CN104039640A - 用于踏板驱动车辆的电辅助电机的控制系统 - Google Patents

用于踏板驱动车辆的电辅助电机的控制系统 Download PDF

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CN104039640A CN201280063876.XA CN201280063876A CN104039640A CN 104039640 A CN104039640 A CN 104039640A CN 201280063876 A CN201280063876 A CN 201280063876A CN 104039640 A CN104039640 A CN 104039640A
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Abstract

本发明提出一种用于以如下方式控制和调节电辅助电机(204，402)的方法，其中所述电辅助电机(204，402)在通过肌肉力旋转所述曲柄轴(136，302)中辅助用户，该电辅助电机适于包括曲柄轴(136，302)的踏板驱动车辆(110)，诸如自行车，所述方法包括以下步骤：a)接收关于当通过肌肉力旋转所述曲柄轴时所述用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息；b)确定在曲柄轴(136，302)上由用户产生的实际扭矩TP；c)对于每个TP，以如下方式调节由电辅助电机(204，402)产生的扭矩TM：当TP高于TPSet时，TM增加；当TP等于TPSet时，TM不变；当TP低于TPSet时，TM减少；以及当TP为0时，TM为0。

Description

用于踏板驱动车辆的电辅助电机的控制系统
技术领域
本发明涉及车辆领域，并且更加具体地涉及动力辅助踏板驱动车辆的领域，该车辆包括曲柄轴以及电辅助电机，诸如电辅助自行车。本发明提出用于控制电辅助电机的方法，用于实现所述方法的系统，以及包含所述系统的动力辅助踏板驱动车辆。
背景技术
已知提出了一种具有电辅助电机的手动驱动车辆，以便在车辆的手动推进中对用户辅助。US,A,5,370,200示出一种诸如自行车的手动驱动车辆，其中提出在车辆驱动中用于辅助用户的电辅助电机。这种类型的机构包括一种装置，该装置感测由乘员施加的手动输入力或者扭矩，然后将电机连接到电池来驱动电机，通过这样的方式以便提供与手动输入力成比例的辅助程度。
这种类型的车辆具有大量的优点。然而，在某些情况下，重要的是确保提供给电机的电功率量不能过大，以便容许车辆的速度变得过快。此外，应当确保系统不会允许用户绕过控制并手动操作电机，这也可能导致车辆超速和/或将减少车辆的可能运行里程的不必要电功率消耗。但是，该车辆的用户不能设定或微调来自电机的功率输出和他/她自己的肌肉力量之间的比例。
DE 102009029655A1公开了一种包括电辅助电机的踏板驱动车辆，其中调节集中于如何在完整的旋转期间提供曲柄轴上的恒定扭矩。在该文献中，指出由用户提供的扭矩随着曲柄轴的角度变化。控制系统识别在完全旋转期间由用户提供的最大扭矩，然后指示电辅助电机在下一个完全旋转期间提供最高到该最大量的附加扭矩。然而，该车辆的用户不能与电辅助电机相关地控制他必须产生的功率量。
存在用于具有电辅助的手动驱动车辆的控制系统的需求，其中在使用车辆时，用户可以直接选择他/她所需要的肌肉力的量。
发明内容
在第一实施例中，本发明提出一种用于以如下方式来控制和调节电辅助电机的方法，其中所述电辅助电机在通过肌肉力量旋转所述曲柄轴中辅助用户，该电辅助电机适于包括曲柄轴的踏板驱动的车辆，诸如自行车，该方法包括以下步骤：
a)接收关于在通过肌肉力旋转所述曲柄轴时所述用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息；
