CN108516039B - 一种电动自行车用的助力驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种电动自行车的助力驱动系统首先要求生产厂事先针对目标车种做实际路面测试,以便建立一个实用可靠的「最大助力扭矩额度限制值」数据库,再用高效的电气控制器依据输入条件提取数据库中的目标数值,命令电机依目标数值提供车辆最大限额的电机助力扭矩,然后骑者再加上些许踩踏力量便可随时驱动车辆行走。另外设有像传统机车一般的加速转把,方便骑者随时随意的调设电机助力扭矩,变换人力和电机助力的给力分配比例。系统功能还顾及逆强风、爬陡坡、载重荷和不良路面条件下各种艰苦出力的行车状况,可及时提供适当的额外助力帮助骑行,而且实行的控制方式要求系统给力在先,骑者随时出力都可得到全额的电机助力支持,骑行体验更合理也更愉悦舒心。

Description

一种电动自行车用的助力驱动系统
技术领域
本发明属于电动助力自行车领域,涉及一种电动自行车用的助力驱动系统。
背景技术
目前适用于欧盟及日本地区的电动助力自行车有明确的法规限制,合乎规定的才能在一般自行车道行驶。目前生产厂商如德国博世、日本松下及雅马哈和禧马诺的助力驱动控制方式,首先是由骑者选定助力比值,最高比值为 75％,也就是车辆的整体驱动扭矩是人力占比25％、助力75％的比例分配,骑行时, 再由扭力侦测器实时的识别、侦测骑者踩踏脚踏板的驱动扭矩,并提供给控制器做判断、计算需要电机输出多少扭矩来助推车辆。这种助力驱动系统虽然符合法规规定,但是没有顾及骑者逆强风、爬陡坡、载重荷和不良路面条件下各种艰苦出力的行车状况,及时提供适当的助力帮助骑行,而且实行的控制方式要求骑者必须出力在先,系统才滞后的给力,是一种必然迟滞的伺服控制方式,不合人性。
发明内容
本发明目的在让电动自行车的助力驱动系统具有下列特征:生产厂要事先针对目标车型做实际路面测试并建立一个「最大助力扭矩额度限制值」数据库,其可靠性和实用性最高。系统控制器可依据输入要求提取数据库中目标数值,并命令电机依目标数值提供车辆最大限制额度的助力扭矩,运算处理过程简单快速。该电机助力扭矩是事先一直存在,随时等候配合人力一起合力驱动车辆行走,属于同步伺服控制,有效而准确。另外,设有像传统机车一般的加速转把,骑者可以随时随意的操作该转把调设电机助力扭矩,变化电机助力和骑者出力的搭配比例。
本发明一种电动自行车用的助力驱动系统是通过下述技术于与实现,它包括:
一个两轮以上的电动自行车,其中包括一个车把、一个车架、一个以上的车辆驱动轮和一个电池单元；一个力矩电机单元,其中包括一个功率转换器、一个以上的力矩电机和减速机组可依电气控制命令引导所述电池单元的电力驱动所述力矩电机和减速机组产生旋转力矩再传递给所述车辆驱动轮；一个助力电气控制器单元,其中包括一个人机界面,一组输入接口,一组输出接口,一套程序软件,一个数据处理器可依设定的程序把输入转换成一组输出控制命令,其中包括驱动所述力矩电机的命令；一个附有断电开关的剎车闸把可供骑者操作执行剎车机能, 并在剎车时提供切断驱动所述力矩电机的命令给所述助力电气控制器单元。
还有,所述一种电动自行车用的助力驱动系统其中包括；一个车架角度及地形坡度侦测单元可以随时动态的侦测取得车架水平夹角和地形坡度数据输入到所述一个助力电气控制器单元。
还有,所述一种电动自行车用的助力驱动系统其中包括；一个风力侦测单元可以随时动态的侦测取得行车方向的风力数据输到所述一个助力电气控制器单元。
还有,所述一种电动自行车用的助力驱动系统其中包括；一个扭矩调整转把可以让用户操作变化驱动所述力矩电机命令的扭矩强度比值。
还有,所述一种电动自行车用的助力驱动系统其中包括；一个荷载值输入界面。
