（电路与系统专业论文）电动助力车智能控制器的设计与实现.pdf

摘要 广3 1 8c j5 0 电动助力车作为新型绿色交通工具，对解决因燃油车辆带来环境污染和 缓解能源危机有重大意义，具有广阔的市场前景。本文首先介绍了国内外电 动助力车发展状况，分析了几种典型电动助力车控制器工作原理，针对控制 器辅助力矩调节不能满足复杂人机协同的问题，提出采用模糊技术进行助力 比调节的控制方案。 奉文设计的电动助力车智能控制器分两级调节助力比：根据车速确定静 态助力比，再依据加速度、脚踏力矩变化。采用模糊技术调节动态助力比。 然后由静、动态助力比和脚踏力矩共同确定辅助力矩大小。最终利用积分分 离p l 算法调节电机输出力矩。智能控制器通过计量已用电量、监测电池电压， 对电池进行监测管理，防止因深放电和电池不均衡造成电池损伤。控制器还 提供完善保护功能，保证系统和骑行者的安全。 法控制嚣的特点是在助力比调节中引入模糊技术，根据助力苹运行状态 闩动调节助力比，各种路况下的骑行实验表明该控皋l 器满足复杂睛况下的助 力要求。 关键词：环境电动助力车模蝴控制助力比调节 电机控制积分分离p l 算法 a b s t r a c t e l e c t r o n h y b r i d - b i c y c l e ( e h b ) i s a ne n v i r o n m e n tf r i e n d l yv e h i c l ew h i c h h a sw i d em a r k e tp e r s p e c t i v e i ti ss i g n i f i c a n ti nr e s o l v i n gt h ep o l l u t i o nb yf u e l e n g i n ea n dl e s s e n i n ge n e r g yc r i s i s a tt h eb e g i n n i n g o ft h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h e s t a t u so fd e v e l o p m e n ta b o u te h b a th o m ea n da b o a r da n da n a l y z et h ep r i n c i p l eo f s e v e r a lt y p i c a le h bc o n t r o l l e r t h e ni no r d e r t os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ea s s i s t a n t t o r q u eo f t h ec o n t r o l l e rc a n l ts a t i s f yt h ed e m a n do fi n t e l l i g e n ta s s i s t a n tw e l l ，w ep u t f o r w a r dt h es c h e m et h a tf u z z yt e c h n o l o g yi sa p p l i e di n t oa s s i s t a n tr a t i oa d j u s t m e n t i nt h i sp a p e r , w ec a l c u l a t et h ea s s i s t a n tr a t i ob yt w os t e p sw h e nw ed e s i g nt h e i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ro fe h b f i r s t ，t h es t a t i ca s s i s t a n tr a t i oi sd e c i d e db yv e l o c i t y s e c o n d ，t h ed y n a m i ca s s i s t a n tr a t i oi sa d j u s t e da c c o r d i n g t ot h ef u z z yt e c h n o l o g y t h ea s s