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昆山科技大学
崑山科技大學
電機工程系
人性化電動腳踏車控制器創新設計
Human-basedinnovativedesignofelectricbicyclecontroller
指導老師：
李振興老師
製作學生：
吳柏慶4971J008
陳奇濰4960J172
陳建甫4960J146
中華民國九十九年十二月
人性化電動腳踏車控制器創新設計
吳柏慶陳奇濰陳建甫
崑山科技大學電機工程系
摘要
電動腳踏車符合環保需求，其碳排放量為零，又不會排放廢氣，因此是未來輕型載具的主流。
當蓄電池電用完，又可以騎的回家，不必擔心沒電的問題。
其實行車資訊也會顯示目前的電量。
以目前的電價及油價計算，騎乘電動腳踏車一公里的價錢遠比騎乘機車一公里的價錢還要省很多，因此是一個相當經濟實用的交通工具。
本作品為人性化電動腳踏車控制器創新設計，將設計一個人性化電動腳踏車控制器。
主要是中央控制器的研發與創新，即是設計製作無刷直流輪轂馬達的智慧型驅動控制器。
此中央控制器可以驅動並控制無刷直流輪轂馬達，達到人性化的需求。
騎乘者須控制調速與煞車把手，中央控制器就可以調整馬達轉動。
關鍵字：
電動腳踏車、人性化、節能減碳
Human-basedinnovativedesignofelectricbicyclecontroller
Bo-ChingWuCi-WeiChenJian-FuChen
DepartmentofElectricalEngineering,KunShanUniversity
Abstract
Electricbicyclemeetwithenvironmentalprotection,anditscarbonemissionstozero,theywillnotemissions,itisthefuturemainstreamoflightvehicles.Whenthebatterypowerrunsout,theycanridehomewillnotworryaboutnoelectricityproblems.Infact,bicycleinformationwillalsoshowthecurrentamountofelectricity.Oilpriceandthecurrentcalculation,ridingelectricbicyclesthanthepriceofonekilometermotorcycleridethepriceofonekilometerstillsavealot,itisaveryeconomicalandpracticalmeansoftransport.Thisworkisuser-friendlycontrollerelectricbicycleinnovationanddesign,designauser-friendlyelectricbicyclecontroller.CentralcontrollerismainlyR&Dandinnovation,whichisdesignedbrushlessDCdrivewheelhubintelligentmotorcontroller.ThecentralcontrollercandriveandcontrolthebrushlessDCwheelhubmotors,tohumanneeds.Ridesarerequiredtocontrolspeedandbrakinggrip,thecentralcontrollercanadjustthemotorrotation.
Keywords:
