CN101181876A - 用于手动操作车辆的电动助力系统 - Google Patents

Abstract

一种用于诸如自行车之类的手动操作车辆的电动助力系统，具有带霍尔传感器的踏板，和用于对自行车的驱动力助力的电机。所述霍尔传感器产生表示所述踏板的转速的信号。设置速度计数器，速度决定模块，增/减计数器，和比较器，以便随着手动控制设备的速度增加或降低，由所述电机分别增加或降低所述助力。

Description

用于手动操作车辆的电动助力系统

技术领域

本发明涉及一种用于手动操作车辆的电动助力系统，特别是涉及具有用于对踩踏力助力的电机的电动自行车。

背景技术

用于手动操作车辆的电动助力系统能够根据车辆操作者当前给出的力量来传递动力。与用纯人力来驱动车辆时的情况相比，车辆操作者利用该电动助力系统能够用较小的力来达到相同的速度。因此，操作者能够以更有效的方式来操作车辆。

目前，诸如图1所示的US2004/0206563A1，以电动自行车为例给出了在车辆上实施的电动助力系统。由扭矩传感器11感测踩踏力，扭矩传感器11将该力信息转换成信号。由决定向电机驱动模块输出多大脉冲宽度调制的单元19，21，和22处理该信号。然后，模块14控制电机13，电机13包含感测电机的转速的编码器16。来自编码器16的信息通过速度计算模块17和18反馈给单元19。从而调节该速度。

然而，使用扭矩传感器要负担较高的费用，并且导致更高的车辆价格。另一种实施电动助力系统的现有方法采用“霍尔传感器”，其中霍尔传感器用于感测大于特定阈值的车辆速度，然后在电机中命令固定的电流。该方法没有与人的动力输入成比例地控制电机功率输出的先进特性。因此，存在着来自电机的不等的功率输出，导致在高速期间来自电机的助力不足，和在低速期间来自电机的助力太多的问题。

因此，需要实现能够降低成本，同时使助力与人力相适应的先进特性。

发明内容

本发明的目的是利用霍尔传感器减少系统成本，以及实现与人力输入成比例地控制电机功率输出的先进特性。

根据本发明，一种用于手动操作车辆的电动助力系统，所述手动操作车辆具有可转动的手动控制设备，所述电动助力系统包括：速度传感器，用于检测手动控制设备的转速；速度决定模块，用于将手动控制设备的转速与参考速度比较，以检测对手动控制设备的转速是正在加速还是减速；增/减计数器，用于在手动控制设备的转速加速时增加计数，和在手动控制设备的转速减速时减小计数；电机，用于对车辆的车轮的驱动力助力；功率驱动器，用于向电机提供电能和产生表示提供给电机的当前功率等级的当前功率等级信号；和比较器，用于将转换成模拟形式的增/减计数器的计数结果与当前功率等级信号进行比较。

通过本发明，由电机传递的助力量分别随着手动控制设备的速度的增加或降低而增加或降低。因此，能够利用简单的结构，相对于踏板，即手动控制设备的速度来控制电机的功率等级。

附图说明

图1是表示电机助力系统的传统架构的方框图；

图2是表示根据本发明实施例采用霍尔传感器以及计数器的架构的方框图；

图3示出了车辆速度与两个连续的霍尔传感器信号上升沿之间的时序之间的关系；

图4示出了DAC设置(DAC setting)和对应的车辆速度之间的关系；

图5示出了两个连续的霍尔传感器信号上升沿之间的时序与DAC设置之间的关系；

图6A、6B、6C和6D是表示霍尔传感器相对于踏板的布置示意图。

具体实施方式

本发明的电机助力系统能够应用于诸如自行车、三轮车、轮椅、购物推车或其它任何有轮的各种手动操作车辆。在此，应该指出，电动自行车仅是手动操作车辆的一个实例，在此仅用于说明的目的。

在描述本发明的实际实施之前方式，首先描述与本发明有关的基本原理。

如果pi等于3.142，spd以米为单位表示自行车每秒的速度，R以米表示车轮的半径，Tw是车轮转动1圈所用的时间，则可以如下计算自行车的速度

spd＝(2*pi*R)/Tw               …(1)

