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【世说设计】超能力骑行:设计下一代电动自行车

2019-11-08
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【图一:种类,性能和可用性的提高使现代电动自行车作为通勤,商用和休闲车辆而日益普及。】


自从1990年代初期以来,电动自行车在种类,可靠性和性能方面进行了一系列稳定的改进,赢得了全世界越来越多的忠实用户。配备专门设计的车架,大容量锂离子电池和智能,高效的驾驶控制电子设备,相对汽车,如今的电动自行车已成为短途通勤,送货和娱乐活动的一种经济高效,低碳的选择。在近30年的技术发展过程中,电动自行车仍然存在创新空间,制造商在扩大现有市场中的影响力并将其技术引入新市场。


下一代电动自行车的一些创新将涉及车架设计及机械系统的部分改进,而其他许多创新将是电动机驱动器和储能系统的电子领域。然而,最引人注目的变化可能是控件和用户界面系统的改进,这些控件提供了更好的总体U用户体验(UX),并使电动自行车能够适应骑手的需求。在本文中,我们将探讨将这些新功能推向市场所涉及的一些设计挑战,以及使之成为现实的解决方案。


动力传动系统创新

大多数现代电动自行车都使用某种形式的永磁电动机(PMM)推进力,其中大多数选择无刷直流电动机(BLDC)配置。BLDC是同步电动机架构的最简单形式之一:它具有一个永磁转子组件,该组件由缠绕的定子包围,定子具有多个绕组(通常为三个)。与等效的有刷电机相比,无刷直流电机具有许多优势,包括更轻,更高效,几乎不需要维护。但是,它们确实需要电动机控制器来提供驱动波形(即换向)。控制器通过监视转子位置并以正确的顺序向定子绕组供电以启动和保持转子运动来实现此目的。



【图 2: a) FOC坐标系叠加在三相感应电动机上。图片由Lee,R. J.提供;Pillay,P .;HarleyR. G. c / o维基百科 b) 直接FOC控制器的简化框图。图片由Popescu和Mircea提供,维基百科B 


用于电动自行车的BLDC电机驱动技术相对成熟,但是设计人员仍然可以在某些地方通过降低成本或提高性能和效率来帮助区分产品。例如,越来越多的电动自行车设计人员正在使用能够支持矢量控制的电机控制器,换向,也称为面向领域的控制(FOC)2. 磁场定向控制算法可以通过将定子电流值(相电流)从固定参考系转换为旋转参考系来解耦转矩和磁通控制。FOC电动机控制器需要足够强大的处理器来支持这种计算密集型算法,并且需要一些能够精确感测转子位置的方法(通常是模拟或数字霍尔效应传感器或光断路器)。作为回报,FOC使电动机在启动时具有出色的性能,高运行效率,高扭矩和低电流,以及宽广的转速范围,这些特性增加了电动自行车的可驾驶性和运行范围。

因为用于确定转子位置的传感器会增加设计的成本和复杂性,所以可能需要使用支持所谓的“无传感器”操作的控制器3,4. 遗憾的是,尽管这是在一定速度以上的相对容易的任务,但是在静止和每次骑手停止或启动时出现的低速下要困难得多。尽管对于某些设备和其他应用来说这是可以接受的,但用于电动自行车的所谓“无传感器” FOC控制器仍处于开发阶段。  


对于某些类型的电动自行车,再生制动是另一个有前途的功能。它涉及配置电动自行车的驱动电机的励磁绕组,以使其成为发电机/制动器,将自行车的部分动能作为电能回收,从而可以为电池充电。支持再生制动所需的算法相对简单,但是此功能仅适用于将电机直接耦合到车轮的直接驱动系统。遗憾的是,许多电动自行车电动机包括行星齿轮驱动器,通常与飞轮功能结合使用,这使得大部分全球电动自行车车队无法进行再生运行。

UX: 下一个前沿
尽管电动自行车动力传动系统技术已经发展了近30年,但我们仍然可以期望看到渐进的改进非常重要,但市场不会改变。相比之下,制造商才刚刚开始探索使电动助力踏板车更易于操作,驾驶更有趣,更适应其骑手的能力和任务要求的方式。因此,大多数市场定义创新的下一代电动自行车将出现在他们为骑手提供的用户体验(UX)中。 


