CN105947096B - 采用加速度型传感器控制电机的电动自行车及调速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用加速度型传感器控制电机的电动自行车，包括车架五通及中轴、控制器和电机，车架五通靠近中轴位置设有加速度型传感器，加速度型传感器包括光学导航传感器、单片机、数/模转换芯片、发光二极管、PCB板、光学镜片组，中轴外圆设有反射面，反射面位置与光学镜片组位置相对应。调速方法：通过光电方式实时检测中轴旋转速度信号、旋转方向信号及旋转加速度信号，并经过处理将其作为变量参数通过控制器控制电机，电机输出一定比例的助力动力。有益效果：本发明通过光电方式实时检测中轴旋转速度及旋转加速度，以中轴旋转速度及加速度作为变量参数，经电机控制器控制电机，使人力与电动力匹配，实现良好的助力效果。
Description
技术领域
本发明属于电动助力自行车，尤其涉及一种采用加速度型传感器控制电机的电动自行车及调速方法。
背景技术
目前，电动自行车主要作为代步工具，以单纯电动骑行为主要利用方式。骑行的快慢由调速转把来控制轮毂电机转速，该种电动自行车由于速度过快安全隐患多，已经逐渐被淘汰。随着休闲、运动需求的增加，助力骑行方式逐渐受到消费者的欢迎，尤其是按照欧盟、日本等国家的相关法规,电动自行车必须要脚踩助力(即智能型电动自行车),纯手把控制的电动车归类为机动车管理。电动自行车出口欧盟或日本必须是助力型电动自行车。采用助力方式骑行时，利用助力传感器检测脚蹬速度的快慢或脚蹬力的大小，将检测信号传递给控制器，由控制器控制电机输出一定比例的驱动力，实现人力和电动力共同驱动，使骑行者始终有轻快的骑行感受，骑行爬坡省时省力,轻踏轻踩轻松快捷；停止蹬踏,电机自动停止做功；休闲健身安全节能；有效增加续行里程,并能延长电池的使用寿命。电动自行车力矩传感器应用于智能型电动自行车上,是智能型电动自行车核心部件。装有力矩传感器的电动自行车,骑行时与骑自行车习惯一致,骑行力矩与电机输出扭矩成比例关系,以达到力矩倍增的目的。速度型助力传感器基本原理是，通过霍尔元件感应与中轴同步旋转的若干个磁铁的磁场变化，检测中轴旋转速度，并以速度作为变量参数，经电机控制器控制电机。这种方式，中轴旋转一周时输出十几到几十个的矩形脉冲信号，由于相邻两个信号之间对应的中轴旋转角度较大(几度到十几度)，测量滞后明显且误差较大，测量的仅仅是大致的旋转速度，至于中轴以多大的阻力 旋转，这种速度方式助力传感器是判断不出来的，助力效果不好。为了弥补上述不足点而开发出的助力传感器为力矩型助力传感器。
力矩型助力传感器基本原理是，通过检测机械结构的微小形变，加之形变材料的物理特性，换算出中轴所承受的力矩，并以中轴的力矩作为变量参数，经控制器控制电机。这种方式，直接以脚踏产生的力矩作为变量参数控制助力程度，因此相比于速度型助力传感器，助力效果较好。力矩型助力传感器通常设置在电动自行车链轮位置，称之为机电一体化的链轮传感器具有较高的技术含量。骑行时链轮传感器检测脚踏力矩,并将检测信号送往智能控制器,同步控制调节电机转速与输出功率,使骑行力矩与电机输出扭矩成正比例关系,以达到力矩增倍的目的。
由于力矩型助力传感器是利用形变材料微小形变的物理特性，换算出中轴所承受的力矩，因此对中轴组件的加工精度要求极高，导致其成本高且抗冲击能力差，不小心中轴组件受到外力冲击时极易损坏；同时在使用一定时间后形变材料的弹性系数会变化，也导致中轴所受力矩与输出信号的比例关系发生变化，使人力与电动力不匹配，助力效果变差。