对于任何手动操作车辆，操作者需要特定的设备，他或她能够通过该特定设备操作车辆。在自行车的情况下，该设备呈踏板和齿轮的形式，根据本发明，该设备装配有霍尔传感器。假设霍尔传感器连续地监视该踏板，则能够跟踪该踏板的位置信息，并由此得到其位置信息。这些霍尔传感器依次输出包含速度信息的信号。由于踏板的转动特性，来自霍尔传感器的输出信号是一系列脉冲。如果一个踏板回转产生许多脉冲，例如x个脉冲，则能够检测到来自踏板霍尔传感器的信号中的x上升沿，如果Tp是两个连续的霍尔传感器信号上升沿之间的时间，则

一个踏板回转时间＝x*Tp            (2)

如果自行车轮在一个踏板回转期间转动y圈，则可以建立时序关系：

一个踏板回转时间＝y*Tw            (3)

从等式(2)和(3)，可以得到

Tw＝(x*Tp)/y                      (4)

将(4)代入(1)，由下面的等式求出Tp与自行车速度的关系：

spd＝y*(2*pi*R/(x*Tp)             (5)

其中Tp与spd成反比。因此，踏动踏板的速度越快，两个连续的霍尔传感器信号上升沿之间的时间越短，自行车的速度越快。图3的曲线示出了该关系。

假设，(1)自行车100％由电力驱动；(2)电机电流与自行车速度成比例；(3)电机电流由DAC(数字模拟转换器)的输出控制，DAC的输出与DAC输入，DAC setting呈线性关系。

因此，

spd＝y*DAC setting             (6)

其中k是比例系数。图4中描绘了DAC setting和自行车速度spd之间的上述关系。可以看到，为了达到更高的自行车速度，需要更高的DACsetting，导致其电机电流更高和电机输出更高。

将等式(6)代入等式(5)，由下面的等式求出Tp与DAC输入，DACsetting的关系：

DAC setting＝y*(2*pi*R)/(x*k*Tp)          (7)，

图5中用实线描绘了由(7)决定的这一关系。

电动助力系统只能辅助人力，而不能超过人力。因此，只希望100％地电力驱动自行车所需的一部分功率。能够通过比例系数k来对其进行调节。在图中，用点划线，实线下移的方式来表示这一关系。该关系被预先编程到电动助力系统中。

因此，通过上述关系，很显然，可以根据预先编程的关系，用两个连续的霍尔传感器信号上升沿之间的时间来确定向用于实施电动助力系统的电机提供助力所需的DAC setting。因此，踩动踏板越快，Tp越小，DACsetting越高，助力功率越高。与此相反，踩动踏板越慢，Tp越大，DACsetting越低，助力功率越低。

对于特定的Tp，如果其对应的DAC setting在点划线(点A)的右侧上，则意味着DAC setting针对该对应的踏板速度太高，需要向下调节以匹配踏板速度。相反，DAC setting落在点划线(点B)的左侧，则意味着DAC setting针对该对应的踏板速度太小，需要向上调节以匹配踏板速度。

下面详细描述该布置的实际实施方式。

参考图2，根据本发明的电动助力系统具有踏板2，速度计数器3，速度决定模块4，增/减计数器7，n比特DAC(数字模拟转换器)9，比较器11，PWM(脉冲宽度调制)逻辑模块12，电机半桥(half bridge)功率驱动器13和电机15。电机15与自行车的车轮(未示出)相连，用于对车轮的驱动力提供助力。与霍尔传感器相关联地设置踏板2。设置有霍尔传感器的踏板通常被称为具有霍尔传感器的手动控制设备。因此，手动控制设备是可转动的。在三轮车的情况下，手动控制设备是可转动的踏板，在轮椅和购物推车的情况下，手动控制设备是车轮。霍尔传感器和速度计数器3定义速度传感器。

参考图6A，示出了霍尔传感器相对于踏板的布置实例。踏板牢固地连接到齿轮或链条GR。齿轮GR周围设置有框架RM。齿轮GR设置有与其中心等距设置的霍尔传感器H1、H2、和H3，三个霍尔传感器H1、H2、和H3相隔相等的120度角度。框架RM上设置有永磁体M1，四个N极和四个S极以45度相等的间隔角度交替布置。随着齿轮GR转动，霍尔传感器H1、H2、和H3检测到磁场的改变，导致产生脉冲，或正弦信号。随着齿轮GR转动一圈或一周，霍尔传感器H1产生四个周期的信号。通过组合来自霍尔传感器H1、H2、和H3的信号，齿轮GR转动一圈产生12个周期的信号。霍尔传感器的数量可以是除三之外的任何其它数量，并且可以位于不同的位置。图6B、6C和6D示出了设置霍尔传感器的布置的改进。霍尔传感器的数量可以是除1外的任何数量。另外，N极和S极对的数量可以是除1之外的任何数量。