i s t a n tt o r q u ei sd e t e r m i n e d b ys t a t i ca s s i s t a n tr a t i o t h ed y n a m i ca s s i s t a n t r a t i oa n dt h ep e d a lt o q u eu s i n gi n t e g r a ls e p a r a t i o np i a l g o r i t h m ，w ec a na d j u s t o h t p u tt o r q u eo f m o t o r , a tt h es a m et i m e ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rs u p e r v i s eb a t t e r yb y m e a s u r i n gt h eu s e dc a p a c i t ya n dm o n i t o r i n gt h ev o l t a g eo f t h eb a t t e r yf o rf e a rt h a t t h ed e e pd i s c h a r g eo fe l e c t r i c i t ya n dt h eu n e v e n n e s so fb a t t e r yd od a m a g et ot h e b a t t e r ym o r e o v e r , t h e c o n t r o l l e rc a no f f e rt h ep e r f e c tp r o t e c t i o n f u n c t i o nt o g u a r a n t e et h es e c u r i t yo f t h e r i d e ra n ds y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o l l e ri s t o a d j u s t t h ea s s i s t a n tr a t i o b y i n t r o d u c i n gi n t ot h ef u z z yt e c h n o l o g y i ti sa u t o m a t i c t oa d a p tt h ea s s i s t a n tr a t i ot o t h er u n n i n go fe h l 3 t h ec o n t r o l l e rh a sb e e np r o v e dt ob ea b l et om e e tc o m p l e x d e m a n do f e h b k e y w o r d s ： e n v i r o n m e n t e l e c t r o n h y b r i d - b i c y c l e f u z z yc o n t r o l a s s i s t a n tr a t i oa a j u s t m e n t m o t o rc o n t r o l i n t e g r a ls e p a r a t i o n p i a l g o r i t h m i i 第一章国内外电动助力车发展概况 1 1 概述 环境污染和能源短缺是人们普遍关注的生存问题。燃油机车消耗大量石 油，排放大量废气、产生很大噪音，造成严重大气污染和噪音污染。开发低 污染( 或无污染) 、低能耗的新型车辆，一直是世界各国积极研究的问题。目 前相继出现了以液态氢、太阳能、天然气、液化石油气和电能为动力源的新 型车辆。在众多新型车辆中，电动车辆以零空气污染、低噪音、高效率的特 点被认为是真正的“绿色”交通工具，有着广阔的发展前景。 电动汽车与内燃机车有着本质区别，受到机电、电池及相关技术水平的 限制。国内外投入大量人力物力进行研究开发，已有少量电动汽车投入试运 行，但近期内批量进入市场很难实现f ：i 。 电动助力车实质上是一种人力混合电动车川( h u m a np o w e r e dh y b r i d e l e c t r i cv e h i c l e ，h p h e v ) ，它包括电动三轮车、电动自行车、电动摩托车和 电动残疾用车等，是唯一符合“零”排放要求的混合电动车。