基本信息
- 项目名称：
- 电动自行车的新型助力控制装置
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目主要研究后轴控速和1：1线性助力驱动。即在后轴上贴上电阻式应变片，当人骑车前进时链条拉动后轴，使后轴发生形变。应变片感应形变后电阻变化，其在电桥电路中，使电路输出的电压发生改变，形变越大电压变化越大。此电压变化信号通过放大后，经AD转换被单片机读取。根据电压的大小来改变单片机PWM的脉冲宽度，从而控制无刷电机的功率输出。 本比例助力传感器系统的优点是经济、精确、工艺简单、维修方便、适用性强，从骑行舒适性、流畅性上看都很好。设计的电动车在全电动功能基础上加上比例助力功能，两者之间切换十分方便。转把转动就是全电动功能，转把复位就是比例助力功能，无附加按钮，响应迅速。
- 详细介绍：
- 近年来，国内电动自行车急剧膨胀，市场开始细分。同时广大民众对于健康的追求也渐渐舍弃全电动自行车，转向健康时尚的比例助力电动车。 电动自行车最理想的使用方法就是人助车动，电助人行，人力电力联动，省力又省电。比例助力骑行还能对电机起到保护作用，并且提高续行里程。从安全角度上讲，比例助力电动车可以大大减小交通高峰时间的事故。 基于上述原因，我国现行的助力电动车已经开始研发。但现在流行的助力传感系统装置对零件的材质工艺都有价高的要求。有的精度控制难，软件要求修正。基于种种原因均未普及。 本比例助力传感器系统的优点是经济,精确,工艺简单,维修方便,适用性强.在本方案中,速度和电流是以连续函数关系一一对应的,不会出现其它精确比例系统中的一旦不踩就会断电,一踩又会来电,时断时续,电动车骑行过程中一冲一冲的不良感觉，得到的是行云流水,张弛有度,随心所欲的效果.骑乘者利用该系统可以几乎不费力地加速到20km/h,放慢踩速,就可以平稳地降低速度,可以在任何一个速度点达到平衡状态.另外原车控制器的一些安全措施如刹车断电等功能都不受任何影响,故整车的安全性能得到了很好的保障. 本助力系统设计中首先是利用传感器采集数据来测量车速以及测定后轴受力情况。 应变片贴于后轴上，再接入电桥电路。安装在后轴上的霍尔元件作为传感器采用测量脉冲宽度的方法进行速度测量。通过测量霍尔元件输出的脉冲即可计算出车速。将此信号送给单片机，从而进行调整。通过速度对电机输出功率修正，当人不使力时，电机不会马上停止工作，而是根据速度的大小逐渐减小到零，电动车速度平缓的降低。 其次是硬件电路设计：此部分共包括电桥电路及其输出经单片机处理环节和单片机通过芯片控制无刷电机的功率输出部分。输出信号再经过放大及AD变换输入PIC单片机。 控制电压输出电路部分，单片机PWM输出经过积分电路，输出一稳定电压，通过改变PWM的占空比就可以改变电压的大小，进而控制无刷电机的功率输出 本助力系统中采集信号的幅度保持在0-100毫伏，输出信号在0-5伏之间，助力比例调节控制在1：1----1：2.5，温度控制在0-55度，电磁兼容等级符合国家相关标准，电源电压5V，功率100毫瓦。 电动车运行时能产生很强的电磁干扰，为确保系统工作的可靠性，本方案采取多项措施。尽量减少电磁干扰，确保电动车运行稳定性。 本方案整体设备设计紧凑合理，体积小，因此还能节省空间。理论上来讲是在全电动车基础上加上比例助力功能,无附加按钮,响应迅速.可以在出厂时将助力比例设为连续可调,整车厂员工或销售人员都可以进行调节,甚至也可以教会用户自己调节的方法 总而言之 该系统在国内的市场很有前景。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本项目要研究的后轴控速和1：1线性助力驱动，目前国内的电动车大多是用旋手控速，只有少数电动车采用中轴控速，比例助力系统在我国有广阔的市场前景.本助力系统中采集信号的幅度保持在0-100毫伏，输出信号在0-5伏之间，助力比例调节控制在1：1----1：2.5，温度控制在0-55度，电磁兼容等级符合国家相关标准，电源电压5V，功率100毫瓦。
科学性、先进性