以上两种传感器，其本身固有的缺陷无法去除，是助力电动自行车行业亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种采用加速度型传感器控制电机的电动自行车及调速方法，通过光电方式实时检测中轴旋转速度及旋转加速度，以中轴旋转速度及加速度作为变量参数，经电机控制器控制电机，使人力与电动力匹配，实现良好的助力效果。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种采用加速度型传感器控制电机的电动自行车，包括电动自行车的车架五通及中轴、控制器和电机，其特征是：所述车架五通靠近中轴位置设有加速度型传感器，所述加速度型传感器包括光学导航传感器、单片机、数/模转换芯片、发光二极管、PCB板、光学镜片组和外壳，所述光学导航传感器、单片机、数/模转换芯片和发光二极管依次连接在PCB板上，并置于外壳中，所述外壳底部设有进光孔，所述进光孔处固接有光学镜片组，所述中轴外圆设有反 射面，所述反射面位置与光学镜片组位置相对应。
所述发光二极管置于光学镜片组后方。
所述PCB板设为引出线与引出线连接器连接，所述引出线连接器与控制器连接。
一种采用加速度型传感器控制电机的电动自行车的调速方法，其特征是：通过光电方式实时检测中轴旋转速度信号、旋转方向信号及旋转加速度信号，并经过处理将其作为变量参数通过控制器控制电机；具体分步骤如下：
1)在车架五通靠近中轴位置安装加速度型传感器，加速度型传感器包括光学导航传感器、单片机、数/模转换芯片、发光二极管、PCB板、光学镜片组并置于外壳中，PCB板设为引出线与引出线连接器连接，所述引出线连接器与控制器连接，骑行者根据个人骑行需求设定助力比例；
2)骑行开始后，加速度型传感器的发光二极管发出的光经光学镜片组照射到自行车中轴反射面，反射光经进光孔及光学导航传感器底部设置的感光孔进入光学导航传感器的内部，光学导航传感器对自行车中轴表面按照设定频率进行拍照，光学导航传感器拍照后的每帧照片在设定的像素矩阵中成像；
3)被拍照的中轴表面反射面，其粗糙度的差异可以在像素矩阵中某一个像素点上形成特征亮点或暗点，随着中轴的转动，连续拍照时，特征亮点或暗点的位置相应地发生变化；
4)将前后两次图像送入内置的数字信号处理器中进行处理，得到移动方向和移动距离；
5)将每一帧对应的位移信号实时传输给单片机计算处理，根据已知每一帧时间内中轴移动位移，计算出中轴旋转速度，即位移对时间一次求导得到速度信号；再进一步速度对时间一次求导得出加速度信号；
6)通过引出线及引出线连接器向控制器输出中轴旋转方向、旋转速度及旋转加速度三种信号；其中加速度信号经数/模转换芯片转换成电机控制器能够识别的0.5V-3.0V电压模拟信号；
7)控制器通过控制输出助力动力的大小，使中轴加速度维持在设定值的范围内，骑行者可以实现个人骑行需求的最佳助力骑行感受。
所述光学导航传感器以6469帧/秒的频率、分辨率2000CPI进行拍照。
所述光学导航传感器拍照的每帧照片像素以19行×19列的矩阵方式分布。
有益效果：本发明通过光电方式实时检测中轴旋转速度及旋转加速度，以中轴旋转速度及加速度作为变量参数，经电机控制器控制电机，使人力与电动力匹配，实现良好的助力效果。不仅克服了现有助力传感器的结构复杂、稳定性差、价格昂贵等缺点，且具有体积小、助力效果佳、价格低可靠性强等诸多优点。
附图说明
图1是加速度型传感器结构及安装关系示意图；
图2是本发明引出线管脚功能示意图；
图3是本发明的结构框图；
图4是本发明所采用光学导航传感器像素示意图；
图5是本发明原始信号采集原理示意图；
图6是本发明所采用光学导航传感器实时位移信号输出示意图；
图7是骑行时人力驱动力与骑行阻力示意图；
图8是骑行时中轴旋转加速度变化示意图；
图9是本发明的加速度与对应输出信号关系图；
图10是本发明的速度信号示意图；
图11是本发明的旋转方向信号示意图；
图12-1是应用本发明助力时人力功率变化示意图；
图12-2是应用本发明助力时中轴旋转加速度变化示意图；
图12-3是应用本发明助力时电机功率变化示意图；
