CN201041623Y - 电动自行车智能调速控制系统 - Google Patents

Abstract

一种电动自行车智能调速控制系统。该控制系统是将接口控制单元改为可编程逻辑I/O接口单元，并连接车轮转速信号采集单元；这样就大大简化了电动自行车控制器的结构，减少了控制器PCB板上的分离元件数量，使控制器的可靠性得到大幅提高。同时对原控制器进行一些改动，主要包括一个8位CPU核，一个数据存储器128×8bitSRAM，一个指令存储器512×12bitPROM，电动车控制逻辑单元，为电动车的PWM产生和实际车速采集设立的专用定时器，和一个系统驻留引导ROM。该系统用闭环控制模式实现了电动车速度的智能化自动调整；同时具有冷启动禁止功能和即时定速巡航功能。可以实现真正的无级调速。这也是原来电动自行车控制器所无法实现的。

Description

电动自行车智能调速控制系统

【技术领域】：

本实用新型属于电动自行车技术领域，特别涉及一种电动自行车的电子控制系统。

【背景技术】：

电动自行车作为一种无污染的绿色机动车，市场需求很大。目前市场流行的电动自行车电子控制系统，主要采用由驾驶人凭自己的驾驶感觉设置控制器的加速或减速命令方式，完成对直流电动机的调速，电动机再驱动车轮做加速或减速运动，从而实现对电动自行车车速的控制。这是一种比较简单的开环实时过程控制方式。这种技术的特点是：设计与实现简单、使用方便，可利用价格比较低的器件和电路实现板级控制，因此造价较低，并在大量的电动车上得到应用。随着微处理器在电动车控制器中越来越多的得到推广和应用，传统控制器存在的问题和缺点就越发暴露出来：首先是从控制理论上讲开环控制的控制效率低，控制过程基本上没有充分发挥微处理器的智能化控制作用；其次是仅由驾驶人凭感觉完成车速控制和调节，不能满足人们对电动产品更加智能化、多功能化的需求；还有就是人们对于电动车主要部件如：电机、电池组、控制器等可靠性、耐用性等提出更高的要求。这些要求和国际、国内新的关于电动自行车控制技术如：电子智能助力及电子刹车控制、智能一体化电池组管理等新技术、新设计思路也迫使我们对传统电动自行车控制器产品加以改进，推出新的更加满足市场需求的产品。

目前市场流行的电动自行车电子系统控制方式如图1所示，图中虚线内部是控制器内核，虚线以外是电动自行车控制系统外部电子功能部件。从图1中可以看出系统是通过接口控制单元接收外部操作信息的。如：通过车子的手柄转把霍尔开关或脚踏板上的中轴霍尔开关向控制器发出要求车子加速的信息，或是通过手把上的刹车柄(手柄闸把)向控制器发出刹车或减速等信息。接口控制单元将这些信息整理后传递给系统的控制器(通常是微处理器)。控制器经过判断和处理后给功率驱动电路和控制电路发出相应的控制命令，控制电路根据命令释放更多的电源能量或减少电源能量的供应，功率驱动电路将这些经过调制的电源能量输送到直流电动机，电动机带动车轮转动。电动自行车的控制器就是根据不断解译驾驶人员发出的指令(给出的控制信息)，不断改变输送给电机的电能，实现对电动自行车速度的调整。应当指出，这种方式实际上是传统摩托车控制思想的延续。其控制器仅仅是完成对电机的单向控制，而控制的主体是驾驶员，虽然控制器采用了CPU、MCU等高技术的微处理器作为主控部件，但它们仅起了简单的命令解读和执行的作用。这种简单的单向控制会给系统带来许多安全隐患、能量浪费、电机损害等问题。比如：

1)系统在车子刚刚启动或低速行驶时强行加大电机驱动能量问题。由于驾驶人的加速要求或系统惯性控制，导致动力控制电路依然向电机输出动力，由于此状态下，电机需要非常大的动力才能驱动车轮加速，因此，功率消耗很大。经常使车子处于这种工作状态不但形成了一种能源浪费直接降低电池组使用寿命，而且加大驱动电路和电机的负载，催其老化。

