CN112550546A - 一种电动车助力运行控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电动车助力运行控制系统及其方法，控制系统包括脚踏板传感器模块、期望转矩计算模块、转矩输出计算模块、助力比设置模块、实际转矩获取模块；所述脚踏板传感器模块提供转速信号和力矩信息给期望转矩计算模块用来计算期望转矩；所述的助力比设置模块用于控制期望转矩输出的比例，所述转矩输出计算模块，通过期望转矩和实际转矩计算出实际转矩需要输出的大小；采用脚踏频率传感器和力矩传感器与助力比设置得到期望转矩来控制实际转矩输出的方法解决现有市场电动助力车运行助力不佳，动态性能差的问题。

Description

一种电动车助力运行控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机的技术领域，具体涉及一种电动车助力运行控制系统及其控制方法。
背景技术
近些年来，电动自行车以绿色、环保、经济、便捷等特点，逐渐成为人们出行必不可少的交通工具。然而传统的纯电动自行车使得电机的输出效率极低，这不仅造成了资源浪费，而且会严重影响电池寿命。随着人们生活水平的提高，因此，电动助力自行车逐渐进入大众的视线。它是一种“人力为主，电机为辅”的驱动方式，即通过骑行踩踏力矩与电机输出扭矩混合驱动行驶。在倡导绿色出行的今天，电动助力自行车或许是一种极佳的选择，既满足了健康环保的出行方式，又可以省时省力，未来也将会成为电动自行车的发展趋势。
目前，我国电动助力自行车尚未普及，很大一部分原因是缺少核心技术，其中踩踏力矩传感器和配套动力辅助系统拥有很高的技术门槛。国内更多使用的是无力矩传感器的助力控制系统下的电动助力车，该车是通过车速输入信号，间接地估算骑行的踩踏力矩，再根据这个估计力矩，控制助力电机输出扭矩，从而实现整个助力过程。当踩踏速率越高，提供的助力扭矩就越大。那么在骑行遇到上坡路况的时候，踩踏频率会明显不足，不能提供足够的助力。这种助力控制方法，与助力车的定义背道而驰，在上坡时骑行将会很费劲，是一种伪助力的控制系统。
本发明提供了一种电动车助力运行控制系统及其方法，采用脚踏频率传感器和力矩传感器与助力比设置得到期望转矩来控制实际转矩输出的方法解决现有市场电动助力车运行助力不佳，动态性能差的问题。由于电机输出的扭矩是根据骑行踩踏力矩输入进行调节的，因此踩踏力越大，电机输出扭矩越大，反之，则踩踏力越小，电机输出扭矩越小。那么，骑行在遇到上坡道路时，助力扭矩会随着踩踏力矩的增大而增大，这说明了基于力矩传感器的电动助力自行车，能够在上坡路况下也尽量省力，骑行非常舒适。实现提高电动助力车控制的动态性能，优化运行助力。
发明内容
本发明提供了一种电动车助力运行控制系统及其方法，采用脚踏频率传感器和力矩传感器与助力比设置得到期望转矩来控制实际转矩输出的方法解决现有市场电动助力车运行助力不佳，动态性能差的问题。
本发明提供了一种电动车助力运行控制系统，包括：脚踏板传感器模块、期望转矩计算模块、转矩输出计算模块、助力比设置模块、实际转矩获取模块；
所述脚踏板传感器模块与所述期望转矩计算模块相连，所述脚踏板传感器模块提供转速信号和力矩信息给期望转矩计算模块用来计算期望转矩；
所述助力比设置模块和所述期望转矩计算模块相连，所述助力比设置模块用于控制期望转矩输出的比例；
所述转矩输出计算模块分别和所述期望转矩计算模块和所述实际转矩获取模块相连，通过期望转矩和实际转矩计算出实际转矩需要输出的大小。
可选地，所述脚踏板传感器模块包含脚踏频率传感器和力矩传感器，其中，脚踏频率传感器由开关型霍尔传感器组成。
可选地，所述脚踏频率传感器获取脚踏频率的具体计算方法为：
Figure BDA0002793604830000031
其中，F为脚踏频率；T为所述开关型霍尔传感器脉冲的采样时间；N0为脚踏一圈所述开关型霍尔传感器产生的脉冲个数；Nr为采样时间内采集到的开关型霍尔传感器产生脉冲的个数。
