基于单片机的电动自行车制动系统设计

张烨尔，吴继华，陈文达，闫庆军

（绍兴文理学院，浙江 绍兴 312000）

0 引言

电动自行车价格低廉，出行便捷，已经成为人们不可缺少的代步工具。然而，随着越来越多的电动自行车的出现，其各方面的不足也不断显现。由于现有技术的缺陷以及出于经济利益的考虑，电动自行车的刹车系统主要采用“抱刹”技术，对电动自行车车轮轮圈有较大磨损，并且存在着极大的安全隐患。目前市面上65%以上的电动自行车用的都是“抱刹”［1］。由于“抱刹”系统在刹车时受力不均衡，导致局部摩擦力过大，铆钉外露，与车轮直接接触、摩擦而产生刺耳的噪音。而且，铆钉、闸皮间磨损严重，甚至出现闸片被拉断的现象，造成安全隐患。经调查研究发现，58%的车闸损耗形式是闸皮磨损；37%是铆钉外露；5%是由于闸钢带断裂。因此，将刹车失效的主要因素确定为设计缺陷和材料性质2个方面［2］。为此，利用 AT89C52单片机，改进“抱刹”系统的同时添加了电机控制系统。

1 “抱刹”系统的现状分析

随着现代科技的迅猛发展，像其他制动系统的部件一样，刹车片材料不断推陈出新。目前市场上所使用的刹车片材料多为无石棉、半金属材料。“半金属”混合物型刹车片，其主要是采用粗糙的钢丝绒作为加固纤维和重要的混合物，具有较高的强度和导热性。但是“半金属”刹车片需要更高的制动压力来完成同样的制动效果，特别是在低温环境中，高金属含量同样也就意味着刹车片会引起较大的制动盘或制动鼓的表面磨损，同时会产生更大的噪音。实验研究发现，“抱刹”系统暴露在空气中，其刹车时所产生的热量能够快速发散于大气中。因此，对于“抱刹”系统而言，减少噪音比散热更为重要。本研究在电动自行车的“抱刹”系统中使用NAO（无石棉有机物）型刹车片（大约包含17种不同的混合物材料），虽然它不具有“半金属”刹车片那样良好的导热性和良好的高温可控性，然而其可在保证较好制动性能的基础上减少噪音污染［3］。

现有电动自行车的刹车都是通过闸皮单方面受力，制动转轴，使车轮停止转动。考虑到受力的均匀性，将原先的刹车钢带的单边运动改为两边同时运动，且将刹车钢带分为2段。

因刹车面较光滑、刹车片易碳化，两者之间的摩擦力将会不断小，此时刹车所需要的阻力更大，长期用力收缩刹把后，刹把和刹车线的灵敏度将下降。因此，在已有手刹的基础上加入脚刹来加大阻力，从而改善刹车的制动效果以及增加刹车使用寿命。

由于刹车时受力不均衡，导致局部摩擦力过大，铆钉外露，与闸盘直接接触、摩擦而产生刺耳噪音。为了彻底消除噪音，将原来用铆钉连接改用强度极大的粘合剂来固定闸皮，这样即使刹车片磨损严重，也不会因为铆钉外露而产生噪音。制动过程中存在的噪音和安全问题。电动自行车控制系统主要指电机驱动电路，分为控制电路和功率电路。本课题通过对控制电路的改进，以实现高效、快速和准确地控制电动自行车的电机转速，从而实现平滑制动。

系统选用AT89C52单片机，具有抗干扰能强、结构简单、可靠性高以及价格便宜等特点。具体实现原理如图1所示。

图1 基于单片机的电动自行车控制器原理

AT89C52单片机根据输入的位置信号、手柄电压、刹车信号和欠压信号，产生PWM输出信号用来控制功率驱动电路，从而达到控制电机的目的［4］。同时，根据功率驱动电路的电流取样可以实现对控制电路的反馈控制，达到控制整个系统稳定运行的目的。控制系统利用PWM技术，通过对电力电子器件占空比的控制来调节电机的转速，具有结构简单、系统输出电压和电流稳定以及能耗低等优点。