b)确定在曲柄轴上由用户产生的实际扭矩TP；
c)对于每个TP，通过以下方式调节由电辅助电机产生的扭矩TM：
当TP高于TPSet时，TM增加；
当TP等于TPSet时，TM不变；
当TP低于TPSet时，TM减少；以及
当TP为0时，TM为0。
在第二实施例中，本发明提出一种用于控制和调节电辅助电机的系统，该电辅助电机适于包括曲柄轴的踏板驱动车辆，例如自行车，所述系统包括：
a)用于在通过肌肉力旋转所述曲柄轴时接收关于用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息的装置；
b)用于确定在曲柄轴上由用户产生的实际扭矩TP的装置；
c)控制和计算装置；
其中，
所述用于接收关于特定扭矩TPSet的信息的装置被设定为将所述信息转发给所述控制和计算装置；
所述用于确定实际扭矩TP的装置被设定为将关于所述扭矩的信息转发给所述控制和计算装置；
所述控制和计算装置被设定为从所述用于接收关于特定扭矩TPSet的信息的装置来接收关于当通过肌肉力旋转所述曲柄轴时用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息；以及
所述控制和计算装置被设定为响应于新的TP值的接收以如下方式来调节由电辅助电机产生的扭矩TM：
当TP高于TPSet时，TM增加；
当TP等于TPSet时，TM不变；
当TP低于TPSet时，TM减少；以及
当TP为0时，TM为0。
在第三实施例中，本发明提出一种动力踏板驱动车辆，该动力踏板驱动车辆包括曲柄轴以及电辅助电机，诸如电辅助自行车，其中电辅助电机在由肌肉力旋转所述曲柄轴时辅助用户，并且其中将向前移动车辆的动力从所述曲柄轴传送到诸如车轮或推进器的驱动装置，所述动力辅助踏板驱动车辆，其中电辅助电机根据第二实施例的系统调节。
本发明通过提出在所附权利要求中定义的主题解决上述目标问题。
因此，在第一实施例中，本发明提出一种用于以如下方式控制和调节电辅助电机的方法，其中所述电力辅助电机在通过肌肉力旋转所述曲柄轴时辅助用户，该电辅助电机适于包括曲柄轴的踏板驱动车辆，例如自行车，并且该方法包括以下步骤：
a)接收关于在通过肌肉力旋转所述曲柄轴时所述用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息；
b)确定在曲柄轴上由用户产生的实际扭矩TP；
c)对于每一个TP，通过以下方式调节由电辅助电机所产生的扭矩TM：
当TP高于TPSet时，TM增加；
当TP等于TPSet时，TM不变；
当TP低于TPSet时，TM减少；以及
当TP为0时，TM为0。
如本文所公开的，术语“车辆”或“包括曲柄轴的踏板驱动车辆”不仅通常涉及自行车，也涉及任何其他踏板驱动车辆，诸如踏板驱动的船，踏板驱动的汽车以及甚至踏板驱动的飞机，只要该踏板连接到曲柄轴并且车辆是由从曲柄轴传递的动力驱动。
如本文所公开的，术语“电驱动电机”涉及适于包括曲柄轴的踏板驱动车辆的任何这样的电机。在踏板驱动车辆为自行车的情况下，优选将电辅助电机布置在后轮轮轴内。在这种情况下，空间量有限，因此使用提供与其容积相关的高输出功率的电机将是有益的。这样的电机及其部件的示例可以在WO 2007/024184，WO 2009/116935，WO 2009/116936，WO2009/116937，WO 2011/033106，WO 2011/076740以及WO 2011/076579中找到。
优选以手动输入关于用户希望产生的特定扭矩的信息这样的方式来执行步骤a)。
可选地，优选以用户指出由他/她在特定时间点所产生的扭矩是用户希望产生的特定扭矩这样的方式执行步骤a)，确定该特定扭矩并称为TPSet。
优选有规律地确定由用户产生的扭矩TP，诸如在特定时间量或在曲柄轴的特定旋转量之后。
在第二实施例中，本发明提出一种用于控制和调节电辅助电机的系统，该电辅助电机适于包括曲柄轴的踏板驱动车辆，例如自行车，该系统包括：