electricbicycle,User-friendly,energyandcarbonreduction
目錄
中文摘要I
英文摘要II
目錄III
表目錄V
圖目錄V
第一章緒論1
1.1研究動機1
1.2研究目的1
第二章硬體結構介紹2
2.1工作原理2
2.2無刷直流馬達介紹2
2.3無刷馬達動作說明3
2.4電路介紹8
2.4.1三相驅動電路8
2.4.2感測電路9
2.4.3控制電路與過載保護9
2.5MCU介紹10
2.5.1HT45FM03B10
2.5.2HT45B0C11
2.6電路板介紹13
第三章軟體介紹14
3.1初始設定14
3.2霍爾信號擷取14
3.3電流信號擷取14
3.4加速握把信號擷取14
3.5煞車把手信號擷取14
3.6換向開關轉換15
3.7PWM值轉換15
3.8人性化控制15
3.9程式流程圖16
第四章安裝說明17
4.1改裝電動自行車安裝與說明17
4.1.1工具17
4.1.2安裝步驟17
4.2電動腳踏車組裝後車體線路與介紹18
第五章結論24
5.1問題與討論24
5.2創新設計24
5.3成果24
參考資料25
表目錄
表格一Hall元件與開關真值表6
圖目錄
圖一電動腳踏車控制方塊圖2
圖二霍耳元件位置感測示意3
圖三轉矩-速度特性曲線圖4
圖四霍耳元件信號4
圖五霍耳元件信號與三相線圈激磁圖形5
圖六馬達與開關元件6
圖七無刷直流馬達之無感測控制方塊圖7
圖八電源電路8
圖九驅動電路8
圖十三相半橋驅動電路9
圖十一Hall元件感測電路9
圖十二控制晶片電路10
圖十三HT45FM03B結構圖11
圖十四HT45B0C結構圖12
圖十五電源電路板13
圖十六驅動電路板13
圖十七控制晶片電路板13
圖十八程式流程圖16
圖十九無刷直流輪轂馬達18
圖二十調速把手18
圖二十一主機盒19
圖二十二小信號電源19
圖二十三無刷直流馬達接線20
圖二十四調速把手與電量顯示器20
圖二十五巡航21
圖二十六學習線21
圖二十七1+1助力22
圖二十八電子煞車22
圖二十九接煞車把手23
圖三十煞車把手23
圖三十一電動自行車照片24
第一章緒論
1.1研究動機
由於碳的排放越來愈多，超過綠色植物所能吸收，使得地球溫度日漸上升，北極的融冰也越來越擴大，全球氣候異常越來越嚴重。
因此，節能減碳的議題漸漸受到世人的重視，2009年12月7日在丹麥哥本哈根舉行氣候變遷會議，是聯合國氣候變遷綱要公約締約國的第十五次會議，召開的目的，是為了擬定2012年京都議定書效力到期後的全球抗暖化策略。
哥本哈根會議期望達成四項主要課題，分別為溫室氣體減量、建立抗暖化基金、法律約束問題、減少濫砍森林造成的二氧化碳排放、碳交易等。
聯合國氣候會議祕書處主席波爾（YvodeBoer）希望哥本哈根會議能夠達成四項協議，包括工業國家給予減排承諾、開發中國家提出減排目標、討論出開發中國家在減排和調適行動上需要的資金數目、以及運用與管理這筆資金的辦法。
這一切的努力都是為了減少溫室氣體排放。
這也在在顯示綠色環保述求將是人類生活的主流。
汽機車排放廢氣除了造成空氣污染外，也是碳排放量越來越大的主因之一，因此電動車為解決問題的方案之一。
電動車包括電動汽車、電動機車與電動腳踏車。
本作品就是電動腳踏車之製作與控制。
電動腳踏車是一個輕型載具，可以提供短程交通的需求，到菜市場買菜、上下學交通或是成為家裡到大眾運輸站的交通工具。
電動腳踏車使用電池組及電動馬達，不會排放廢氣汙染環境。
電動腳踏車充電（新台幣一元）所行駛的距離比機車加油（新台幣一元）所行駛的距離更遠，因此在油價高漲的今日甚為經濟。
電動腳踏車還有一個優點，當蓄電池沒電時還可以用腳踏的方式騎回家，然後再充電或是更換電池。
1.2研究目的