根据Trinamic参与的多个电动自行车项目,我们了解到,好的电动自行车和差的电动自行车之间的区别主要是用户体验,我们并不是说用一些花哨的应用来设置踏板支撑量[动力辅助比率]或提供有关骑手表现的详细分析。相反,我们对用户体验的主要定义是自行车对用户的感觉。换句话说,它如何响应骑手的踩踏。


超能力骑行

Trinamic的软件开发团队负责人Enrico Dressler说:

对骑车人对踏板的输入产生自然的反应是多方面的设计挑战。几乎所有早期电动自行车控制器都以踏板速度传感器(通常为霍尔效应传感器和带有磁铁的碟片)作为主要输入。随着骑手的脚步加快,控制器中的算法将增加其提供的支持,即提供给电动机的功率。

这种简单的控制方案可靠且易于实施,但存在一些缺点,导致某些用户无法使用。一方面,控制器仅在踏板转动时才起作用,因此无法在急停时(恰好是最需要的那一刻)为用户提供帮助。此外,仅基于踏板速度提供辅助的控制器给骑手带来了一种奇怪的感觉。处理延迟和算法本身的性质相结合,在骑车者的输入和自行车的响应之间产生了一个很小但明显的延迟,这感觉就像踏板通过一条大橡皮筋连接到后轮一样。


踏板速度感应还在某些国家/地区引发了潜在的营销问题,这些国家对轻便摩托车,摩托车和其他类型的两轮车的征税和许可规定有严格的定义。从理论上讲,由于踏板辅助电动自行车即使在踏板和后轮之间没有链条的情况下也可以提供帮助,因此根据某些国家/地区的法律,从技术上讲,它可以定义为电动助力车,因此需要获得许可,相应地受到监管和征税。

多年来,电动自行车电机控制器已经进化到可以使电动助力骑行更加自然和愉悦。在理想状况下,使用踏板辅助电动自行车的感觉应该就像赋予超级力量一样。为了达到这个目标,Dressler补充说,电动机控制器必须能够感知施加在踏板上的扭矩,并将其用作确定其提供多少辅助的主要手段。高质量的控制器通常会在踏板速度感应时补充其扭矩感应输入,以确保仅在踏板转动时才提供支撑。混合传感器输入可防止系统在不需要的情况下提供帮助,例如,当骑车者的脚踩在踏板上时停在交通信号灯处。


踏板扭矩可以通过多种方式测量,但是当今大多数设计都使用安装在曲轴轴承中的传感器,当骑车人使用基于箔的应变仪向踏板施加压力时,传感器会测量轴的扭矩,该应变仪会根据阻力改变所安装表面的微小物理变形。应变仪通常连接到基于惠斯通的电阻测量电路,该电路可产生05V模拟输出。

踏板扭矩传感器通常与速度传感器集成在一起,以便控制器可以提供更平滑,更轻松的体验(见图3a)。扭矩/速度感测组合方式还允许控制器通过降低电动自行车的速度来遵守当地的速度规定或在骑手达到法定速度限制时切断汽车辅助系统。智能BLDC控制器模块(例如Trinamic的TMCM-16307)使制造商能够轻松地对其产品进行编程,使其符合区域速度法规以及微调UX参数(请参见图3b)。


这种配置将扭矩传感器放置在不受损伤的位置,并且可以轻松地连接到控制器,但是这带来了一个新问题。将传感器放在底部支架内只能使它“看到”来自左踏板的扭矩输入。这是因为右踏板直接连接到前链轮,所以来自驾驶员右脚的大部分输入都直接传递到链条中,而不是通过曲轴。



【图3: 4a) 由THUN-X制造的该转速和扭矩传感曲轴为数字正弦/余弦转速信号提供了两个数字输出,为扭矩信号提供了一个模拟输出。通过这种安排,电动自行车的电机控制器仅需要两个数字输入和一个模拟输入。图片由Enviado 提供。

4 b) 该模块基于Trinamic的TMC4671智能电机控制器IC,为基于BLDC的电动自行车驱动系统提供了完整的解决方案。控制器功能强大的集成MCU可以进行编程,以提供自定义UX,并遵守有关最大速度和对踏板输入的响应的区域性法规。图片由Trinamic Motion Control提供。】


