CN100569556C - 电动助力自行车智能控制器和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动助力自行车的智能化控制器和控制方法，目的在于提供一种结构简单、体积小、重量轻的电动助力自行车智能控制器，并通过智能控制方法实现人机力量的任意混合达到节能的目的。电动助力自行车智能控制器，包括电机传感器信号电路、脉宽调制电路、电机驱动控制电路和电机驱动电路，所述智能控制器还包括一个微电脑控制芯片，用于分析电机传感器速度信号的微小位置变化，判断当前电动车所受力矩的变化，并根据力矩的大小变化控制脉宽调制电路的输出，控制电机相电流产生与电动车所受力矩的变化相反的变化。

Description

电动助力自行车智能控制器和控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制器和控制方法，特别涉及一种电动助力自行车的智能化控制器和控制方法。

背景技术

现在市场上电动车助力模式主要是比例助力模式，即人力和电机力以固定比例混合。但是电动车骑行的路况是很复杂的，平路上需要的人机比例较高，否则会产生踏空，无法实现助力；而在坡路上，人机比例须降低，否则骑行者会感到太累；不同的坡度，人机比例的需要是不同的。

申请人为了克服现有技术的不足，提出了CN200710022137.7号专利申请，该专利申请的技术方案是：一种智能化电动助力自行车，电动助力系统包括蓄电池、控制器、数字传感器、直流电机和脚踏，其中，所述数字传感器，它与电机同轴，用于向数字动态力矩信号处理电路传递包含实时力矩动态变化信息和速度信息的动态数字脉冲信号；所述控制器中设有：参考速度数字信号发生器，用于设定所述直流电动机的标准数字速度脉冲信号，并将该脉冲信号作为参考数字速度脉冲信号向动态数字力矩信号处理电路输出；数字动态力矩信号处理电路，用于将所述参考速度脉冲信号和所述动态数字脉冲信号作位置比较，得到动态力矩变量的矢量，再将该动态力矩变量与该数字动态力矩信号处理电路前次输出的脉冲宽度叠加后输出控制功率变换器导通的脉宽信号；数字逻辑接口和功放电路，用于接收数字动态力矩信号处理电路输出的脉宽信号并进行调制，控制功率管输出相应的脉冲宽度驱动所述直流电动机。该技术方案采用数字动态力矩变化量作为闭环系统的反馈信号，实现在保持速度不变的前提下，双动力输出的互动和平衡，使人力和电力能够互助，减少了电能消耗，蓄电池一次充电后的行程大大延长，蓄电池的使用寿命也因此延长。但是该技术方案存在着控制器结构复杂、体积大的缺陷，本专利申请即是对前述专利申请技术方案的改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有电动助力自行车智能控制器结构复杂、体积大的缺陷，提供一种结构简单、体积小、重量轻的电动助力自行车智能控制器，并通过智能控制方法实现人机力量的任意混合从而达到节能的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：电动助力自行车智能控制器，包括电机传感器信号电路、脉宽调制电路、电机驱动控制电路和电机驱动电路，所述电机传感器信号电路包括：电机传感器，用于采集电机转子的力矩和速度信号；和电机传感器信号处理电路，用于对电机传感器信号进行整形和放大处理；所述脉宽调制电路，对脉宽信号进行调制，控制功率管输出相应的脉冲宽度驱动直流电动机；所述智能控制器还包括一个微电脑控制芯片，用于分析电机传感器速度信号的微小位置变化，判断当前电动车所受力矩的变化，并根据力矩的大小变化控制脉宽调制电路的输出，控制电机相电流产生与电动车所受力矩的变化相反的变化；所述电机传感器信号处理电路输出端接所述微电脑控制芯片信号检测端，所述微电脑控制芯片的三相控制信号输出端分别接各相驱动控制电路的受控端，各相驱动控制电路的输出端接对应的电机驱动电路；所述微电脑控制芯片的脉宽信号控制端接所述脉宽调制电路的受控端。

作为本发明的进一步改进，它还设有调速信号电路，用于产生标准速度选择信号，该标准速度选择信号输入所述微电脑控制芯片，实现无极调速。

作为本发明的进一步改进，它还设有中轴传感器信号电路，中轴传感器信号电路包括中轴传感器，设于电动车中轴上，用于采集中轴的脚踩速度信号；和中轴传感器信号处理电路，用于对中轴传感器信号进行整形和放大处理，将脚踩速度转换为连续方波信号输入微电脑控制芯片；所述微电脑控制芯片进一步用于根据脚踩速度信号选择标准速度，并根据标准速度选择脉宽调制电路的输出，控制电机相电流，使电机按照设定的比例输出力矩。

作为本发明的进一步改进，在所述微电脑控制芯片和所述电机驱动电路之间设有保护电路，保护电路包括电压采样电路和电流采样电路，微电脑控制芯片通过采样电池电压和输出电流控制驱动电路输出，防止电池过放电。