参考图6B，霍尔传感器H1、H2、和H3设置在距中心等距离的位置，霍尔传感器H1和H3与霍尔传感器H2相隔60度。

参考图6C，霍尔传感器H1、H2、和H3设置在框架RM上，并且相隔120度的相等角度。齿轮GR上设置有永磁体M1，以使四个N极和四个S极以45度相等的间隔角度交替布置。

参考图6D，霍尔传感器H1、H2、和H3设置在框架RM上，霍尔传感器H1和H3与霍尔传感器H2相隔60度。

霍尔传感器连续地监视电动自行车的踏板2的速度。来自霍尔传感器1的输出信号被施加到速度计数器3。速度计数器3对来自霍尔传感器的两个连续脉冲之间的时间，例如两个连续霍尔传感器信号上升沿之间的时间进行计数，作为Tp信息。可以以下面的方式布置速度计数器3以便对单位时间的脉冲数量计数。因此，速度计数器3检测踏板2，即手动控制设备的转速。计数器输出是每单位时间的输出，踩踏踏板越快，计数值越大。因此，在每个单位时间，高值的计数结果对应于较快的踏板速度，低值对应于较慢的踏板速度。

速度决定模块4将当前踏板速度计数与作为参考速度的当前DACsetting 8进行比较。在当前踏板速度增加时，速度计数器3的输出增加。如果当前踏板速度计数3高于当前DAC setting 8，踏板决定模块输出6为HIGH。当踏板速度降低时，踏板速度计数3据此而降低。如果当前踏板速度计数3低于当前DAC setting 8，踏板决定模块输出6为LOW。于是，速度决定模块4检测手动控制设备的转速是加速还是减速。

然后，将速度决定模块4的输出6输送到增/减计数器7。增/减计数器7具有两个输入端和一个输出端。两个输入端被施加踏板速度决定模块4的输出信号6，和在踏板霍尔传感器1的每个上升沿产生的时钟信号5。该输出是增/减计数器7的计数，用其作为DAC setting 8。在时钟输入5的上升沿，当踏板决定模块的输出6是HIGH电平时，该增/减计数器7的输出8增加该计数8，当踏板决定模块的输出6是LOW电平时，该增/减计数器7的输出8减小该计数8。

然后，DAC setting 8到达n比特DAC 9。DAC 9的输入-输出特性如下：DAC setting 8的计数越高，该DAC输出电压越高；计数越低，DAC输出电压越低。

DAC 9产生由比较器11依次与当前的感测电压14进行比较的电压10。当前感测电压14是与实际电机电流成比例的电压。因此，当前感测电压14是表示提供给电机15的当前功率等级的当前功率登记信号。如果n比特DAC的输出10比当前感测电压14高，比较器11的输出变为高电平。当n比特DAC的输出10比当前感测电压14低时，比较器11的输出电压变为低电平。于是，比较器11将增/减计数器7的计数结果与当前功率等级信号14进行比较。

比较器11的输出被施加到控制电机半桥功率驱动器13的接通或断开的PWM逻辑模块12。当比较器11输出为低电平时，意味着电机电流高于n比特DAC的输出10正在命令的电流。于是，PWM逻辑模块12将以较低的占空系数来驱动电机功率驱动器。结果是，电机线圈电流降低，当比较器11输出为高电平时，意味着电机电流低于n比特DAC的输出10正在命令的电流。因此，PWM逻辑模块12将针对较高的电机电流，以较高的占空系数驱动电机功率驱动器13。当电机正在以调节的速度运行时，电流感测电压14将接近n比特DAC的输出电压10。