图中：1、光学导航传感器，1-1、光学导航传感器感光孔，2、单片机，3、数/模转换芯片，4、发光二极管，5、PCB板，6、光学镜片组，7、外壳，7-1、进光孔，8、引出线连接器，9、中轴，9-1、反射面。
具体实施方式
下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
详见附图1-3，一种采用加速度型传感器控制电机的电动自行车，包括电动自行车的车架五通及中轴9、控制器和电机，所述车架五通靠近中轴 位置设有加速度型传感器，所述加速度型传感器包括光学导航传感器1、单片机2、数/模转换芯片3、发光二极管4、PCB板5、光学镜片组6和外壳7，所述光学导航传感器、单片机、数/模转换芯片和发光二极管依次连接在PCB板上，并置于外壳中，所述外壳底部设有进光孔7-1，所述进光孔处固接有光学镜片组，所述中轴外圆设有反射面9-1，所述反射面位置与光学镜片组位置相对应。所述发光二极管置于光学镜片组后方。光学导航传感器底部设有感光孔1-1。所述PCB板设为引出线与引出线连接器8连接，所述引出线连接器与控制器连接。
采用上述加速度型传感器控制电机的电动自行车的调速方法，通过光电方式实时检测中轴旋转速度信号、旋转方向信号及旋转加速度信号，并经过处理将其作为变量参数通过控制器控制电机；具体分步骤如下：
1)在车架五通靠近中轴位置安装加速度型传感器，加速度型传感器包括光学导航传感器、单片机、数/模转换芯片、发光二极管、PCB板、光学镜片组并置于外壳中，PCB板设为引出线与引出线连接器连接，所述引出线连接器与控制器连接，骑行者根据个人骑行需求设定助力比例；
2)骑行开始后，加速度型传感器的发光二极管发出的光经光学镜片组照射到自行车中轴反射面，反射光经进光孔及光学导航传感器底部设置的感光孔进入光学导航传感器的内部，光学导航传感器对自行车中轴表面按照设定频率进行拍照，光学导航传感器拍照后的每帧照片在设定的像素矩阵中成像；
3)被拍照的中轴表面反射面，其粗糙度的差异可以在像素矩阵中某一个像素点上形成特征亮点或暗点，随着中轴的转动，连续拍照时，特征亮点或暗点的位置相应地发生变化；
4)将前后两次图像送入内置的数字信号处理器(DSP)中进行处理，得到移动方向和移动距离；
5)将每一帧对应的位移信号实时传输给单片机计算处理，根据已知每一帧时间内中轴移动位移，计算出中轴旋转速度，即位移对时间一次求导得到速度信号；再进一步速度对时间一次求导得出加速度信号；
6)通过引出线及引出线连接器向控制器输出中轴旋转方向、旋转速度及旋转加速度三种信号；其中加速度信号经数/模转换芯片转换成电机控制器能够识别的0.5V-3.0V电压模拟信号；
7)控制器控制电机输出一定比例的助力动力，控制器通过控制输出助力动力的大小，使中轴加速度维持在设定值的范围内，骑行者可以实现个人骑行需求的最佳助力骑行感受。
所述光学导航传感器以6469帧/秒的频率分辨率达到2000CPI进行拍照。
所述光学导航传感器拍照的每帧照片像素以19行×19列的矩阵方式分布。
光电方式实时检测信号的工作原理
发光二极管发出的光经光学镜片组照射到自行车中轴反射表面，反射光经进光孔及光学导航传感器底部设有的感光孔进入到内部，光学导航传感器以6469帧/秒的频率对自行车中轴表面进行拍照，分辨率达到2000CPI(英寸/2000点，约0.0127mm)。如图4所示，采用的光学导航传感器像素以19行×19列方式分布，而且每一帧照片在19x19的像素矩阵内成像时，由于中轴表面的粗糙度的差异使得在某一个像素点上会形成特征亮点或暗点，随着中轴的转动，连续拍照时，特征点的位置会相应地发生变化。如图5所示，第二帧对比第一帧照片右移三个像素、第三帧对比第二帧照片右移四个像素、第四帧对比第三帧照片右移3个像素，如此连续工作，将前后两次图像送入内置的数字信号处理器(DSP)中进行处理，得到移动方向和移动距离。如图6所示，将每一帧对应的位移信号实时传输给单片机计算处理，得到所需要的物理参数，例如，已知每一帧时间内中轴移动位移，可计算出中轴旋转速度，即位移对时间一次求导得到速度信号；进一步速度对时间一次求导得出加速度信号；从而输出中轴转动方向、速度及运动加速度三种信号。其中加速度信号经数/模转换芯片转换成电机控制器可识别的0.5V-3.0V电压模拟信号。
