CN105172993B - 混合动力自行车自动变速方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于自动变速技术领域，提供了一种混合动力自行车自动变速方法及装置，所述方法包括下述步骤：步骤a，传感器组实时采集当前骑行状态信号并传送给MCU；步骤b，所述MCU根据当前骑行状态信号输出控制信号给电机控制器；步骤c，所述电机控制器根据所述控制信号控制电机输出相应助力速度和助力档位。本发明提供的混合动力自行车自动变速方法及装置，抛弃了传统机械齿轮组式变速装置，MCU根据传感器传送的当前骑行状态信号来判断分析并直接控制电机输出相应助力速度，实现了混合动力自行车的自动变速与自动调档，减小了骑行者不必要的判断及操作。

Description

混合动力自行车自动变速方法及装置

技术领域

本发明属于自动变速技术领域，尤其涉及一种混合动力自行车自动变速方法及装置。

背景技术

传统电动车是纯电动车，即骑行者不需要用力，完全由电源控制电机运转。电动车控制器连接一个调速手把，转动手把，控制器相应调节电机的转速，这种车在我国较为流行，存在的问题一个是行驶速度快不安全，另一个是骑行时一直使用电池，续航短，需要频繁充电，电池寿命短，增加污染及回收成本。

混合动力自行车，一般又叫做助力自行车；电动助力自行车既是一种绿色环保型交通工具，又是一种十分方便的健身器材，这种车是通过骑行者的脚踏动作来调节电机输出的助力，这种车在国外较为流行。其原理是人脚踏力的大小通过力矩传感器传给控制器，控制器控制电机输出相应大小的力矩，达到一种“四两拨千斤”的省力骑行效果。一般在车把位置配有可以调节助力档位的按键、转拨或指拨，用户可以手动调档，根据不同的路况改变电力输出与人力的比例范围，用以实现平路小助力，坡路大助力的效果，但是存在的问题是需要骑行者在骑行过程中不断的去手动按按键或拨指拨，体验效果不好，降低部件使用寿命，同时也存在安全隐患，因此需要一种混合动力车自动变速装置。

传统山地车自动变速装置可以是机械结构或电子结构，主要都是调节变速机械齿轮组结构来实现的，在机械结构的变速器中，用离心力来在变速器齿轮之间变速；在电子结构的变速器中，可以检测某些物理变量并用其来标志齿轮之间期望的转换，例如一些电子变速器通过检测自行车的速度来表示期望的机械齿轮转换。机械式和电子式变速器都存在的问题是部件之间的尺寸配合精度要求较高，加工难度大，加工成本高，良品率低，实用性差；同时由于使用钢丝作为推动变速杆或者变速器的动力传递源，暴露在空气中，很容易产生锈蚀等现象，导致钢丝强度大大降低，断裂后则变速器无法正常使用，更换钢丝的工序繁琐，无形中给用户增加了使用难度和使用成本；另外，由于相邻机械齿轮间的齿数相差不大，当相邻档位进行变速时速差较小，而较大速差的档位变速时，必须经过中间链轮，因此变速时链轮跨度大，变速时间长，操作繁琐，且变速时的链条脱离需要缓蹬一脚，给骑行者带来不适，因此，不能满足人们对轻便、快速、方便、舒适的变速要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种混合动力自行车自动变速方法及装置，旨在达到自动变速和自动调档的效果。

本发明提供了一种混合动力自行车自动变速方法，所述方法包括下述步骤：

步骤a，传感器组实时采集当前骑行状态信号并传送给MCU；

步骤b，所述MCU根据当前骑行状态信号输出控制信号给电机控制器；

步骤c，所述电机控制器根据所述控制信号控制电机输出相应助力速度和助力档位。

进一步地，所述传感器组包括力矩传感器和速度传感器，所述当前骑行状态信号为当前骑行脚踏力F和中轴转速V；所述力矩传感器采集当前骑行脚踏力F，所述速度传感器采集中轴转速V。

