性的问题[40]，在后续使用中可能存在安全隐患。譬如：车辆倒砸，会造成信号不对，扭矩检测异常等情况[41]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]《电动自行车安全技术规范》国家标准解读[J]. 郝文建. 大众标准化. 2018(06)
[2]电动自行车发展趋势[J]. 陈晶. 林业机械与木工设备. 2017(04)
[3]“一带一路”引领电动车产业多元、创新、规范、绿色发展——第十七届中国北方国际自行车电动车展览会纪实[J]. 姚鑫. 电动自行车. 2017(04)
[4]逆磁致伸缩扭矩传感器特性分析[J]. 余永华,董俊威. 武汉理工大学学报. 2017(01)
[5]基于DSP的电动助力自行车控制系统设计[J]. 李涛,杨成忠. 信息与电脑(理论版). 2016(21)
[6]为何动力辅助系统（PAS）难于在国内市场推广?[J]. 桑迪. 中国自行车. 2016(10)
[7]电动自行车交通发展的主要趋势——近10年文献综述[J]. Elliot Fishman,Christopher Cherry,秦维. 城市交通. 2016(02)
[8]北京步行和自行车交通的思与变[J]. 李爽,盖春英,郭婧. 北京规划建设. 2016(01)
[9]基于霍尔元件的电动车力矩传感系统设计[J]. 夏静满,肖国强,韩鹏,王东强,李正浩. 自动化与仪器仪表. 2015(04)
[10]卡尔曼滤波在应变式力传感器中的应用[J]. 刘晓东,唐俊杰,许杜峰,陈鑫玉. 传感器与微系统. 2014(07)
硕士论文
[1]助力自行车力矩传感器设计和控制算法设计[D]. 张凯.南京理工大学 2018
[2]面向电动汽车的永磁同步电机高效率控制策略研究[D]. 张冰.南京理工大学 2018
[3]助力自行车力矩检测系统设计[D]. 郑煜敏.杭州电子科技大学 2017
[4]电动助力车控制系统设计[D]. 闫传奇.杭州电子科技大学 2017
[5]分布式驱动电动车辆的驱动防滑控制研究[D]. 张婷.南京理工大学 2017
[6]基于力矩传感器的智能电动车控制系统研究[D]. 张夏栋.苏州大学 2016
[7]自行车高架快速路建设和轨道交通换乘的整合研究[D]. 谢宇.北京交通大学 2016
[8]道路坡度及车辆质量自适应的自主驾驶车辆纵向速度控制研究[D]. 刘柏楠.吉林大学 2015
[9]无刷直流电机驱动电路设计[D]. 张艳方.长安大学 2015
[10]无力矩传感器电动助力车系统设计[D]. 孙岳.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3609456
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国内外各品牌助力款型和价格对比图
奔觳獾降慕挪忍ち?匦藕牛?源宋?慰祭纯刂频?机输出助力扭矩[29-30]。无力矩传感器的助力控制系统是通过车速、踏频等输入信号，间接地估算骑行的踩踏力矩，再根据这个估计力矩，控制助力电机输出扭矩，从而实现整个助力过程。如图1.5所示，“1+1助力”方案是直接根据踩踏频率来提供助力的[31]，当踩踏速率越高，提供的助力扭矩就越大。那么在骑行遇到上坡路况的时候，踩踏频率会明显不足，不能提供足够的助力。这种助力控制方法，与助力车的定义背道而驰，在上坡时骑行将会很费劲，是一种伪助力的控制系统[32]。图1.5“1+1助力”方案所使用的具有磁片和霍尔元件的轮盘为了能够更好地估算踩踏力矩，国内外的许多学者提出了对脚踩踏力的估算方法。Chang[33]提出了一种基于干扰观测器来估算脚踩踏力和阻力之和的方法。Fan[34]提出通过干扰观测器来补偿外部因素的变化，以提高助力的鲁棒性。孙[35]提出了一种根据踏频和曲柄位置来估计脚踩踏力的方法。HNik[36]通过区分踩踏力与地面摩擦力矩的频率来估测脚踏力。HSChuang[37]提出通过把脚踏力作为阶跃函数进行估算。TomizukaM[38]提出将脚踏力当作成一个恒定力矩和波动力矩之和进行观测估算。虽然上述的无力矩传感器检测方案在一定程度上已经验证了其方案的可行性，但是由于车辆行驶路况是复杂多变的，需要进行复杂建模来精确估计踩踏力矩，才能达到较好的控制效果。力矩传感器作为的电动助力自行车的一个核心部件，它能够实时检测骑行者施加在踏板上的力矩信号，系统控制器依据该踩踏力矩信号，实现助力电机的输出扭矩控制。