如图9所示，输出的加速度信号类型为电压模拟信号，加速度大则输出电压高；
如图10所示，速度信号类型为脉冲信号，速度快则脉宽小，频率高；
如图11所示，旋转方向信号为电平信号，反转则输出低电平，正转则输出高电平。
加速度传感器工作原理
骑行时人力动力传递路径是,脚踏力→曲柄→中轴→链条→后轮,克服 阻力获得向前推进的动力，而人力动力通过左右曲柄交替地做功时，由于曲柄旋转，有效力臂长度随旋转角度的变化而变化，即曲柄处于水平位置时人力施加的力矩最大，曲柄处于垂直位置时人力施加的力矩为0，因此，传递到中轴的力矩大小也发生周期性变化。如图7、图8所示，人力驱动力是周期性变化的，而骑行阻力基本是恒定的，因此，骑行时中轴旋转一圈的周期之中，人力驱动力大于自行车骑行阻力区间，整个自行车将逐渐加速，即具有一定的正的加速度；相反人力驱动力小于自行车骑行阻力区间，整个自行车将逐渐减速，即具有一定的负的加速度，因此中轴转动速度不是匀速的，而是跟随人力驱动力的大小有周期性变化的。这种现象在骑行阻力较大时会很明显，而骑行阻力较小时则中轴旋转相对均匀。
加速度a可由以下公式表示：
a＝(F-f)/M,式中，
a-加速度；F-人力驱动力；f-骑行阻力；M-骑行者和自行车总质量
本发明的工作原理
精确地检测上述中轴旋转运动的速度的变化，即加速度，将加速度大小转换为模拟信号传输给电机控制器，由电机控制器控制电机输出一定比例的助力动力。当骑行阻力大时加速度较大，电机控制器加大助力动力输出，抵消大部分骑行阻力，降低骑行者的负担，骑行者负担减小使中轴旋转趋于匀速，即加速度减小，电机控制器通过控制输出助力动力的大小，使中轴加速度维持在设定的值范围内，实现最佳助力骑行感受。
传统的若干个磁铁加霍尔方式的传感器中轴旋转一圈只有几十个脉冲信号，以36个脉冲信号的传感器为例，一个脉冲对应的中轴角度有10°，因此10°以内中轴的运动是检测不到的，而且无法避免磁铁和霍尔的装配误差的影响，即便是中轴匀速旋转，输出的相邻脉冲信号的脉宽也是不相同的，因此传统磁铁加霍尔方式是检测不了中轴旋转的微小的速度变化，即无法检测加速度。本发明的加速度型助力传感器以6469帧/秒的频率及0.0127mm的分辨率对中轴运动实时检测，以中轴直径17mm为例计算，0.0127mm对应的中轴角度约为0.08°，而且位移检测基准为光学传感器的像素作为单一的参照，因此不存在零件之间装配误差的问题，能够精准地测量出中轴转动的速度变化，即加速度。
举例说明实际骑行中工作原理及过程
首先，骑行者设定助力比例，如果希望骑行轻松一些可选择人力输出小功率，电机输出大功率方式；如果希望锻炼身体，可选人力输出大功率，电机输出小功率方式。例如，将助力设置设定为人力骑行做功50W水准时，即无论是在平地还是上坡路段，骑行人员以50W功率做功即可，其余不足部分由电机提供，即，控制器控制电机输出一定比例的助力动力。图12-1、12-2、12-3中T1时间段为人力与电动功率达到平衡的骑行状态；T2时间段为骑行阻力增加时人力与电动功率重新找回平衡的过程段；T3时间段为新的平衡的骑行状态。如图12-1中T1时间段所示，在水平路面骑行时人力输出50W功率，图12-3中T1电机控制器控制电机输出100W功率，人力和电机共同输出150W功率来维持稳定的骑行状态，此时如图12-2中T1时间段所示，中轴旋转加速度波动程度与人力做功的50W功率相对应，加速度波动维持在一定范围内；如图12-1中T2时间段所示，当某一时刻开始爬坡或顶风骑行时，整体骑行阻力增加，骑行者做功功率大于50W，即用更大的力来蹬自行车，如图12-2中T2时间段所示，这会使中轴旋转加速度波动加大，电机控制器将逐渐加大电机输出功率，直至中轴旋转加速度波动程度减小至与人力骑行功率50W相对应的程度，此时人力输出50W，如图12-3中T2时间段所示电机输出150W，共同输出200W功率来重新找回新的稳定的骑行状态，使骑行者骑行感受如同平地上骑行，始终保持轻快的骑行状态，达到最佳的助力效果。