a)用于接收关于在通过肌肉力旋转所述曲柄轴时用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息的装置；
b)用于确定在曲柄轴上由用户产生的实际扭矩TP的装置；以及
c)控制和计算装置；
其中，
所述用于接收关于特定扭矩TPSet的信息的装置被设定为将所述信息转发给所述控制和计算装置；
所述用于确定实际扭矩TP的装置被设定为将关于所述扭矩的信息转发给所述控制和计算装置；
所述控制和计算装置被设定为从用于接收关于特定扭矩TPSet的信息的装置来接收关于在通过肌肉力旋转所述曲柄轴时用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息；以及
所述控制和计算装置被设定为响应于新TP值的接收来以如下方式调节由电辅助电机所产生的扭矩TM：
当TP高于TPSet时，TM增加；
当TP等于TPSet时，TM不变；
当TP低于TPSet时，TM减少；以及
当TP为0时，TM为0。
实施由本发明的第二实施例的系统所使用的控制和调节方法的简单方式可以按照以下公式来开始：
当TM(n)+k(TP–TPSet)>0时，TM(n+1)＝TM(n)+k(TP–TPSet)，以及
当TM(n)+k(TP–TPSet)≤0时，TM(n+1)＝0。
其中TP和TPSet具有与前述指出的相同含义，TM(n)为在步骤b)中的实际扭矩TP的第n次确定之前由电辅助电机立刻产生的扭矩，而TM(n+1)为在调整之后由电辅助电机产生的新扭矩。
当TM(n)+k(TP–TPSet)≤0时，TM(n+1)＝0的原因是在用户产生低踏板扭矩时，避免由电辅助电机产生的制动扭矩并且减少电力消耗。
常数“k”可以取决于期望如何调节电辅助电机的扭矩而以不同的方式来选取。高值导致相对快速的响应。而另一方面低值导致较慢的响应。在不同情况下可以对常数k采用不同的值。例如，当在TP和TPSet之间存在大差异时，可以期望使用常数“k”的低值。该调节的一个作用可以使保持恒定和安全的速度对于用户更简单。此外，同样可以基于附加的参数，诸如速度以及上坡倾斜或下坡倾斜的角度来改变常数“k”的值。如果速度为高，则期望使用k的低值，例如以便节省能源和/或增加安全性。这对于下坡倾斜同样适用。另一方面，期望在上坡倾斜中使用更高的k值。在考虑这些进一步参数的情况下，系统同样包括倾斜传感器和/或速度传感器。
优选的是，所述用于接收关于特定扭矩TPSet的信息的装置为键盘，该键盘适于接收来自用户的所述信息。键盘可以被调节用于接收关于用户希望输入的预设扭矩值的限定选择的信息。可替代地，用户可以输入与特定扭矩相对应的数字值。
可选地，优选所述用于接收关于特定扭矩TPSet的信息的装置是用于检测源自用户的活动的装置，并且优选所述控制和计算装置被设定为将实际扭矩TP记录为特定扭矩TPSet。这样的装置可以是用户按下的按钮，当他/她希望指出在按压该按钮的时刻由用户施加的扭矩将作为TPSet输入。所述装置还可以是运动传感器或语音检测装置。
如本文所公开的，术语“用于确定在曲柄轴上由用户产生的实际扭矩TP的装置”涉及适于包括曲柄轴的踏板驱动车辆的任何类型扭矩传感器。这种装置通常可被设置在曲柄组或底托架上。如果踏板驱动车辆的动力传送被传递到车轮，则所述用于确定扭矩的装置可以位于轮轴上。如果踏板驱动车辆的动力传送使用链条被传递到所述车轮，则所述用于确定扭矩的装置也可以包含测量链条的张力。这些不同的扭矩传感器类型在现有技术中熟知。
如本文所公开的，术语“控制和计算装置”涉及适于在低重量车辆中使用的任何类型控制单元。所述单元，通常为微计算机，能够从传感器接收数据并基于预设规则将数据发送到要控制的对象。
