CN101183845A - 用于车辆的电机速度控制器 - Google Patents

Abstract

一种在自行车中使用的电机速度控制器，包括提供推进力以使自行车移动的电机。比较实际电机速度和目标电机速度，如果实际电机速度较低，则向电机提供更大电流，如果实际电机速度较高，则向电机提供较小的电流。

Description

用于车辆的电机速度控制器

技术领域

本发明涉及一种用于车辆的电机速度控制器，特别是涉及电动自行车的电机速度控制器。

背景技术

目前，电动车辆制造商通常采用可编程的微控制器方案来控制车辆速度。美国专利No.6727668B1揭示了这些方案中的一种，图1示出了该方案的方框图。

在可编程微控制器144中对控制算法预先编程，外部输入之一是用户的油门调节命令。多相电机110由转子120和定子130构成。直流源140通过开关组142驱动电机的不同相位，控制器144通过选通(gate)驱动器146控制所述开关组142。电流传感器148把不同相位的电流状况反馈给控制器144，同时分别通过位置传感器146和速度近似器150反馈位置和速度信息。控制器144根据这些反馈信号调节开关组142，以实现参考，用户输入。

然而，由于使用了可编程微控制器，该方案比较昂贵。本发明利用简单的逻辑门和计数器来实施电机速度控制器，从而克服了该缺陷。可以很容易地将逻辑门和计数器集成到硅中，从而提供不需要可编程微控制器的低成本系统解决方案。

发明内容

本发明的目的是用包括简单的逻辑门和计数器的便宜且简单的方案来替换电机控制系统中的可编程微控制器。

根据本发明，用于车辆的电机速度控制器包括：电机，用于提供使车辆移动的推动力；设置在电机上的位置传感器，用于产生电机的位置信息；电机速度计数器，用于产生实际的电机速度信号；电机功率驱动器，用于向电机传递电能，并产生驱动电流信号；脉冲宽度调制(PWM)逻辑控制，用于根据位置信息和PWM命令信号来控制电机功率驱动器；模拟比较器，用于将驱动电流信号与驱动控制信号进行比较，和产生PWM命令信号；输入电压设置设备，用于产生目标电机速度信号；模拟比较器，用于将实际电机速度信号与目标电机速度信号进行比较，和产生比较结果；和增/减计数器，用于根据比较结果增加或减小计数数量，和产生驱动控制信号。

本发明与现有技术的主要区别是替换了其中对控制算法编程的(如图1中所示的)可编程微控制器144。

根据本发明，采用便宜并且易于集成到硅芯片上的逻辑门、比较器和计数器来实现控制环路。本发明特有的特征是利用模拟比较器将车辆用户的输入命令与电机的运行速度进行比较，用于速度决定命令。增/减计数器利用该速度决定命令来控制电机的速度。增/减计数器的使用提供了在开环和闭环操作之间无缝地进行切换，在DAC值中没有突然改变时对速度环路没有太多的扰动的优点。一次只改变一个计数的增/减计数器的特性也因此使该系统更稳定。通过增加锁存器和用于把参考速度与实际速度进行比较的数字比较器能够实现诸如巡航控制功能之类的附加特性。

附图说明

图1是表示采用可编程微控制器的传统电机速度控制方案的方框图；

图2是表示采用根据本发明实施例的简单计数器和逻辑电路的电机速度控制架构的方框图；和

图3示出了PWM信号相对于内部时钟和电流传感电压的时序图。

具体实施方式

根据本发明的、用于车辆的电机速度控制器可以应用于诸如自行车、三轮车、轮椅、购物推车或任何具有轮子的其他车辆之类的许多种电动车辆。在此，以电动自行车为例进行说明。应该指出，电动自行车只是电动车辆的一个实例，在此仅用于说明的目的。

