CN101229780A - 用于电动自行车的电动机驱动器控制器 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制装配在电动自行车中的电动机的电动器驱动器控制器，包括：电源模块，用于为所述电动机供电；模式选择模块，用于在踏板辅助模式和限速/巡航模式之间进行模式选择。踏板辅助模式由用于检测自行车踏板速度的踏板辅助模块控制。限速/巡航模式由电压跟踪跟随模块控制，所述电源跟踪跟随模块产生指示要从电源模块提供给电动机的电力的信号。

Description

用于电动自行车的电动机驱动器控制器
技术领域
本发明涉及一种用于电动自行车的电动机驱动器控制器，更具体地，涉及一种能够以限速(throttle)模式、巡航模式和踏板辅助模式中的任何一种模式运行的电动自行车。
背景技术
现在的电动自行车制造商都致力于为骑车人提供高度的舒适性和简易的操作性，并利用具有鲁棒的可编程能力的可编程微控制器实现这一目的。美国专利6,684,971 B2提供了这样一种示例，图1和图2分别示出了该示例的方框图和状态图。
该控制器可实现不同的运行模式，为骑车人提供不同的骑行体验。如图1所示，该控制器能够通过不同的传感器来检测限速状态、踩踏(tread)和速度，并据此实现模式切换(图2)。在不同的模式下，电动机能提供不同级别的动力以驱动自行车；这些动力级别的设定值已预先编程在处理器单元(可编程微控制器)中。
但是，这种采用可编程微控制器的解决方案成本很高。本发明克服了这一缺点，利用简单的逻辑门和计数器即可实现电动机驱动器控制器，并能容易地集成到硅材料中，由此提供了不需要使用可编程微控制器的低成本系统解决方案。
发明内容
本发明目的是在单一的电动机驱动器控制器芯片上实现诸如限速控制、巡航控制和踏板辅助控制等不同的电动自行车运行模式。此专用的低成本电动自行车芯片可取代电动自行车目前采用的可编程微控制器，从而降低系统成本。
根据本发明，所述，电动机驱动器控制器包括：电动机驱动器桥，用于向电动机输送电力，并产生驱动电流信号；PWM逻辑控制器，用于根据位置信息、驱动电流信号和PWM命令信号，对电动机驱动器桥实施控制；边缘检测器，用于以与所述电动机的转速成正比的频率提供固定宽度脉冲；误差放大器，用于强制电动机速度跟踪电动机速度设置信号；模拟比较器，用于根据误差放大器输出和三角波形，生成PWM命令信号；窗口比较器，用于将电动机速度设置信号与目标电动机速度信号进行比较，并生成比较结果；S-R锁存器，用于根据窗口比较器结果，确定电动机速度设置信号与目标电动机速度信号之间的关系；巡航模式选择模块，用于启用或停用巡航运行模式；升/降计数器，用于根据S-R锁存器结果和时钟信号，增加或减小计数数值；踏板速度计数器，用于对电动自行车踏板的速度进行计数；解码器，用于确定电动自行车踏板的速度范围；开关组，用于根据解码器结果有选择地导通；模拟比较器，用于根据通过唯一闭合的开关的电压电平和三角波形，生成PWM命令信号；以及踏板辅助模式选择模块，用于有选择地传输由模拟电压跟踪跟随模块或踏板辅助模块产生的PWM命令信号。
本发明与现有技术的主要不同之处在于；取代了可编程微控制器(图1所示的处理器单元86，其中预先编程有控制算法)。
附图说明
图1为根据现有技术、采用可编程微控制器的电动自行车的方框图；
图2为电动自行车控制器的不同运行模式的状态图；以及
图3为根据本发明的电动自行车电动机速度控制器的方框图。
具体实施方式
本发明的电动机驱动器控制器设计用于电动自行车。本发明的电动自行车电动机驱动器控制器能够以三种模式运行，即限速(throttle)模式、巡航模式和踏板辅助模式。下文首先阐述限速模式的结构。
如图3所示，根据本发明的电动自行车电动机速度控制器系统包括三个主要模块：(1)模拟电压跟踪跟随模块27；(2)电动机速度控制环路28；以及(3)踏板辅助模块35。