本電動腳踏車控制器創作目的在於讓腳踏車騎起來更方便更人性化，電動腳踏車騎乘者可以藉由調速與煞車把手將信號傳到中央控制器控制輪轂馬達的轉動速度與停止。
中央控制器可以將行車的訊息傳到LCD面板以提供騎乘者知道。
並改進電子煞車系統在過彎或是緊急煞車時，按煞車握把造成輪胎鎖死。
第二章硬體結構介紹
2.1工作原理
電動腳踏車控制方塊圖如圖一所示，包括以微處理器為主的中央控制器、無刷直流輪轂馬達、鉛酸電池組、調速把手、煞車把手及LCD面板。
中央控制器的功能有兩個，一個是加上三相驅動器控制無刷直流（BrushlessDC，BLDC）輪轂馬達，另一個功能是加上電力電子電路成為鉛酸電池組的充電器。
電動腳踏車的騎乘者可以藉由調速與煞車把手將信號傳到中央控制器控制輪轂馬達的轉動速度與停止。
中央控制器可以將行車的訊息傳到LCD面板以提供騎乘者知道。
圖一電動腳踏車控制方塊圖
2.2無刷直流馬達介紹
無刷直流馬達（BLDCMotor）沒有使用電刷作為換向，而是使用電子式換向。
無刷直流馬達比有刷直流馬達或感應馬達好用，因為有以下的優點：
（一）優良的速度-轉矩特性曲線，
（二）快速的動態響應，（三）高效率，（四）使用壽命長，（五）操作雜訊少，（六）有較高速的操作範圍。
除此之外，在相同的轉矩下，無刷直流馬達體積和重量較小。
無刷直流馬達是同步馬達的一種。
大部分無刷直流馬達有三個定子繞組以星形連接，每一個繞組由很多線圈（coil）連接而成，繞組置於定子的圓周凹槽內形成偶數的磁極。
定子繞組有兩種不同的形態，分別是梯形與正弦波形。
不同形態的繞組會形成不同波形的反電動勢（BackEMF，ElectromotiveForce）。
梯形繞組形成梯形的反電動勢，正弦波形繞組形成正弦波的反電動勢。
除了反電動勢波形外，相電流波形也有兩種，和繞組型態相同。
由波形可知，正弦波形繞組的轉矩輸出比較平整。
但是正弦波形繞組價格比較貴。
無刷直流馬達的轉子（Rotor）是永久磁鐵做成的，使用強力磁鐵可以減少馬達的體積與重量。
每一個換向順序（commutationsequence）有一個繞組被正激磁（也就是加上正電壓，電流會流入繞組），第二個繞組被負激磁（也就是加上負電壓，電流會流出繞組），第三個繞組則沒有激磁。
因為定子磁場與轉子永久磁鐵互相作用，而產生轉動力矩。
理想狀況下，當這兩個磁場相距90度時，產生峰值轉矩。
當兩個磁場一致時，轉矩為零。
為了使馬達可以持續轉動，定子繞組激磁必需隨轉子位置改變。
2.3無刷馬達動作說明
三相繞組是目前使用最普遍的。
本作品也是使用三相繞組無刷直流馬達。
因為無刷直流馬達是使用電子式換向，所以必須知道轉子（Rotor）的位置。
可以使用霍耳感測元件（HallEffectSensor）嵌入到定子（Stator）以測量轉子的位置，作為換向的參考。
一般的無刷直流馬達有三個霍耳元件，霍耳元件位置感測如圖二所示。
當轉子的磁極（HallSensorMagnets）接近霍耳元件（HallSensors），霍耳元件就會產生高電位信號。
當磁極遠離霍耳元件，霍耳元件就會變成低電位信號。
參考這三個霍耳元件的電位信號，就可以決定換向的順序。
圖二霍耳元件位置感測示意
圖三是無刷直流馬達的轉矩（Torque）-速度（Speed）特性曲線圖。
有兩個轉矩參數，分別是峰值轉矩（PeakTorque，
）與額定轉矩（RatedTorque，
）。
在連續操作模式（ContinueousTorqueZone），馬達可以負載到額定轉矩。
在額定轉速（RatedSpeed）內，馬達轉矩維持定值。
超過額定轉速時，馬達的最高轉速約可達到額定轉速的1.5倍，但是轉矩會下降。
圖四的圖形有霍耳元件信號，反電動勢，輸出轉矩和相電流。