用于车辆的电机速度控制器能够以两种模式工作，即，油门调节模式和巡航模式。下面说明油门调节模式的配置。

参考图2，用于车辆的电机速度控制器具有与自行车的车轮(未示出)相连的电机11，用于向车轮提供驱动力，和一个或多个位置传感器12，用于检测电机的角度位置以及电机的角速度。电机速度控制器还具有下列装置。电机速度计数器13，用于根据来自位置传感器12的电机的角速度来产生实际的电机速度信号。N比特DAC(数字模拟转换器)，比较器2，用于把实际的电机速度信号与从输入电压设置设备1产生的目标电机速度信号进行比较。操作者可以转动输入电压设置设备1上的拨号盘(未示出)，以设置目标电机速度。比较器2产生比较结果，例如，当目标电机速度信号高于实际电机速度信号时，产生HIGH(高)电平，而当目标电机速度信号低于实际电机速度信号时，产生LOW(低)电平。开关3用于在油门调节模式操作和巡航模式操作之间进行选择。如果输入到增/减计数器4的是HIGH电平，增/减计数器4增加计数，如果输入到增/减计数器4的是LOW电平，增/减计数器4减小计数，和产生驱动控制信号5。N比特DAC 6把数字格式的驱动控制信号5转换成模拟格式7。比较器8将驱动控制信号7与驱动电流信号22进行比较，并产生PWM命令信号。PWM(脉冲宽度调制)逻辑模块9从比较器8和内部时钟24接收PWM命令信号，并产生PWM信号23。电机功率驱动器10接收PWM信号23，向电机11提供驱动电流，并且还产生驱动电流信号22。提供上述配置来执行油门调节模式操作。

用于车辆的电机速度控制器还具有用于执行巡航模式操作的下列装置。

当操作者选择巡航模式操作时，巡航模式选择模块18产生巡航模式选择信号20。电机速度计数器捕获经锁定开关19传送到锁存器17的实时速度信息。响应巡航选择信号20的启动边缘，锁定开关19瞬时断开电机速度计数器13与锁存器17的连接。于是，锁存寄存器17锁存刚好在巡航模式选择信号20的启动边缘之前的最新的电机速度信号。数字比较器21把来自锁存器17的锁存电机速度信号与来自电机速度计数器13的当前电机速度信号(锁存之后产生的电机速度信号)进行比较。比较器21产生速度比较结果。例如，如果当前的电机速度高于锁存的电机速度信号，比较器21则产生LOW电平，如果当前的电机速度低于锁存的电机速度信号，比较器21则产生HIGH电平。开关3在比较器2和数字比较器21之间有选择地改变到增/减计数器4的连接。当产生巡航模式选择信号20时，开关3转动到将数字比较器21与增/减计数器4相连。未产生巡航模式选择信号20时，开关3转动到将比较器2与增/减计数器4相连。

接下来，描述油门调节模式操作。

比较器2从输入电压设置设备1接收目标电机速度信号，该目标电机速度信号呈由自行车骑行者命令的电动自行车的油门调节电压的形式。

目标电机速度信号被输送到模拟比较器2的非倒相输入端(由“+”表示)。来自n比特DAC 15的实际电机速度信号16被输送到比较器2的倒相输入端(由“-”表示)。当在其非倒相输入端的电压电平高于或低于其倒相输入端的电压电平时，分别将其设置为HIGH电平或LOW电平。

模拟比较器2的输出通过开关3被施加到增/减计数器4。当模拟比较器2的输出是HIGH电平时增/减计数器4进行递增计数，而当模拟比较器2的输出是LOW电平时增/减计数器4进行递减计数。增/减计数器4的输出是直接施加到n比特DAC 6的输入端的n比特二进制码5。n比特DAC 6将二进制码5转换成模拟信号7，即驱动控制信号。

随后，模拟比较器8将驱动控制信号7与驱动电流信号22进行比较。驱动电流信号22与电机11中的驱动电流成比例。比较器8的输出被作为PWM命令信号施加到控制电机功率驱动器10的接通和断开的PWM逻辑模块9，电机功率驱动器10可以是半桥功率驱动器10，或任何其他类型的功率驱动器。

