宋秦中，徐 波，楊海娟

(蘇州市職業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

電動(dòng)自行車(chē)調(diào)速控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋秦中a，徐 波b，楊海娟a

(蘇州市職業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

為了提高學(xué)生設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)測(cè)控系統(tǒng)的能力和水平，基于虛擬儀器技術(shù)，采用霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K，設(shè)計(jì)完成了電動(dòng)自行車(chē)調(diào)速控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。除了虛擬儀器軟硬件平臺(tái)外，該系統(tǒng)由開(kāi)關(guān)型霍爾元件、線性霍爾元件及其附件、直流電機(jī)及其控制電路3部分組成，能夠模擬電動(dòng)自行車(chē)調(diào)速控制過(guò)程，實(shí)時(shí)采集、分析并顯示調(diào)速過(guò)程的各種數(shù)據(jù)信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，“所見(jiàn)即所得”的虛擬儀器技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以很好地將虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生掌握先進(jìn)、高效的實(shí)驗(yàn)手段，符合高技能人才的培養(yǎng)需要，也是教學(xué)模式創(chuàng)新的有益探索與實(shí)踐。

虛擬儀器技術(shù)；霍爾傳感器；調(diào)速控制系統(tǒng)；教學(xué)模式創(chuàng)新

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

調(diào)速轉(zhuǎn)把是電動(dòng)車(chē)的調(diào)速部件，電動(dòng)車(chē)上使用的轉(zhuǎn)把有光電轉(zhuǎn)把和霍爾轉(zhuǎn)把兩種，目前采用霍爾轉(zhuǎn)把的電動(dòng)車(chē)占絕大多數(shù)。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把改變了霍爾元件周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度，也就改變了霍爾轉(zhuǎn)把的輸出電壓。控制單元根據(jù)霍爾電壓控制換擋調(diào)速，驅(qū)動(dòng)輪轂式無(wú)刷直流電機(jī)工作?？刂茊卧邮辙D(zhuǎn)速傳感器(另一種霍爾傳感器)信號(hào)通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)換得到電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，當(dāng)前轉(zhuǎn)速再同設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，通過(guò)計(jì)算來(lái)得到控制信號(hào)的值，從控制端輸出改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)反饋控制。

根據(jù)上述電動(dòng)自行車(chē)調(diào)速控制原理，自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了變速自行車(chē)模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車(chē)的調(diào)速控制。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含線性霍爾元件及其附件(帶磁鐵的圓盤(pán))、開(kāi)關(guān)型霍爾元件、直流電機(jī)及其控制電路和虛擬儀器軟、硬件平臺(tái)4個(gè)部分組成。實(shí)驗(yàn)中，使用放置小磁鐵的圓盤(pán)模擬轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)車(chē)的把手，圓盤(pán)角度變化模擬電動(dòng)車(chē)調(diào)速轉(zhuǎn)把的旋轉(zhuǎn)。由于霍爾效應(yīng)致使反映轉(zhuǎn)速控制信息量的線性霍爾元件輸出電壓值跟隨變化，開(kāi)關(guān)型霍爾元件監(jiān)測(cè)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速，虛擬儀器硬件平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集上述兩種類型霍爾元件輸出值，經(jīng)由虛擬儀器軟件平臺(tái)的分析、計(jì)算和處理。前者通過(guò)電機(jī)控制電路控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，仿真自行車(chē)轉(zhuǎn)速。后者得出當(dāng)前轉(zhuǎn)速值，可以模擬電動(dòng)自行車(chē)低速、中速、高速運(yùn)行的情形，各種數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)控界面中。

圖1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 霍爾傳感器測(cè)試平臺(tái)

為了方便實(shí)驗(yàn)教學(xué)，同時(shí)促進(jìn)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)K的理解和掌握，設(shè)計(jì)了霍爾傳感器測(cè)試平臺(tái)，能夠進(jìn)行模擬仿真與實(shí)物測(cè)試，如圖2所示。平臺(tái)中設(shè)計(jì)有傳感器介紹、特性曲線、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和仿真與測(cè)量等環(huán)節(jié)，學(xué)生通過(guò)這些環(huán)節(jié)能夠?qū)煞N霍爾傳感器有深入的感性認(rèn)識(shí)。平臺(tái)中的自動(dòng)測(cè)量則是實(shí)物測(cè)試，滿足學(xué)生理性認(rèn)識(shí)的需要。兩種傳感器的實(shí)物測(cè)試分析結(jié)果顯示，兩種傳感器功能正常，能夠滿足實(shí)驗(yàn)的需要。

圖2 霍爾傳感器仿真與測(cè)試平臺(tái)

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)采集來(lái)的傳感器信號(hào)進(jìn)行分析與顯示是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。基于虛擬儀器技術(shù)，在LabVIEW軟件平臺(tái)完成了測(cè)控平臺(tái)的搭建，使用事件結(jié)構(gòu)的超時(shí)幀，完成數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)顯示與控制功能[3-6]，如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)

電動(dòng)自行車(chē)的調(diào)速轉(zhuǎn)把的速度控制采用線性霍爾元件，其輸出電壓是隨磁場(chǎng)線性變化的，輸出電壓為0～5 V；在實(shí)際控制中，可將線性輸出電壓轉(zhuǎn)換為幾個(gè)擋位，控制AO輸出電壓值，來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變電動(dòng)自行車(chē)行駛速度。電動(dòng)自行車(chē)的行駛速度的測(cè)量采用開(kāi)關(guān)型霍爾元件，其輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號(hào)，可使用AI通道采集波形并換算出電機(jī)轉(zhuǎn)速信息。

