電動輔助自行車控制策略

電動自行車的動力控制方式，主要獨立式與輔助式兩種[72]。獨立式的控制 方式，騎乘者可以在不需踩踏踏板的情況下，直接控制電動機的動力前進，優點 為助力大小直接由騎乘者設定，無須任何回授信號，最大的缺點為時常發生助力 過大或過小的情況，操作上較不理想；輔助式的控制方式，為騎乘者開始踩踏板 之後，動力模組才會開始提供助力，啟動後動力組提供的助力與騎乘者的腳踏力 道成一比例。中置式電動輔助自行車的控制策略如圖 2-18，當騎乘者開始踩踏後，

此時會由感測器讀取所需參數訊號，並將其訊號傳給控制器，控制器再輸出電壓 給馬達，經由減速比後輸出到車輪。

Rider input

Pedals

Sensors Motor control

Gears

Motor Gears

Drive wheel

Bettery

圖 2-18 電動輔助自行車混合動力方塊圖

市面上常見的電動自行車輔助式系統，是利用裝置於自行車踏板上的扭力感 測器，偵測騎乘者的踩踏力給予輔助動力[73]。然而，扭力感測裝置易受到振動、

撞擊或潮濕等因素而導致偵測錯誤，另扭力感測裝置也需經常進行相關的校正工 作，以維持符合標準的準確性；市面上的扭力感測器大部分為裝配於五通的感測 器[74]，故要貫穿動力組，市面上的扭力感直徑幾乎都在 35mm 以上，且外端要固 定，但是本文之動力模組空間有限故無法將扭力感測器裝配於動力組。

43

圖 2-19 Torque sensor 裝配位置[74]

為了改善上述缺點，本文主要以踩踏速度來決定輸入電動機的電壓命令，可 經由齒輪比之間的轉換，改變踩踏速度，藉以調整輸入電動機電壓命令的大小[75]。

踩踏轉速感測器是一種磁感應裝置，為非接觸性元件，其密封性良好，信號不易 受外在因素干擾，可利用此元件偵測騎乘者的踩踏轉速來給予輔助動力，此外，

踩踏轉速感測器較扭力感測器價格低廉，如圖 2-20。故本文選擇使用踩踏轉速感 測器的信號，做為助行控制系統的輸入訊號。

圖 2-20 踩踏轉速感測器[75]

2.6.2 助力型控制策略

本文使用輔助式動力控制，需要騎乘者踩踏踏板，馬達才會提供助力，當停 止踩踏踏板時，馬達停止提供助力。本文的輔助式助行策略的目的，是要利用踏 板轉速資訊，決定電動機所需提供的助力大小，達到既可減輕騎乘者的負擔，也 可防止因電動機轉速太快，造成騎乘者陷入空踩的不舒適狀況。

由於轉矩與電流成正比，傳統輔助式電動自行車是利用扭力感測器回授踩踏 力量大小，藉此決定馬達的電流大小，提供適合的轉矩。而本文使用踩踏轉速感

44

測器，只能得知踩踏轉速的回授訊息，但是踩踏轉速與輸入至電動機的電流大小 並無關係，本文之助力型策略無法如傳統扭力型採用控制電流的設計，而是利用 踩踏轉速控制輸入至電動機電壓命令。

本文所使用控制策略需要有以下配備:變速器、煞車感測器及踩踏信號感測器。

其中變速器為不同大盤與後輪飛輪齒比；煞車感測器為一數位信號，當騎乘者按 下煞車時，即會輸入一高凖位信號至數位信號處理器；踩踏轉速感測器需要兩個，

一個裝置於曲柄軸上，負責感測踩踏速度，另一個則裝置於後輪，負責感測車輪 速度，計算兩者速度訊號的比值，即為當時的齒比

𝐺_𝑟 = ω_{𝑡𝑖𝑟𝑒}/𝑁_𝑒 ( 2-41) ω_{𝑡𝑖𝑟𝑒}為後輪轉速;𝑁_𝑒為腳踏轉速。由自行車的車輪半徑與齒輪比關係，可得知自行 車前進的距離如下

∆y = 𝑅_{𝑡𝑖𝑟𝑒}𝐺_𝑟∆𝑛 ( 2-42) 其中，∆y為自行車前進的距離；∆𝑛為踩踏圈數；𝑅_{𝑡𝑖𝑟𝑒}為車輪半徑；𝐺_𝑟為齒輪比。

將兩邊同時除以時間∆t

𝓋 = 𝑅_{𝑡𝑖𝑟𝑒}𝐺_𝑟𝑁_𝑒 ( 2-43) 其中，𝓋為自行車行進速度；𝑁_𝑒為踩踏速度等於∆𝑛/∆𝑡，而車速與車輪轉速關係為

𝓋 = ω_{𝑡𝑖𝑟𝑒}𝑅_{𝑡𝑖𝑟𝑒} ( 2-44) 𝜔_{𝑡𝑖𝑟𝑒}為車輪轉速(rad/s)。

而當騎乘者踩踏力道與電動機輔助力道平衡時，可知電動機轉速𝜔_𝑚與踩踏轉 速關係為

𝜔_𝑚 = 𝑁_{𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜}𝑁_𝑒 = 𝐺_𝑟𝜔_𝑡 ( 2-45)

其中𝑁_{𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜}為減速機之減速比。將上式帶入式( 2-43)，則可得電動機轉速與車速之

關係

𝓋 =_𝑁^𝜔𝑚

𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝐺_𝑟𝑅_{𝑡𝑖𝑟𝑒} ( 2-46)

當電動機尚未提供助力時，電動機轉速為 0，開始啟動後則偵測腳踏轉速，如 式( 2-45)，當齒輪比變大，表示後齒輪齒數變少，在電動機轉速不變下，如式( 2-46)，

車速將變慢；反之，當齒輪比變小，則表示後齒輪齒數變多，在電動機轉速不變 下，如式( 2-46)，踩踏轉速需提高。

因本文為表面貼磁式馬達，將電流灌在 q 軸的效率會較好，本文之 4.6 節會再

45

46

V

圖 2-22 輸入電壓與踩踏轉速之關係圖

如圖 2-23(a)所示，當騎乘者體力不足的時候，調整變速器使齒輪比減少，踩 踏轉速將會隨之上升，再由式( 2-47)可知電壓命令將加大，電動機轉速及助力上升，

使騎乘者可以踩踏的更輕鬆；反之，如圖 2-23 (b)所示，當騎乘者體力充足或覺得 馬達速度與助力過大導致騎乘者感到不舒服時，調整變速器使齒輪比增加，踩踏 轉速將會隨之下降，再由式( 2-47)可知電壓命令將減小，電動機轉速及助力下降，

使騎乘者可以隨之增加踩踏的力道。故本文設定由踩踏轉速決定輸入至馬達電壓 命令，然後由騎乘者的需求，利用變速器改變齒輪比，騎乘者的踩踏轉速自然會 跟著改變，進而調整電動機的速度及助力，即可得到較佳的行車效果。

V

V

(a) (b)

圖 2-23 (a)齒比下降 (b)齒比下降 之齒輪比與踩踏轉速關係圖

47