圖五是激磁順序與霍耳元件信號關係圖。
每60度的電機旋轉角，霍耳元件信號改變狀態。
因此，一個電機循環（ElectricalCycle）需要6步。
在同步的情形下，每一60度電機角，相電流必須切換一次。
6個步驟，以
（1）到（6）標示。
圖四之馬達轉子共有6對極（polepairs），一個電機循環有3對極（polepairs），所以轉動一圈（一個機械循環，MechanicalCycle）會有兩個電機循環。
圖三轉矩-速度特性曲線圖
圖四霍耳元件信號
參考圖五，A相繞組在步驟
（1）及
（2）施以正激磁，步驟（3）不激磁，步驟（5）及（6）施以負激磁，步驟（6）不激磁。
參考圖四，A相的相電流（PhaseCurrent）在步驟
（1）及
（2）上升到穩定，步驟（3）時為零，步驟（4）及（5）時負向上升到穩定，步驟（6）為零。
如同以上的分析，可以用到圖四及圖五的B相及C相繞組。
圖五霍耳元件信號與三相線圈激磁圖形
圖六是馬達與開關元件圖。
Q1到Q6是電力開關元件，由微處理器晶片控制。
一般的電力開關元件包括MOSFET，IGBT或電力電晶體。
圖四及圖五之激磁順序可以轉換到表格一的電力開關順序表。
同樣有6個步驟，以
（1）到（6）標示。
圖六馬達與開關元件
參考圖四及表格一，步驟
（1）時，霍耳元件信號為ABC=001。
ABC繞組激磁為A=DC+（正激磁），B=Off（不激磁），C=DC-（負激磁）。
因此電力開關元件Q5及Q4需要導通，其餘不導通。
同上述分析可以用於步驟
（2）到步驟（6），就可以知道需導通哪兩個電力開關元件。
馬達的轉速也就是車速。
因此我們可以計數（Count）霍耳元件的信號來轉換成電動腳踏車的車速。
表格一Hall元件與開關真值表
當無刷直流馬達轉動時，每一個繞組都會產生反電動勢（BackEMF），反電動勢的極性與輸入繞組電壓相反。
反電動勢與以下三個因素有關：
（一）轉子角速度，
（二）轉子永久磁鐵磁場強度，（三）定子繞組的圈數。
因此反電動勢
公式如下：
（1式）
其中
是每相繞組的圈數，
是轉子的長度，
是轉子的半徑，
是轉子的磁場強度，
是馬達的角速度。
當馬達設計完成，轉子磁場及繞組圈數皆為固定值，因此反電動勢與馬達轉速成正比，這個常數稱為反電動勢常數
。
以上所討論的電子式換向都是以霍耳元件信號為基準，其實也可以使用反電動勢信號作為換向的依據，這個方法稱為無刷直流馬達之無感測控制（SensorlessControlofBLDCMotor）。
如圖七由霍耳元件輸出信號與反電動勢信號可知，當反電動勢電壓由正電位到負電位或由負電位到正電位時，霍耳元件輸出電位會改變狀態。
在理想狀況下，也就是反電動勢電壓在零交越（zero-crossing）時，霍耳元件輸出電位會改變狀態。
但在實際狀況時，由於繞組的特性，會有一點延遲（delay）。
但這個延遲可以用微處理器來補償。
如圖七所示為無刷直流馬達之無感測控制方塊圖。
在非常低速時，因為反電動勢是和馬達轉速成正比，因此反電動勢的零交越測不到。
因此從馬達啟動到有足夠大的反電動勢電壓，馬達是開回路的（openloop）。
使用無刷直流馬達之無感測控制時，無刷直流馬達可以省去霍耳元件套件，因此成本可以更為低廉。
本專題使用的無刷直流輪轂馬達內附霍耳元件組，因此我們將會使用有感測控制（SensoredBLDCMotorControl）。
圖七無刷直流馬達之無感測控制方塊圖
2.4电源回路電路介紹
本作品使用HT45FM03MCU為控制晶片。
整個線路主要分為：
電源電路，動轉換接口，功率驅動回路，保護回路及控制回路等。
感測電路，三相驅動電路及控制電路等。
硬體說明如下：
