CN101783635A

CN101783635A - 电动助力自行车及其控制器和控制方法

Info

Publication number: CN101783635A
Application number: CN201010139576A
Authority: CN
Inventors: 丁宏
Original assignee: Ludong University
Current assignee: Ludong University
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2010-07-21

Abstract

本发明公开了一种电动助力自行车及其控制器和控制方法，本发明的电动助力自行车的后轴上安装有应变片，当人骑电动助力自行车时，电动助力自行车的链条拉动后轴，使后轴发生机械形变，从而使应变片产生机械形变并输出对应的后轴助力信号，这样一旦人对电动助力自行车施加作用力，应变片就会产生对应的后轴助力信号，然后根据后轴助力信号初始值、后轴助力信号和电动助力自行车后轮的线速度生成对应的第一PWM控制信号并根据第一PWM控制信号控制安装在电动助力自行车的后轴上的直流无刷电机的输出，与现有的中轴测速控制相比实现了1∶1精确比例助力。

Description

电动助力自行车及其控制器和控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动助力自行车，尤其涉及电动助力自行车及其控制器和控制方法。

背景技术

常见的电动助力自行车采用手柄控制+中轴测速控制方式。其中，手柄控制方式是通过转动手柄控制向动助力自行车的控制器发送手柄信号，由控制器根据手柄信号控制电动助力自行车的电机输出。中轴测速控制的原理是在电动助力自行车的中轴部分装一霍尔元件和磁钢圆盘，打开电动助力自行车的电源后，当骑车人脚蹬电动助力自行车的脚踏板时，中轴转动，中轴转动一周霍尔元件发出固定数目的脉冲信号，控制器通过对一定时间内的脉冲的计数来测中轴转速，达到一定速度(即中轴转动一周，霍尔元件有脉冲信号输出)则就启动电机，此后如果不使用手柄控制，则电机的输出就实时跟随中轴转速，即中轴转速为多少，电机的转速就为(按比例的)多少，如果在电机启动后骑车人不再脚蹬脚踏板骑车而使用手柄控制，则此后电机的转速则由手柄来控制，而在电机启动后骑车人继续脚蹬脚踏板骑车同时又启动手柄控制，则控制器就会实时判断手柄控制和中轴测速控制谁的当前输出较大，电机的转速则由当前输出较大者控制。当然，在打开电动助力自行车的电源后，如果骑车人不用脚蹬脚踏板而直接通过手柄控制电机也可以，但这种完全由手柄控制的方式比较耗费电能，降低了电动助力自行车的续航能力。然而，当骑车人脚蹬脚踏板启动电动助力自行车时，在未检测到一定速度(即中轴转动一周)之前，电机就不能启动助力，在这段时间人骑车人比较费劲，因此上述现有技术不能实现1∶1精确比例助力，无法实现对电动助力自行车的精确助力控制。

CN2009100768041.8公开了一种电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，该后轴精确助力信号采集控制系统，包括应变片、霍尔传感器、安装在电动助力自行车车把处的助力比调节按钮、安装在电动助力自行车上的直流无刷电机上的PCB电路板，应变片粘贴在电动助力自行车后轴即直流无刷电机的轴上，霍尔传感器粘贴在直流无刷电机的电机外壳的周向上，PCB电路板粘贴在直流无刷电机的电机外壳的径向上，PCB电路板上包括信号控制器和直流无刷电机控制器以及第一插座和第二插座，信号控制器包括集成在PCB电路板上的信号放大电路、脉冲整形电路、电压源、积分电路和单片机，信号放大电路、脉冲整形电路、电压源、积分电路通过相应的管脚与单片机相连；电压源为信号放大电路、脉冲整形电路、积分电路和单片机进行供电；应变片通过导线连接第一插座，第一插座与所述信号控制器中的信号放大电路相连，将应变片提供的形变信号进行放大并送入单片机中进行处理；霍尔传感器通过导线连接第二插座，第二插座与信号控制器中的脉冲整形电路相连，将霍尔传感器提供的霍尔信号进行整形并送入单片机中进行处理；第二插座还通过导线与助力比调节按钮相连，用于通过对助力比调节按钮的使用来改变系统提供的助力大小；单片机通过将霍尔传感器提供的霍尔信号经过计算得到当前速度V，通过将当前速度V与预先设定的速度值进行比较，大于预先设定的速度值时，不予提供助力；将应变片提供的形变信号转换为当前电压值U，通过将实时的电压值与预先设定的最大电压值进行比较，大于预先设定的最大电压值时，不予提供助力，将不大于预先设定的最大电压值和速度值进行相应的计算，得到相应的脉冲调宽PWM作为控制信号，并通过积分电路进行积分，得到平稳的控制信号以对直流无刷电机控制器进行控制。然而，该技术只是公开了一种电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，目前还没有用于电动助力自行车的控制装置以实现对电动助力自行车的精确助力控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动助力自行车及其控制器和控制方法以实现对电动助力自行车的精确助力控制。