本发明还提供了一种电动车助力运行控制方法，包括如下步骤：
启动时：
步骤11：预设助力比；
步骤12：当所述脚踏板传感器模块中力矩传感器中获得的力矩信号大于启动设置力矩时，进入到助力模式；
步骤13：所述力矩信号和所述预设助力比相乘，计算出期望转矩；
步骤14：获取实际转矩，所述期望转矩和实际转矩的差值，经比例积分运算得到最终的转矩输出；
运行时：
步骤21：所述脚踏板传感器模块中速度传感器中获得的脚踏频率；
步骤22：脚踏频率做等比例转换，计算出期望转矩；
步骤23：获取实际转矩，所述期望转矩和实际转矩的差值，经比例积分运算得到最终的转矩输出。
可选地，所述步骤12中启动设置力矩的预设范围为200～300N。
可选地，所述步骤13中预设助力比的范围为1:0.5至1:1.5。
可选地，所述步骤22中脚踏频率等比例转换计算出期望转矩，转换系数为50～100。
本发明的有益效果：
1、本发明技术方案中采用脚踏频率传感器和力矩传感器与助力比设置得到期望转矩来控制精确实际转矩输出的方法解决现有市场电动助力车运行助力不佳，动态性能差的问题，充分满足骑行者的助力需求。
2、采用脚踏频率传感器与力矩传感器与助力比设置来控制精确实际转矩输出，在载重变化和道路坡度干扰之下，仍能维持稳定的从车辆行驶状态，达到较优的助力骑行感受。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明一种电动车助力运行控制系统；
图2示出了本发明一种电动助力车启动时控制方法流程图；
图3示出了本发明一种电动助力车正常行驶时控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种电动车助力运行控制系统，包括：脚踏板传感器模块51、期望转矩计算模块52、转矩输出计算模块53、助力比设置模块54、实际转矩获取模块55；
所述脚踏板传感器模块与所述期望转矩计算模块相连，所述脚踏板传感器模块提供转速信号和力矩信息给期望转矩计算模块用来计算期望转矩；
所述助力比设置模块和所述期望转矩计算模块相连，所述的助力比设置模块用于控制期望转矩输出的比例，所述转矩输出计算模块分别和所述期望转矩计算模块和所述实际转矩获取模块相连，通过期望转矩和实际转矩计算出实际转矩需要输出的大小。
所述的踏板传感器模块包含脚踏频率传感器和力矩传感器，其中，脚踏频率传感器由单个开关型霍尔提供转速信息。电动助力车踏板上有齿轮结构，在齿轮上装置开关霍尔，为提高测试精度，在驱动牙盘上安装一个传动比为5的传动轮，在传动轮上又安置了4个磁钢，所以每踩一圈，开关霍尔传感器扫描可以产生20个脉冲信号，这些脉冲信号连接在单片机的计数器/定时器口，然后采取定时测脉冲的方法求得脚踩的速度，并且在单位时间获取脉冲数，计算踏板转动一圈产生的脉冲数个数，得到单位时间的脉冲数，即可获得踏板频率。
所述的踏板传感器模块包含脚踏频率传感器和力矩传感器，其中，所述的扭矩传感器模块，与DTC控制器相连，目的是测试人力脚踩的扭矩，一般采用中轴扭矩传感器，即在中轴中间部位通过集流环进行信号传输，经过模拟电路调理，输入到单片机的A/D口，以此来达到传感器具有良好的温度补偿和消除弯曲力，轴向应力影响的功能。
本发明提供了一种电动车助力运行控制方法，如图2所示，在传统的DTC基础上，增加了采用脚踏频率传感器和力矩传感器与助力比设置得到期望转矩来控制实际转矩输出的方法，该方法重点在于电动车助力启动时如何进行计算期望转矩，这也是基于本研究方法的创新点核心，具体过程包括如下步骤：
启动时：
步骤11：预设助力比；
步骤12：当所述脚踏板传感器模块中力矩传感器中获得的力矩信号大于启动设置力矩时，进入到助力模式；
步骤13：所述力矩信号和所述预设助力比相乘，计算出期望转矩；
步骤14：获取实际转矩，所述期望转矩和实际转矩的差值，经比例积分运算得到最终的转矩输出；
运行时：
步骤21：所述脚踏板传感器模块中速度传感器中获得的脚踏频率；
步骤22：脚踏频率做等比例转换，计算出期望转矩；
