CN101412427A - 用于电动自行车电动机驱动器的反向踏板检测电路 - Google Patents

Abstract

一种用于电动自行车电动机驱动器的反向踏板检测电路，包括：充电/放电电路，用于根据来自霍尔传感器的输入对外部电容器进行充电和放电，以满足磁滞比较器要求的阈值电压；内部下拉电路，用于根据踏板速度，防止对电路的错误触发；磁滞比较器(施密特触发器)，用于设定高和低阈值电压并且消除噪声影响；与门，用作开关以允许所选信号通过。

Description

用于电动自行车电动机驱动器的反向踏板检测电路

技术领域

本发明一般涉及用于电动自行车的具有踏板辅助功能的电动机驱动器控制器，具体地，涉及用于检测反向踏板运动以及在这样的运动期间防止电动自行车运动的电路和方法。

背景技术

典型地是由电动机对电动自行车供电，用户通过如下方式确定电动机以什么速度驱动该用户的电动自行车：

a、节流控制(throttle control)，或

b、踏板辅助功能。

因为本发明更多地涉及踏板辅助功能，因此应该对踏板辅助功能而不是节流控制的具体细节进行描述。如临时专利申请US60/886,413(“Motor Driver Controller for Electric Bicycle”)所公开的，对这样的踏板辅助功能的操作进行了描述。图1示出了现有技术的踏板辅助功能系统的方框图。

参考图1，电动自行车的踏板配备有霍尔(Hall)传感器。假设霍尔传感器连续监测踏板，可以跟踪踏板的位置信息以及其速度信息。随后这些霍尔传感器输出包含速度信息在内的信号。由于踏板的转动本性，所以来自霍尔传感器的输出信号是一系列脉冲。将来自霍尔传感器的输出信号施加到速度计数器29。速度计数器29对来自霍尔传感器的两个连续脉冲之间(如在两个连续霍尔传感器信号上升沿之间)的时间进行计数。还可以将速度计数器29布置为对每单元时间的脉冲数目进行计数。因此，速度计数器29检测踏板的转动速度。计数器输出30也就是在每单元时间上越快地踩踏板则计数越大。因此，每单元时间，具有较高值的计数结果与较快的踏板速度相对应的，较低值与较慢的踏板速度相对应。

根据踏板速度计数器29，解码器31判定提供哪个辅助电平。如果正在快速踩踏板，则提供较高辅助功率。相反地，正在较慢地踩踏板，则提供较低的辅助功率。通过踏板辅助选择块15，仅馈送从踏板辅助块35产生的PWM信号来驱动电动机。

然而，该踏板辅助功能的局限在于，仍然将从比较器34产生的PWM信号馈送至电动机驱动器，而不考虑踏板的方向，也就是，不管正向还是反向。这是指，踏板辅助模式下的电动自行车将仍然正向运动，即使用户反向踏板。这导致了危险，因为无防备的骑车者可能不会预料电动自行车的这种反应，并且可能因此导致骑车者从其车上跌落。现有技术的另一问题是，如果在自行车静止时发生反向踏板，则流经电动机驱动器桥19的电流将突然增大，如果突增电流足够大，则可以导致电动机驱动器桥19遭到破坏。

本发明旨在解决提到的这些问题。对于本发明，公开了一种反向踏板检测电路，该反向踏板检测电路能够检测来自固定于踏板处的脉冲型霍尔传感器的占空比发生变化的输入信号。

本发明使用在电动自行车产业中普遍使用的脉冲型霍尔传感器的操作常识。这种示例是，由中国的Suzhou Bafang Electric MotorScience-Technology Co.，Ltd制造的WSY02模块。该模块提供能够根据传感器的转动方向产生脉冲信号的脉冲型霍尔传感器组件。对于正向，产生的固定的脉冲宽度具有小于45％的占空比。对于反向，产生的固定脉冲宽度具有大于55％的占空比。

本发明基本上是一种保护电路，该保护电路能够识别：正向踏板运动产生具有高占空比的脉冲信号，反向踏板运动产生具有低占空比的脉冲信号。因此，在反向踏板运动时本发明防止激活电动机驱动器。