进一步地，所述MCU根据当前骑行脚踏力F判断当前需输出的助力速度，根据中轴转速V判断当前需输出的助力档位。4、如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述速度传感器为霍尔传感器。

进一步地，所述控制信号为PWM信号。

本发明还提供了一种混合动力自行车自动变速装置，所述装置包括：传感器模块、MCU、电机控制模块、电源模块，所述MCU分别与传感器模块、电机控制模块和电源模块连接；

所述传感器模块用于实时采集当前骑行状态信号并传送给MCU；

所述MCU用于对所述当前骑行状态信号进行综合判断，并输出控制信号给电机控制模块；

所述电机控制模块用于根据所述控制信号控制混合动力自行车的电机输出相应助力速度；

所述电源模块用于为各模块提供电源。

进一步地，所述传感器模块包括力矩传感器模块和速度传感器模块，所述当前骑行状态信号为当前骑行脚踏力F和中轴转速V；所述力矩传感器模块采集当前骑行脚踏力F，所述速度传感器模块采集中轴转速V。

进一步地，所述控制信号为PWM信号。

进一步地，所述力矩传感器模块采用下述方式中的一种实现：

方式一：为内置于牙盘中的弹簧或应变片，用于检测曲柄上的扭矩；

方式二：为内置于中轴处的弹簧或应变片，用于检测轴处的扭矩；

方式三：为与助力自行车的链条接触的簧片，用于通过检测链条上压力的方式来检测扭矩。

进一步地，所述速度传感器模块采用下述方式中的一种实现：

方式一：复用内置于助力自行车电机中的霍尔传感器；

方式二：复用内置于助力自行车中轴处的环形霍尔传感器；

方式三：复用内置于助力自行车辐条上处的霍尔传感器。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种混合动力自行车自动变速方法及装置，一方面，MCU根据传感器组传送的当前骑行状态信号来判断分析并直接控制电机输出相应助力速度，实现了混合动力自行车的自动变速与自动调档，减小了骑行者不必要的判断及操作；混合动力自行车在较大速差和较小速差都能实现直接变速，避免了传统机械式变速器较大速差的档位变速时，必须经过中间链轮而给骑行者带来不适等缺点；同时，本发明抛弃传统齿轮组式变速装置，采用简单的传感器组即可实现检测及调节，传感器组隐藏集成于牙盘或中轴处，同时密封，从外表看跟普通的牙盘或中轴无异，具有很好的防水防尘效果，在自然环境中工作稳定可靠；另外，本发明提供的自动变速装置适用于混合动力自行车、电动脚踏独轮车、电动助力三轮车等轻型电动车辆。

附图说明

图1是本发明实施例提供的混合动力自行车自动变速方法流程图；

图2是本发明实施例提供的混合动力自行车自动变速装置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有的混合动力自行车在骑行过程中，电动助力与人脚踏力的比例不同这种情况，本发明使用力矩传感器和速度传感器采集车在骑行过程中人脚踏力和中轴转速，并传递给MCU进行综合分析，进而控制调节电机输出相应助力速度，实现自动变速的效果；当在平路骑行、坡路骑行、复杂路况骑行都能调节到合适的速度。

下面具体介绍这种混合动力自行车自动变速方法，所述方法包括下述步骤：

步骤a，传感器组实时采集当前骑行状态信号并传送给MCU；

步骤b，所述MCU根据当前骑行状态信号输出控制信号给电机控制器；

步骤c，所述电机控制器根据所述控制信号控制电机输出相应助力速度和助力档位。

进一步地，所述传感器组包括力矩传感器和速度传感器，所述当前骑行状态信号为当前骑行脚踏力F和中轴转速V；所述力矩传感器采集当前骑行脚踏力F，所述速度传感器采集中轴转速V；所述MCU根据当前骑行脚踏力F判断当前需输出的助力速度，根据中轴转速V判断当前需输出的助力档位。