参考图3，示出了驱动控制信号7与驱动电流信号22，以及PWM信号之间的时序关系。当PWM信号23接通时，开始从电机功率驱动器10向电机11提供电流。于是，驱动电流信号22响应PWM信号23的接通而开始增加。然后，当驱动电流信号22变得等于或超过驱动控制信号7时，比较器8产生LOW(PWM命令信号)以终止PWM信号23。于是，停止从电机功率驱动器10向电机11提供电流。在电机11的每个相位之后产生的每个内部时钟24之后执行该操作。

对于多相电机，包含来自位置传感器12的位置信息25的反馈信号被输送到PWM逻辑模块9。在PWM逻辑模块9内对该位置反馈信号解码，和确定接通或断开电机的哪个相位。重复整个过程，并形成控制电机的不同相位的占空系数的电流感测环路。

当比较器8输出LOW电平时，意味着电机电流高于驱动控制信号7正在命令的内容，或是实际电机速度高于想要的速度。因此，PWM逻辑模块9将通过电流感测环路以较低的占空因数命令电机功率驱动器10。结果是，电机电流降低，导致较低的电机速度。

当比较器8输出HIGH电平时，意味着电机电流低于驱动控制信号7正在命令的内容，或是实际电机速度低于想要的速度。因此，PWM逻辑模块9将针对更高的电机电流和电机速度，以更高的占空系数来驱动电机功率驱动器10。

电机装配有位置传感器12，可以是霍尔传感器的形式。这些霍尔传感器的输出是由电机速度计数器13捕获的实时速度信息。电机速度计数器13的目的是计数和提取两个连续的霍尔传感器信号边缘之间的时间，从而获得该速度。

电机速度越快，电机速度计数器输出14的计数值越高。计数器输出14被施加到n比特DAC 15，n比特DAC 15向模拟比较器2输出实际的电机速度信号16。

对处在油门调节模式下的系统的控制如下：位置传感器12把速度信息输送到电机速度计数器13。随后，电机速度计数器13向n比特DAC 15输出n比特二进制代码14。当电机速度较低时，DAC 15输出低实际电机速度信号16。如果实际电机速度信号16低于来自输入电压设置设备1的目标电机速度信号，模拟比较器2产生HIGH电平。增/减计数器由此增加其计数，导致来自DAC 6的较高驱动控制信号7。电机根据来自比较器8的比较结果来要求更大的电流，和增加速度。速度信息再次输送给电机速度计数器13。相反，当速度高时，控制机构将通过降低电机中的电流来调节。

最后，将实际电机速度信号16设置到接近目标电机速度信号的电压电平，和增/减计数器输出5在+/-1的计数范围内计数。从而由目标电机速度信号设置电机11中的电流。

接下来，描述巡航模式操作。

通过同时锁存电机速度信号和转动开关3到闭合环路模式来设置巡航模式操作。在这种模式中，不使用输入电压设置设备1，模拟比较器2和n比特DAC 15。

在启动巡航模式之前，电机必须处在运行状态。当达到所希望的速度时，能够在启动巡航模式时锁定电机速度。

在电机运行时，电机速度计数器13一直在运行，以产生实时的电机速度数据。通过开关19传送电机速度信号并临时保存到锁存器17。

在巡航模式启动时，将最新的速度锁存到锁存器17，并变成参考速度。参考速度用于与可从电机速度计数器13提供的实际电机速度进行比较。

比较器21是将来自13的实际电机速度计数与来自17的锁存速度计数进行比较的数字比较器。当实际速度低于参考速度时，比较器21的输出为HIGH电平，当实际速度高于参考速度时，比较器21的输出为LOW电平。

按下面的方式控制处在巡航模式下的系统：电机速度计数器13从位置传感器12捕获是实时速度信息。数字比较器17将该信息与来自锁存器17的参考信息进行比较。如果当前速度低于参考速度，比较器21输出HIGH信号。增/减计数器4通过开关3接收该高信号来使计数值递增，从而导致DAC 6在7处的输出更高。电机11根据来自比较器8的比较结果来要求更大的电流，并提高速度。将速度信息再次输送到电机速度计数器13。相反，当实际速度变成上述参考速度时，比较器21的输出变成LOW电平，增/减计数器4递减该计数值。由此设置了DAC 6在7处的输出更低，并且向下调节速度。由此使控制环路闭合。