2)脚踏加速时容易出现窜车现象。因为传统电动自行车是采用判断有刹车信号从而切断驱动电路供应给电机的能量方法来实现车子的减速。当速度降低后再加速时可以重新用手柄或脚踏方式实现。由于这个控制程序过于简单，过程的衔接很生硬，车子极易陷入脚踏——蹿车(速度突然提高很多)——刹车——再脚踏——再蹿车——再刹车的危险循环状态，这样就会给行人和驾驶者带来极大的安全隐患。我们在路口遇到红灯灭，绿灯刚亮时，发现有些骑电动车的人突然车子向前猛蹿一下就是这种现象。

3)车子长时间处于突变的加速、减速状态对电能消耗及电机损害问题。我们知道当车子长时间处于加速、减速、再加速、再减速过程中对电能源耗费最大和电机损害最多。一个好的电机驱动控制系统因当尽可能控制或减少这种现象的出现。因此，这也是传统电动自行车电子控制器需要改进的地方。

【发明内容】：

本实用新型的目的是解决现有技术中存在的上述不足，提供一种电动自行车智能调速控制系统。

本实用新型设计和解决的技术问题主要包括以下5个方面：

1)专门为这一系统研究与设计了一款MCU；

2)建立电机速度采集链路和电路；

3)使用控制算法和智能判断处理逻辑实现对电机速度的调整；

4)增加系统最低车速驱动能量控制判别逻辑和车子冷启动禁止功能；

5)建立自动化即时定速巡航逻辑功能。

为了解决上述问题，本实用新型设计和开发了新型电动自行车的智能调速控制系统，并为这个系统研制和开发了一块新的MCU芯片。围绕着这块MCU，我们建立了一套实际车速采集装置，通过对车子实际速度的测量，实现对电动自行车的行驶状态和实际运行环境的了解和检测。再将这些采集和分析出的信息、情况与MCU系统中保存的(事先设定好的)速度样值和驻留在系统中的速度控制模版进行比对和运算，从而得到新的补偿值，将补偿值添加到驱动程序中改变电机驱动参数，从而实现车速自动调整。在本系统中淘汰了原来的开环模式，采用采集车轮运转次数，并将转数换算成速度的方法得到车子实际的运行速度。再将控制器中保留的驾驶操作参数与系统实际采集和判别出的车子运行状况进行比较，对不符合驾驶操作参数的状况进行自动修正，从而完成合理的速度调整。这样一来大大地减少了由驾驶人为控制电动自行车加速或减速而长时间的使驱动电机处于频繁加速-刹车断电-再加速--再刹车的切换状态。靠着MCU的自动调节功能，使电动自行车的电机最大限度地处于“动态的平滑运行状态”。这样不但提高了系统的安全性和自动化程度，而且降低了系统不必要的能耗、提高电机的使用效率和使用年限。

应用这些技术的控制系统可以做到在电动自行车的行驶过程中，根据驾驶者的操作请求，控制器自动检测实际行驶状态(比如判断当前路况是上坡、下坡还是平地？目前车速是多少？)并对车子的速度进行自动调整和处理。这些技术将安全驾驶和自动控制思想溶入设计中，允许驾驶者预先设定车速，此速度作为一个样值，再比对行驶中采集到的路面情况、车辆实际行驶状态，不断地对行车速度进行调整，尽量使车保持匀速行驶。由运动学原理可知能使车辆驱动电机长期处于“动态的平滑运行状态”，带来的直接效益就是可以大大提高电动车运行效率，延长电机寿命。同时还可以提高自行车控制电路和动力(这里指电动自行车的电池组)的使用效率，有效地降低动力消耗，延长电池组使用时间，从而达到节能和绿色环保效果。

本实用新型提供的电动自行车智能调速控制系统，包括用于接收手柄转把霍尔开关、中轴霍尔开关和手柄闸把输入的控制信号的接口控制单元，用于接收接口控制单元输入的控制信号的控制器，用于接收控制器输出的控制信号并对电动机工作进行控制的功率驱动电路，以及通过控制器对整个控制系统和电动机提供电源的电池组及其欠压过流保护单元，其特征在于，接口控制单元为可编程逻辑I/O接口单元，该接口单元同时连接车轮转速信号采集单元；这样就大大简化了电动自行车控制器的结构，减少了控制器PCB板上的分离元件数量，使控制器的可靠性得到大幅提高。