为达到上述目的，本发明一方面提供了一种电动助力自行车的控制方法，包括以下步骤：

获取后轴助力信号初始值；

接收后轴助力信号和电动助力自行车后轮的线速度；

根据所述后轴助力信号初始值、所述线速度和所述后轴助力信号生成对应的第一PWM控制信号；

根据所述第一PWM控制信号控制安装在电动助力自行车的后轴上的直流无刷电机的输出。

本发明的电动助力自行车的控制方法，所述根据后轴助力信号、当前车速和后轴助力信号初始值生成对应的第一PWM控制信号，具体为：

首先，根据公式：

PWM占空比分度＝a×(实时后轴助力信号-后轴助力信号初始值)+b×(实时车速)获取第一PWM控制信号的占空比分度，其中，a、b为常量；

然后，根据公式：

获取所述第一PWM控制信号的占空比；

最后，根据所述第一PWM控制信号的占空比生成所述第一PWM控制信号。

本发明的电动助力自行车的控制方法，在所述获取后轴助力信号初始值之后，还包括：

如果同时接收到后轴助力信号、手柄信号和电动助力自行车后轮的线速度，则判断所述后轴助力信号是否大于所述手柄信号，

如果所述后轴助力信号大于所述手柄信号，则根据所述后轴助力信号、所述后轴助力信号初始值和所述线速度生成对应的第一PWM控制信号，并根据所述第一PWM控制信号控制安装在电动助力自行车的后轴上的直流无刷电机的输出，否则，

根据所述手柄信号生成对应的第二PWM控制信号，并根据所述第二PWM控制信号控制安装在电动助力自行车的后轴上的直流无刷电机的输出。

另一方面，本发明还提供了一种电动助力自行车控制器，包括：

手柄信号输入单元，用于接收所述手柄信号；

速度信号输入单元，用于接收所述直流无刷电机内的霍尔传感器输出的速度信号；

后轴助力信号输入单元，用于接收所述后轴助力信号并将其进行放大处理；

PIC单片机，用于执行权利要求1至3任意一项所述电动助力自行车的控制方法，生成PWM控制信号；

预处理单元，用于将所述PWM控制信号进行同步续流处理；

电机驱动单元，用于根据经过同步续流处理后的PWM控制信号生成电机驱动控制信号，根据所述电机驱动控制信号控制所述直流无刷电机的输出。

本发明的电动助力自行车控制器，还包括：

欠压保护单元，用于检测所述蓄电池输出的电压信号是否低于电压设定值，如果低于，则向所述PIC单片机输出欠压信号，由所述PIC单片机控制所述电机驱动单元停止工作，防止所述蓄电池欠压受损；

过流保护单元，用于对所述蓄电池输出的电流信号进行限流，防止所述PIC单片机过流受损。

再一方面，本发明还提供了一种电动助力自行车，包括安装在电动助力自行车的后轴上的用于驱动所述电动助力自行车的直流无刷电机，用于供电的蓄电池，用于输出手柄信号的手柄控制装置，其特征在于，还包括：

上述的电动助力自行车控制器，以及固定在所述后轴上的应变片，当人骑所述电动助力自行车时，所述电动助力自行车的链条拉动所述后轴，使所述后轴发生机械形变，从而使所述应变片产生机械形变并输出对应的后轴助力信号。

本发明的电动助力自行车的后轴上安装有应变片，当人骑电动助力自行车时，电动助力自行车的链条拉动后轴，使后轴发生机械形变，从而使应变片产生机械形变并输出对应的后轴助力信号，这样一旦人对电动助力自行车施加作用力，应变片就会产生对应的后轴助力信号，然后根据后轴助力信号初始值、后轴助力信号和电动助力自行车后轮的线速度生成对应的第一PWM控制信号并根据第一PWM控制信号控制安装在电动助力自行车的后轴上的直流无刷电机的输出，与现有的中轴测速控制相比实现了1∶1精确比例助力。

附图说明

图1为本发明的电动助力自行车的控制结构示意图；

图2为本发明的电动助力自行车的控制器的PIC单片机的处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述：

