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基于扭矩传感器的电动助力自行车助力系统研究
| 论文题名： | 基于扭矩传感器的电动助力自行车助力系统研究 |
| 关键词： | 电动助力自行车;助力系统;扭矩传感器;无线传输;模糊控制 |
| 摘要： | 近年来，倡导绿色低碳出行成为主流。电动助力自行车因其绿色、便捷等特点，备受世界各地人们的欢迎。电动助力自行车搭载扭矩检测装置和智能助力控制算法，具有很大的研究挖掘潜力。 助力系统的研究是电动助力自行车的关键所在，其包含扭矩检测与助力控制算法。目前市面上的电动助力自行车扭矩检测主要分为两种，一种是用速度传感器感知，通过算法估算骑行踩踏的力矩，进而输出助力扭矩。另一种是采用扭矩传感器，通过扭矩传感器识别骑行踩踏的力矩，算法控制输出助力扭矩。当前市场上的助力自行车扭矩检存在测精度不高，助力系统性能难以满足使用要求的问题。在助力控制算法上，采用的是传统定助力比助力方式，助力性能缺乏智能性，不能很好适应骑行路况。针对上述问题，本文的主要研究内容如下： (1)设计整车驱动系统。现有电动助力自行车驱动系统多采用前置或后置式轮毂电机驱动，存在许多缺点。本文设计的驱动系统为中置式布置方式，驱动系统输出轴与脚踏中轴重合，性能更佳。在结构设计上了分析整车驱动传动关系，选取合适的驱动电机，设计了减速装置，搭建了驱动系统。硬件电路上设计了主控芯片电路、电机驱动电路、供电模块电路。 (2)扭矩检测系统设计。针对现有的扭矩检测方案存在精度不足的问题，设计了一款基于应变片的中轴扭矩传感器，适用于本设计的中置式驱动系统。阐述本设计方案应变式扭矩传感器的工作原理以及惠斯通电路电桥测量原理。在扭矩传感器供电以及信号传输问题上，采用了磁耦合谐振式无线传输代替了传统的导电滑环传输方式，详细描述了无线传输模块的电路原理。 (3)助力算法优化。模糊控制是一种基于规则的控制,它直接采用语言型控制规则,出发点是控制经验或相关专家的知识。模糊控制控制机理和策略易于接受与理解,设计简单,便于应用。针对目前助力算法不够智能问题，提出在定助力比助力算法的基础上采用模糊控制算法处理骑行特殊路况，提高助力性能。推导出整车骑行过程中的动力学模型，采用MATLAB/simulink软件搭建仿真模型，对本设计的控制算法进行仿真验证。 (4)设计模拟骑行实验装置与实验。结合整车骑行过程中受力分析，设计了一款模拟骑行实验装置，采用磁粉测功机与伺服电机分别模拟骑行阻力与踩踏力，并实验验证该装置的可行性。采用simulink仿真验证与实验装置验证两种方案，验证本设计助力算法在起步性能与坡度助力性能比传统定助力算法好。在上述实验基础上，实车骑行验证助力系统的稳定性与可靠性。 |
| 作者： | 陈创东 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 郭钟宁;田君 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广东工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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