还有,所述一种电动自行车用的助力驱动系统其中包括；一个路面条件输入界面。
还有,所述一种电动自行车用的助力驱动系统其中包括；一个个人化减小扭矩比例的运动模式设定界面并且可以改变扭矩矢量方向。
还有,所述一种电动自行车用的助力驱动系统其中一个力矩电机单元包括；一个以上的一体式力矩轮谷电机。
还有,所述一种电动自行车用的助力驱动系统其特征是其中一个力矩电机单元包括；一个中轴式力矩电机。
附图说明
图1所示是装置本发明的一台电动助力自行车外观示意图。
图2所示是本发明一种电动自行车用的助力驱动系统的助力系统硬件布置图。
图3所示是一个简易互补滤波器配置图。
图4所示是本发明装置的电动助力循环程序流程图。
图5所示是本发明的助力系统实际助力扭矩输出值计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述；
图1所示是装置本发明的一台电动助力自行车外观示意图,图中所示的1是一台电动自行车,2是把手,把手端部装置的3是扭矩调整转把,4是附有断电开关的剎车闸把,5是车架,其后端固定着6电气控制盒,盒内包含有电气控制单元、陀螺仪、加速度计、电池单元和输出输入端子和内部配线,就这个位置既避日晒雨淋,不招风又通气,是装置电气控制盒的好位置,7是脚踏板,8是中轴式力矩电机,9 是后驱动轮,它是一个一体式力矩轮毂电机,10是数字化风力计,11是一个人机界面,图中所示的7和9在实际车辆上只要择一装置,显示两者在一齐是为下文解说的方便。
图2所示是本发明一种电动自行车用的助力驱动方式的助力系统硬件布置图。在图中所示的1,力矩电机是习用的一种的永磁直流力矩电机,它可以用旋钮随时调整设定不同的扭矩输出值,也可以依电气控制器命令提供程序所需的扭矩输出,并保持设定输出的扭矩均准,不会被变动的电机转速所影响。所述力矩电机的特性在；a,电机堵转之下仍能持续的提供一个均准的扭矩输出,很适合装置在本发明案的车辆,于零速起动时便事先的提供一个起动助力扭矩,让骑者可以柔顺的踩踏车辆脚踏板开始骑行。b,在车辆起动后,配合2,助力控制器的控制可以对应不同的车辆速度提供不同助力扭矩,帮助骑者更省力的做恒速、加速、减速的骑行。c,在支起驻车器、架空驱动轮、骑者骑空车的状况下,可以设定一个阻尼扭矩给所述电机,骑者便可在预设的电机阻尼下踩踏脚踏板做户内健身运动, 也可替电池充电,还有在下斜长坡骑行时,所述阻尼功能可以作为辅助剎车及回储电能之用。当骑者实际骑行时,旋转3,扭矩调整转把便能变动2,控制器输出的扭矩幅度比例,其操作方式有如传统机车的加速转把,方便骑者随心所欲的变换电动助力和骑者踩踏力的搭配比例,使骑行更具休闲健身的乐趣。4,车架角度/ 地形坡度侦测单元可采用广泛使用在电动自平衡车的陀螺仪、加速度计和模数转换器所组成的角度感测单元,其设计可参照附图3,一个简易互补滤波器配置图, 在图3之中利用一个互补泸波器融合两组输入信号,以补正陀螺仪的漂移和加速计的动态误差,若将图中所述整个角度感测单元固定在车辆的车架上,便可实时测取车辆动态角度变化值和地形坡度,并且传输行车所经的地形坡度数据给图2 所示的2,助力控制器做运算处理,以便从数据记忆库中找取最大限额的助力扭矩, 命令电机输出所述助力扭矩协助骑者爬坡,此外,也可取得车辆加速度及速度信息提供给控制器使用,若简单的采用一个旋转译码器对着中轴或车轮测取转速再换算成车速也能行。图2所示的5,风力侦测单元可采用习用的数字化风力计,将它固定在车架上正对车身前进方向用以测取动态风速数据并输入到上述2,助力控制器做运算处理,再从数据记忆库中找出对应的抗拒风阻的助力扭矩,命令电机额外的输出适当的抗风阻助力扭矩协助骑者顶风骑行。图2之中标示符号6～8 不是必要的标准配备,可选择使用做为辅助增强助力功能之用。