自行车所需驱 动力矩由电机控制器电池系统提供的辅助力矩和脚踏力矩组成。控制方式可 分为二类：速度开关型速度达到阁值即启动电机，控制功能很弱，骑行 缺乏平顺感：全电动型辅助力矩与脚踏力矩之间没有关系，直接通过手 动调节电机输出力矩和车速，控制电路相对简单，操作方便，但缺乏完善的 控制和对电池的管理。智能型电动车一股需要知道脚踏力矩大小，运行状态， 依此确定辅助力矩和脚踏力矩的关系，进而调节辅助力矩大小，能更好的符 合人机器协同原理，还可以提供完善的保护措施和管理功能。全世界投入运 行的电动自行车、电动摩托车及电动三轮车等电动助力车已有4 0 多万辆，特 别是亚洲市场增长迅速。预计2 0 0 0 年全世界电动助力车总量将会达到2 0 0 万 辆f ! l 。 电动助力车因技术相对简单、肘电池、电机性能要求较低。许多国家从 保护环境角度出发。对电动助力车给予大力支持【3 】。本章包括电动助力车展 背景和优点、国内外现状、几种典型电动车的特点以及智能电动车开发目标 几个方面的内容。 1 2 电动助力车发展背景 电动助力车的发展和兴起不是偶然的。它和当前人类面临的世界性环境 问题和能源危机是紧密相关的。电动助力车在电动车发展中具有特殊优势， 本节从能源、环境和电动车优点三方面分析电动助力车的发展原因 第1 页共6 9 页 1 2 1 石油资源日益短缺 石油作为一种储量有限的矿物资源。按目前开采速度，只能再角3 0 4 0 年。作为石油能源的主要消耗者，石油消费中大约3 0 4 0 用于汽车，燃油 汽车命运面临无法回避的挑战。各国纷纷开展代用燃料汽车研究，相继开发 了以甲醇、乙醇、液化石油气、天然气和电力为能源的车辆。但实践表明， 除以电力、太阳能、液态氢外，上述燃料虽在环境污染上有所减少，但都存 在弊病”l 。液化石油气1 容易汽化的特性具有潜在危险，甲醇和乙醇因化学分 子式中氧原子比汽油多，蕴涵的发热能量低，甲醇和乙醇等酒精燃料“雾压” 值较汽油低，不利于在寒冷环境下启动发动机。而且上述能源属于一次能源， 都面临能源枯竭的危机。以蓄电池存储电能为动力的电动车可很好解决能源 问题【6 】。因为电能属于二次能源，通过多种途径将其他能源( 火力、水力、 风力、核能、太阳能、潮汐能等) 转换得到，而且可在夜间充电，对电网负 荷平衡和改善电网供电质量很有好处。电动车可采用先进技术使整个系统的 能量利用率达到很高。 1 2 2 燃油车造成严重环境污染 汽车作为一种无以替代的交通工具，也是一个流动的污染源。在大气污 染中，一些有害成分主要来自汽车排放的尾气。比如，在美国和日本的大气 污染中，9 5 9 9 的一氧化碳来自汽车排放的尾气；汽车排放的氮氧化物所 占比例也很高，美国为3 2 5 5 ，日本东京为3 6 e ”。 据有关方面统计，每千辆机动车每天排出污染物【9 】： 一氧化碳5 0 1 5 0 千克； 碳氢化合物2 0 0 4 0 0 千克； 氮氧化合物5 0 1 5 0 千克。 电动车辆是被最看好的零污染车辆，它以蓄电池储存的电能为动力，在 行驶中几乎没有废气排出，排放要比内燃机减少9 2 9 8 ；它的噪音仅有内燃 机车的一半【3 】。总之，电动车辆接近零污染汽车目标。 电动汽车与燃油汽车存在本质区别f 4 】，主要区别有：驱动能源不同、能源 效率不同。驱动系统不同，电动汽车采用电机驱动，而燃油车采用带燃烧室 的发动机；控制方式不同，电动汽车控制是针对电机及电力系统进行。电动 汽车目前存在的主要问题是： 1 电池性能达不到要求，寿命短，续驶里程短； 2 充电时间长，充电站等基础设施未普及： 3 生产量小，成本价格高； 甲烷和丁烷的一种混合物 第2 页共6 9 页 电动汽车在走向实用化时面临上述技术难点。目前最有可能向市场的电 动车辆是电动自行车、电动三轮车和电动摩托车这一类电动助力车l s l 。 1 2 3 电动助力车的优点 电动助力车包括电动自行车、电动三轮车和电动摩托车这类电动助力 车。它们功率较小、车速低、续驶里程较短、性能要求不高、电池容量小、 可以充分利用现有成熟技术、成本不高，为用户所接受。 和目前的燃油助动车相比，由于燃油助力车是采用小容量二冲程汽油机 为动力，使用“汽油加润滑油”混合燃料的助力车。