Ｄ敲矗?镄性谟龅缴掀碌缆肥保?助力扭矩会随着踩踏力矩的增大而增大，这说明了基于力矩传感器的电动助力自行车，能够在上坡路况下也尽量省力，骑行非常舒适。目前市场上的助力车主要采用的几款力矩传感器，主要是中轴型、转矩位移型、后轴勾爪型。（1）中轴型力矩传感器中轴型力矩传感器采用一种逆磁致伸缩材料。它会在外磁场作用下，尺寸发生伸长或缩短，消除磁场后，又会恢复到原来的长度；反过来，通过外力使得物体变形发生尺寸变化，其磁场也会发生相应改变。该现象被称为逆磁致伸缩效应[39]。中轴型力矩传感器如图1.6所示，作用在中轴上的扭矩会使得其上面的逆磁致伸缩材料的磁质特性发生变化，输出相应的电信号来检测踩踏力矩。在日本欧洲等地区，中轴型力矩传感器已经逐渐成熟，日本雅马哈、松下早在90年代就开始研发此类力矩传感器。该力矩传感器集成于中轴上，提高了系统的整体性，其精度高、灵敏性强，但是由于其逆磁致材料昂贵，开发难度较大，暂时没有在国内普及。图1.6中轴型力矩传感器（2）转矩位移型力矩传感器转矩位移型力矩传感器主要是通过踩踏力驱动中轴时使得弹性元件发生位移，利用位移与踩踏力矩的线性关系来检测力矩。如下图1.7所示，当大链盘上有力矩作用时，大链盘上的弹性装置会产生一定的位移，而且踩踏力越大，弹簧变形越大，可通过两个线性霍尔来估计弹簧位置变化。可是，该传感器对安装尺寸要求非常高，生产工艺也相当复杂，而且存在弹性元件形变一致性的问题[40]，在后续使用中可能存在安全隐患。譬如：车辆倒砸，会造成信号不对，扭矩检测异常等情况[41]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]《电动自行车安全技术规范》国家标准解读[J]. 郝文建. 大众标准化. 2018(06)
[2]电动自行车发展趋势[J]. 陈晶. 林业机械与木工设备. 2017(04)
[3]“一带一路”引领电动车产业多元、创新、规范、绿色发展——第十七届中国北方国际自行车电动车展览会纪实[J]. 姚鑫. 电动自行车. 2017(04)
[4]逆磁致伸缩扭矩传感器特性分析[J]. 余永华,董俊威. 武汉理工大学学报. 2017(01)
[5]基于DSP的电动助力自行车控制系统设计[J]. 李涛,杨成忠. 信息与电脑(理论版). 2016(21)
[6]为何动力辅助系统（PAS）难于在国内市场推广?[J]. 桑迪. 中国自行车. 2016(10)
[7]电动自行车交通发展的主要趋势——近10年文献综述[J]. Elliot Fishman,Christopher Cherry,秦维. 城市交通. 2016(02)
[8]北京步行和自行车交通的思与变[J]. 李爽,盖春英,郭婧. 北京规划建设. 2016(01)
[9]基于霍尔元件的电动车力矩传感系统设计[J]. 夏静满,肖国强,韩鹏,王东强,李正浩. 自动化与仪器仪表. 2015(04)
[10]卡尔曼滤波在应变式力传感器中的应用[J]. 刘晓东,唐俊杰,许杜峰,陈鑫玉. 传感器与微系统. 2014(07)
硕士论文
[1]助力自行车力矩传感器设计和控制算法设计[D]. 张凯.南京理工大学 2018
[2]面向电动汽车的永磁同步电机高效率控制策略研究[D]. 张冰.南京理工大学 2018
[3]助力自行车力矩检测系统设计[D]. 郑煜敏.杭州电子科技大学 2017
[4]电动助力车控制系统设计[D]. 闫传奇.杭州电子科技大学 2017
[5]分布式驱动电动车辆的驱动防滑控制研究[D]. 张婷.南京理工大学 2017
[6]基于力矩传感器的智能电动车控制系统研究[D]. 张夏栋.苏州大学 2016
[7]自行车高架快速路建设和轨道交通换乘的整合研究[D]. 谢宇.北京交通大学 2016
[8]道路坡度及车辆质量自适应的自主驾驶车辆纵向速度控制研究[D]. 刘柏楠.吉林大学 2015
[9]无刷直流电机驱动电路设计[D]. 张艳方.长安大学 2015
[10]无力矩传感器电动助力车系统设计[D]. 孙岳.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3609456
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