电动助力自行车的智能控制方法如下：

一种电动助力自行车的智能控制方法，微电脑控制芯片执行下列步骤：

1)设定一个标准速度脉冲信号；

2)根据标准速度脉冲信号脉宽调制电路脉冲宽度信号；

3)采集电机传感器速度信号；

4)将所述标准速度脉冲信号和电机传感器速度信号作位置比较，得到动态力矩变量的矢量；

5)将该动态力矩变量与前次输出的控制脉宽调制电路脉冲宽度信号叠加后输出的脉宽信号。

作为本发明的进一步改进，上述步骤1)中还包括下列步骤：

(1)设定多个标准速度脉冲信号；

(2)根据标准速度选择信号选择一个标准速度脉冲信号。

上述多个标准速度脉冲信号之间可以形成连续变化的速度信号，现实无极调速。

作为本发明的进一步改进，所述微电脑控制芯片进一步执行下列步骤：采集中轴速度信号；根据中轴速度信号选择标准速度；根据标准速度选择脉宽调制电路的输出，控制电机相电流，使电机按照设定的比例输出力矩。

作为本发明的进一步改进，所述微电脑控制芯片还执行下列步骤：将中轴实时速度信号与标准速度脉冲信号最大值进行比较，当车行驶(中轴)速度超过设定标准速度最大值，使电机的力矩输出为零。此时电动车全由人力驱动，满足不同速度需要的人骑行和对里程长短的需求。

作为本发明的进一步改进，所述微电脑控制芯片还执行下列步骤：当微电脑通过电压采样判断电池电压低于设定值时及时关闭电机驱动输出，防止电池过放电。当微电脑通过电流采样判断电池输出电流高于设定值时及时通过PWM调节电机驱动输出，使电池输出不再增大，防止电池过放电。

本发明中电动车运行时的受力包括电机驱动力、轮胎的摩擦力、风阻、重力以及人骑行力等。电动车在实际骑行过程中，由于路况等原因，力随时发生变化。而当力发生变化时，车速并不会及时变化，所以无法通过速度采样进行控制。本专利通过微电脑分析电机传感器信号的位置的微小变化来判断当前电动车所受到力的变化。当电动车被用户设定以某一速度运行时，系统的力处于某一平衡状态。若脚踩力量增大，系统力量随即发生变化，电机内置传感器发出相应的信号给微电脑。微电脑通过电流闭环调节控制电机驱动电路减少电机相电流来减少电机出力，在车速维持原有状态不变的情况下，实现了人的骑行力与电机动力的混合，从而减少电池能量的消耗。由于这种力的混合是任意比例的，而且调节迅速，所以骑行者感觉舒适。本发明用微电脑控制芯片替代复杂的控制器电路，结构更加简单，体积减小，控制功能更加灵活和强大。在微电脑控制芯片中存入多个连续的标准速度，能够实现无极调速。

附图说明

图1是本发明实施例1电动助力自行车智能控制器结构框图

图2是本发明实施例1电动助力自行车无极调速、助力智能控制流程图

图3是本发明实施例2电动助力自行车比例助力智能控制流程图

具体实施方式

下面结合实施例做进一步说明。

实施例1

如图1所示，电动助力自行车智能控制器1，包括电机传感器信号电路、脉宽调制电路、电机驱动控制电路、电机驱动电路、中轴传感器信号电路、调速信号电路和保护电路。电机传感器信号电路包括电机传感器和电机传感器信号处理电路，电机传感器设于电机转子附近，用于采集电机转子的力矩和速度信号；电机传感器信号处理电路，用于对电机传感器信号进行整形和放大处理；脉宽调制电路，对脉宽信号进行调制，控制功率管输出相应的脉冲宽度驱动直流电动机。智能控制器1还包括一个微电脑控制芯片PIC16F73，用于分析电机传感器速度信号的位置变化，判断当前电动车所受力矩的变化，并根据力矩的大小变化控制脉宽调制电路的输出，控制电机相电流产生与电动车所受力矩的变化相反的变化；电机传感器信号处理电路输出端接PIC16F73芯片信号检测端，PIC16F73芯片的三相控制信号输出端分别接各相驱动控制电路的受控端，各相驱动控制电路的输出端接对应的电机驱动电路；PIC16F73芯片的脉宽信号控制端接所述脉宽调制电路的受控端。

中轴传感器信号电路包括中轴传感器和中轴传感器信号处理电路，中轴传感器设于电动车中轴上，用于采集中轴的脚踩速度信号；中轴传感器信号处理电路，用于对中轴传感器信号进行整形和放大处理，将脚踩速度转换为连续方波信号输入微电脑。

调速信号电路，用于设定多个标准速度，将标准速度选择信号输入所述微电脑控制芯片。

保护电路设于PIC16F73芯片和电机驱动电路之间，当微电脑通过电压采样判断电池电压低于设定值时及时关闭电机驱动输出，防止电池过放电。当微电脑通过电流采样判断电池输出电流高于设定值时及时通过PWM(脉宽调制电路)调节电机驱动输出，使电池输出不再增大，防止电池过放电。