参考图1，本发明的电动助力自行车包括安装在电动助力自行车的后轴1上的直流无刷电机2，用于驱动电动助力自行车；控制器3，用于控制直流无刷电机2的输出；蓄电池4，用于向控制器3供电；手柄控制装置6，用于向控制器3发送手柄信号；刹车装置7，用于制动电动助力自行车；在后轴1上粘贴有电阻式应变片5，当人骑电动助力自行车时，电动助力自行车的链条拉动后轴1，使后轴1发生机械形变，从而使电阻式应变片5产生机械形变并输出对应的后轴助力信号。其中，控制器3进一步，包括：手柄信号输入单元303，用于接收手柄控制装置6输出的手柄信号；后轴助力信号输入单元305，用于接收电阻式应变片5输出的后轴助力信号；速度信号输入单元308，用于接收直流无刷电机2内的霍尔传感器输出的速度信号；PIC单片机300，用于根据后轴助力信号初始值、速度信号和后轴助力信号生成第一PWM控制信号，或者根据位置信号生成第二PWM控制信号；电机驱动单元301，用于根据经过同步续流处理后的第一PWM控制信号或第二PWM控制信号生成电机驱动控制信号，根据电机驱动控制信号控制直流无刷电机2的输出；欠压保护单元306，用于检测蓄电池4输出的电压信号是否低于电压设定值，如果低于，则向PIC单片机300输出欠压信号，由PIC单片机300控制电机驱动单元301停止工作，防止蓄电池4欠压受损。过流保护单元307，用于对蓄电池4输出的电流信号进行限流，防止PIC单片机300过流受损。刹车信号输入单元304，用于接收刹车装置7输出的刹车信号，由PIC单片机300根据刹车信号将PWM控制信号置零，从而停止对直流无刷电机2的驱动。

参考图2，其中，PIC单片机300的处理过程包括如下步骤：

步骤(1)、初始化，获取后轴助力信号初始值。

步骤(2)、判断直流无刷电机是否正常，如果不正常则执行步骤(3)，否则执行步骤(4a1)、步骤(4b)或步骤(4c)。

步骤(3)、故障报警。

步骤(4a1)、只接收到实时的手柄信号，根据该手柄信号生成对应的第二PWM控制信号。当转动手柄控制装置6时，转动手柄控制装置6会输出相应的手柄信号至柄信号输入单元303，手柄信号输入单元303收到手柄信号将其发送给PIC单片机300，PIC单片机300会根据收到的手柄信号生成对应的第二PWM控制信号，此后，预处理单元302收到该第二PWM控制信号后将其进行同步续流后输出给电机驱动单元301，电机驱动单元根据已进行同步续流后的第二PWM控制信号生成电机驱动控制信号输出给直流无刷电机2，直流无刷电机2转动并通过后轴1驱动电动自行车前行。

步骤(4a2)、判断手柄信号维持某一数据值的持续时间是否达到9秒设定值，如果达到执行步骤(4a3)，否则执行步骤(5)。

步骤(4a3)、锁定直流无刷电机2的转速，使电动执行车保持匀速巡航状态，然后执行步骤(5)。

步骤(4b)、同时接收到实时的后轴助力信号和速度信号，根据后轴助力信号、后轴助力信号初始值和速度信号生成对应的第一PWM控制信号。具体的，当人脚蹬电动助力自行车的脚踏板时，电动助力自行车的链条拉动后轴1，使后轴1发生机械形变，从而使电阻式应变片5产生机械形变并输出后轴助力信号至后轴助力信号输入单元305，后轴助力信号输入单元305收到后轴助力信号后将其进行信号放大处理后传至PIC单片机300，PIC单片机300会根据收到的手柄信号生成对应的第一PWM控制信号，具体生成第一PWM控制信号方法如下：

由于PIC单片机300是通过控制第一PWM控制信号的占空比来控制电机驱动单元301的场效应管的通断，从而控制直流无刷电机2的，占空比越大，电机驱动单元301的场效应管导通时间越长，其输出电流就越大，直流无刷电机2输出功率也就越大，并且第一PWM控制信号的占空比被分成256个分度，即当第一PWM控制信号的占空比为100％时其PWM占空比分度＝256，因此，要得到第一PWM控制信号的占空比就要得到第一PWM控制信号的占空比分度。具体的；