上述参照实施例对该一种采用加速度型传感器控制电机的电动自行车及调速方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种采用加速度型传感器控制电机的电动自行车，包括电动自行车的车架五通及中轴、控制器和电机，其特征是：所述车架五通靠近中轴位置设有加速度型传感器，所述加速度型传感器包括光学导航传感器、单片机、数/模转换芯片、发光二极管、PCB板、光学镜片组和外壳，所述光学导航传感器、单片机、数/模转换芯片和发光二极管依次连接在PCB板上，并置于外壳中，所述外壳底部设有进光孔，所述进光孔处固接有光学镜片组，所述中轴外圆设有反射面，所述反射面的位置与光学镜片组的位置相对应。
2.根据权利要求1所述的采用加速度型传感器控制电机的电动自行车，其特征是：所述发光二极管置于光学镜片组后方。
3.根据权利要求1所述的采用加速度型传感器控制电机的电动自行车，其特征是：所述PCB板设为引出线与引出线连接器连接，所述引出线连接器与控制器连接。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的采用加速度型传感器控制电机的电动自行车的调速方法，其特征是：通过光电方式实时检测中轴旋转速度信号、旋转方向信号及旋转加速度信号，并经过处理将中轴旋转速度信号、旋转方向信号及旋转加速度信号作为变量参数通过控制器控制电机；具体分步骤如下：
1）在车架五通靠近中轴位置安装加速度型传感器，加速度型传感器包括光学导航传感器、单片机、数/模转换芯片、发光二极管、PCB板、光学镜片组并置于外壳中，PCB板设为引出线与引出线连接器连接，所述引出线连接器与控制器连接，骑行者根据个人骑行需求设定助力比例；
2）骑行开始后，加速度型传感器的发光二极管发出的光经光学镜片组照射到自行车中轴反射面，反射光经进光孔及光学导航传感器底部设置的感光孔进入光学导航传感器的内部，光学导航传感器对自行车中轴表面按照设定频率进行拍照，光学导航传感器拍照后的每帧照片在设定的像素矩阵中成像；
3）被拍照的中轴表面反射面，其粗糙度的差异可以在像素矩阵中某一个像素点上形成特征亮点或暗点，随着中轴的转动，连续拍照时，特征亮点或暗点的位置相应地发生变化；
4）将前后两次图像送入内置的数字信号处理器中进行处理，得到移动方向和移动距离；
5）将每一帧对应的位移信号实时传输给单片机计算处理，根据已知每一帧时间内中轴移动位移，计算出中轴旋转速度，即位移对时间一次求导得到速度信号；再进一步速度对时间一次求导得出加速度信号；
6）通过引出线及引出线连接器向控制器输出中轴旋转方向、旋转速度及旋转加速度三种信号；其中加速度信号经数/模转换芯片转换成电机控制器能够识别的0.5V-3.0V电压模拟信号；
7）控制器通过控制输出助力动力的大小，使中轴加速度维持在设定值的范围内，骑行者可以实现个人骑行需求的最佳助力骑行感受。
5.根据权利要求4所述的采用加速度型传感器控制电机的电动自行车的调速方法，其特征是：所述光学导航传感器以6469帧/秒的频率、分辨率2000CPI进行拍照。
6.根据权利要求4所述的采用加速度型传感器控制电机的电动自行车的调速方法，其特征是：所述光学导航传感器拍照的每帧照片像素以19行×19列的矩阵方式分布。
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