CN103434604B - 一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，包括刹车控制单元，踏频感应单元，坡度感应单元，人机交互界面，逻辑控制单元，电机驱动单元，电机和助力比调节单元，刹车控制单元，踏频感应单元，坡度感应单元分别连接到逻辑控制单元，逻辑控制单元分别连接到电机驱动单元、助力比调节单元和人机交互界面，电机同时连接电机驱动单元和助力比调节单元，助力比调节单元同时连接人机交互界面；逻辑控制单元与人机交互界面互为反馈调节，人机交互界面与助力比调节单元互为反馈调节。本发明，不仅可以通过手动调节人机交互界面的控制按钮调节电机的助力比，还可以通过坡度感应单元随时监测道路坡度，根据上坡或下坡，增加或减小电机的助力比，保持骑行者一致处于较舒适的状态。

Description

一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统

技术领域

本发明涉及一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，属于电动助力自行车电机传感感应控制驱动系统领域。

背景技术

电动助力自行车，在欧盟，美国加拿大，日本等国家，法律规定是不能使用电力直接驱动，不可以在没有人力启动的前提下，用开关直接启动电机，一定先要人力骑行，整车启动后，然后利用电力辅助骑行，一旦人力停止骑行，电力同样立刻停止骑行。

当前，电动助力自行车驱动系统判断整车是否启动一般采取两种模式，一种是采集速度，一种是采集力矩，下面是这两种方式的说明：

（1）、采集速度，系统通过速度传感器采集整车的是否启动，以及骑行速度。然后通过电脑运算，实时驱动电机，推动车前进，从而达到助力骑行的效果。

该方式的优点是：产品成本低廉，结构可靠。安装简单。缺点是，骑行者舒适性不够。遇到上坡时，车辆无法识别上坡，导致人力骑行在上坡时费力，降低舒适性。

（2）、采集力矩，系统使用力矩传感器采集人力骑行时骑行者脚踏使用的力度，通过计算机运算，实时驱动电机，使得人力与电力共同作用，达到助力骑行的效果。

该方式的优点是舒适性好，实时采集人力骑行的力度，实时调整驱动电机的驱动功率，助力扭矩与人力骑行脚踏力度一致。缺点：结构复杂，安装复杂，安装兼容性不够，需要根据力矩传感器的尺寸定制车架，造价高昂，可靠性不够，制造要求很高，有特殊车型无法安装。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，本驱动系统通过坡度感应和踏频感应装置，使得系统能够识别电动助力自行车处在上坡，下坡，还是平路的状态，然后通过逻辑控制系统，电机驱动系统，使得电机在不同状态输出不同的扭矩，最终使骑行者一直处于一种省力舒适的状态。

一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，包括刹车控制单元，踏频感应单元，坡度感应单元，人机交互界面，逻辑控制单元，电机驱动单元，电机和助力比调节单元，所述刹车控制单元，踏频感应单元，坡度感应单元分别连接到逻辑控制单元，逻辑控制单元分别连接到电机驱动单元、助力比调节单元和人机交互界面，电机同时连接电机驱动单元和助力比调节单元，助力比调节单元同时连接人机交互界面。

所述人机交互界面与逻辑控制单元互为反馈连接，助力比调节单元与人机交互界面为互反馈连接。

所述踏频感应单元安装固定在车辆的脚踏曲柄，能够产生踏频信号，并传递给逻辑控制单元。

所述坡度感应单元采用重力水平传感装置，为360°*360°的水平传感器，可以安装在车辆任何地方。

所述逻辑控制单元接受到踏频感应信号后,同时接受坡度感应单元的信号，判断车辆是否处于坡道，如果处于平路，通过电机驱动单元，根据骑行速度驱动电机转速，如果车辆处于坡道上坡，逻辑控制单元算出坡道坡度，通过电机驱动单元，加大电机输出扭矩，让车辆爬坡，如果车辆处于下坡，通过电机驱动单元，停止电机扭矩输出，让车辆下坡滑行。