模拟电压跟踪跟随模块27包括：窗口比较器2，用于将目标电动机速度信号1与电动机速度设置信号12进行比较；S-R锁存器6，用于根据窗口比较器2输出3a和4a，生成计数器控制信号；巡航模式选择模块7，用于选择限速或巡航模式；升/降计数器10，用于在限速模式下，响应时钟CLK事件，当施加在其“输入”处的计数器控制信号为“高”时，递增计数，当计数器控制信号为“低”时，递减计数；以及n位DAC(数字到模拟转换器)11，用于将计数器10的输出转换为模拟电动机速度设置信号12。
本电动自行车电动机速度控制器中的电动机速度控制环路28包括下列元件：
(1)连接至自行车轮(未示出)的电动机23，用于向车轮传送驱动力；
(2)一个或多个位置传感器21，用于检测电动机角位置；
(3)边缘检测器24，用于以与电动机转速成正比的频率生成预设频宽脉冲25；
(4)误差放大器13，用于对脉冲25进行积分，并跟踪电动机速度设置信号12；
(5)模拟比较器14，用于根据三角波形及误差放大器输出，生成PWM命令信号16；
(6)踏板辅助模式选择模块15，用于根据当前所选运行模式，有选择地传输PWM命令信号，以驱动电动机；
(7)PWM(脉冲宽度调制)逻辑模块17，用于接收PWM命令信号16、驱动电流信号20及实时电动机位置信息22，并生成PWM信号18；
(8)电动机驱动器桥19，用于接收PWM信号18，为电动机23提供驱动电流，并生成驱动电流信号20。驱动电流信号20用于限制电动机电流。位置传感器21持续监控电动机23，并提供电动机23不同阶段的位置信息。位置信息决定了输出给不同阶段的PWM信号。上述结构用于执行限速运行模式操作。
为了执行踏板辅助运行模式操作，车辆的电动机速度控制器还包括下列部件。
如图3所示，踏板辅助模块包括下列元件：
(1)踏板速度计数器29，用于对踏板速度进行计数，即踏板被踩踏的速度；
(2)解码器31，用于对当前速度范围进行解码，并选择踏板辅助级别；
(3)开关组32，用于根据解码器结果而导通；
(4)模拟比较器34，用于根据通过唯一闭合的开关的电压电平和三角波形，生成PWM命令信号。
在图3中，模拟电压跟踪跟随模块27与电动机速度控制环路28一起定义了闭合环路，而踏板辅助模块35与电动机速度控制环路28一起定义了开放环路。
下文，详述限速模式操作。
窗口比较器2接收目标电动机速度信号1，目标电动机速度信号1以由骑车人设定的电动自行车限速电压的形式出现。
将目标电动机速度信号1馈入比较器3的非反相输入和比较器4的反相输入，而将电动机速度设置信号12馈入比较器3的反相输入。将相对于电动机速度设置信号12、由于通过元件5而具有特定电压降V的信号馈入比较器4的非反相输入。在一种情况下，当目标电动机速度信号1高于当前电动机速度设置信号12，即需要增加电动机速度设置信号12以跟踪目标电动机速度信号1时，相应比较器3和4的输出3a和4a将分别为“高”和“低”。因此，S-R锁存器6执行“置位”动作。由于未启用巡航模式，因此升/降计数器10响应CLK事件，增加其计数。DAC11将此数字计数信息转换为模拟格式，即转换为电动机速度设置信号12。
在另一情况下，当目标电动机速度信号1比当前电动机速度设置信号减去元件5处的电压降V所得的差值还低，即需要降低电动机速度设置信号以跟踪目标电动机速度信号1时，相应比较器3和4的输出3a和4a将分别为“低”和“高”。因此，S-R锁存器执行“复位”动作，从而自升/降计数器输出递减计数，并得到降低电平的电动机速度设置信号。
在又一情况下，当目标电动机速度信号1低于当前电动机速度设置信号12，但高于当前电动机速度设置信号减去元件5处的电压降V所得的差值，即电动机速度设置信号已经跟踪目标电动机速度信号1时，比较器3和4的输出将均为“低”。因此，S-R锁存器保持在先输出，升/降计数器也因为无CLK事件触发而保持其在先输出。
