电助力自行车的FOC控制技术

郝玉峰

摘   要：电助力自行车是自行车的一种，通常以锂电池作为动力源，并装有电机及其控制系统。文章介绍了电助力自行车（E-Bike）及其驱动方式，分析了目前E-Bike的控制方法及其优劣，并结合扭矩传感器的反馈信号，分析了在E-Bike上的FOC控制算法。最后对控制结果进行分析，并对未来电助力自行车的控制算法发展方向进行展望。

关键词：E-Bike  FOC  扭矩传感器  PMSM

1  电助力自行车（E-Bike）及其驱动电机

电助力自行车是自行车的一种，通常以锂电池作为动力源，并装有电机及其控制系统。与电动自行车的区别就是，电助力自行车不是通过转把来实现骑行控制，而是通过人骑行时踩踏脚踏板的力矩大小来输出不同力矩与转速，实现助力骑行功能。由于这种动力方式并不完全依赖于电池动力输出，而是人电动力混合的输出方式，因此，电助力自行车的骑行续航能力比一般电动自行车要远很多。

电助力自行车的电机一般为永磁同步电动机（PMSM），电机的安装方式主要有中置（Mid-Motor）和后置（Rear-Motor）两种。其外形如图1所示。

中置电机安装在车架的中间部分，两侧安装脚踏板，通过链条将动力传递到后轮。在没有动力源的情况下，骑行阻力与非助力自行车相差不大。后置电机安装在后轮轮毂处，直接驱动后轮提供助力。

电助力自行车的助力感应传感器除了力矩传感器外还有后轴勾爪传感器、扭簧传感器和转速传感器等[1]，但从控制效果来看，最好的还是力矩传感器，因为它可以及时准确的感知骑行者的意图，实时调节输出力矩与转速的大小，这是其他传感器无法做到的。

2  应用

电助力自行车的系统如图1，Battery为控制器提供电源，Motor根据控制器的控制输出，作为系统的电助力动力源，Sensor为力矩传感器，检测脚踏力，Controller根据传感器的输入值控制电机的输出扭矩与转速，达到助力功能，Brake Cut Sensor 为刹车设备，Display显示当前车速，并提供其他控制、调节功能。

2.1 驱动电路与电流采样

桥式功率开关的驱动芯片采用IR2101S，A相驱动电路如图2，其他两相的驱动电路与A相相同。

电流采样为单电阻采样[3]，经运算放大器后输入到MCU的AD转换模块。

2.2 MCU控制芯片

主控芯片选择STM32F103C6T6[4-6]，高级控制定时器T1互补输出三相驱动信号，12位的逐次逼近型AD采样电路采集电流信号、转把信号和扭矩传感器信号。如图4。

2.3 测试结果

相电流波形如图5所示。

3  结语

本文以FOC电机控制理论为基础，阐述了实现电助力自行车控制的软硬件实现。通过实验，可以证明此种控制方法可以很好地实现电机的闭环控制。现有控制技术仍然有一些缺点，比如不能很好地根据骑行者的骑行意图对电机实现断续控制，而是当需要助力时一直进行加速，导致输出功率的浪费。

参考文献

[1] 张阳. 助力自行车[J].物理学报，1997（7）：1375-1379.

[2] AN1078。 Sensorless Field Oriented Control of a PMSM.

[3] PMSM無传感器FOC 的单分流三相电流重构算法[Z].

[4] RM0008。STM32F10xxx Reference Manual

[5] 15060 Rev 4。Low-density performance line， ARM-based 32-bit MCU with 16 or32 KB Flash， USB， CAN， 6 timers， 2 ADCs， 6 communication interfaces.

[6] UM0492。STM32F103xxpermanent-magnet synchronous motor FOC software library V2.0.