步骤23：获取实际转矩，所述期望转矩和实际转矩的差值，经比例积分运算得到最终的转矩输出。
可选地，所述步骤12中启动设置力矩的预设范围为200～300N。
可选地，所述步骤13中预设助力比的范围为1:0.5至1:1.5。
可选地，所述步骤22中脚踏频率等比例转换计算出期望转矩，转换系数为50～100。
可选地，该助力模式下为电动车助力启动，踏板输出转矩信号乘以助力比得到的期望转矩
Figure BDA0002793604830000071
作为给定转矩，实际电机传出的转矩为Te，将
Figure BDA0002793604830000072
和Te作差，再进行比例积分运算(PI)得到实际的转矩输出。
可选地，当电动车助力脚踏频率传感器的值大于设置值时，并且力矩传感器小于启动设置力矩，即电动助力车进入正常运行的行驶模式，为恒转速助力。此时用脚踏频率传感器计算它的期望转矩，如图3所示，通过脚踏板下输出的速度Nref和实际转速N作差之后，经过PI运算得到期望转矩
Figure BDA0002793604830000073
此时
Figure BDA0002793604830000074
与实际转矩Te再进行PI运算得到最终的转矩输出，再由DTC实现控制。
可选地，PI调节器作为DTC一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，用来改善控制系统的稳态性能。DTC开关表通过分析两个Bang-Bang控制器的输出状态τ、φ以及定子磁链所在扇区θs，输出逆变器所需的脉冲信号，并利用该脉冲信号控制电压源逆变器的导通与关断，最终实现系统的高动态性能。

Claims (5)

1.一种电动车助力运行控制系统，其特征在于，包括脚踏板传感器模块、期望转矩计算模块、转矩输出计算模块、助力比设置模块、实际转矩获取模块；所述脚踏板传感器模块与所述期望转矩计算模块相连，所述脚踏板传感器模块提供转速信和力矩信息给期望转矩计算模块来计算期望转矩；所述助力比设置模块和所述期望转矩计算模块相连，所述的助力比设置模块用于控制期望转矩输出的比例，所述转矩输出计算模块分别和期望转矩计算模块和实际转矩获取模块相连，通过期望转矩和实际转矩计算出实际转矩需要输出的大小。
2.如权利要求1所述一种电动车助力运行控制系统，其特征在于，所述的踏板传感器包含脚踏频率传感器和力矩传感器，其中，脚踏频率传感器由开关型霍尔提供转速信息，在采样时间内捕获霍尔脉冲数，计算得到单位时间的脉冲数，获得踏板频率。
3.如权利要求2所述一种电动车助力运行控制系统，其特征在于，力矩传感器为中轴扭矩传感器，在中轴中间部位通过集流环进行信号传输，经过模拟电路调理，输入到单片机的A/D口，获得人力脚踩的扭矩信号。
4.本发明提供了一种电动车助力运行控制方法，其特征在于，包括启动阶段和运行阶段，所述启动阶段包括如下步骤：
步骤11：预设助力比；
步骤12：当所述踏板力矩传感器获得的力矩信号大于启动设置力矩时，进入到助力模式；
步骤13：计算期望转矩，利用公式期望转矩＝脚踏板力矩×助力比，得到期望转矩，当进入期望转矩之后，准备获取实际转矩；
步骤14：磁链和转矩计算模块通过实时检测电机的电压和电流得到了磁链实际值|Ψs|和转矩的实际值Te，用计算得到的期望转矩减去计算得到的实际转矩通过比例微分运算得到使转矩输出，再由DTC控制；
所述运行阶段包括如下步骤：
步骤21：所述脚踏板传感器模块中速度传感器中获得的脚踏频率；
步骤22：脚踏频率做等比例转换，计算出期望转矩；
步骤23：获取实际转矩，所述期望转矩和实际转矩的差值，经比例积分运算得到最终的转矩输出。
5.如权利要求4所述一种电动车助力运行控制方法，可选地，所述启动设置力矩的预设范围为200～300N，所述预设助力比的范围为1:0.5至1:1.5，所述脚踏频率等比例转换计算出期望转矩，转换系数为50～100。
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