最后，将DAC 6的输出7设置到使实际速度接近参考速度和增/减计数器4在+/-1的计数范围内计数的电平。这就是要调节到的电机速度。

根据本发明，可以配置用于车辆的电机速度控制器仅在油门调节模式操作下工作。这种情况下，在图2中，可以省略方框3，17，18，19，和21。

另外，根据本发明，可以配置用于车辆的电机速度控制器仅在巡航模式操作下工作。这种情况下，在图2中，可以省略方框1，2，和15。

下面是上述手动操作车辆的电动助力系统控制器的突出特征。

1)电机速度控制环路能够通过巡航模式选择模块实现在油门调节模式或巡航模式中工作。

2)可以以数字脉冲或模拟电压信号的形式从位置传感器提供有关电机的速度信息。由速度监视电路处理该速度信息，以转换成内部速度指示信号，该内部速度指示信号与用来和外部输入的、由车辆使用者命令的信号进行比较的电机的实际速度成比例。该外部输入的信号命令是使用者希望的电机速度。如果内部速度指示信号指示实际电机速度低于操作者希望的速度，速度控制环路以通过电机驱动更大的电流以实现更高的速度的方式来进行反应。相反，如果内部速度指示信号指示实际电机速度高于操作者希望的速度，速度控制环路以通过电机命令较小的电流以实现更低的速度的方式来进行反应。

3)当内部速度指示信号低于表示车辆使用者希望的速度的电压时，其比较结果将以该计数器输出强制更高电流以提高电机速度的方式来驱动增/减计数器4进行改变。相反，当内部速度指示信号高于表示车辆使用者希望的速度的电压时，其比较结果将以该计数器输出强制更低的电流以降低电机速度的方式来驱动增/减计数器4进行改变。

4)当电机速度达到车辆使用者希望的速度时，在启动巡航模式时，锁存该电机速度作为参考。可以以数字脉冲或模拟电压信号的形式从位置传感器提供有关电机的实时速度信息。速度监视器电路处理该速度信息，以便将该速度信息转换成与要用于与锁存的参考进行比较的电机的实际速度成比例的速度指示信号。如果速度指示信号指示实际电机速度低于锁存的参考，速度控制环路以通过电机驱动更大的电流来实现更高速度的方式进行反应。相反，如果速度指示信号指示实际电机速度高于锁存的参考，速度控制环路以通过电机命令更小的电流来实现更低速度的方式进行反应。

5)当速度指示信号低于锁存的参考时，其比较结果以该计数器输出在电机中强制更高的电流以增加电机速度的方式来驱动增/减计数器4进行改变。相反，当速度指示信号高于锁存的参考时，其比较结果以该计数器输出在电机中强制更低的电流以降低电机速度的方式来驱动增/减计数器4进行改变。

6)当车辆操作者中将操作模式从油门调节模式改变为巡航模式时，该巡航模式选择模块把增/减计数器4的输入从模拟比较器改变到数字比较器，模拟比较器的目的是把与当前的速度等级对应的电压等级与外部的使用者输入电压进行比较，数字比较器的目的是把呈计数值形式的当前速度等级与呈计数值形式的锁存参考速度等级进行比较。该巡航模式选择模块还将锁存器与电机速度计数器断开，在锁存器中锁存最新的电机速度。

7)当车辆操作者中将操作模式从巡航模式改变为油门调节模式时，该巡航模式选择模块把增/减计数器4的输入改变到模拟比较器，其目的是把与当前的速度等级对应的电压等级与外部的使用者输入电压进行比较。该巡航模式选择模块还将锁存器与电机速度计数器相连，以便传送和在锁存器中临时存储最新的电机速度。

上面针对给出的优选实施例揭示的本发明不应解释为对本发明的限制。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 (11)