困润滑油不能充分燃烧， 排放的有害气体特别严重。据有关方面抽样检测【”表明；助动车有害气体排 放浓度是一般轿车的3 - 5 倍。平均3 - 4 辆助动车的废气排放总量相当于一辆 轿车的排放量呻】。 作为城市短途代步和休闲、娱乐、锻炼用电动助力车，在污染臼益严重、 交通拥挤的城市，概括来讲，具有如下几个方面的优点： 1 无大气污染电动助力车以蓄电池储存的电能为能源，以电动机作为 驱动机构，行驶中无尾气排放，不耗氧，因此没有大气污染。 2 噪音低、振动小、安全性好 电动车采用电机驱动，运转噪音比内燃 发动机要小得多。其传动机构简单、紧凑，因而振动也较小。电动助力车速 度不超过2 5 k m h ，在慢车道上不影响其他车辆行驶，安全方便。 3 能源利用率高、能源多样化，补充方便电动助力车采用二次能源 电能，可以从多种能源转换而得。电动助力车在平道上行驶功率不超过1 0 0 瓦，一次充电能耗不超过1 千瓦时，而且可以利用夜间电网负载不足的时 候充电，对提高电网运行效率有好处。 4 适合短距离使用、不需要大的停车场所城市交通状况紧张，城市道 路总星严重不足，一般城市难以大量解决卡车、轿车、摩托车，普通社区在 设计时未考虑车辆的停泊问题。调查表明，多数城市居民日常活动距离较短， 上班和日常活动距离大多在2 0 公里左右，完全在电动助力车一次充电的有效 彳亍驶里程内，且不存在停放问题。 1 3 国外电动助力车发展现状 世界上自行车拥有总量约为13 亿辆，年生产约3 0 0 0 万辆。目前世界上 已经有4 0 万辆各式电动助力车，电动助力车的潜在市场巨大，估计到2 0 0 0 年总数将达到2 0 0 万辆 2 1 。下面主要介绍日本、美国和欧洲一些国家的电动 助力车发展状况。 第3 页共6 9 页 1 3 1 日本电动车发展 日本作为电动车辆研究和实用化最早的国家之一，电动助力车不论就技 术还是市场规模而言，都最为成熟。本田于1 9 9 2 年推出了1 5 万日元的电动 助力车，雅马哈、三菱等公司也先后推出自己品牌的电动助力车。自从9 3 年 雅马哈公司的p a s ( 能量辅助系统，该方式下辅助力矩和脚踏力矩保持一定 比例) 进入市场以来，电动助力车在日本已逐渐成为居民短距离交通工具的 主流。日本已经形成年销售2 5 万辆电动助力车的市场，且年增长幅度为 2 0 0 f “f 。其中以雅马哈公司和本田公司产销量最大。雅马哈发动机株式会社 累计销售了6 0 万辆电动助力车，占整个助力车市场的2 0 左右。参与电动 助力车研究开发的公司达5 0 家之多，许多大公司例如雅马哈、本田、三菱、 松下、五十铃等具有电动汽车开发实力的大公司也参与电动助力车研究开发 ”。日本电动助力车主要以妇女、老年人和上班族为市场目标。蓄电池一般 以镍铬、镍氢电池为主、容量在5 1 0 安时之间，充电一次行驶里程约2 5 4 0 千 米( 助力方式、平地，无风情况下) 。驱动系统多为永磁无刷电机，工作电压为 2 4 伏豉3 6 伏，功率在1 8 0 2 5 0 瓦之间。日本的控帝i 器都采用p a s 系统l ” 。 1 3 2 美国电动助力车发展 美国电动车发展以电动汽车为主攻方向，电动助力车主要作为休闲、娱 乐、健身器材和近距离用交通工具；对电动助力车的设计以距离长、输出功 率大、加速性能好，爬坡能力强为目标，电池容量和电机功率都普遍较大。 美国有代表性的电动助力车生产厂家有z a p 1 ( z e r oa i rp o l l u t i o n ) 公司以 及由g t 自行车公司和a e r o v i r o n m e n t 两家组建的c h a r g e rb i c y c l e 助力车公 司，这两公司的产品约占美国电动助力车市场的6 0 。 z a p 公司电动助力车具有以下特点：驱动为摩擦轮方式p 】。永磁无刷直 流双马达安装在前轮或后轮，通过电机转子与轮胎之间摩擦提供驱动力。该 方案的优点是助力系统安装拆卸都很方便，不需对普通自行车作过多的改动。 在下骏，刹车或进行体育锻炼时，驱动系统的电动祝作为发电枧使用，制动 能量回收系统将能量返回给电池，从而延长行驶里程和电池的使用寿命。其 自带的快速充电系统在快速充电时最大电流可达6 安培，可以在3 小时内将 电池充满。微电脑控制的充电器对不同类型电池按最优方式充电，防止电池 因过充或充电方法不恰当而造成电池损坏。