如图2所示，电动助力自行车智能控制器的控制方法，PIC16F73芯片执行下列步骤：

1)设定多个标准速度脉冲信号；

2)根据标准速度选择信号选择标准速度脉冲信号；

3)采集电机传感器速度信号；

4)根据标准速度脉冲信号选择脉宽调制电路脉冲宽度信号；

5)将所述标准速度脉冲信号和电机传感器速度信号作位置比较，得到动态力矩变量的矢量；

6)将该动态力矩变量与前次输出的控制脉宽调制电路脉冲宽度信号叠加；

7)输出的脉宽信号。

多个标准速度脉冲信号之间形成连续的速度，微电脑控制芯片通过连续选择实现无极调速。微电脑控制芯片通过动态力矩变量的矢量控制驱动电机的脉宽信号宽度，实现在某一速度下，电力和人力的任意比例混合。

实施例2

如图3所示，本实施例中PIC16F73芯片还执行下列步骤：

采集中轴速度信号；根据中轴速度信号选择标准速度；根据标准速度选择脉宽调制电路的输出，控制电机相电流，使电机按照设定的比例输出力矩；将中轴实时速度信号与设定的标准速度脉冲信号进行比较，当车行驶(中轴)速度超过设定标准速度，控制脉宽调制电路的输出，使电机相电流减小为零，电机的力矩输出为零。此时电动车全由人力驱动，满足不同速度需要的人骑行和对里程长短的需求。

Claims (9)

1、电动助力自行车智能控制器，包括电机传感器信号电路、脉宽调制电路、电机驱动控制电路和电机驱动电路，所述电机传感器信号电路包括：电机传感器，用于采集电机转子的力矩和速度信号；和电机传感器信号处理电路，用于对电机传感器信号进行整形和放大处理；所述脉宽调制电路，对脉宽信号进行调制，控制功率管输出相应的脉冲宽度驱动直流电机；其特征是，所述智能控制器还包括一个微电脑控制芯片，用于分析电机传感器速度信号的微小位置变化，判断当前电动车所受力矩的变化，并根据力矩的大小变化控制脉宽调制电路的输出，控制电机相电流产生与电动车所受力矩的变化相反的变化；所述电机传感器信号处理电路输出端接所述微电脑控制芯片信号检测端，所述微电脑控制芯片的三相控制信号输出端分别接各相驱动控制电路的受控端，各相驱动控制电路的输出端接对应的电机驱动电路；所述微电脑控制芯片的脉宽信号控制端接所述脉宽调制电路的受控端。

2、根据权利要求1所述的智能控制器，其特征是，它还设有调速信号电路，设定多个标准速度，标准速度信号输入所述微电脑控制芯片。

3、根据权利要求1所述的智能控制器，其特征是，它还设有中轴传感器信号电路，中轴传感器信号电路包括中轴传感器，用于采集中轴的脚踩速度信号；和中轴传感器信号处理电路，用于对中轴传感器信号进行整形和放大处理，将脚踩速度转换为连续方波信号输入微电脑控制芯片；所述微电脑控制芯片进一步用于根据脚踩速度信号选择标准速度，并根据标准速度选择脉宽调制电路的输出，控制电机相电流，使电机按照设定的比例输出力矩。

4、根据权利要求1所述的智能控制器，其特征是，在所述微电脑控制芯片和所述电机驱动电路之间设有保护电路，保护电路包括电压采样电路和电流采样电路，所述微电脑控制芯片通过采样电池电压和输出电流控制驱动电路输出。

5、一种电动助力自行车的智能控制方法，其特征是，微电脑控制芯片执行下列步骤：

1)设定一个标准速度脉冲信号；

2)根据标准速度脉冲信号脉宽调制电路脉冲宽度信号；

3)采集电机传感器速度信号；

4)将所述标准速度脉冲信号和电机传感器速度信号作位置比较，得到动态力矩变量的矢量；

5)将该动态力矩变量与前次输出的控制脉宽调制电路脉冲宽度信号叠加后输出的脉宽信号。

6、根据权利要求5所述的智能控制方法，其特征是，所述步骤1)是下列步骤：

①设定多个标准速度脉冲信号；

②根据标准速度选择信号选择一个标准速度脉冲信号。

7、一种电动助力自行车的智能控制方法，其特征是，微电脑控制芯片执行下列步骤：

①采集中轴速度信号；

②根据中轴速度信号选择一个标准速度；

③根据标准速度选择脉宽调制电路的输出，控制电机相电流，使电机按照设定的比例输出力矩。

8、根据权利要求7所述的智能控制方法，其特征是，所述步骤③中微电脑控制芯片还执行下列步骤：将中轴实时速度信号与标准速度脉冲信号最大值进行比较，当中轴速度超过设定标准速度最大值，使电机的力矩输出为零。

9、根据权利要求5所述的智能控制方法，其特征是，所述微电脑控制芯片还执行下列步骤：当微电脑通过电压采样判断电池电压低于设定值时及时关闭电机驱动输出；当微电脑通过电流采样判断电池输出电流高于设定值时及时通过脉宽调制电路调节电机驱动输出。

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