将电动机速度设置信号12馈入电动机速度控制环路，通过所述电动机速度控制环路，电动机速度能够跟踪电动机速度设置信号12。误差放大器13通过以误差信号放大器输出持续调节PWM命令信号16的占空比，强制电动机速度跟踪电动机速度设置信号。将电动机速度控制环路28的反馈信号馈入误差放大器13的负输入。如果电动机速度低于电动机速度设置信号12，误差放大器13将输出更高电压电平。结合在其非反相输入具有三角波形的比较器14以及PWM逻辑17，误差放大器13的高电压输出可形成具有更高占空比18的PWM信号，从而以更高的速度驱动电动机。边缘检测器24检测到更高的电动机速度，并相应地输出脉冲，所述脉冲具有预设脉宽，频率与电动机转速成正比。将该脉冲2馈入误差放大器13的负输入，从而使电动机速度控制环路闭合。
另一方面，如果电动机速度信号高于电动机速度设置信号，误差放大器13则输出较低电平的电压，最终调节电动机以较低的速度运转。
下文，详述巡航模式操作。
当电动自行车运动速度已满足骑车人的需要时，即可启用巡航模式。此后，自行车将以此速度巡航。
巡航模式通过巡航模式选择模块7来触发。启用后，升/降计数器10不再接收到任何CLK事件，因此，升/降计数器10保持紧接在启用巡航模式前的输出。因此，跟踪跟随模块27锁存电动机速度设置信号12。将这样得到的电动机速度设置信号12馈入电动机速度控制环路28。电动机速度控制环路中的控制机制与上文所述内容相同。
下文，详述踏板辅助模式操作。
电动自行车踏板配备有霍尔传感器。假设霍尔传感器持续监控踏板，则能够跟踪踏板的位置信息，从而跟踪其速度信息。这些霍尔传感器顺序输出包含速度信息的信号。由于踏板做圆周运动，因此霍尔传感器的输出信号为一系列脉冲。将霍尔传感器输出信号施加到踏板速度计数器29。踏板速度计数器29对来自霍尔传感器的两个连续脉冲之间(如两个连续的霍尔传感器信号上升沿之间)的时间进行计数。可以设置踏板速度计数器29以计算每单位时间的脉冲数量。因此，踏板速度计数器29检测出踏板的转速。因此，踏板速度计数器输出30如下：踏板被踩踏的速度越快，每单位时间的计数越大。因此，每单位时间内，高计数值对应高踏板速度，而低计数值对应低踏板速度。
根据踏板速度计数器29，解码器31确定需要提供何种辅助级别。如果踏板踩踏速度快，则提供较高辅助功率。相反地，踏板踩踏速度越慢，所提供的辅助功率越小。根据踏板速度计数器输出30，解码器31导通开关组32中的一个开关。因此，与该开关相连的对应电压电平与模拟比较器34的反相输入相连。模拟比较器34的输出为PWM信号，此时仅通过踏板辅助选择模块15馈入踏板辅助模块35所产生的PWM信号，以驱动电动机。
用于产生针对模拟比较器34的反相输入的电压的晶体管组33仅为能够产生参考电压36的其他不同可行方法的一个示例。
限速模式、巡航模式和踏板辅助模式这三种模式之间的切换通过巡航模式选择模块7和踏板辅助模式选择模块15这两个模块来实现。启动时，电动自行车处于限速模式。通过一直施加巡航信号9，启用巡航模式操作；而通过一直施加踏板辅助信号26，启用踏板辅助模式操作。利用这两个选择模块7和15，每次只允许三种操作之一。
根据本发明，可以不使用处理器，而是使用电动选择模块7和15，来控制可在限速模式、巡航模式和踏板辅助模式这三种模式下运行的电动自行车。因此，能够以相对较低的成本制造根据本发明的电动自行车。
本发明针对优选实施例的上述公开不应当被理解为是限制性的。本领域普通技术人员在阅读了上述公开之后将清楚地意识到多种变化和修改。显而易见的是，这种变化和修改必将落入本发明的要旨和保护范围之内。此外，应当理解的是所附权利要求倾向于覆盖这些变化和修改。

Claims (7)

1.一种电动机驱动器控制器，用于控制装配在电动自行车中的电动机，所述电动机驱动器控制器包括：
电动机驱动器桥，用于向所述电动机输送电力，并产生驱动电流信号；
PWM逻辑控制，用于控制所述电动机驱动器桥；
踏板辅助模式选择模块，用于有选择地传输由电压跟踪跟随模块或踏板辅助模块产生的PWM命令信号；