图2之中所示的 6,荷载值输入由骑者自行键入,可提供补助荷重骑行的额外助力扭矩,让荷重骑行更轻松,若开机时不输入补正值,系统宜依内定值执行并自动开机。7,路面条件输入可分为一般良好路面、(泥土)次佳路面或草原高阻抗路面以供骑者选择,用意在适度增加助力系统扭矩以减轻骑者体力负担,它同样的是一个选择项,若开机时不输入路面选择项,系统宜依内定值执行并自动开机。图2之中的8,个人化/减小扭矩比例/运动模式设定也是一个选择项,其功能在减小控制器的内定助力扭矩值一个固定百分比,或甚至把助力变为反向出力成为一种行车阻抗力,让骑者骑行在平地时有如上小斜坡或上陡坡,可做为锻炼脚力及健身之用。图2之中的9, 剎车闸把断电开关在操作剎车闸把时会起作用,断开驱动电机电源防止车辆过冲, 不操作剎车闸把时所述断电开关不起作用,不会影响所述助力控制器对电机电源的断开或接通控制。2-1,功率转换器是习用的力矩电机标配件,接受2,控制器和 3,扭矩调整转把的信号输入,以引导2,电源单元电力驱动1,力矩电机单元产生扭矩并传递给2-2,车辆驱动轮,然后再和人力踩踏扭矩合并一齐驱动车辆行走。
至于如何取得所述助力系统的额定扭矩限制数据并建成一个数据记忆库,要由车辆制造厂依照产品销售地区政府法规对各型车辆做路面测试,针对各别的车型在各种不同工作及环境条件,如荷载重量、路面状况、速度、坡度、风速等等条件,测取从零速静止到刚要起动的驱动轮输出扭矩作为「起动扭矩值/Tst」。并且在上述各种环境条件组合下,测取保持恒定车速所需的驱动轮「恒速扭矩值 /Tcr」。于是,譬如要针对欧日法规的助力占比最大75％的规定时,只要将上述Tst 及Tcr扭矩值乘以75％做为「助力扭矩输出限制值Tmax」存入控制器做为内存记忆,行车使用时,再配合输入讯息标定记忆库数据目标值并限制电机输出的扭矩不得超过该限制值即可符合法规,保证车辆不能纯粹使用电力行驶,符合电机助力系统得须加上适当的人力踩踏才足以让车辆运动起来的规定。以上所述的力矩电机的装置方式,可以装在自行车的中轴位置如同习用的电动自行车的中轴电机组,也可以采用习用的一体式轮毂电机车轮,电机的结构也可以改用开关磁阻电机或伺服电机替代,任何习用的电机结构只要能执行同等于上述力矩电机定扭矩的输出功能都可适用于本发明。
图4所示是本发明装置的电动助力循环程序流程图。图中显示骑者开启电源开关、通电开动整车电器系统时,助力系统便开始通电工作并进入初始化阶段, 接受车辆荷载、地面条件各项数据输入,若无任何停止工作循环的信号,如等待启动助力循环时间过长、剎车闸把断电开关接通作动中等等,助力系统就正式进入启动助力循环,第一步先采集行车速度、地形坡度、风力系数等信号并输入到控制器的主控蕊片做运算处理,以便从数据记忆库中找出对应的「容许助力扭矩值」和「风阻补正扭矩值」,将上述两个数值加总起来再乘以「骑者操控扭矩调整转把的输出％值」就成为「实际输出助力扭矩值」,随即可以使用该数值去作动功率转换器,引导分配电池单元的电力给力矩电机输出控制器所要求的扭矩给车辆的驱动轮,在此可以看出,这股电机助力扭矩是事先作用着,随时可以结合骑者踩踏车辆脚踏板所传输给驱动轮的扭矩一同合力驱动车辆运动,绝对不是骑者先发力然后电机再给助力的驱动模式。图中所示的「坡度归零或记忆值」是一个功能选择项,当车辆的荷载前后极不平均、车架倾斜很大,助力系统会自动提示偏离陀螺仪的基准设定允差,骑者可以上车确实坐稳后,按「坡度归零键」给陀螺仪订立一个新的水平参考基准,以便补正实际骑行时的坡度数据,这个功能在车辆关机后宜自动消除。「记忆值」键是恢复原厂初始设定值用的。于是在上述助力循环的连续运作控制下,配合行车所经的风力、地形坡度、车速状况, 电机便会自动的供给合适的助力帮助骑行,骑者又可以操作扭矩调整转把,随兴任意的变化电机助力的大小幅度。另外,因为控制物/车辆是一个动态、可能是极不平稳的连续运动状况,所幸公开市场可取得各种有效的运动控制技术,譬如采用经典的PID控制方法,配合每秒40～100次的数据采集和输出的控制循环运算频率,便可消除各种噪声、突波、平顺化输入输出讯息,有效的驱动车辆满足任何挑剔骑者的骑行要求。