在行车过程中，用户可以通过配 备的电池监控管理系统随时了解电池所剩电量，防止电池因过度放电而损坏。 z a p 没有采用根据脚踏力矩来控制电机输出的助力方式，只有三种给定速度， 最大车速可达3 0 于米d , 时，次充电可以行驶约3 0 公里。美国有些洲的巡 第4 页煞6 9 页 饕和邮递人员使用z a p 的助力车作为交通用车“。 c h a r g e rb i c y c l e 公司生产的电动助力车主要特点”6 1 是采用测量人力的专利 技术一j m p u l s es y s t e m r m ( 脉冲系统) 。助力系统据此来按固定比例调节电机输 出力矩。助力比可分为m 机：m 人= 1 2 ：1 、1 ：l 、2 ：1 、3 ：1 、4 ：1 四档n “ 机：电机辅助力矩，m 人：人施加力矩) ，脚不施加力时助力系统停止助力。 g t 和a e r o v i r o n m e n t 合作开发的传动系统采用了独创的双链条氧接驱动 方式，电机、助力车的变速齿轮及后轮组成一套独立的驱动系统。其优点是 可以增大助力车的启动力矩、提高加速性能、增强爬坡和迎风骑行的能力、 减小电机噪音，关闭助力系统后，还可以和普通自行车一样使用。在1 ：】方 式下，正常速度、路面和普通体重的情况下一次充电可行驶2 0 千米左右。充 电部分是一个可以在4 小时内将2 组1 2 伏7 安时密封免维护铅酸电池充满的 快速充电系统，最大充电电流可达6 安培；在行车过程中，由一个简单电池 管理系统监控电池的状态；通过转换开关可以很方便的察看每个电池的剩 余电量，预计可行驶里程。该电池管理系统还可以对电池的简单故障给出诊 断和报警。 1 3 3 欧洲电动助力车发展 欧洲是电动车最早的发源地”l ，但主要精力集中在电动汽车上，截止1 9 9 6 年已经有9 家公司生产电动助力车，它们很多是引进日本的生产技术，德 国和法国已经将日本的p a s 制式作为电动助力车国家标准。台湾的美利达 ( m e r i d a ) 和e l e b i k e 公司的产品已经进入欧洲市场。9 6 年统计数据显示： 当年欧洲共销售了1 3 0 0 0 辆电动助力车，9 7 年的预计销售额为5 0 0 0 0 辆f 2 j 。 1 4 国内电动助力车发展状况 随着改革开放的深入和生活水平普遍提高。人们希望获得轻巧便捷的交 通工具。因此，当9 0 年初推出燃油助力车时，市场获得很大的成功，但燃油 助力车的发展带来了严重的环境污染。北京、上海都被列入世界大气污染最 严重的十大城市之一。各地相继制订政策措施，限制燃油助力车的销售和使 用1 。作为燃油助力车替代品的电动自行车有着广阔的前景。有关资料表明 】：在全国五大城，骑自行车的居民中有2 0 愿意购买3 0 0 0 元左右的电动助 力车，如果全国五大城市按2 0 的购买力估算，全国至少有2 0 0 万辆销售量。 由此可见，我国存在一个巨大的电动自行车市场。下面介绍国内发展情况， 分析电动助力车存在的问题。 我固台湾生产电动助力车的厂家很多0 0 ，大型公司有中广、美利达、捷 安特、宇动、宇轮等公司。他们消息来源广、经营头脑灵活，在技术开发、 成果转化上有一定优势。 第5 页_ 共6 9 页 我国内地虽然潜在有巨大的电动助力车市场，研究开发电动助力车的厂 家、高校和科研单位也不少，有的单项技术水平也不低，但整车质量不高， 尚未形成强有力联合开发、配套协作的集团化局面。相比较而言，上海在电 动助力车研制、开发和市场化方面已经具有一定规模。下面主要介绍上海电 动助力车的发展情况。 1 9 9 5 年末，上海市自行车拥有量己达近7 0 0 万辆，燃油助动车达5 0 万辆， 环境部门对主要路口的检测结果表明”9 l ：重污染区占3 0 ，中度污染区占 6 5 ，轻度污染区只占5 。目前上海的道路建设跟不上车辆的发展，车辆行 驶速度缓熳，据测平均速度不到1 2 k m h 。车辆行驶馒时，污染物捐 放比正常 行驶时更多。市区中心的一氧化碳、碳氢化合物总量的9 0 来自机动车排放 的污染物。 上海现有5 0 万辆燃油助力车，是上海主要的大气污染源之一，上海从1 9 9 6 年起就停止给燃油助力车上牌照，并制定了到2 0 0 0 年将市内燃油助力车限制 在l o 万辆以下的政策。上海在1 9 9 6 年7 月1 1 日停止办理燃油助动车牌照。 