所述人机交互界面包括液晶显示屏和1个以上控制按钮，液晶显示可以显示行车速度，行车里程，系统输出电流，电源电量，助力比状态，系统故障检测；控制按钮电路连接助力比调节单元。

所述电机驱动单元执行逻辑控制单元的指令，将逻辑控制单元的指令转换为驱动电机的电流或电压。

所述助力比调节单元实时采集电机的运行时的状态，接受人机交互界面传递过来的助力比指令信号，根据电机的实时状态，发送驱动指令给逻辑控制单元，逻辑控制单元通过电机驱动单元驱动电机，做出对应的扭矩输出。

本电动助力自行车驱动系统，造价低廉，骑行舒适度好。解决了速度传感器的无法识别上坡的缺陷，解决了力矩传感器结构复杂，安装复杂，造价高昂的缺陷。

附图说明

图1是本发明控制关系连接图，

图2是本发明人机交互界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

结合附图1可见，本可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，包括刹车控制单元，踏频感应单元，坡度感应单元，人机交互界面，逻辑控制单元，电机驱动单元，电机和助力比调节单元，所述刹车控制单元，踏频感应单元，坡度感应单元分别连接到逻辑控制单元，逻辑控制单元分别连接到电机驱动单元、助力比调节单元和人机交互界面，电机同时连接电机驱动单元和助力比调节单元，助力比调节单元同时连接人机交互界面；所述人机交互界面与逻辑控制单元互为反馈连接，助力比调节单元与人机交互界面为互反馈连接。

刹车控制单元是骑行者需要停车或者需要减速，发生刹车动作后，在刹把上安装有刹车开关。一旦发生刹车动作，逻辑控制单元立刻收到刹车开关传递的信号，此时判断，骑行者要刹车，此时立刻停止电机输出，使得电机扭矩输出为零，不再驱动。

踏频感应单元安装固定在车辆的脚踏曲柄，能够产生踏频信号，并传递给逻辑控制单元。骑行者一旦用人力骑行电动助力自行车，也就是说，只要骑行者使用脚踩动车辆脚踏曲柄，该装置即可输出踏频信号，逻辑控制单元接受到踏频信号后，分析出该车辆的是否在骑行，是否停止，以及骑行时的脚踏速度。

坡度感应单元采用重力水平传感装置，为360°*360°的水平传感器，可以安装在车辆任何地方。当车辆处于坡道上时，车辆一定处在一个倾斜的状态，此时使用重力水平传感装置，输出车辆倾斜角度，将倾斜角度信号输出给逻辑控制单元，其结构简单、小巧，可以放置在任意大于2cm*2cm的空间中，通过导线连接至逻辑控制单元。

逻辑控制单元接受到踏频感应单元输出的信号和坡度感应单元输出的信号后，首先是判断，车辆是否骑行，如果接受到踏频感应信号，得知，车辆通过人力启动，逻辑控制单元检测坡度感应信号，此时判断车辆是否处于坡道，如果处于平路，通过电机驱动单元，根据骑行速度驱动电机转速；如果车辆出破坡道上坡，算出坡道坡度，通过电机驱动单元，加大电机输出扭矩，让车辆爬坡；如果车辆处于下坡，通过电机驱动单元，停止电机扭矩输出，让车辆下坡滑行。