于是，电机传递的助力量随着手动控制设备的速度增加或降低而分别增加或降低。

该环路的控制机构说明如下。速度计数器3检测踏板霍尔传感器信号1的两个连续上升沿之间的时间，并对该时间计数。这是Tp信息，并通过速度决定模块4与目前的DAC setting 8进行比较。比较标准如图5中的点划线所示。如果使踏板2的速度降低，速度决定模块4的输出6将为LOW电平。在踏板霍尔传感器信号1的每个上升沿，产生时钟脉冲5来触发增/减计数器7。如果速度决定模块4的输出6在时钟边缘为LOW电平，计数器7则减小计数。增/减计数器的输出，或DAC setting 8将直接控制DAC9。增/减计数器7的输出计数越低，DAC输出10也越低。这样，能够总是在图5中的参考点划线的一个计数内调节DAC 9。相反，如果踏板2的速度升高，DAC 9的输出则增加，并将电机设置为更高的速度。因此，电机12能够输出与踏板速度成比例的助力。

在上述实例中，使用踏板霍尔传感器信号1的上升沿，但是也可以使用任何其它部分，例如下降沿或峰值点。

在上述实例中，能够只用模拟信号，或只用数字信号来执行控制。这种情况下，不需要DAC。另外，使用PWM逻辑模块的电机半桥功率驱动器13可以是任何其它类型的功率驱动器。

上述就给出的优选实施例而言揭示的本发明不应解释为对本发明的限定。在阅读揭示的本发明的内容之后，各种替换和改进对本领域技术人员来说是显而易见的。很显然，这些替换和改进落入本发明的精神和范围内。此外，可以理解，所附权利要求的目的是覆盖这些替换和改进。

Claims (8)

1.一种用于手动操作车辆的电动助力系统，所述手动操作车辆具有可转动的手动控制设备，所述电动助力系统包括：

速度传感器，用于检测所述手动控制设备的转速；

速度决定模块，用于将所述手动控制设备的转速与参考速度比较，以检测对所述手动控制设备的转速是加速还是减速；

增/减计数器，用于在所述手动控制设备的转速加速时增加计数，和在所述手动控制设备的转速减速时减小计数；

电机，用于对所述车辆的车轮的驱动力助力；

功率驱动器，用于向所述电机提供电能，和产生表示提供给所述电机的当前功率等级的当前功率等级信号；和

比较器，用于增/减计数器的计数结果与当前功率等级信号进行比较，

由此所述电机传递的助力量随着所述手动控制设备的速度增加或降低而分别增加或降低。

2.根据权利要求1所述的电动助力系统，其中所述速度传感器包括与所述手动控制设备相关联地设置的霍尔传感器，用于相对于所述手动控制设备的转速产生脉冲；和速度计数器，用于对两个连续脉冲之间的时间进行计数。

3.根据权利要求1所述的电动助力系统，进一步包括数字模拟转换器，用于把增/减计数器的数字格式的计数转换成模拟格式。

4.根据权利要求1所述的电动助力系统，其中所述功率驱动器包括电机功率驱动器和脉冲宽度调制逻辑模块。

5.根据权利要求1所述的电动助力系统，其中所述手动控制设备是具有齿轮的踏板。

6.根据权利要求5所述的电动助力系统，其中所述霍尔传感器设置在齿轮上，和在所述齿轮周围设置的框架上设置永久磁体。

7.根据权利要求5所述的电动助力系统，其中所述霍尔传感器设置在齿轮周围设置的框架上，和在所述齿轮上设置永久磁体。

8.一种用于根据权利要求1所述的手动操作车辆的电动助力系统的方法，所述手动操作车辆具有对车辆助力的可转动手动控制设备，所述方法包括步骤：

感测所述手动控制设备的转速，和利用速度传感器提取该速度信息；

将该信息与指定的关系进行比较，以由所述速度决定模块检验所述手动控制设备正在加速还是减速；

根据比较结果更新增/减计数器的输出计数，和由此产生与计数器输出成比例的计数结果，所述计数器输出通过所述电机来控制驱动电流；

由模拟比较器将所述计数结果与由电机功率驱动产生的当前功率等级信号进行比较，和由此产生比较结果作为脉冲宽度调制命令信号；

由电机功率驱动器通过来自脉冲宽度调制逻辑模块的脉冲宽度调制信号直接驱动所述电机，其中脉冲宽度调制逻辑模块根据脉冲宽度调制命令信号来产生脉冲宽度调制信号。

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