電源電路如圖八所示，36V电源提供给三相無刷馬達供电，另外经LM317、7815、7805后给HT45RM0336V鉛酸電池供電給無刷直流馬達，並且經由LM317、7815、7805後提供15V及5V電源給HT45FM03B，HT45B0C晶片及其外圍回路，HT45B0C供电。
及其他電路。
驅動轉換接口為MCU控制迴路與功率驅動迴路之間的接口，提供電壓接口的转轉換。
本專題使用HT45B0C做為驅動轉換接口，6个NMOS管组成功率驱动回路，为驱动三相无刷马达的本范例线使用六個MOSFET組成三相半橋驅動電路，用於驅動三相無刷直流馬達。
線路中規劃保護迴路為過電流保護迴路，為當三相無刷馬達過載時保護功能，過載保護此回路使用HT45RM03内建的op，cmp来实现使用HT45FM03B內建OPAMP控制。
圖八電源電路
2.4.1三相驅動電路
三相驅動電路如圖九所示，驱动转换接口为MCU控制回路与功率驱动回路之间的接口，提供电压接口的本线路使用HT45B0C做为驱动转换接口。
使用HT45B0C晶片做為觸發電路。
6个NMOS管组成功率驱动回路，为驱动三相无刷马达的主要组件。
6個MOSFET組成三相驅動電路，驅動無刷直流馬達。
本范例线
圖九驅動電路
圖十三相半橋驅動電路
2.4.2感測電路
共有Hall元件感測電路，如圖十一所示。
馬達過電流感測電路，如圖十電路。
電池電壓感測電路，加速握把感測電路與煞車握把感測電路。
圖十一Hall元件感測電路
2.4.3控制電路與過載保護
主要就是HT45FM03B晶片的電路，如圖十二所示，過電流保護電路使用其內建的OP，CMP。
BLDC电流经OPBLDC電流經OP（PA0/OPVINP，PB3/OPVINN，PB2/OPOUT）放大後，一路經MCUAD轉換，一路經CMP（PA1/CVINP，PA2/CVINN，PA3/COUT）限流，而限制電流過大保护保護的功能一路经CMP（PA1/CVINP，PA2/CVINN，PA3/COUT）限流，从而实现过电流。
圖十二控制晶片電路
2.5MCU介紹
本專題使用2個盛群半導體公司開發的MCU，HT45FM03B與HT45B0C。
2.5.1HT45FM03B
HT45FM03B具備4K*15FlashROM、192ByteRAM、工作電壓4.5V~5.5V、系統頻率最高為20MHz，內建精準RCOscillator（HIRC），可選擇12MHz、16MHz與20MHz等三種頻率、內建8個通道12-bit快速ADC、1個PFD產生器，可用於音頻產生、IR載波產生、或其他頻率調變之應用、1個8-bit與1個16-bit計數器（Timer）、LVD與LVR用於偵測系統電壓，若系統電壓低於LVR值時系統將產生重置，以避免系統工作電壓低於操作電壓可能造成的不穩定狀態。
圖十三HT45FM03B結構圖
2.5.2HT45B0C
HT45B0C為一高電壓元件，共有三組電源，分別為邏輯區電源（LogicPower），低接腳驅動區電源（LowSidePower）及高接腳驅動區電源（HighSidePower）。
其中，邏輯區電源電壓輸入範圍為4.4V~5.5V。
低接腳驅動區電源電壓輸入範圍9V~20V。
高接腳驅動區電源電壓最大輸入值為80V。
三相直流馬達共有A相、B相、C相，共需六個MOSFET驅動，其中兩兩成對，分別為LowSide及HighSide。
HT45B0C包含三組驅動電路，來驅動這六個MOSFET。
HT45B0C邏輯Pin輸入腳，接收MCU送過來的PWM信號，進而控制MOSFET的導通比。
內部並具備硬體保護電路，來防止上管及下管MOSFET同時導通，避免燒毀MOSFET管。
圖十四HT45B0C結構圖
2.6電路板介紹
圖十五電源電路電路板
圖十六驅動電路電路板