发明内容

本发明的目的是实现一种模拟型的反向踏板检测电路，该反向踏板检测电路能够有效检测和区分具有高低占空比的输入脉冲，从而对具有踏板辅助功能的电动机驱动器提供保护。

根据本发明，所述反向踏板检测电路包括：具有外部电容器以调整定时的充电/放电电路、设定阈值的磁滞比较器、以及共同用作开关的逻辑‘与(AND)’门。

附图说明

图1是示出了现有技术的踏板辅助功能的方框图；

图2是示出了根据第一发明的反向踏板检测电路的一个示例的方框图；

图3是示出了根据第一发明的反向踏板检测电路的另一示例的方框图；

图4是示出了输入和输出电压之间关系的图；

图5A、5B、5C以及5D是示出了霍尔传感器相对于踏板的布置的图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明的引入到踏板辅助功能系统中的反向踏板检测电路3的一个示例。在图2和3中，在圆圈中示出的参考数字与图4所示的波形相对应。

参考图5A，示出了脉冲型霍尔传感器相对于踏板的布置的一个示例。将踏板固定地连接到齿轮(gear)或链环(chain ring)GR。在齿轮GR周围设置框架(frame)RM。如图所示的，为齿轮GR设置霍尔传感器H1。在框架RM上设置永久磁体M1，使得四个N极和四个S以均等的45度角间隔交替出现。随着齿轮GR转动，霍尔传感器H1检测磁场变化，引起脉冲或正弦信号的产生。通过齿轮GR的一次旋转或转动，霍尔传感器H1产生四个周期的信号。图5B、5C和5D示出了对设置霍尔传感器的布置的修改。N极和S极对的数目可以是从1开始的任何数。

参考图5B，如所示的，在框架上设置霍尔传感器H1。在齿轮GR上设置永久磁体M1，使得四个N极和四个S以均等的45度角间隔交替出现。

参考图5C，还示出了脉冲型霍尔传感器相对于踏板的布置的另一示例。将踏板固定地连接到齿轮或链环GR。在齿轮GR周围设置框架RM。如图所示的，为框架设置霍尔传感器H1。在齿轮GR上设置盘状(disc-like)永久磁体M3，永久磁体M3的设置使相同极性的(全部N极或全部S极)10个磁体彼此等距离隔开。随着齿轮GR转动，霍尔传感器H1检测磁场变化，引起脉冲或正弦信号的产生。通过齿轮GR的一次旋转或转动，霍尔传感器H1产生10个脉冲。图5B示出了对设置霍尔传感器的布置的修改。永久磁体的数目可以是从2开始的任何数。

参考图5D，如图所示的，在齿轮GR上设置霍尔传感器H1。在框架RM上设置盘状永久磁体M3，永久磁体M3的设置使相同极性的(全部N极或全部S极)10个磁体彼此等距离隔开。

图2示出了本发明优选实施例的应用以及与典型踏板辅助功能系统的连接关系。图3示出了根据本发明的反向踏板检测电路103的示例。将反相器200的输入连接到踏板霍尔传感器信号输出101。将反相器200的输出连接到PMOS 206和NMOS 207的栅极端子。将PMOS206的源极端子连接到从Vdd电源供电的电流源209。将NMOS 207的源极端子连接到将电流汇(sink)至地的电流源210。将NMOS 207、PMOS 206以及电流源209和210的组合共同称作充电/放电电路201。通过节点208将PMOS 206和NMOS 207的漏极端子与NMOS 202的漏极端子连接。将NMOS 202的栅极端子连接到踏板速度定时器信号114，然而将其源极端子接地。节点208还通过电阻器211连接到外部电容器203。将外部电容器203的另一端子接地。将磁滞比较器204的输入连接到节点208。将磁滞比较器204的输出连接到与门205的输入之一。将与门205的其它输入连接到解码器104输出。将与门205的输出连接到NMOS开关105的栅极端子。

接下来，以下对上述布置的操作进行描述。

将霍尔传感器输出信号101馈送至反向踏板检测电路103以及踏板速度定时器块102。最初，在没有来自踏板霍尔传感器的信号时，认为处于PA(踏板辅助)低状况，这是指将反向踏板检测电路103的输出默认为低(LOW)。这是因为以下原因：在没有检测到踏板的情况下，包含有计数器的踏板速度定时器块102在输出114处给出高(HIGH)信号。这将导通晶体管202(图3)，从而将磁滞比较器204的输入和输出强制为低。

如提到的，使用脉冲型霍尔传感器。对于这些传感器，对于反向运动，输出具有小于45％的占空比的信号。当这发生时，反向踏板检测电路103将输出低平信号电压。这是指，反向踏板检测电路103不允许来自解码器104的任何信号激活任何NMOS开关105。