因此,Trinamic致力研究传感方案和控制算法,以使自行车的电动机以对称的方式做出响应,并在骑手开始踩踏板时立即将扭矩传递至驱动轮。减少或消除非对称辅助的最具成本效益的方法是使用来自左踏板的输入来估计在右脚提供扭矩的那部分行程期间应提供的支撑量。Enrico Dressler解释说:

由于电动自行车很可能会以非线性方式加速,因此计算右踏板行程的电动机电流的算法不能简单地匹配左踏板的最新扭矩读数。 我们已经通过一种预测算法解决了这个问题,该算法使我们的控制器能够在踏板旋转的两个半圈期间提供平稳,平衡的辅助。相同的算法使用踏板扭矩输入来使电动自行车能够从死点处提供一些辅助,然后自行车滚动后过渡到速度/扭矩模式。

智能电机控制器(例如Trinamic的TMC4671)为电动自行车制造商提供了其他方法来定制其产品的UX,包括将转矩/速度图微调到其客户的预期使用情况。控制器还可以通过监视其加速度传感器并闪烁尾灯,以在检测到自行车骑手急剧制动时提醒其他驾驶员,从而提高用户安全性。

前瞻
此处概述的新功能将使下一代电动自行车更轻松,更愉悦地骑乘,从而使它们对更多的潜在用户更具吸引力。使用智能扭矩感应提供零速助推器以实现更轻松启动的电机控制器,将使电动自行车技术成为轻型载具的越来越有吸引力的选择,轻载型载具在全球许多城市运送从医疗用品到热餐的所有物品。灵巧的大容量电动辅助电动货运自行车,例如Trinamic开发的LeichtLAST Technology演示器6,具有显著减少全球城市交通拥堵,污染和碳排放的潜力(见图5)。


【图 5: LeichtLast是由Trinamic开发的实验性电动货运自行车,是新一代电动货运自行车的试验台。由于其高效的驱动控制系统,再生制动和其他新功能,这些车辆有望成为城市和某些郊区环境中化石燃料运输车辆的高度实用替代品。图片由TRINAMIC Motion Control提供。】


【图6: 几乎可以将Alber'sTwion电动辅助系统添加到任何轮椅中。独立的动力轮完全独立,并具有可选的辅助级别,再生制动和长达20公里的行驶距离。图片由Alber GmbH提供。】

同样可采用相同的技术来改善所谓的混合动力轮椅,这种轮椅可以手动操作,但可以为用户提供预先选择的辅助等级。混合动力车(每个车轮上均装有电动机和力传感器),例如Alberg GmbH8的Twion,可让上臂力量好的人在没有帮助的情况下进一步行驶并越过陡坡。它们还为那些能在一定程度上使用手臂的人提供了一种更敏捷,更便宜的替代品,以代替体积更大的全功率轮椅。用于为电动自行车用户提供更舒适自然感觉的UX所使用的相同算法,将使混合轮椅用户更加轻松有效地出行。


但是,UX的这些改进仅仅是开始。随着业界对骑手生理和神经心理反应的理解的增强,研究人员能够将其转换为可提供更好用户体验的功能。

参考资料
1 –电动自行车简史– Optibike - https://optibike.com/brief-history-electric-bikes/
2 –维基百科条目:矢量控制- https://en.wikipedia.org/wiki/Vector_control_(motor)
3 –永磁同步电机的位置/速度无传感器控制-赵跃,内布拉斯加大学,2014年5月https://digitalcommons.unl.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1056&context=elecengtheses
4 –BLDC电机的时代正弦,Paul Pickering,电子设计,2018年2月,https://www.electronicdesign.com/automotive/sine-times-bldc-motors
5 – https://www.enviado-shop.de/innenlager-thun-x-cell-rt-digital-sensor-innenlager-uvp-eur-200-84-zzgl-mwst_214_1058
6 –Trinamic博客“ LeichtLAST-未来城市物流的轻型车辆”- https://www.trinamic.com/solutions/research/leichtlast/
7 –Trinamic BLDC电机控制模块规格- https://www.trinamic.com/products/modules/details/tmcm-1630/
8 –Twion主动式轮椅电动驱动器- https://www.alber.de/en/products/active-drives/twion/
A – (1984) "D,Q Reference Frames for theSimulation of Induction Motors"
B – (2000)InductionMotor Modelling for Vector Control Purposes (PDF)埃斯波:赫尔辛基工业大学pp. 13–14. ISBN 951-22-5219-8


原文转自TRINAMIC Motion Control微信


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