优选的是，所述控制和计算装置被设定为将TPSet确定为在特定时间周期期间或在特定曲柄轴位置的两次或多次连续经过处所做出的实际扭矩TP的若干确定值的平均值。参考上述提及的DE 102009029655A1，可知在不同的曲柄轴位置由用户施加的扭矩不同。为了获得稳定和舒适的调节，因此有利的是使用通过在不同时间点和/或曲柄轴位置执行的若干测量值的平均值的TPSet值。
根据第一替代方案，所述用于确定实际扭矩TP的装置被设定为在一个特定周期内确定所述扭矩一次。
根据第二替代方案，所述用于确定实际扭矩TP的装置被设定为当所述曲柄轴已旋转到特定位置时确定所述扭矩。
根据第三替代方案，所述用于确定实际扭矩TP的装置被设定为实际扭矩TP的若干确定值的平均值，该实际扭矩TP在特定时间周期期间或在特定曲柄轴位置的两次或多次连续经过处做出，并且该平均TP在用于调节由电辅助电机产生的扭矩的计算中使用。参考上述DE 102009029655A1，可知在不同的曲柄轴位置由用户所施加的扭矩不同。为了获得稳定和舒适的调节，因此有利的是使用为在不同时间点和/或曲柄轴位置执行的若干测量值的平均值的TPSet值。
在第三实施例中，本发明提出一种动力辅助踏板驱动车辆，该车辆包括曲柄轴以及电辅助电机，诸如电辅助自行车，其中电辅助电机在由肌肉力旋转所述曲柄轴中辅助用户，并且其中将向前移动车辆的动力从所述曲柄轴转发到诸如所述动力辅助踏板驱动车辆的车轮或推进器的驱动装置，其中电辅助电机由根据第二实施例的系统调节。
优选所述车辆是自行车并且电辅助发动机位于后轮轮轴内。
优选扭矩传感器位于或邻近曲柄轴。可选地，扭矩传感器可位于后轮轮轴内。
附图说明
现在将参考附图进一步描述本发明，在附图中：
图1示出根据本发明的优选实施例的动力辅助自行车；
图2公开了图1的自行车的后轮轴；
图3描述了图1的自行车的曲柄组；
图4概述了用于控制图1的自行车的电辅助电机的系统；以及
图5示意性公开了用于控制所述电辅助电机的算法示例。
具体实施方式
现在参考图1，示出根据本发明优选实施例的动力辅助自行车110的示例。自行车110包括典型的标准部件，诸如具有座杆的车座112和车架113，该车架包括上管114，下管116，座管118，座下叉120，链条下叉128和前管122。存在用于转向的车把124。前叉130被枢转地安装在前管中并且连接到车把124。前轮140的轮轴142连接到前叉。曲柄轴136枢转地安装在下管116，座管118和链条下叉128彼此连接的点处。两个曲柄臂134均包括踏板132，以及安装在曲柄轴136上的牙盘138。后轮144的后轮轴150安装在座下叉120和链条下叉128接合的连接点处。链条152环绕曲柄组的牙盘138运行到并环绕在后轮轴上的第二牙盘(未示出)。控制和计算装置146和电池148通常安装在下管116上。用于接收关于在通过肌肉力旋转所述曲柄轴时用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息的装置154，通常为被按下的按钮或键盘，被安装在车把124上。
现在转到图2，示出后轮轴200的详细示图。牙盘202位于后轮轴200的外周。电辅助电机204被安装在围绕后轮144的后轴206的轮轴200内。到控制和计算装置146以及到电池148的(多个)电连接208位于所述轴206内。
现在参考图3，给出曲柄组300的详细示图。牙盘304(参考图1的138)以及在其上安装踏板308，309(参考图1的132)的曲柄臂306(参考图1的134)接合到曲柄轴302(参考图1的136)。扭矩传感器310被布置在曲柄臂306上。扭矩传感器310通过电连接312被连接到控制和计算装置146。
图4概述了一种用于控制根据本发明的电辅助电机402，204的系统400。系统400的核心部件是控制和计算装置404(参考图1的146)。所述装置404接收来自用于接收关于在通过肌肉力旋转所述曲柄轴时用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息的装置408(参考图1的154)的信息，以及来自用于确定在曲柄轴上由用户产生的实际扭矩TP的装置410(参考图3的310)的信息。控制和计算装置404使用从所述装置408和410接收的信息以便以用户可以选择他希望施加的特定扭矩TPSet这样的方式连续控制电辅助电机402。