边缘检测器，用于以与所述电动机的转速成正比的频率提供固定宽度脉冲；
所述电压跟踪跟随模块包括：
窗口比较器，用于将目标电动机速度信号与电动机速度
设置信号进行比较；
S-R锁存器，用于确定电动机速度设置信号能否跟踪所
述目标电动机速度信号，并输出计数器控制信号；
巡航模式选择模块，用于启用或停用巡航模式操作；
升/降计数器，用于根据S-R锁存器结果和时钟信号，
增加或减小计数数值，并生成所述电动机速度设置信号；
误差放大器，用于强制电动机速度跟踪所述电动机速度设置信号；以及
第一比较器，用于根据误差放大器输出和三角波形，生成PWM命令信号。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动器控制器，其中所述踏板辅助模块包括：
踏板速度计数器，用于对电动自行车踏板的速度进行计数；
解码器，用于确定所述电动自行车踏板的速度范围；
开关组，用于根据解码结果而导通；以及
第二比较器，用于根据通过唯一闭合的开关的电压电平和三角波形，生成PWM命令信号。
3.根据权利要求2所述的电动机驱动器控制器，其中所述电动机能以限速模式、巡航模式或踏板辅助模式运行。
4.一种电动机驱动器控制器，用于控制装配在电动自行车中的电动机，所述电动机驱动器控制器包括：
电动机驱动器桥，用于向所述电动机输送电力，并产生驱动电流信号；
PWM逻辑控制器，用于控制所述电动机驱动器桥；
踏板辅助模式选择模块，用于有选择地传输由电压跟踪跟随模块或踏板辅助模块产生的PWM命令信号；
其中所述踏板辅助模式选择模块包括：
踏板速度计数器，用于对电动自行车踏板的速度进行计数；
解码器，用于确定所述电动自行车踏板的速度范围；
开关组，用于根据解码结果而导通；以及
第二比较器，用于根据通过唯一闭合的开关的电压电平和三角波形，生成PWM命令信号。
5.一种用于控制根据权利要求1所述的电动机驱动器控制器的方法，包括：
输入目标电动机速度信号；
所述窗口比较器将所述目标电动机速度信号与电动机速度设置信号进行比较，并产生分别代表所述电动机速度设置信号低于、高于和实质上等于所述目标电动机速度信号的比较结果(高，低)、(低，高)和(低，低)；
根据所述比较结果，更新所述升/降计数器输出计数，并产生与计数器输出成正比的电动机速度设置信号；
所述误差放大器强制所述电动机速度跟踪所述电动机速度设置信号；
所述第一比较器通过比较误差放大器输出和三角波形，生成PWM命令信号；
在来自所述PWM逻辑模块的PWM信号的控制下，所述电动机驱动器桥驱动所述电动机，其中所述PWM逻辑模块根据所述PWM命令信号、驱动电流信号，生成所述PWM信号；
所述边缘检测器检测位置传感器信号边缘，并生成与电动机速度成正比的固定宽度脉冲信号；
将所述脉冲信号反馈至所述误差放大器，并调节所述电动机速度，以跟踪所述电动机速度设置信号。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
保持所述电动自行车处于运动状态，并更新所述升/降计数器，以跟踪所述目标电动机速度信号；以及
通过持续施加巡航模式选择信号，启用所述巡航模式，并阻止时钟信号进入所述升/降计数器。
7.一种用于控制根据权利要求4所述的电动机驱动器控制器的方法，包括：
通过源自所述踏板辅助模块的所述PWM命令信号，启用所述踏板辅助模式；
所述速度计数器感测踏板的转速，并生成速度信息；
所述解码器对所述速度信息进行解码，并生成速度范围信号；
所述开关组产生与所述速度范围信号相关的电压信号；
根据所述电压信号，生成PWM命令信号；
在来自所述PWM逻辑模块的PWM信号的控制下，所述电动机驱动器桥驱动所述电动机，其中所述PWM逻辑模块根据所述PWM命令信号、驱动电流信号，生成所述PWM信号。
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