根据图2所示的主程序流程，用单片机的2个定时器产生占空比可调的脉冲（PWM），以单片机的定时器0产生的1ms中断为PWM的固定周期，用定时器1产生的中断来确定脉宽［5］。单片机读取调

图2 主程序流程

2 基于AT89C52单片机的电动自行车控制系统设计

电动自行车以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，因此，在电动自行车制动过程中“抱刹”系统起到的只是一个辅助的刹车制动作用，关键是要通过控制电机的转动速度，从根本上解决电动自行车速挡位值，把该挡位值转换成对应的定时器1的初值。实现通过修改定时器1的初值来控制占空比。该PWM信号输出到功率驱动电路即可控制电机速度。电机转速得到控制就是从根本上控制了电动自行车的运行速度，且当电动自行车处于紧急制动状态时电机会进入反转状态，使得电动自行车能够在短时间内实现安全制动。

H桥电机驱动电路如图3所示。AT89C52单片机硬件设计工作过程如下：

a.Moto＿L，Moto＿R均为低电平时，Q1，Q2，Q3，Q4截止，电机不转动。

b.Moto＿L为高电平，Moto＿R为低电平时，Q1，Q4导通，Q2，Q3截止，电流沿Q1、电动机正端（左接线）、电动机负端（右接线）和Q4流动，所以电机正转。

c.Moto＿L为低电平，Moto＿R为高电平时，Q1，Q4截止，Q2，Q3导通，电流沿Q3、电动机负端（右接线）、电动机正端（左接线）和Q2流动，所以电机反转。

图3 H桥电机驱动电路

挡位读取电路如图4所示。挡位读取工作过程：当挡位开关拨动到相应挡位时，该挡位读取线为低电平，由于P1口内置有上拉电阻，因此，其余挡位线为高电平；可见每个挡位都可以读取到一个相应的不同P1值，由此可用该值判断实时的挡位信息；挡位信息又将迅速传送到单片机，以PWM信号作用于功率驱动电路，从而实现对电机的转速控制。

图4 挡位读取电路

电机转速控制系统充分利用了AT89C52单片机丰富的片内资源以及高效的运算处理能力，遵循“硬件软化”的设计思想，尽量用软件的方法实现一部分需要硬件电路去实现的功能，这样不但简化了控制系统的硬件结构，减小了控制器的体积，降低了系统成本，而且由于硬件电路的简化，使得由硬件电路引入的干扰也得到减少，从而提高了整个控制系统的可靠性。

3 实验验证

为了验证设计的可靠性，首先在实验室中利用自行搭建的实验平台进行实验。电动车与测速电机连接以测定电动自行车实际转速，应用秒表测定刹车时间，应用精密脉冲声级计测定刹车噪声。实验证明，在一定的行驶速度下，应用设计的制动系统比未应用时的制动时间减小10%～20%，制动噪音降低30%～40%。

4 结束语

遵循“硬件软化”的设计思想，对基于AT89C52单片机的电机进行转速控制，达到电动车平稳制动的目的。以改进“抱刹”系统为辅助，实现对电动自行车的噪音控制和安全、平滑制动。

通过对电动自行车噪音与平滑制动的改进，电动自行车将不仅具有清洁无污染、动力源多样化、能量转换效率高和结构简单等特点，而且能够真正做到安全、便捷。

［1］陆百甫，陈 淮，林小毛，等.中国轻型电动车发展战略研究课题报告［R］.中国经济报告课题组，2006.

［2］陈清泉，詹宜巨.21世纪的绿色交通工具——电动车［M］.广州：暨南大学出版社，2006.

［3］朱张校，姚可夫.工程材料［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［4］张 深.直流无刷电动机原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，2001.

［5］陈国呈.PWM逆变技术及应用［M］.北京：中国电力出版社，2007.