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，電動自行車的剎車系統(tǒng)主要采用“抱剎”技術(shù)，對電動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%以上的電動自行車用的都是“抱剎”［1］。由于“抱剎”系統(tǒng)在剎車時受力不均衡，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個方面［2］。為此，利用 AT89C52單片機(jī)，改進(jìn)“抱剎”系統(tǒng)的同時添加了電機(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，像其他制動系統(tǒng)的部件一樣，剎車片材料不斷推陳出新。目前市場上所使用的剎車片材料多為無石棉、半金屬材料?！鞍虢饘佟被旌衔镄蛣x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壓力來完成同樣的制動效果，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引起較大的制動盤或制動鼓的表面磨損，同時會產(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，其剎車時所產(chǎn)生的熱量能夠快速發(fā)散于大氣中。因此，對于“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性能的基礎(chǔ)上減少噪音污染［3］。

現(xiàn)有電動自行車的剎車都是通過閘皮單方面受力，制動轉(zhuǎn)軸，使車輪停止轉(zhuǎn)動。考慮到受力的均勻性，將原先的剎車鋼帶的單邊運(yùn)動改為兩邊同時運(yùn)動，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不斷小，此時剎車所需要的阻力更大，長期用力收縮剎把后，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效果以及增加剎車使用壽命。

由于剎車時受力不均衡，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，也不會因?yàn)殂T釘外露而產(chǎn)生噪音。制動過程中存在的噪音和安全問題。電動自行車控制系統(tǒng)主要指電機(jī)驅(qū)動電路，分為控制電路和功率電路。本課題通過對控制電路的改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)高效、快速和準(zhǔn)確地控制電動自行車的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)平滑制動。

系統(tǒng)選用AT89C52單片機(jī)，具有抗干擾能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、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)的電動自行車控制器原理

AT89C52單片機(jī)根據(jù)輸入的位置信號、手柄電壓、剎車信號和欠壓信號，產(chǎn)生PWM輸出信號用來控制功率驅(qū)動電路，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的［4］。同時，根據(jù)功率驅(qū)動電路的電流取樣可以實(shí)現(xiàn)對控制電路的反饋控制，達(dá)到控制整個系統(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個定時器產(chǎn)生占空比可調(diào)的脈沖（PWM），以單片機(jī)的定時器0產(chǎn)生的1ms中斷為PWM的固定周期，用定時器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)的電動自行車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

H橋電機(jī)驅(qū)動電路如圖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，Q1，Q2，Q3，Q4截止，電機(jī)不轉(zhuǎn)動。

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

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

圖3 H橋電機(jī)驅(qū)動電路

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)撥動到相應(yīng)擋位時，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；可見每個擋位都可以讀取到一個相應(yīng)的不同P1值，由此可用該值判斷實(shí)時的擋位信息；擋位信息又將迅速傳送到單片機(jī)，以PWM信號作用于功率驅(qū)動電路，從而實(shí)現(xiàn)對電機(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)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。電動車與測速電機(jī)連接以測定電動自行車實(shí)際轉(zhuǎn)速，應(yīng)用秒表測定剎車時間，應(yīng)用精密脈沖聲級計(jì)測定剎車噪聲。實(shí)驗(yàn)證明，在一定的行駛速度下，應(yīng)用設(shè)計(jì)的制動系統(tǒng)比未應(yīng)用時的制動時間減小10%～20%，制動噪音降低30%～40%。

4 結(jié)束語

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

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

［1］陸百甫，陳 淮，林小毛，等.中國輕型電動車發(fā)展戰(zhàn)略研究課題報(bào)告［R］.中國經(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.直流無刷電動機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

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