在颁布的( ( 上海市燃油车辆排污费征收管理办法) ) 中对现有燃油助力车征 收排污费。明确控制燃油助力车的发展，对现有燃油助力车采取总量控制、 逐步替代、严格管理和平稳过渡的措施，同时积极发展新一代无污染( 少污 染) 、采用清洁能源的代步工具。上海市政府将电动助力车作为替代燃油助力 车，减小大气污染的主要对策，拿出5 0 0 0 万资金推动电动助力车研究和生产， 将电动助力车作为支柱产业给予支持。这为电动助力车的发展提供了有利的 时机。目前上海有多家公司开发了不同形式的电动助力车，下面是部分的几 个厂家产品技术参数【9 l 。 表11 上海部分电动助力车往能指标 公司时速整车重续驶里程充电时间电池寿命 ( k 耐h )( k g )( k m ) ( h )( 次) 风凰 = 3 0 0 山康按规定 3 7 4 4 = 4 044 0 0 易初按规定 = 4 56 0 8 0 2 或6 7 4 0 0 下面从储能系统、充电系统、驱动系统和控制系统几个方面来分析我国 电动助力车的发展现状。 储能系统是衡量电动助力车性能的关键因素之一。考虑电动助力车的特 点和电池的性能、价格等因素，面向国内市场的电动助力车配置的蓄电池多 数选用动力型密封免维护铅酸蓄电池，少数选用了镍铬、镍氢电浊。蓄电池 容量大小选择范围很广，根据行驶里程和道路状况等因素来选择电池的容量， 一般行驶里程大的则选择电池容量较大，续驶里程为4 0 千米左右，则选的较 大( 1 0 - 2 0 安时) 的电池。有的考虑续驶里程为2 0 千米则选的小一些( 5 - 7 第6 页共6 9 页 安时) 的电池。实测资料表明1 0 千克的铅酸蓄电池( 两只1 2 伏7 安时) 一次 充电安驶里程基本上都能达到2 5 4 0 千米( 助力方式) ，但实际使用中差别较 大，说明电池性能存在较大差g d t + + 1 i 。 专家们一致认为：蓄电池性能发挥好坏和使用寿命长短在很大程度上决 定于充电方法的好坏。在目前电动助力车上，充电问题没有很好解决。多数 采用简单定压恒流方式充电，没有考虑电池充电特性及电池的不一致性，往 往好电池充不满，差电池已被充坏，不能达到无伤害充电的要求。充电时间 多数为6 - 8 小时，对夜间充电来说已经满足要求，但不能满足快速充电的需 要：。 作为电动助力车的关键部件执行部件的电机驱动系统，要求高效化、微 型化、低噪音和长寿命。目前电动助力车驱动系统配置的电机绝大多数都采 用直流轮毂式，有刷、无席6 电机都有。额定电压为2 4 伏或3 6 伏，选用的电 机额定功率变化范围较大，从1 5 0 3 5 0 瓦不等。电机质量问题较多，首先表 现为空载电流变化大，自行车协会实测数据表明最低为o4 5 安，最高的竞达 68 安，一般在10 安到24 5 安之间。其次，多数电机的最大噪音与额定指标 差距很大，只有少部分电机的噪声指标在“静音”( 约5 0 d b ) 甜近大部分 实测噪声达7 0 d b ，说明电机在设计、制造、装配上还存在问题口1 1 。 电动助力车控制器是提高电机效率、监测管理电池，实现可靠控制的关 键。目前电动助力车电控器多采用电子式、无级变频脉宽调速方式、可靠性 好、机械效率高且操作简单。但普遍反应为智能水平低。有些厂家提出的智 能控制实际是基于速度的开关控制或基于速度的助力大小控制，不是基于检 测脚踏力矩大小的p a s 控制方式。少数几家( 如红塔集团、天宝集团、清华 电动车公司等) 在助力车上安装了p a s 系统，实现了较高程度的智能型控制。 很多控制器不具有对运行中电池实行监控管理的功能，对电池剩余电量及电 池的运行状况缺乏了解。在目前电池性能难以提高的情况下，及时监n + t j 余 电量，防止因过放而造成电池损坏。监测电池运行状态，及时发现性能不好 的电池，防止性能差的电池和好电池因配对使用而导致好电池损坏对控制器 来说十分重要z ”。 1 5 几种典型电动助力车控制器 电动助力车性能主要由电池、电机和控制器三部分决定。控制器是提高 电机效率、延长电池使用寿命、实现优化控制的关键。 目前电动助力车控制器主要有三种形式。速度开关型，全电动型、智能 型。清华大学智能技术与系统国家重点实验室开发的早期产品是全电动型， 日本雅马哈开发的控制器属于智能型。本章简单介绍其工作原理和存在的问 题。 