在没有NMOS开关105导通时，脉冲宽度调制比较器PWMCOMP 109的反相输入为低平并且低于三角形信号107的阈值。PWMCOMP 109输出总是处于高状态。从而踏板辅助模式选择块110的输出变为高，这将不会引起对脉冲宽度调制逻辑PWM LOGIC111的任何切换，不会驱动电动机驱动器桥112，并且不会引起来自电动机113的换向(commutation)。

这样，对于骑车者在最初以正向踏板之后突然以反向踏板的情况，发生以下操作：如提到的，踏板霍尔传感器信号101给出具有小于45％的占空比的信号。反相器200使信号反转，从而使得对于大部分占空比，NMOS 207处于导通，PMOS 206处于截止。同时，从检测到踏板运动开始，踏板速度定时器信号114为低，从而将NMOS 202截止。这引起通过NMOS 207对外部电容器203中的电荷进行放电。外部电容器203(节点208)的相应波形如图4所示。因此，在将节点208拉至低电平的情况下，其将比磁滞比较器204的预定低阈值低。在反向踏板情况下，使预定低阈值略微高于节点208的电压电平。因此，磁滞比较器204将输出低信号并从而禁用与门阵列205的输出。这是指不允许来自解码器104的任何信号激活任何NMOS开关105。

在正向踏板的情况下对本发明的操作的描述如下：对于这些脉冲型霍尔传感器，对于正向运动，输出具有大于55％的占空比的信号。因此，当来自踏板传感器101的霍尔信号的占空比大于55％时，反相器200将信号反转，从而对于大部分占空比，使PMOS 206导通，NMOS207截止。同时，从检测到踏板运动开始，踏板速度定时器信号114为低，从而NMOS 202将截止。这引起通过PMOS 206对外部电容器203充电。外部电容器203(节点208)的相应波形如图4所示。因此，在将节点208拉至高电平的情况下，其将比磁滞比较器204的预定高阈值高。在正向踏板的情况下，使预定高阈值略微低于节点208的电压电平。因此，磁滞比较器204将输出高信号，并且从而使能与门阵列205的输出。这是指允许来自解码器104的任何信号激活相应的NMOS开关105。从而，解码器104将启用并且根据来自踏板速度定时器102的信号选择NMOS开关105之一。

在导通NMOS开关105之一的情况下，PWM COMP109的反相输入与由电阻器树(resistor tree)106设定的电压相等。解码器104通过导通相应的NMOS开关105来确定要设定哪个电压电平。将该电压与三角形信号107相比较，以确定PWM COMP109输出的占空比。踏板辅助模式选择块110输出跟从PWM COMP109输出信号。由脉冲宽度调制逻辑111对开关信号进行处理，然后该开关信号驱动电动机驱动器桥112，这将引起来自电动机113的换向。

位置传感器115和驱动电流信号116用作对脉冲宽度调制逻辑的信息反馈，以保证达到期望的电动机速度。

Claims (5)

1、一种反向踏板检测电路，包括：

充电/放电电路，用于根据来自霍尔传感器的输入，对外部电容器进行充电和放电以满足磁滞比较器要求的阈值电压；

内部下拉电路，根据踏板速度进行操作，以防止电路被错误触发；

磁滞比较器(施密特触发器)，用于设定高阈值和低阈值电压以及消除噪声影响；

与门，用作开关以允许所选信号通过。

2、根据权利要求1所述的反向踏板检测电路，

其中，磁滞比较器的高阈值由在占空比大于55％的脉冲对外部电容器充电时可达到的期望DC电平确定；

以及磁滞比较器的低阈值由在占空比小于45％的脉冲对外部电容器充电时可达到的期望DC电平确定。

3、一种反向踏板检测电路检测高占空比和低占空比的方法，所述方法包括：

使用充电/放电电路，对外部电容器进行充电和放电以满足磁滞比较器要求的阈值电压；

使用内部下拉，以根据踏板速度进行操作，从而防止由于霍尔传感器信号的初始条件而引起对电路的错误触发；

使用磁滞比较器(施密特触发器)来设定高阈值和低阈值电压并消除噪声影响；

使用与门选择信号，以允许所述信号通过。

4、一种反向踏板检测电路设定高占空比和低占空比的百分比阈值的方法，所述方法包括：

将高占空比设定为大于55％，将低占空比设定为低于45％；能够通过设定磁滞比较器的阈值、充电和放电电流以及外部电容器的值对所述比率进行调整。

5、一种用于改变踏板辅助激活定时的方法，所述方法包括：

通过改变电容器值外部地进行设定。

Images