其中，MCU对脚踏力F与中轴转速V进行双重条件分析判断，并调节电机助力速度及助力档位。下面举一具体实施例介绍这种判断算法：正常骑行时，假定骑行速度为0-40km/h，将相应脚踏力F取值范围F_min-F_max划分为n个区间，分别为不同的脚踏力判断区间，在每一个助力档位上，根据脚踏力F的范围，电机对应一个助力速度范围。MCU根据脚踏力F落在的区间及中轴转速V进行比较判断，调节相应电机助力速度。具体根据路况进行电机调节的方式如下表：

进一步地，所述速度传感器为霍尔传感器。

进一步地，所述控制信号为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制；脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术)信号。

本发明还提供了一种混合动力自行车自动变速装置，所述装置包括：MCU1、传感器模块2、电机控制模块3、电源模块4，所述MCU1分别与传感器模块2、电机控制模块3和电源模块4连接；

所述传感器模块2用于实时采集当前骑行状态信号并传送给MCU1；

所述MCU1用于对所述当前骑行状态信号进行综合判断，输出控制信号给电机控制模块3；

所述电机控制模块3用于根据所述控制信号控制电机输出相应助力速度；

所述电源模块4用于为各模块提供电源。

所述传感器模块2包括力矩传感器模块和速度传感器模块，所述当前骑行状态信号为当前骑行脚踏力F和中轴转速V；所述力矩传感器模块采集当前骑行脚踏力F，所述速度传感器模块采集中轴转速V。

所述力矩传感器模块可以在牙盘中内置弹簧或应变片，检测曲柄上的扭矩；或者内置于中轴处，检测轴处的扭矩；还可以使用一个簧片与链条接触，通过检测链条上压力的方式来间接检测扭矩。

所述力矩传感器模块的目的是间接反映骑行者上坡时的状态，为达到更精确的坡度检测效果，还可以采用方位传感器模块、三轴加速度传感器模块、陀螺仪等传感器模块。

所述速度传感器模块可以直接使用电机内置的霍尔传感器模块，因为一般直流无刷电机都有内置霍尔传感器模块；也可以使用置于中轴处的环形霍尔传感器模块，通过有线或无线方式连接到MCU；也可以使用置于辐条上的霍尔传感器模块，通过有线或无线方式连接到MCU。

所述速度传感器模块为霍尔传感器；

所述控制信号为PWM信号；

所述力矩传感器模块和速度传感器模块安装集成于混合动力自行车的牙盘或中轴处。

本发明提供的自动变速装置可安装在混合动力自行车上，使用牙盘式力矩传感器，速度传感器直接使用电机内置霍尔传感器即可；骑行者在平路骑行时，助力速度适中并保持不变(或者可逐渐增大)；到达坡路时，瞬间脚踏力变大，踏频变小，电机助力比例变大，下坡类似，达到自动变速的目的。

本发明提供的一种混合动力自行车自动变速方法及装置，一方面，MCU根据脚踏力矩与中轴转速的双重条件分析判断保证了自动变速装置的灵敏度和可靠性，同时实现了自动变速与自动调档，减小了骑行者不必要的判断及操作。

另一方面，由于是控制器直接控制电机变速，较大速差和较小速差都能实现直接变速，避免了传统机械式变速器较大速差的档位变速时必须经过中间链轮而导致的变速时链轮跨度大，变速时间长，操作繁琐等缺点；且变速时的链条脱离需要缓蹬一脚，给骑行者带来不适。