第7 页共6 9 页 1 5 1 全电动助力控制器l 根据我国般居民购买意愿，我们开发了全电动助力车控制器。骑行者 通过旋转调节手柄控制电机的输出、调节辅助力矩和速度，电机输出力矩和 脚踏力矩大小无关。控制器以p w m ( 脉宽调制) 方式调节电机输出功率， 实现无级变频调速、具有高效、低噪音、操作简单、使用方便等优点。下面 主要介绍控制器的控制原理 1 ) 系统原理框图 电动助力车控制器主要由p w m 生成电路、p w m 驱动电路和过流、低压 保护和高速保护和非零速度启动控制电路组成。系统结构如下图所示 图1 1 全电动勘力车系统框图 功率调节旋纽控制p w m 脉宽波形生成，大功率m o s f e t 管组成的驱动 电路推动1 8 0 瓦永磁有刷直流电机，两组1 2 伏7 安时动力型密封免维护铅 酸蓄电池给系统提供能量。控制器检测莆电池电压、电机电流、车速，若参 量超过设定值，控制器将关闭p w m 输出，实现保护。刹车时，立即关闭p w m 输出。 我们开发的全电动助力控制器在实际运行实验中，具有低高速自动保护、 过流“氐压保护效果显著，骑行平顺性好。 第8 页共6 9 页 1 5 2 雅马哈的p a s 系统 雅马哈开发的p a s 【1 5 1 ( p o w e ra s s i s t a n c es y s t e m ) 系统通过力矩传感器实 时检测主动力矩，按主动和辅助力矩各占一定比例方式提供助力，助力比 ，= 篆是速度的函数，可用下式表示 rlo = 1 ( v h v ) l o 、o o v 2 4 在速度小于1 5 k m h 时定比例控制，主动力矩和辅助力矩各占一半。在 1 5 - 2 4 k n v h 之间助力比与速度变化成反比例关系。如果速度大予2 4 k m h ，辅 助力矩为零，自行车的驱动力矩完全由人提供。 i ) 雅马哈p a s 控制系统原理图 雅马哈采用专门设计的行星轮系传动系统，电机转轴通过行星减速机构 和助力车中轴直接皎合。结构紧凑、传动效率很高，而且电机转动时噪音极 小；传动系统的响应速度快，不会使人感到滞后的不舒服的感觉；车速检测、 力矩检测、电机控制器都集成在一起，体积小、维护工作少，还可保证系统 可靠工作。 雅马哈的另一项专利技术是力矩传感器。它将脚踏力矩转换成位置传感 器所能接收的电信号后送给微控制器。由于力矩传感器和车速测量等部件集 成在一起，集成度高，拆卸和修改都很困难，有效保证了力矩检测的可靠性 和长期测量精度口。 第9 页共6 9 页 ：制器h 叫卜 赡 ： j 脚j 链条 车轮 图1 2 雅马哈p a s 控制系统原理图 1 5 3 控制器存在的问题 a ) 全电动助力车控制器存在问题 全电动方式存在以下几个方面问题：由于助力车驱动力全部由电机提供， 充电一次行驶距离较短；通过简单电压、电流关系来判断电池剩余电量的方 法存在较大误差，容易导致电池过放电。辅助力矩大小完全由人调节，智能 化程度不高。 第1 0 页共6 9 页 b ) p s 控制器存在问题 雅马哈的p a s 通过检测力矩和车速来控制电机辅助力矩，实质上是基于 速度的比例控制系统。该控制方案在顶风、爬坡、人为加速等情况下仍按照 速度来确定助力比，显然不能满足智能控制的要求。理想的助力控制应当考 虑速度、加速度、主动力矩、主动力矩变化等信息。助力比函数如下所式所 示： 助力比= ，( 速度、加速度、主动力矩、主动力矩变化率) 电动助力车除了完成对电机辅助力矩控制外，由于电池是电动车中最薄 弱的环节，系统需要完成电池的监控管理功能，检测电池状态。 基于上述电动助力车控制器存在的问题，我们设计了智能电动助力车控 制器，下面介绍智能助力车总体框图与控制要求。 i 6 智能助力车总体框图与控制要求 1 6 1 智能助力车总体框图 智能电动助力车结构由下图所示，由力矩传感器、速度传感器、电池、 直流电机、主回路、驱动装置以及微控制系统组成。微控制器检测车速和主 动力矩，确定助力比；根据主动力矩和助力比调节辅助力矩。 图1 3 电动助力车总体框图 第1 1 页共6 9 页 1 6 2 控制要求 目前市场上电动助力车依据速度大小调节助力眈( 野) 。如红塔集团、日 本雅马哈的p a s 控制系统【”1 。厨可用下式表示 f io( o v v l ) k s = ( v n - v ) v l( vl a i 。