同步换档电动自行车控制器设计与实现

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1、1.4全文内容安排本文基于对现有电动车技术缺陷的分析，提出将机械换档机构引入电动车传动系。针对电动车的特殊要求，提出了一种新的换档方式——同步换档。并加以理论分析与实验验证。第一章主要介绍了电动车相关知识，回顾了其行业发展历史，分析了行业现状，最后找到了其技术缺陷与导致缺陷的核心问题：转速与转矩的矛盾。第二章提出了解决矛盾的基本方法：换档，提出了新的换档理论和与之配套的机械结构。并在基本驱动方法的基础上明确了电气系统的设计要求。第三章针对电动车应用的特殊环境，针对性的提出了噪音抑制、回馈制动、同步预估、换档策略几个关键问题的解决方法。第四章通过仿真验证了换档电动自行车的性能，也

2、验证了同步预估与换档策略相关算法的有效性。第五章介绍了系统硬、软件的实现方法。并通过实验实现了电动自行车的驱动与换档动作。第六章为全文总结，对研究中遇到的问题和系统的改善做了进一步的讨论。52同步换档电动车驱动系统同步换档电动车的驱动系统由同步换档机构和直流无刷电机两部分组成，如图2-1所示，承担着为车辆提供适当动力的任务，是实现驾驶员意图的最终环节。本章从常见的汽车变速器原理出发，详细阐明选择同步换档的原因和整个驱动系统的结构。图2-1同步换档电动自行车行驶中的各种信号示意图2.1同步换档原理简述2.1.1汽车变速器简介变速器是汽车传动系统中最主要的部件之一，它的作用是：(1

3、)在较大范围内改变汽车行驶速度与汽车驱动轮上的扭矩。由于汽车行驶条件不同，要求汽车行驶速度和驱动扭矩能在很大范围内变化。而汽车发动机的特性是转速变化范围较小，而转矩变化更不能满足实际路况需要。(2)实现倒车行驶。发动机曲轴的旋转方向一般是不可改变的，而汽车有时需要能倒退行驶，因此变速箱中需要设置倒档。(3)实现空挡。发动机有时需要在怠速下维持旋转，但并不向车轮输出动力．因此需6要设置空挡．变速箱由变速传动机构和变速操纵机构两部分组成．变速传动机构的主要作用是改变传动链的减速比和方向；操纵机构的主要作用是控制传动机构，实现不同减速比之间的切换．机械式变速器主要用用了齿轮传动的降速

4、原理，简单的说，变速器内有多组传动比不同的齿轮副，而汽车行驶时的换挡行为，也就是通过操纵机构使变速箱内不同齿轮副工作，在低速时让传动比大的齿轮副工作，高速时传动比小的齿轮副工作。汽车手动变速器多为平行轴结构，下图是三轴式变速箱机构示意图，输入轴通过离合器与发动机相连，与其上的齿轮是一体的；中间轴与其上的齿轮也是一体的；输出轴上的齿轮1~6和齿轮R始终与中间轴上的齿轮啮合，但并不与输出轴一体，可以自由旋转。拨叉上的三个齿套与输出轴同角速度旋转，但可以沿轴向自由移动，选择与其左侧或右侧的齿轮啮合。图2-2三轴式变速箱机构示意图在挂进某档时，拨叉上三个齿套之一与相应的输出轴齿轮啮合。

5、动力沿输入轴Æ中间轴Æ输出轴齿轮Æ拨叉齿套Æ输出轴的路径传递。此时，其余档位的输出轴齿轮也在旋转，但由于没有和拨叉齿套啮合，所以并不对输出轴产生影响。所有7拨叉齿套均不与任何输出轴齿轮结合时，变速器处于空档位置。汽车行驶时，变速器输出轴上的齿轮以不同的角速度旋转，而拨叉齿套却以同样的角速度旋转，于是，换档时存在同步问题。两个旋转速度不一样的齿轮强行啮合必然会发生冲击碰撞，造成车身抖动、噪音，甚至损坏齿轮。因此汽车变速器中都有一种叫做同步器的装置。此装置在输出轴齿轮与拨叉齿套相互靠近时，与两者同时摩擦，并且在两者角速度不同时产生锁止作用，防止两者以不同的角速度啮合发生打齿。2.1

6、.2电动自行车同步换档变速器与汽车变速箱相比，在电动自行车上使用的变速器有很大不同：(1)采用行星齿轮减速机构。由于整套机构要安装在盘状的后轮毂内，非轴对称结构的平行轴式变速器在安装与动平衡方面都有困难。行星齿轮减速机构是齿轮传动机构的一种，它有一个轴线位置固定的齿轮叫中心轮或太阳轮,在太阳轮边上有轴线变动的齿轮，即既作自转又作公转的齿轮叫行星轮，行星轮有支持构件叫行星架，通过行星架将动力传到轴上，再传给其它齿轮。它们由一组若干个齿轮组[8]成一个轮系.只有一个原动件，这种周转轮系称为行星轮系。图2-3行星齿轮减速机构(2)挡位少。狭小的安装空间与成本的限制导致档位数目少，同时

7、电动自行车不需要倒车档。因此本方案仅有一个低速档与一个高速档。(3)无空档。与内燃机不同，电动机可以从静止状态带负载启动，也不需要怠速运行，因此无需设置空档。8(4)同步换档。这是与汽车变速器最大的不同。同步问题可以通过对电机的控制加以解决：换档时由电机带动输入轴主动调速直至与拨叉齿套的旋转角速度相同，再相互啮合。因此完全省却了同步器。2.2换档机构和换档过程本轮毂一体变速箱机构由输入传动销，高、低两档齿轮组，换档电磁铁，回位弹簧等组成。输入传动销与电机转子连接并与车轴同轴，始终与低速档超越