1.一种用于车辆的电机速度控制器，包括：

电机，用于提供使所述车辆移动的推动力；

设置在所述电机上的位置传感器，用于产生所述电机的位置信息；

电机速度计数器，用于产生实际的电机速度信号；

电机功率驱动器，用于向所述电机传递电能，并产生驱动电流信号；

脉冲宽度调制逻辑控制，用于根据所述位置信息和脉冲宽度调制命令信号来控制电机半桥功率驱动器；

模拟比较器，用于将驱动电流信号与驱动控制信号进行比较，和产生脉冲宽度调制命令信号；

输入电压设置设备，用于产生目标电机速度信号；

模拟比较器，用于将实际的电机速度信号与目标电机速度信号进行比较，和产生比较结果；和

增/减计数器，用于根据所述比较结果增加或减小计数数量，并产生驱动控制信号。

2.根据权利要求1所述的电机速度控制器，进一步包括：

巡航模式选择模块，用于产生巡航模式选择信号；

锁定开关，用于响应巡航模式选择信号的起始边缘而瞬时接通；

锁存器，用于响应所述锁定开关的接通来锁存实际的电机速度信号；

数字比较器，用于将来自所述锁存器的锁存电机速度信号与来自所述电机速度计数器的实际的电机速度信号进行比较，和产生速度比较结果；和

选择开关，用于在所述模拟比较器和所述数字比较器之间改变到所述增/减计数器的连接。

3.一种用于车辆的电机速度控制器，包括：

电机，用于提供使所述车辆移动的推动力；

设置在所述电机上的位置传感器，用于产生所述电机的位置信息；

电机速度计数器，用于产生实际的电机速度信号；

电机功率驱动器，用于向所述电机传递电能，并产生驱动电流信号；

脉冲宽度调制逻辑控制，用于根据位置信息和脉冲宽度调制命令信号来控制电机半桥功率驱动器；

模拟比较器，用于将驱动电流信号与驱动控制信号进行比较，和产生脉冲宽度调制命令信号；

增/减计数器，用于根据比较结果增加或减小计数数量，并产生驱动控制信号；

巡航模式选择模块，用于产生巡航模式选择信号；

锁定开关，用于响应所述巡航模式选择信号的起始边缘而瞬时接通；

锁存器，用于响应所述锁定开关的接通来锁存实际的电机速度信号；和

数字比较器，用于将来自所述锁存器的锁存电机速度信号与来自所述电机速度计数器的实际的电机速度信号进行比较，和产生速度比较结果。

4.根据权利要求3所述的电机速度控制器，进一步包括：

选择开关，用于在所述模拟比较器和所述数字比较器之间改变到所述增/减计数器的连接。

5.一种用于控制车辆的方法，所述车辆具有根据权利要求1所述的电机速度控制器，所述方法包括：

向输入电压设置设备输入电压信号，以产生目标电机速度信号；

由所述模拟比较器将目标电机速度信号与所述电机速度计数器捕获的实际的电机速度信号进行比较，和产生其比较结果；

根据所述比较结果更新所述增/减计数器输出的计数，并产生与计数器输出成比例的驱动控制信号；

由所述模拟比较器将驱动控制信号与由所述电机功率驱动产生的驱动电流信号进行比较，并产生比较结果作为脉冲宽度调制命令信号；

由所述电机功率驱动器按照来自所述脉冲宽度调制逻辑模块的脉冲宽度调制信号来驱动所述电机，其中所述脉冲宽度调制逻辑模块根据脉冲宽度调制命令信号和由所述位置传感器捕获的电机位置信息来产生脉冲宽度调制信号；

利用所述位置传感器和所述电机速度计数器来产生速度信息，和产生实际的电机速度信号。

6.一种用于控制车辆的方法，所述车辆具有根据权利要求3所述的电机速度控制器，所述方法包括：

由所述巡航模式选择模块起动车辆巡航模式；

捕获和锁存最新的车辆速度，作为所述锁存器和所述锁定开关的参考信号；

由所述数字比较器将参考信号与由所述电机速度计数器捕获的实际的电机速度进行比较，和产生其比较结果；

根据所述比较结果更新所述增/减计数器输出计数，和产生与计数器输出成比例的驱动控制信号；

由所述模拟比较器将驱动控制信号与由所述电机功率驱动产生的驱动电流信号进行比较，和产生比较结果作为脉冲宽度调制命令信号；

由所述电机功率驱动器按照来自所述脉冲宽度调制逻辑模块的脉冲宽度调制信号来驱动所述电机，其中所述脉冲宽度调制逻辑模块根据脉冲宽度调制命令信号和由所述位置传感器捕获的电机位置信息来产生脉冲宽度调制信号；