人机交互界面包括液晶显示屏和多个控制按钮，液晶显示屏可以显示，行车速度，行车里程，系统输出电流（功率），电源电量，助力比状态，系统故障检测，显示界面如图2所示，通过逻辑控制单元输出人机交互界面所需的数据，数据包括：行车速度，里程，电机输出功率，电池剩余电量，各种故障代码。使得骑行者清晰的知道当前车辆的电气状态，骑行者根据自身的体能状态，可同通过人机交互界面上设置的控制按钮，调节系统助力比，使得骑行者体能处于很好的状态，或者希望主要用人力骑行，少量电力辅助，可以调节助力比低档位，此时人机界面发送指令给助力比调节单元，助力比调节单元根据预先设置好的驱动函数，通过逻辑控制单元输出对应的驱动模式，依靠电机驱动单元让电机输出处于低功耗状态，可以使整车骑行距离更长。反之，骑行者希望大部分依靠电力助力，自身体能不足，此时可以调节助力比高档位，此时人机界面发送指令给助力比调节单元，助力比调节单元根据预先设置好的驱动函数，通过逻辑控制单元输出对应的驱动模式，依靠电机驱动单元让电机输出处于高功耗高扭矩状态，使得骑行者的人力消耗更少。

电机驱动单元为逻辑控制单元的各种指令的执行装置，将逻辑控制单元的指令转换为电机的各种物理状态，如电流，电压，扭矩等。

助力比调节单元存储和调用各种不同的驱动函数，实时采集电机的运行时的状态，如速度，电压，电流等，接受人机交互界面传递过来的助力比指令信号，然后根据电机的实时状态，通过驱动函数，发送驱动指令给逻辑控制单元，逻辑控制单元在通过电机驱动单元驱动电机，做出对应的扭矩输出。

电机为系统的最终输出机构，逻辑控制单元采集一切的指令，都通过电机转换为扭矩。电机接受来自电机驱动单元的关于电流，电压，转速的物理量。同时反馈给助力比调节单元实时的电流电压转速数据。助力比调节单元采集到电机实时数据后，与自身的驱动函数做对比，再次发出调节指令给逻辑控制单元，逻辑控制单元通过电机驱动单元驱动电机后，助力比调节单元再次采集电机运行参数，直到电机运行参数符合助力比调节单元的助力比要求为止。

下面具体介绍本发明的实施方法。

在整车启动前，开启电源，上电，系统处于等待状态。

实施例1：刹车状态

逻辑控制单元，同时检测刹车控制单元，踏频感应单元，坡度感应单元，分别是否有信号。如果检测到刹车控制单元有刹车信号，无论踏频感应单元和坡度感应单元是否有信号，都将输出停止指令给电机驱动单元，电机不能有任何转动。

实施例2：静止状态

逻辑控制单元检测刹车控制单元，没有刹车信号，踏频感应单元没有速度信号，那么无论坡度感应单元是否有信号，逻辑控制单元都将车辆视为没有启动意愿，此时逻辑控制单元都将输出停止指令给电机驱动单元，电机不能有任何转动。

实施例3：平路骑行

逻辑控制单元检测到踏频感应单元，有信号，刹车控制单元没有信号，坡度感应单元有信号，通过逻辑控制单元计算得出无坡度，说明车辆已经通过人力启动，在平路上行驶，此时逻辑控制单元，调用默认标准驱动函数，通过电机驱动单元驱动电机，产生扭矩，使整车处于助力骑行。电机通过逻辑控制单元实时采集踏频感应单元发出的踏频信号，判断电机所需要的驱动参数；同时电机的实时状态由助力比调节单元，反馈给逻辑控制单元，来判断电机的状态是否达到所需要的状态。

实施例4：上坡骑行

在骑行过程中，逻辑控制单元，实时监测踏频感应单元。坡度感应单元和刹车控制单元的信号变化，如果踏频感应单元有信号，坡度感应单元有信号，说明车辆在骑行过程中，道路的坡度发生变化，继而判断是上坡还是下坡，如果是上坡，通过标准驱动函数计算出上坡时，电机输出扭矩的增量，逻辑控制单元通过电机驱动单元驱动电机，进行调整扭矩增量。助力比调节单元实时采集电机的状态，采集后，与标准驱动函数的参数进行对比，判断是否达到指定参数，如果没有达到，逻辑控制单元发送指令给电机驱动单元进行微量调整，助力比调节单元再次实施采集电机的状态，形成电机的状态反馈机制，实时调整，使得骑行者感觉助力舒适。