图5所示是本发明的助力系统实际助力扭矩输出值计算流程图,在求取实际助力扭矩输出值的过程,首先要输入1,地面条件和荷载条件,若不输入助力系统会依内定值执行,然后控制器蕊片依输入找出对应的内存记忆2,容许助力扭力值数据库,再依控制系统自动测得的3-1(坡度)和3-2(驱动轮速度)数据标定交点会3确定容许助力扭力值,另一方面依测取的风力数据找出风力补正值4,将3和 4加总所得之值再乘以骑者操控扭矩调整转把的百分比数5,便可得到6驱动轮的实际扭矩输出值。以上所述的助力扭矩限额数据库和运算采集流程可以借用市售软件与予数模程序化,其结果是一种习用技术的应用均属本发明的述求范围。

Claims (3)

1.一种电动自行车用的助力驱动系统，其特征在于它包括:
一个两轮以上的电动自行车(1),其中包括一个车把(2)、一个车架(5)、一个以上的车辆驱动轮(9)和一个电池单元;
一个力矩电机单元,其中包括一个功率转换器、一个以上的力矩电机和减速机组(8)可依电气控制命令引导所述电池单元的电力驱动所述力矩电机和减速机组(8)产生旋转力矩再传递给所述车辆驱动轮(9);
一个数据记忆库,它存储各个型别的电动自行车在不同工作环境条件,如荷载重量、路面状况、速度、坡度和风速,对所述电动自行车做路面测试所取得的:从零速静止到刚要起动的起动扭矩值、保持恒定车速所需的车辆驱动轮恒速扭矩值的容许助力扭矩数据;
一个助力电气控制单元(6),其中包括一个人机界面、一组输入接口、一组输出接口、一套程序软件和一个数据处理器可依设定的程序把输入转换成一组输出控制命令,所述控制命令其中包括驱动所述力矩电机(8)的命令,驱动力矩电机的命令的生成是:当所述一种电动自行车用的助力驱动系统在通电(4-0)后,助力驱动系统便开始工作(4-1), 首先,所述助力驱动系统接受输入载荷或内设值(4-2)、地面条件或内设值(4-3)和坡度归零或记忆值(4-4),完成所述助力驱动系统初始化(4‐5),此刻,若不存在停止助力驱动系统运作(4-20)的输入,所述助力驱动系统就正式启动工作循环(4-6),于是, 所述工作循环(4-6)立即进入采集行车速度、行车坡度、风力计读数(4-10)的过程,然后所述助力驱动系统会依上述行车速度、行车坡度、风力计读数(4‐10)从所述数据记忆库找寻对应的容许助力扭矩值和风力补正扭矩值(4-11),随后,配合扭矩调整转把(4-13)转动弧度百分比数的修正,得到实际输出的助力扭矩值(4-12)并且经由所述助力驱动系统的功率转换器(4-15)引导电源单元(4-14)的电能转化成动能,用以驱动力矩电机及车辆驱动轮(4-17),如此,完成所述助力驱动系统的一个单循环,此时,所述助力驱动系统会自动循环启动一次次的工作循环(4-6),直到接获停止(4-20)的输入才停止所述工作循环(4-6)的运作;
一个附有断电开关的刹 车闸把(4)可供骑者操作执行刹 车机能,并在刹 车时提供切断驱动所述力矩电机的命令给所述助力电气控制单元。
2.依据权利要求1所述一种电动自行车用的助力驱动系统，其特征是其中包括: 一个个人化减少扭矩比例运动模式设定,其功能在用以变动所述助力电气控制单元的内定助力扭矩值。
3.依据权利要求1所述一种电动自行车用的助力驱动系统，其特征是其中包括: 所述一个以上的力矩电机是一种能够执行力矩电机功能的开关磁阻电机,或伺服电机。
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