用a 值描述两模糊子集间影响程度 2 9 】。a 值取得过小或过大都不利， a 值较小时，控制灵敏度高。稳定性差；a 值较大时，控制器鲁棒性较好， 能较好地适应对象特性参数的变化，a 值过大造成两个子集难以区分，灵敏 程度显著降低。一般选取a 值为0 4 0 8 。 2 2 2 模糊推理 实际中存在大量基于模糊概念的推理问题。对于数理逻辑中的假言三段 论 大前提：如果a 则b 前件：a 结论：b 如果其中a 或b 是模糊概念，数理逻辑推理无法得到正确结论。对于这 一类包含模糊概念的推理问题，只能借助模糊推理才能得到合乎情理的结论。 下面介绍两种主要模糊推理方式。 】) z a d e h 似然推理2 6 3 z a d e h 定义表示模糊逻辑推理基本形式的大前提是模糊关系月，令模糊概 念a ，日是模糊论域x ，y 中的模糊集合 粤= l ，! ( x ) ，x ，量= ! ( y ) ，y 其中r x ，y y 模糊前件蕴涵式爿呻b 可以由模糊关系r m 表示 r 6 ( a x b ) u ( a y ) 2 l 。( ( ! ( r ) ! ( 力) v ( 1 一! ( 羔) ) ) “z ，) 模糊推理语句“球x 是a 则y 是占“的由下式表示 b 。a , o r w 2 工品( 卢兰( z ) ( ! ( x ) 少) ) v ( 卜岸! ( x ) ) ) y 2 ) m a m d a n 的模糊推理算法 m a m d a n i 提出的极大极小模糊推理法则是模糊控制中经常使用的推理方 法。m a m d a n i 用最小运算规则定义模糊推理前提所表达的从x 到y 的模糊关 系：如果x =a 则y = b 记为月。， 第1 7 页挂6 9 页 璺一一定义为：r m = a ，x b 一= l ，( 声! ( x ) a i 。! o ，) ) ( 一y ) 2 3 摸期推理语句“i fx 是爿则y 是b 的推理语句通过模糊关系的合成 运算得 坠2 a ， o r m 2 l 品( p 皂。( x ) ，、( g ( x ) ，、! ( y ) ) ) y 其中 ，v 分别表示取小和取大运算。 2 3 模糊控制系统结构 2 3 1 模糊控制系统基本结构 基本模糊控制系统的系统框图如下图所示 图2 3 基本模糊控制系统框图 模糊控制系统由以下儿部分组成：输入输出接口、模糊控制器、检测装 置、执行机构和被控对象。下面简要介绍控制系统各部分的功能和特点。 1 ) 被控对象 被控制对象从数学模型讲，可能是单变量或多变量，可能是线性或非线 性，可能是定常系数或时变，可能是确定性的或是随机过程，也可能是多种 特性混合的过程，难以建立精确数学模型的复杂对象。列于非线性和时变对 象，模糊控制策略是较为适宜的方案。 2 ) 检测装置 检测装置包括传感器和变送器装置。它们检测各种非电量或电量并变换 放大为标准电信号( 包括模拟或数字的等形式) ，输入计算机。 3 ) 执行机构 执行机构是模糊控制器向被控制对象施加控制作用的装置。 第1 8 页共6 9 页 4 ) i o 接口 i o 接1 3 是实现模糊控制算法的计算机与控制系统连接的桥梁，输入接口 主要与检测装置相联，把检测信号转换为计算机能处理的信号并输入计算机。 输出接1 3 把计算机输出的信号转换为执行机构所要求的信号，输出给执行机 构，对被控制对象施加控制作用。由于大部分检测装置和执行机构的信号都 包含模拟信号，因此i 0 接e l 常包含模数转换电路( a d ) $ n 数模转换电路 ( d a ) 。 5 ) 模糊控制器 模糊控制器是模糊控制系统的核一t l , ，也是模糊控制系统区别于其他自动 控制系统的主要标志。 2 3 2 基本模糊控制器组成 模糊控制系统的核心基本模糊控制器的基本组成如下图所示，主要 由模糊化接口、知识库、推理机、解模糊化接口四部分组成。下面介绍各部 分的功能和作用 模糊化接口 图24 基本模糊控制器组成 解模糊接口 出 1 ) 模糊化接口 模糊控制要求执行二值逻辑运算的计算机模仿人的模糊思维进行控制。 模糊控制器由输入通道得到的采样值是精确量，而推理机是用模糊输入( 模糊 变量) 和i 0 间的模糊关系进行模糊推理，因此需要将精确输入量转换为模糊 子集。由量程转换和模糊化两部分组成。 a ) 量程转换 第1 9 页共6 9 页 量程转换