电动自行车调速控制实验系统的设计与实现

宋秦中，徐 波，杨海娟

(苏州市职业大学 a.机电工程学院；b.电子信息工程学院，江苏 苏州 215104)

电动自行车调速控制实验系统的设计与实现

宋秦中a，徐 波b，杨海娟a

(苏州市职业大学 a.机电工程学院；b.电子信息工程学院，江苏 苏州 215104)

为了提高学生设计、开发测控系统的能力和水平，基于虚拟仪器技术，采用霍尔传感器实验模块，设计完成了电动自行车调速控制实验系统。除了虚拟仪器软硬件平台外，该系统由开关型霍尔元件、线性霍尔元件及其附件、直流电机及其控制电路3部分组成，能够模拟电动自行车调速控制过程，实时采集、分析并显示调速过程的各种数据信息。实验结果表明，“所见即所得”的虚拟仪器技术在实验教学中可以很好地将虚拟实验和真实实验有机地结合起来，使学生掌握先进、高效的实验手段，符合高技能人才的培养需要，也是教学模式创新的有益探索与实践。

虚拟仪器技术；霍尔传感器；调速控制系统；教学模式创新

1 实验方案设计

调速转把是电动车的调速部件，电动车上使用的转把有光电转把和霍尔转把两种，目前采用霍尔转把的电动车占绝大多数。转动转把改变了霍尔元件周围的磁场强度，也就改变了霍尔转把的输出电压。控制单元根据霍尔电压控制换挡调速，驱动轮毂式无刷直流电机工作。控制单元接收转速传感器(另一种霍尔传感器)信号通过计算转换得到电机当前转速，当前转速再同设定的转速进行比较，通过计算来得到控制信号的值，从控制端输出改变电机转速，实现反馈控制。

根据上述电动自行车调速控制原理，自行开发设计了变速自行车模拟系统，实现电动自行车的调速控制。如图1所示，实验系统包含线性霍尔元件及其附件(带磁铁的圆盘)、开关型霍尔元件、直流电机及其控制电路和虚拟仪器软、硬件平台4个部分组成。实验中，使用放置小磁铁的圆盘模拟转动电动车的把手，圆盘角度变化模拟电动车调速转把的旋转。由于霍尔效应致使反映转速控制信息量的线性霍尔元件输出电压值跟随变化，开关型霍尔元件监测电机当前转速，虚拟仪器硬件平台的数据采集卡实时采集上述两种类型霍尔元件输出值，经由虚拟仪器软件平台的分析、计算和处理。前者通过电机控制电路控制电机转速，仿真自行车转速。后者得出当前转速值，可以模拟电动自行车低速、中速、高速运行的情形，各种数据可以实时显示在监控界面中。

图1 实验方案设计

2 系统实现

2.1 霍尔传感器测试平台

为了方便实验教学，同时促进学生对实验内容和实验模块的理解和掌握，设计了霍尔传感器测试平台，能够进行模拟仿真与实物测试，如图2所示。平台中设计有传感器介绍、特性曲线、实验内容和仿真与测量等环节，学生通过这些环节能够对两种霍尔传感器有深入的感性认识。平台中的自动测量则是实物测试，满足学生理性认识的需要。两种传感器的实物测试分析结果显示，两种传感器功能正常，能够满足实验的需要。

图2 霍尔传感器仿真与测试平台

2.2 系统设计

对采集来的传感器信号进行分析与显示是软件设计的重点。基于虚拟仪器技术，在LabVIEW软件平台完成了测控平台的搭建，使用事件结构的超时帧，完成数据采集，实现显示与控制功能[3-6]，如图3所示。

图3 软件设计

电动自行车的调速转把的速度控制采用线性霍尔元件，其输出电压是随磁场线性变化的，输出电压为0～5 V；在实际控制中，可将线性输出电压转换为几个挡位，控制AO输出电压值，来调节电机转速，改变电动自行车行驶速度。电动自行车的行驶速度的测量采用开关型霍尔元件，其输出电压为标准的TTL信号，可使用AI通道采集波形并换算出电机转速信息。

程序中同时有模拟信号的采集(AI)和模拟信号的生成(AO)。模拟信号采集(AI)，在while循环中，连续采样，一路读取线性霍尔传感器由于磁铁位置不同而得到的不同电压值，另一路读取开关型霍尔的脉冲信号，计算当前的电机转速。模拟信号的生成(AO)，在while循环中，根据线性霍尔所采集的电压值，更新AO输出电压以控制电机转速。

3 结果与讨论

模拟电动自行车中速行驶的情形如图4所示。转动实验模块中放置小磁铁的圆盘，模拟转动电动车的调速转把的旋转，输出模拟量控制电机转速，使用开关型霍尔测量当前电机转速，观察图4对应的监控界面，此时的转速控制电压即线性霍尔传感器输出电压为3.02 V，AO输出值即电机控制电压为6.5 V。对比低速转动的情形，可以发现电动机转速明显加快。

另外，只要改动部分软件就可以实现限速控制和超速报警功能。如果进一步拓展，可以从模拟系统出发，研究电动自行车实际工程项目，引导学生进行创新、创业方面的设计和探索。学生自行设计的、可以商业化的作品，如电动自行车充电保护器和新型充电器，就是力图解决电动自行车安全、可靠与快速充电的问题。

图4 电动自行车前面板

4 结束语

本设计的实验模块，结合NI的数据采集卡，基于虚拟仪器平台，实现了电动自行车的调速控制功能的仿真模拟，通过电动自行车调速控制系统这个实际的项目，促进学生对霍尔传感器的理解与应用，促进学生深入理解测控系统的组成及特点，对后期学生的毕业实习、毕业设计提供有力的支持。

电动自行车调速控制系统取材于实际的工程项目，来源于本地区工程实际，目的是通过虚拟仪器将教学从课堂搬到项目化教学专用实验室，按照认知规律和教育规律，形成实践为中心的理论实践一体化教学模式，实践教学和理论教学多次循环、相互渗透，能够有效地提高学生设计、开发测控系统的能力和水平。

借助具有“所见即所得”特点的虚拟仪器软、硬件平台，化解了“讲不清、看不见、摸不着”等教学难题，可以很好地将虚拟实验和真实实验有机地结合起来，实现优势互补。既加强了学生的基本功训练，又让学生掌握了先进、高效地实验手段，能够有效地提高学生的实践能力、综合素质、工程意识，符合高技能人才的培养需要，是教学模式创新的有益探索与实践。

[1]高峰．2014电动自行车的五大期待[J].电动自行车，2014(2):11-14．

[2]刘科,宋秦中．以实践为中心的“虚拟仪器”教学研究[J].中国电力教育，2011(19):97-98.

[3]全晓莉,周南权.基于虚拟仪器技术的数字电路实验系统研究[J].实验技术与管理，2014，31(4):96-98.

[4]刘金雷,程鹏,吴嘉澍.基于虚拟仪器技术的发动机测试系统设计[J].仪表技术与传感器，2012(11):50-52.

[5]刘东升,尹成群,吕安强，等.基于虚拟仪器技术的电子测量仪器平台开发[J].仪表技术与传感器,2011(9):23-24.

[6]刘科,宋秦中.高级.虚拟仪器应用[M].北京:机械工业出版社,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

江苏开放大学、江苏城市职业学院“十二五”规划课题(14SEW-Q-052)；苏州市职业大学教改课题(SZDJG-13002)；苏州市职业大学研究性课程(SZDYKC-150507)。

宋秦中(1980-)，男，硕士，讲师，主要从事汽车电子技术、测控技术方面的研究。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.008