圖十七控制晶片電路電路板
第三章軟體介紹
本作品除了硬體外，最重要的就是軟體設計了。
軟體設計也就是執行人性化控制的重要工具。
控制軟體共有初始設定、霍爾信號擷取、電流信號擷取、加速握把信號擷取、煞車把手信號擷取、換向開關轉換、PWM值轉換、人性化控制。
詳細說明如下：
3.1初始設定
包括A埠、B埠、C埠的設定，AD轉換器的設定，OP（運算放大器）的設定，CP（比較器）的設定，PWM（脈波寬度調變）的設定，霍爾感測信號輸入腳位設定插斷（Interrupt）。
3.2霍爾信號擷取
這個副程式主要是擷取三個霍爾感測器的信號，也就是SA|SB|SC三個位元。
這個副程式擷取三次信號，第一次和第二次相同則OK，若第一次與第二次不同則擷取第三次。
第二次與第三次相同則代表第二次為正確信號。
第二次若與第三次不同則輸出錯誤。
3.3電流信號擷取
利用AN2腳位作為類比數位轉換接腳。
執行8次類比數位轉換，取平均，若大於電流設定值，代表電流過大，則關閉Q1~Q6開關。
3.4加速握把信號擷取
利用AN0腳位作為類比數位轉換接腳。
執行8次類比數位轉換，取平均，若大於加速臨界值，則把轉換值存入R_pwmh內。
3.5煞車把手信號擷取
煞車線在左右把手，左把手是後輪煞車線，右把手是前輪煞車線。
左煞車信號接PB4，右煞車信號接PB5。
當煞車信號產生時，就產生插斷，煞車插斷副程式就關閉Q1~Q6開關。
3.6換向開關轉換
當霍爾元件信號（SA|SB|SC）改變時，就產生插斷（Interrupt）。
插斷副程式先執行霍耳信號擷取副程式，接著對應Q1~Q6開關開啟的表格，然後開啟對應的Q1~Q6。
所以這個插斷副程式是電子式換向的程式。
3.7PWM值轉換
當加速把手轉動時，可以產生插斷。
插斷程式先判斷是否超過設定的臨界值，如果超過就比較上次的轉動量，比前次大則增大一些PWM責任週期。
如果比上次小，則減少一些PWM責任週期。
用這個方法可以避免兩次間的PWM責任週期改變太大。
3.8人性化控制
前面提出的程式都是電動腳踏車的基本操作。
本作品提出利用前述硬體基本架構下，再加上人性化控制程式。
人性化控制程式主要擷取加速把手信號與煞車把手信號進行判斷。
改進電子煞車系統在過彎或是緊急煞車時，按煞車握把造成輪胎鎖死。
解決由於轉把或線路故障引起的暴衝現象。
此外，防飛車功能必須做得很徹底才可以。
3.9程式流程圖
圖十八程式流程圖
第四章安裝說明
4.1改裝電動自行車安裝與說明
4.1.1工具：
扳手、螺絲起子、剪刀、六角板手、膠布等。
4.1.2安裝步驟：
一.利用活動板手，將前輪花鼓處左右兩邊螺絲鬆開取出。
二.將前輪卸下，將前輪內胎放氣，取出內外胎。
。
三.將取出之內外胎安裝到編織，校正完成，帶輪轂電機之輪框上。
四.將安裝好內外胎，輪轂電機之輪框，安置於車子前叉處。
五.利用活動板手，鎖緊兩邊螺絲，固定安裝電池箱先用螺絲把電
池箱固定在自行車貨架上（最好在安裝尾箱位置放一塊皮墊，起減震作用）。
用雙面膠把皮墊粘牢在尾箱底部，再用雙面膠把電池粘牢在皮墊上。
（請選用厚雙面膠，以起到固定和減震的作用。
）安裝調速轉把利用六角板手，將左右調速把手，固定調速轉把可使用六角板手固定，紅、黑、綠，三條線接控制器，建議不要用原有插pin，直接用絕緣膠布捆包，反而一勞永逸，不怕它脫落插接控制器電線將輪轂電機線，調速轉把…，等接線，接於控制器上請一一對應。
六.請按照控制器上的相應接線口的電線排列，順序安裝。
如紅線
必須對紅線，黑線必須對黑線，千萬不能搞錯。
這裏的原則是，只要兩個相應接線口有顏色相同的電線就必須一一對準。
再
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