首先，PWM控制信号的占空比分度可以根据公式：

PWM占空比分度＝a×(实时后轴助力信号-后轴助力信号初始值)+b×(实时车速)得到。其中，a和b是两个常数，通常a＝10，b＝5。

然后，根据公式：

得到第一PWM控制信号的占空比。

最后，根据第一PWM控制信号的占空比生成第一PWM控制信号。

此后，预处理单元302收到该第一PWM控制信号后将其进行同步续流后输出给电机驱动单元301，电机驱动单元根据已进行同步续流后的第一PWM控制信号生成电机驱动控制信号输出给直流无刷电机2，直流无刷电机2转动并通过后轴1驱动电动自行车前行，然后执行步骤(5)。

步骤(4c1)、同时接收到实时的接收后轴助力信号、速度信号和手柄信号。具体的，当转动手柄控制装置6的同时用脚蹬电动助力自行车的脚踏板时，PIC单片机300会同时接收到实时的后轴助力信号、速度信号和手柄信号。

步骤(4c2)、对后轴助力信号和手柄信号进行比较，判断后轴助力信号是否大于手柄信号，如果大于则执行步骤(4c3)，否则执行步骤(4c4)。

步骤(4c3)、根据后轴助力信号、后轴助力信号初始值和速度信号生成对应的第一PWM控制信号。具体的，当后轴助力信号大于手柄信号时，PIC单片机300会根据后轴助力信号生成对应的第一PWM控制信号，此后，预处理单元302收到该第一PWM控制信号后将其进行同步续流后然后输出给电机驱动单元301，电机驱动单元收到已进行同步续流后的第一PWM控制信号后生成电机驱动控制信号输出给直流无刷电机2，直流无刷电机2转动并通过后轴1驱动电动自行车前行。

步骤(4c4)、根据手柄信号生成对应的第二PWM控制信号。具体的，当后轴助力信号小于或等于手柄信号时，PIC单片机300会根据手柄信号生成对应的第二PWM控制信号，此后，预处理单元302收到该第二PWM控制信号后将其进行同步续流后然后输出给电机驱动单元301，电机驱动单元根据已进行同步续流后的第二PWM控制信号后生成电机驱动控制信号输出给直流无刷电机2，直流无刷电机2转动并通过后轴1驱动电动自行车前行，然后执行步骤(5)。

步骤(5)、接收速度信号，判断电动助力自行车实时的速度是否超过限速值20千米/小时，如果超过，则执行步骤(6)，否则执行步骤(4a1)、(4b)或(4c1)。

步骤(6)、将第二PWM控制信号或第一PWM控制信号置零。当PIC单片机300根据直流无刷电机2内的霍尔传感器输出的速度信号判断电动助力自行车实时的速度限速值20千米/小时时，会立即将第二PWM控制信号或第一PWM控制信号置零，停止驱动直流无刷电机2，以保证行驶安全。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种电动助力自行车的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取后轴助力信号初始值；

接收后轴助力信号和电动助力自行车后轮的线速度；

2.根据权利要求1所述的电动助力自行车的控制方法，其特征在于，所述根据后轴助力信号、当前车速和后轴助力信号初始值生成对应的第一PWM控制信号，具体为：

首先，根据公式：

然后，根据公式：

获取所述第一PWM控制信号的占空比；

3.根据权利要求1所述的电动助力自行车的控制方法，其特征在于，在所述获取后轴助力信号初始值之后，还包括：

4.一种电动助力自行车控制器，其特征在于，包括：

手柄信号输入单元，用于接收所述手柄信号；

预处理单元，用于将所述PWM控制信号进行同步续流处理；

5.根据权利要求4所述的电动助力自行车控制器，其特征在于，还包括：

6.一种电动助力自行车，包括安装在电动助力自行车的后轴上的用于驱动所述电动助力自行车的直流无刷电机，用于供电的蓄电池，用于输出手柄信号的手柄控制装置，其特征在于，还包括：

权利要求4所述的电动助力自行车控制器，以及固定在所述后轴上的应变片，当人骑所述电动助力自行车时，所述电动助力自行车的链条拉动所述后轴，使所述后轴发生机械形变，从而使所述应变片产生机械形变并输出对应的后轴助力信号。

7.一种电动助力自行车，包括安装在电动助力自行车的后轴上的用于驱动所述电动助力自行车的直流无刷电机，用于供电的蓄电池，用于输出手柄信号的手柄控制装置，其特征在于，还包括：

权利要求5所述的电动助力自行车控制器，以及固定在所述后轴上的应变片，当人骑所述电动助力自行车时，所述电动助力自行车的链条拉动所述后轴，使所述后轴发生机械形变，从而使所述应变片产生机械形变并输出对应的后轴助力信号。