- 电动自行车的优点是节能,环保,方便,适合中国国情.本比例助力传感器系统的优点是经济,精确,工艺简单,维修方便,适用性强,从骑行舒适性,流畅性上讲目前国内的比例助力系统无出其右者.在上述方案中,速度和电流是以连续函数关系一一对应的,不会出现其它精确比例系统中的一旦不踩就会断电,一踩又会来电,时断时续,电动车骑行过程中一冲一冲的不良感觉.得到的是行云流水,张弛有度,随心所欲的效果.骑乘者利用该系统可以几乎不费力地加速到20km/h,放慢踩速,可以平稳地降低速度,可以在任何一个速度点达到平衡状态.另外原车控制器的一些安全措施如刹车断电等功能都不受任何影响,故整车的安全性能得到了很好的保障
获奖情况及鉴定结果
- 本作品在2008年在山东日照举办的山东省大学生机电产品设计大赛中获得一等奖（奖状及证书的照片见附件）
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 图片 实物 产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.国内市场 电动车加上比例助力功能,两者切换很方便.转把转动就是全电动,复位就是比例助力,无附加按钮,响应迅速.我国电动车安全通用技术中并无精确比例助力要求,但是否精确比例助力对骑乘者来说感觉大不一样,所以本系统一定会受到欢迎.出厂时将助力比例设为连续可调,任何人都可以进行调节,一般说助力比例设在2~2.5之间,既能有很强的助力感,又不至于使人跟不上转速而踩空.爬坡时同时用全电动转把,把电机的功率发挥到最大,然后辅以脚踏助力,这样爬坡效果和全电动模式下是相同的。 2.国际市场 以日本市场要求的精确比例助力为例,在爬坡时无调速转把无法使用,可以在车体上固定一个装置,检测水平倾角大小,从而调节输出电流。这样在上坡时仍然可以达到精确的比例助力,人力和电力都增加了部分功率.欧美市场也可采用类似的方法。 3.旧车改装市场 消费者花100元将原有全电动电动车改装成全电动和比例助力系统共存应该是可以接受的,扣除成本其收益空间很大,由于其部件简单,经过短暂的培训,一般工人就可以胜任
同类课题研究水平概述
- 近两年，国内市场大多用的是低速有刷电机，这种电机价格低廉，但电流较高速有刷和无刷电机要高出许多，续行里程短很多。一些高档消费者瞄上了Ni-MH电池电动自行车，由于其成本高，各整车厂都倾向于使用24V/8-9Ah的电源配置。这种配置较36V/12Ah的铅酸电池容量要小不少，至少要短1/3的放电时间。 1.我国出口欧美的电动车助力传感器基本上都是开关型的,把原转把取消,在中轴部分装一霍尔元件和磁钢圆盘,达到一定速度电机就开始启动,启动后就全电动控制,它并无精确比例,骑行感觉较差.优点是价格极低,工艺简单。 2.日本力矩传感器的原理为人力脚踏后压迫中置式电机里的弹簧产生形变,再将形变的幅度转换成力矩大小,在电机的外沿刻有凹槽,转很小的角度就有反应,很灵敏.但这套装置对零件材质,工艺有很高要求,至今未见到哪个国内厂家模仿过。 3.清华大学早期出口日本的力矩传感器在中轴五通内装有套筒和偏心装置,人力脚踏即产生偏心力矩.成本较日本方案要低得多,加工不复杂,但精度控制难,软件中要对其修正.是国内批量最大的精确比例助力传感器商品。 4.国内还有其他类型的方案出台,思路都很新颖,价格有高有低.代表性的有测中轴扭力形变的,测链条张力的,用光栅电路的,将测力部件放入轮毂的,各具其优点,但由于各种原因都没有普及或正在普及中。 电动自行车最理想的使用方法就是人助车动，电动人行，人力电力联动，省力省电。长时间全电动骑行或人力骑行都会感觉到累，最好的办法是比例助力骑行和全电动骑行交替使用，充分发挥各自的优点。比例助力系统中，若助力比合适，腿只是稍微用力，肌肉不紧张而自行车快速运转，会有一种很奇特的感觉。首先，人参与了这项运动，可以品出一种人机合一的乐趣。全电动骑行时，时间长了就会腰酸背痛。骑比例助力的车却没有这种感觉，累了可以换成全电动，这更合乎健康人生的道理。从安全角度上讲，在红绿灯前和上下班的车流中想全速前进不可能也不安全，这时比例助力是最佳的选择，可以大大减少交通高峰时间的事故发生。比例助力骑行可以避免电池超大电流放电，有利于延长电池寿命，从节电的角度讲，用比例助力启动可以省很多电，因为频繁全电动启动是最耗电的。比例助力骑行还能对电机起到保护作用。 无论是国际国内市场新旧车市场，由于该系统价格低廉、工艺简单、助力精确，都有广泛的适用性，市场前景诱人。