由所述位置传感器和所述电机速度计数器来产生速度信息，和产生实际的电机速度信号。

7.一种用于控制车辆的方法，所述车辆具有根据权利要求2所述的电机速度控制器，所述方法包括：

将所述控制器初始化到油门调节模式；

向输入电压设置设备输入电压信号，以产生目标电机速度信号；

所述模拟比较器将目标电机速度信号与由所述电机速度计数器捕获的、并转换成模拟形式的实际的电机速度信号进行比较，和产生其比较结果；

根据所述所述模拟比较器的比较结果，更新所述增/减计数器的输出计数，并产生与所述计数器输出成比例的驱动控制信号；

由所述模拟比较器将驱动控制信号与由所述电机功率驱动产生的驱动电流信号进行比较，和产生比较结果作为脉冲宽度调制命令信号；

由所述电机功率驱动器按照来自所述脉冲宽度调制逻辑模块的脉冲宽度调制信号来驱动所述电机，其中所述脉冲宽度调制逻辑模块根据脉冲宽度调制命令信号和由所述位置传感器捕获的电机位置信息来产生脉冲宽度调制信号；

由所述位置传感器和所述电机速度计数器来产生速度信息，和以数字形式产生实际的电机速度信号，并由数字模拟转换器将该信号转换成模拟形式。

8.根据权利要求6所述的控制车辆的方法，进一步包括：

保持油门调节模式操作，直到车辆巡航模式启动，其中由所述巡航模式选择模块初始巡航模式启动，和使输入电压设置设备的、和后面的模拟比较器的机能不起作用，而使所述数字比较器的机能起作用；

保持巡航模式操作，直到车辆巡航模式解除，其中由所述巡航模式选择模块初始巡航模式解除，和使输入电压设置设备的、和后面的模拟比较器的机能起作用，而使所述数字比较器的机能不起作用。

9.一种控制车辆的电机速度控制方法，所述车辆具有提供使所述车辆移动的推动力的电机，所述方法包括：

产生所述电机的位置信息；

产生实际的电机速度信号；

向所述电机传递电能，并产生驱动电流信号；

根据位置信息和脉冲宽度调制命令信号来控制所述电机；

将驱动电流信号与驱动控制信号进行比较，和产生脉冲宽度调制命令信号；

产生目标电机速度信号；

将实际的电机速度信号与目标电机速度信号进行模拟比较，并产生比较结果；和

根据所述比较结果增加或降低驱动控制信号的水平，和产生驱动控制信号。

10.根据权利要求9所述的电机速度控制方法，进一步包括：

产生巡航模式选择信号；

响应巡航模式选择信号的起始边缘而瞬时接通；

响应所述接通来锁存实际的电机速度信号；

将锁存的电机速度信号与实际的电机速度信号进行数字比较，和产生速度比较结果；和

在模拟比较和所述数字比较之间改变到所述增/减计数器的连接。

11.一种控制车辆的电机速度控制方法，所述车辆具有提供使所述车辆移动的推动力的电机，所述方法包括：

产生所述电机的位置信息；

产生实际的电机速度信号；

向所述电机传递电能，并产生驱动电流信号；

根据位置信息和脉冲宽度调制命令信号来控制所述电机；

将驱动电流信号与驱动控制信号进行比较，和产生脉冲宽度调制命令信号；

产生巡航模式选择信号；

响应所述巡航模式选择信号的起始边缘而瞬时接通；

响应所述接通来锁存实际的电机速度信号；

将来自锁存器的锁存电机速度信号与来自电机速度计数器的电机速度信号进行比较，和产生速度比较结果；和

根据比较结果增加或降低驱动控制信号的水平，并产生驱动控制信号。

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