装置408通常可以是按钮，用户在他希望系统将在他按下按钮的时刻由他产生的实际扭矩TP记录为特定扭矩TPSet时按下该按钮。在这种情况下，当控制和计算装置404已经从正施加期望TPSet值的装置408接收到指示时，控制和计算装置404基于从装置410接收的数据计算TPSet值。可替代地，装置408可以是用于输入关于期望TPSet值的特定信息的键盘。在这种情况下，控制和计算装置将期望值记录为新的TPSet值。
图5具体公开了用于控制由电辅助电机204，402施加的扭矩TM循环算法的示例(步骤500)。然而，图中并没有示出关于在执行如上所建议的算法同时改变“k”值的任何内容。当用户输入新的TPSet值时，算法由期望的特定TPSet值的直接输入或在期望的特定TPSet值的某个时间点处由用户施加的实际扭矩的间接输入来启动(步骤502)。在下一步骤(步骤504)，接收反映由用户施加的实际扭矩的新的TP值。计算应由电辅助电机施加的扭矩TM(n+1)(步骤506)。如果TM(n)+k(TP–TPSet)>0(步骤508)，其中TM(n)为当测量到TP时由电辅助电机施加的扭矩，则TM(n+1)被设定为TM(n)+k(TP–TPSet)(步骤514)。当已设定TM(n+1)的值时，步骤变量n的值增加到n+1并且算法检查是否已接收到新的TPSet值(步骤516)。如果正要接收新的该值，则算法通过在接收到值的步骤处继续并重新开始来进行，(步骤502)。否则，算法通过在接收到新的TP值的步骤处继续并重新开始来进行(步骤504)。如果在步骤506计算的TM(n+1)将等于或者小于0(步骤508)，则TM(n+1)被设定为0(步骤510)。当已经设定TM(n+1)的值时，步骤变量n的值增加到n+1并且算法检查是否已经接收到新的TPSet值(步骤512)。如果正要接收新的该值，则算法通过在接收到该值的步骤处继续并重新开始来进行(步骤502)。

Claims (15)

1.一种方法，用于以如下方式来控制和调节电辅助电机(204，402)，其中所述电辅助电机(204，402)在通过肌肉力旋转曲柄轴(136，302)中辅助用户，该电辅助电机适于包括所述曲柄轴(136，302)的踏板驱动车辆(110)，诸如自行车，并且所述方法包括以下步骤：
a)接收关于在通过肌肉力旋转所述曲柄轴时所述用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息；
b)确定在曲柄轴(136，302)上由用户产生的实际扭矩TP；
c)对于每个TP，以如下方式调节由电辅助电机(204，402)产生的扭矩TM：
当TP高于TPSet时，TM增加；
当TP等于TPSet时，TM不变；
当TP低于TPSet时，TM减少；以及
当TP为0时，TM为0。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)以手动输入关于用户希望产生的特定扭矩的信息这样的方式来执行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)以如下方式执行：
用户指示由他/她在特定时间点产生的扭矩为用户希望产生的特定扭矩，并且确定该特定的扭矩并称为TPSet。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，有规律地确定由用户产生的扭矩TP，诸如在特定时间量之后或在曲柄轴(136，302)的特定旋转量之后。
5.一种系统(400)，用于控制和调节电辅助电机(204，402)，该电辅助电机适于包括曲柄轴(136，302)的踏板驱动车辆，诸如自行车，所述系统包括：