实施例5：下坡骑行

在骑行过程中，逻辑控制单元实时监测踏频感应单元、坡度感应单元和刹车控制单元的信号变化，如果踏频感应单元有信号，坡度感应单元有信号，说明车辆在骑行过程中，道路的坡度发生变化，继而判断是上坡还是下坡，如果是下坡，通过标准驱动函数得知，下坡时系统关闭电机，让车辆处于滑行状态。

实施例6：人机交互的应用

在车辆的实时骑行状态中，骑行者的体能状态时刻在变化，骑行者需要能够调节系统驱动模式，来适应骑行者的体能变化。本发明提供一种标准驱动函数，适应大部分人在正常状态下的骑行感受。当骑行者感觉很疲倦的时候，希望电机给提供更多的扭矩，付出更少的人力，通过人机交互界面上的控制按钮发出指令，助力比调节单元接受到调节调节指令后，和标准驱动函数对比，发出增强或者减弱的驱动的指令，发给逻辑控制单元，然后不停的实时监测电机是否达到要调节的目标，将微量的调增指令发送或反馈给逻辑控制单元，进行闭环控制。

人机交互界面同时接受来自逻辑控制单元的实时信息，包括车辆时速，骑行里程，实时功耗，故障检测代码，系统剩余电量等，供骑行者实时查看。

人机交互界面同时还可以对逻辑控制单元发送关机指令，当骑行者不需要电动助力系统的助力，可以通过人机界面上的控制按钮发出关机指令，逻辑控制单元接受到人机交互界面发出的关机指令时，整个助力系统关闭，节约能耗。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (7)

1.一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，其特征是包括刹车控制单元，踏频感应单元，坡度感应单元，人机交互界面，逻辑控制单元，电机驱动单元，电机和助力比调节单元，所述刹车控制单元，踏频感应单元，坡度感应单元分别连接到逻辑控制单元，逻辑控制单元分别连接到电机驱动单元、助力比调节单元和人机交互界面，电机同时连接电机驱动单元和助力比调节单元，助力比调节单元同时连接人机交互界面；

所述逻辑控制单元接受到踏频感应信号后,同时接受坡度感应单元的信号，判断车辆是否处于坡道，如果处于平路，通过电机驱动单元，根据骑行速度驱动电机转速，如果车辆处于坡道上坡，逻辑控制单元算出坡道坡度，通过电机驱动单元，加大电机输出扭矩，让车辆爬坡，如果车辆处于下坡，通过电机驱动单元，停止电机扭矩输出，让车辆下坡滑行。

2.根据权利要求1所述的一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，其特征是所述人机交互界面与逻辑控制单元互为反馈连接，助力比调节单元与人机交互界面为互反馈连接。

3.根据权利要求1所述的一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，其特征是所述踏频感应单元安装固定在车辆的脚踏曲柄，能够产生踏频信号，并传递给逻辑控制单元。

4.根据权利要求1所述的一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，其特征是所述坡度感应单元采用重力水平传感装置为360°*360°的水平传感器，可以安装在车辆任意地方。

5.根据权利要求1所述的一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，其特征是所述人机交互界面包括液晶显示屏和1个以上控制按钮，液晶显示可以显示行车速度，行车里程，系统输出电流，电源电量，助力比状态，系统故障检测；控制按钮电路连接助力比调节单元。

6.根据权利要求1所述的一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，其特征是所述电机驱动单元执行逻辑控制单元的指令，将逻辑控制单元的指令转换为驱动电机的电流或电压。

7.根据权利要求6所述的一种可以识别路面状态的电动助力自行车驱动系统，其特征是所述助力比调节单元实时采集电机的运行时的状态，接受人机交互界面传递过来的助力比指令信号，根据电机的实时状态，发送驱动指令给逻辑控制单元，逻辑控制单元通过电机驱动单元驱动电机，做出对应的扭矩输出。