所述控制器的组成包括：一个8位CPU核；用于存储事先设定好的速度样值并与CPU核双向连接的数据存储器为一个128×8bit SRAM：用于存储驱动控制程序并与CPU核双向连接的指令存储器是一个512×12bit PROM，该存储器同时连接可编程逻辑I/O接口单元，为用户提供了便利的在线编程方法和手段；与CPU核双向连接的是专门为电动车控制而设立的逻辑单元，包括有车把控制信号输入欲转换通道、采集与处理电机/车轮位置霍尔信息的车速采集模块、PWM发生和功率驱动模块等，这些电路大大简化了控制器与车上各电子配件的方式和减少了分离元件数目；为电动车的PWM产生和实际车速采集设立的专用定时器同时双向连接CPU核和电动车控制逻辑单元，该定时器为车速的采集和PWM的产生提供了硬件手段这样不但可以大大简化了控制程序而且提高了系统的可靠性。

该控制器中还包括一个预装有专用的电动车控制模块的初始化程序并为用户在线编写和烧写PROM的系统驻留引导ROM，该ROM同时双向连接CPU核和指令存储器PROM的。使得控制器在加电工作的初始化阶段就由系统自动完成对专用的电动车控制模块和控制的初始化，这样既简化了用户控制程序的编写，减少了软件调用，也提高了控制器系统可靠性。

所述的电机/车轮转速信号采集单元包括设在电机/车轮上的霍尔传感器，以及与霍尔传感器顺次连接的降噪与电平调节电路、初级采集电路和次级采集与补偿电路，次级采集与补偿电路将采集的车轮转速信号输入至可编程逻辑I/O接口单元，这几个部件共同构成了实际车速采集环节即车轮转速信号采集单元。

本实用新型的优点和有益效果，主要体现在以下几个方面：

1、用闭环控制模式实现电动车速度智能化自动调整。因为要使自行车行驶平稳安全，那么在路况不同的情况下行驶速度应该不同，也就是要使系统速度调整模块输出的结果是一个非固定值。我们在系统中增加了车轮转速信号采集模块，对采集到的值与设定速度值相比较，并根据运行速度调整模版得到速度的补偿值，将这个补偿值添加到驱动参数中，驱动系统(电路)根据新的参数调整输出给电机的动力，从而完成本次速度调节。系统再进入新的采集车轮转数的新的控制与调整周期。这样控制系统不断地动态调整输出功率的大小，实现车辆以相对稳定速度行驶。从而改变了传统控制器的控制方法和控制模式，使电动自行车越发安全可靠、耗能降低、电机和电池组寿命得以延长。

2、冷启动禁止功能。当行驶时速低于5公里/H时，如果突然进行大的加速操作会造成两种不良后果：一是对电机造成损害，二是引发窜车现象。在传统控制系统中多采用感应助力方式完成加速、减速控制，这时会出现起速--蹿车-刹车-起速---再窜车的状况。为了解决此问题我们增加了冷启动禁止功能，该功能的主要作用是保证车子在低速行驶的状况下不输出动力，若要由低速状态加速，必须由中轴系统首先加速(即要求驾驶者在控制器完全无动力提供给电机情况下，用人力蹬脚蹬使车运行起来)；当车速提升到基本设定值时，系统自动恢复输出动力，使车子改为电子助力驾驶。具体实现如图3所示。这样做可以有效的避免低速启动中的窜车现象，同时还解决了车子在速度非常低的情况下再起速时形成电流过大、电机发热和驱动电路受损情况的发生(因为在低速状态下突然输出大动力，会使电机工作处于扭矩最大状态，车子不易操控)。冷启动禁止功能可以保证电动自行车在需要慢速行驶情况下，如传统自行车一样方便控制，安全舒适，同时还无须消耗过多动力。另外，解决了冷启动问题也就同时解决了由于过载可能对自行车电动系统带来的伤害问题，可以有效的保护电池和电机，实现了延长电机寿命和提高电机运行效率的效果。

3、即时定速巡航功能。区别于传统控制器必须由驾驶人将加速手柄转动8秒钟后才能通过控制器将设定的速度值锁定从而形成巡航的定速方式。只要驾驶人停止对速度的手动调整，本系统就能自动锁定当时的速度设定为定速巡航速度，这样的设置大大方便了驾驶人对车子速度的调整。我们的技术还对传统的速度设定方法进行改进：传统控制只有单方向的速度设定(只能设置加速，不能直接使现有设置减值)。如：目前车速设定为3级(相当于15KM/h)，驾驶人只能通过手柄加速，如果需要减速到2级(相当于10KM/h)，必须用刹车将车速设置变为“0”，再重新用手柄加速到2级。而我们的技术可以使驾驶入在任何设置的速度档次上进行加或减速改变。这样的设计与实现，不但能使定速巡航控制更加方便、更具自动化，而且由于本系统采用闭环调速方式，可以实现真正的无级调速。这也是原来电动自行车控制器所无法实现的。