a)用于接收关于当通过肌肉力旋转所述曲柄轴(136，302)时用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息的装置(154，408)；
b)用于确定在曲柄轴(136，302)上由用户产生的实际扭矩TP的装置(310，410)；以及
c)控制和计算装置(146，404)；
其中，
所述用于接收关于特定扭矩TPSet的信息的装置(154，408)被设定为将所述信息转发给所述控制和计算装置(146，404)；
所述用于确定实际扭矩TP的装置(310，410)被设定为将关于所述扭矩的信息转发给所述控制和计算装置(146，404)；
所述控制和计算装置(146，404)被设定为从所述用于接收关于特定扭矩TPSet的信息的装置(154，408)来接收关于当通过肌肉力旋转所述曲柄轴时用户希望产生的特定扭矩TPSet的信息；以及
所述控制和计算装置(146，404)被设定为响应于新的TP值的接收以如下方式调节由电辅助电机(204，402)产生的扭矩TM：
当TP高于TPSet时，TM增加；
当TP等于TPSet时，TM不变；
当TP低于TPSet时，TM减少；以及
当TP为0时，TM为0。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述用于接收关于特定扭矩TPSet的信息的装置(154，408)为适于从用户接收所述信息的键盘。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述用于接收关于特定扭矩TPSet的信息的装置(154，408)为用于检测源自用户的活动的装置，并且所述控制和计算装置(146，404)被设定为将实际扭矩TP记录为特定扭矩TPSet。
8.根据权利要求5或7所述的系统，其特征在于，所述控制和计算装置(146，404)被设定为将TPSet确定为在特定时间周期期间或在特定曲柄轴位置的两次或多次连续经过处已做出的实际扭矩TP的若干确定值的平均值。
9.根据权利要求5至8中任意一项所述的系统，其特征在于，所述用于确定实际扭矩TP的装置(310，410)被设定为在一个特定周期确定所述扭矩一次。
10.根据权利要求5至8中任意一项所述的系统，其特征在于，所述用于确定实际扭矩TP的装置(310，410)被设定为在所述曲柄轴(136，302)已旋转到特定位置时确定所述扭矩。
11.根据权利要求5至8中任意一项所述的系统，其特征在于，所述用于确定实际扭矩TP的装置(310，410)被设定为确定实际扭矩TP的若干确定值的平均值，该实际扭矩的若干确定值的平均值在特定时间周期期间或在特定曲柄轴位置的两次或多次连续经过处已经做出，并且该平均TP在用于调节由电辅助电机产生的扭矩的计算中使用。
12.一种动力辅助踏板驱动车辆(110)，该车辆包括曲柄(136，302)轴以及电辅助电机(204，402)，诸如电辅助自行车，其中电辅助电机(204，402)在通过肌肉力旋转所述曲柄轴(136，302)中辅助用户，并且其中将向前移动车辆的动力从所述曲柄轴(136，302)传送到驱动装置，诸如所述动力辅助踏板驱动车辆(110)的车轮或推进器，其特征在于，电辅助电机(204，402)通过根据权利要求5至11中的任意一项所述的系统来调节。
13.根据权利要求12所述的动力辅助踏板驱动车辆，其特征在于，车辆为自行车并且电辅助电机(204，402)位于后轮轮轴(150，200)内。
14.根据权利要求13所述的动力辅助踏板驱动车辆，其特征在于，扭矩传感器(310，410)位于或邻近曲柄轴(136，302)。
15.根据权利要求13所述的动力辅助踏板驱动车辆，其特征在于，扭矩传感器(310，410)位于后轮轮轴(150)内。
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