程序中同時(shí)有模擬信號(hào)的采集(AI)和模擬信號(hào)的生成(AO)。模擬信號(hào)采集(AI)，在while循環(huán)中，連續(xù)采樣，一路讀取線性霍爾傳感器由于磁鐵位置不同而得到的不同電壓值，另一路讀取開(kāi)關(guān)型霍爾的脈沖信號(hào)，計(jì)算當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速。模擬信號(hào)的生成(AO)，在while循環(huán)中，根據(jù)線性霍爾所采集的電壓值，更新AO輸出電壓以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)果與討論

模擬電動(dòng)自行車(chē)中速行駛的情形如圖4所示。轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)K中放置小磁鐵的圓盤(pán)，模擬轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)車(chē)的調(diào)速轉(zhuǎn)把的旋轉(zhuǎn)，輸出模擬量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使用開(kāi)關(guān)型霍爾測(cè)量當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，觀察圖4對(duì)應(yīng)的監(jiān)控界面，此時(shí)的轉(zhuǎn)速控制電壓即線性霍爾傳感器輸出電壓為3.02 V，AO輸出值即電機(jī)控制電壓為6.5 V。對(duì)比低速轉(zhuǎn)動(dòng)的情形，可以發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速明顯加快。

另外，只要改動(dòng)部分軟件就可以實(shí)現(xiàn)限速控制和超速報(bào)警功能。如果進(jìn)一步拓展，可以從模擬系統(tǒng)出發(fā)，研究電動(dòng)自行車(chē)實(shí)際工程項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)方面的設(shè)計(jì)和探索。學(xué)生自行設(shè)計(jì)的、可以商業(yè)化的作品，如電動(dòng)自行車(chē)充電保護(hù)器和新型充電器，就是力圖解決電動(dòng)自行車(chē)安全、可靠與快速充電的問(wèn)題。

圖4 電動(dòng)自行車(chē)前面板

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，結(jié)合NI的數(shù)據(jù)采集卡，基于虛擬儀器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)自行車(chē)的調(diào)速控制功能的仿真模擬，通過(guò)電動(dòng)自行車(chē)調(diào)速控制系統(tǒng)這個(gè)實(shí)際的項(xiàng)目，促進(jìn)學(xué)生對(duì)霍爾傳感器的理解與應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生深入理解測(cè)控系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，對(duì)后期學(xué)生的畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)提供有力的支持。

電動(dòng)自行車(chē)調(diào)速控制系統(tǒng)取材于實(shí)際的工程項(xiàng)目，來(lái)源于本地區(qū)工程實(shí)際，目的是通過(guò)虛擬儀器將教學(xué)從課堂搬到項(xiàng)目化教學(xué)專用實(shí)驗(yàn)室，按照認(rèn)知規(guī)律和教育規(guī)律，形成實(shí)踐為中心的理論實(shí)踐一體化教學(xué)模式，實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)多次循環(huán)、相互滲透，能夠有效地提高學(xué)生設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)測(cè)控系統(tǒng)的能力和水平。

借助具有“所見(jiàn)即所得”特點(diǎn)的虛擬儀器軟、硬件平臺(tái)，化解了“講不清、看不見(jiàn)、摸不著”等教學(xué)難題，可以很好地將虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。既加強(qiáng)了學(xué)生的基本功訓(xùn)練，又讓學(xué)生掌握了先進(jìn)、高效地實(shí)驗(yàn)手段，能夠有效地提高學(xué)生的實(shí)踐能力、綜合素質(zhì)、工程意識(shí)，符合高技能人才的培養(yǎng)需要，是教學(xué)模式創(chuàng)新的有益探索與實(shí)踐。

[1]高峰．2014電動(dòng)自行車(chē)的五大期待[J].電動(dòng)自行車(chē)，2014(2):11-14．

[2]劉科,宋秦中．以實(shí)踐為中心的“虛擬儀器”教學(xué)研究[J].中國(guó)電力教育，2011(19):97-98.

[3]全曉莉,周南權(quán).基于虛擬儀器技術(shù)的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31(4):96-98.

[4]劉金雷,程鵬,吳嘉澍.基于虛擬儀器技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(11):50-52.

[5]劉東升,尹成群,呂安強(qiáng)，等.基于虛擬儀器技術(shù)的電子測(cè)量?jī)x器平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2011(9):23-24.

[6]劉科,宋秦中.高級(jí).虛擬儀器應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

Design and Implementation of Electric Bicycle Speed Regulation Experiment System

SONG Qinzhonga, XU Bob, YANG Haijuana

(a.School of Mechatronic Engineering；b.School of Electronic Information Engineering, Suzhou Vocational University, Suzhou 215104, China)

In order to improve the students’ capability and level to design and develop control systems, based on virtual instrument technology, using designed Hall sensors experiment module, completed the design of electric bicycle speed regulation experimental system. In addition to the virtual instrument software and hardware platform, the system consists of three parts: switch Hall element, linear Hall element and its annex, the DC motor and its control circuit, capable of simulating the electric bicycle speed regulation process, real-time acquisition, analysis and displays various data speed process. The experimental results show that the virtual instrument technology in the experiment teaching can combine the virtual and real experiment, and make the students master the advanced and efficient experimental method, which is in accordance with the training needs of high skilled personnel, and is also a useful exploration and practice of teaching mode innovation.

virtual instrument technology; Hall sensor; speed regulation system; teaching mode innovation

2014-11-26；修改日期:2015-09-14

江蘇開(kāi)放大學(xué)、江蘇城市職業(yè)學(xué)院“十二五”規(guī)劃課題(14SEW-Q-052)；蘇州市職業(yè)大學(xué)教改課題(SZDJG-13002)；蘇州市職業(yè)大學(xué)研究性課程(SZDYKC-150507)。

宋秦中(1980-)，男，碩士，講師，主要從事汽車(chē)電子技術(shù)、測(cè)控技術(shù)方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.008