【附图说明】：

图1为现有技术中传统电动自行车控制系统结构框图；

图2为本发明电动自行车智能调速控制系统结构框图；

图3为图2中控制器的结构框图；

图4为车轮转速信号采集与处理模块结构图；

图5为电动自行车智能调速控制系统结构电路图；

图6为本发明控制系统智能速度调节与冷启动制动控制流程。

【具体实施方式】：

实施例1、

本实用新型提供的电动自行车智能调速控制系统具体结构参见图2、3、4、5，包括用于接收手柄转把霍尔开关、中轴霍尔开关和手柄闸把输入的控制信号的接口控制单元，用于接收接口控制单元输入的控制信号的控制器，用于接收控制器输出的控制信号并对电动机工作进行控制的功率驱动电路，以及通过控制器对整个控制系统和电动机提供电源的电池组及其欠压过流保护单元，接口控制单元为可编程逻辑I/O接口单元，该接口单元同时连接车轮转速信号采集单元；这样就大大简化了电动自行车控制器的结构，减少了控制器PCB板上的分离元件数量，使控制器的可靠性得到大幅提高。

本实用新型的核心点：如何能使电动自行车的动力控制系统最大限度地处于“动态的平滑运行状态”？如何实现低速状态下的输出动力调整，避免窜车现象发生？

如何充分利用MCU具有的智能分析、判断能力最大限度地使电动自行车的速度控制处于相对平滑的速度调节模式中，尽量避免反复利用加速-刹车-再加速-再刹车的方式对车速进行调节是我们这一技术的特点。图6为以上问题的解决方案，从图中可以看出，本技术对车速的调节由三部分组成：1、驾驶员对车速的要求和命令。2、实际车速的采集以及与设置参数的比较。3、系统驻留经典速度控制模版对车速控制驱动参数调整的指导和修正。在这三大部分中，首先确立是以“驾驶员对车速的要求和命令”为第一，第2、3部分均是在“1”的指导下靠MCU和系统完成的。只有在“1”确定后，“2”、“3”才能发挥作用。

这样本系统通过从设计与采用新型专用电动车控制芯片；增加电机/车轮实际速度采集；提供智能化速度分析和速度调节；设立人性化自动巡航控制；设立安全运行模式和控制等方法和处理给电动自行车的控制提供了一些新的发展模式和思路。希望这些技术和思想对我国的电动自行车事业的发展做出积极的贡献。

Claims (3)

1.一种电动自行车智能调速控制系统，包括用于接收手柄转把霍尔开关、中轴霍尔开关和手柄闸把输入的控制信号的接口控制单元，用于接收接口控制单元输入的控制信号的控制器，用于接收控制器输出的控制信号并对电动机工作进行控制的功率驱动电路，以及通过控制器对整个控制系统和电动机提供电源的电池组及其欠压过流保护单元，其特征在于，接口控制单元为可编程逻辑I/O接口单元，该接口单元同时连接车轮转速信号采集单元；所述控制器的组成包括：一个8位CPU核；用于存储事先设定好的速度样值并与CPU核双向连接的数据存储器为一个128 X 8bit SRAM；用于存储驱动控制程序并与CPU核双向连接的指令存储器是一个512 X 12 bit PROM，该存储器同时连接可编程逻辑I/O接口单元，为用户提供了便利的在线编程方法和手段；CPU核同时双向连接专门为电动车控制而设立的电动车控制逻辑单元；为电动车的PWM产生和实际车速采集设立的专用定时器同时双向连接CPU核和电动车控制逻辑单元。

2.根据权利要求1所述的电动自行车智能调速控制系统，其特征在于：所述的控制器中还包括一个预装有专用的电动车控制模块的初始化程序并为用户在线编写和烧写PROM的系统驻留引导ROM，该ROM同时双向连接CPU核和指令存储器PROM的。

3.根据权利要求1或2所述的电动自行车智能调速控制系统，其特征在于：所述的车轮转速信号采集单元包括设在车轮上的霍尔传感器，与霍尔传感器顺次连接的降噪与电平调节电路、初级采集电路和次级采集与补偿电路，次级采集与补偿电路将采集的车轮转速信号输入至可编程逻辑I/O接口单元，这几个部件共同构成了实际车速采集环节即车轮转速信号采集单元。

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