再一方面，本发明抛弃传统机械齿轮组式变速装置，避免了配合精度要求高，加工难度大，加工成本高，良品率低，实用性差等缺点，采用简单的力矩传感器及霍尔速度传感器实现检测及调节，传感器组隐藏集成于牙盘或中轴处，同时密封，从外表看跟普通的牙盘或中轴无异，具有很好的防水防尘效果，不怕水、泥和灰尘等恶劣环境的影响，在自然环境中工作稳定可靠；同时在保证自行车牙盘及中轴正常使用的情况下，做到所需元器件少，无齿轮组机械结构，外观美观简约，结构简单易安装维护；本发明提供的自动变速装置适用于混合动力自行车、电动脚踏独轮车、电动助力三轮车等轻型电动车辆。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.混合动力自行车自动变速方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤a，传感器组实时采集当前骑行状态信号并传送给MCU；

步骤b，所述MCU根据当前骑行状态信号输出控制信号给电机控制器；

步骤c，所述电机控制器根据所述控制信号控制电机输出相应助力速度和助力档位；

所述传感器组包括力矩传感器和速度传感器，所述当前骑行状态信号为当前骑行脚踏力F和中轴转速V；

所述步骤a具体为，所述力矩传感器采集当前骑行脚踏力F，所述速度传感器采集中轴转速V，并传送给MCU；

所述步骤b具体为，所述MCU根据当前骑行脚踏力F判断当前需输出的助力速度，根据中轴转速V判断当前需输出的助力档位，并输出给所述电机控制器；

所述步骤c具体为，所述电机控制器根据判断出的需输出的助力速度控制电机输出相应助力速度，根据判断出的需输出的助力档位控制电机输出相应助力档位；

具体地，将当前骑行脚踏力F取值范围F_min-F_max划分为n个区间，分别为不同的当前骑行脚踏力判断区间，在每一个助力档位上，根据当前骑行脚踏力F的范围，电机对应一个助力速度范围；MCU根据当前骑行脚踏力F落在的区间及中轴转速V进行比较判断，调节相应电机助力速度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述速度传感器为霍尔传感器。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制信号为PWM信号。

4.混合动力自行车自动变速装置，其特征在于，所述装置包括：传感器模块、MCU、电机控制模块、电源模块，所述MCU分别与传感器模块、电机控制模块和电源模块连接；

所述传感器模块用于实时采集当前骑行状态信号并传送给MCU；

所述MCU用于对所述当前骑行状态信号进行综合判断，并输出控制信号给电机控制模块；

所述电机控制模块用于根据所述控制信号控制混合动力自行车的电机输出相应助力速度；

所述电源模块用于为各模块提供电源；

所述传感器模块包括力矩传感器模块和速度传感器模块，所述当前骑行状态信号为当前骑行脚踏力F和中轴转速V；

所述力矩传感器模块用于采集当前骑行脚踏力F，所述速度传感器模块用于采集中轴转速V，并传送给MCU；

所述MCU具体用于根据当前骑行脚踏力F判断当前需输出的助力速度，根据中轴转速V判断当前需输出的助力档位，并输出给所述电机控制模块；

所述电机控制模块具体用于根据判断出的需输出的助力速度控制电机输出相应助力速度，根据判断出的需输出的助力档位控制电机输出相应助力档位；

具体地，所述当前骑行脚踏力F的取值范围F_min-F_max被划分为n个区间，分别为不同的当前骑行脚踏力判断区间，在每一个助力档位上，根据当前骑行脚踏力F的范围，电机对应一个助力速度范围；所述MCU具体用于根据当前骑行脚踏力F落在的区间及中轴转速V进行比较判断，调节相应电机助力速度。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制信号为PWM信号。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述力矩传感器模块采用下述方式中的一种实现：

方式一：为内置于牙盘中的弹簧或应变片，用于检测曲柄上的扭矩；

方式二：为内置于中轴处的弹簧或应变片，用于检测轴处的扭矩；

方式三：为与助力自行车的链条接触的簧片，用于通过检测链条上压力的方式来检测扭矩。

7.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述速度传感器模块采用下述方式中的一种实现：

方式一：复用内置于助力自行车电机中的霍尔传感器；

方式二：复用内置于助力自行车中轴处的环形霍尔传感器；

方式三：复用内置于助力自行车辐条上处的霍尔传感器。