CN201410893Y - 健身电动自行车控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于一种电动自行车类，具体是一种电动自行控制器，本实用新型的特点在于：通过行驶和健身功能选择输入，控制器可以控制电动自行车电机1工作在提供动力行驶状态，也可工作在发电机状态，使带有踏板2的电动自行车都能成为健身器材。控制器的单片机7在健身状态下通过手柄和刹车输入电机1的阻力信息，再输出控制电机1的发电负载力矩并向电池4充电，电机1的负载通过电动车的链条传动到踏板2转换为阻力力矩，使用户在架起电动车轮后脚踏踏板2即可健身。

Description

健身电动自行车控制器

技术领域

本实用新型属于电动自行车类，具体是一种健身电动自行车控制器装置。

背景技术

目前电动自行车只是作为交通工具使用，没有健身功能。

发明内容

本实用新型的目的是充分利用电动自行车现有资源，使电动自行车即可以作为交通工具也可以作为健身工具。

本实用新型的技术方案如下：

一种电动自行车控制器装置，由电机1输出线、电池4电源线、刹车输入5、调速手柄输入6、单片机7、骑行和健身功能选择输入8、工作状态输出9、外部信号输入10、驱动电路11、电流反馈电路12、功率开关电路13、电源管理电路14和电机Hall输入15构成。单片机7通过端口分别与电机Hall输入15、刹车输入5、调速手柄输入6、骑行和健身功能选择8、工作状态输出9、外部信号输入10、驱动电路11和电流反馈电路12顺序相连接，电源管理电路14直接和电池4电源线连接，分别向电机Hall输入15、调速手柄输入6、单片机7、驱动电路11和电流反馈电路12提供稳压电源，功率开关电路13分别与电池4电源线、电机1三相线、电流反馈电路12和驱动电路11顺序相连接，外部信号输入10分别包括1∶1助力输入、三档变速输入、EABS输入、巡航入电路。其特征在于：单片机7在上电时通过骑行和健身功能选择输入8，决定控制器工作在骑行或者健身状态，如果为骑行状态控制器使用图5逻辑驱动使电机行驶，如果控制器工作在健身状态使用图6或者图7的逻辑驱动使电机进入阻力发电状态，通过单片机7的端口输入电机1的负载控制信号和输出控制器的显示信息，单片机7输出三相控制信号经过驱动电路11到功率开关电路13控制电机1的负载力矩，电机1的负载通过电动车的链条传动到踏板2转换为阻力力矩，使用户在架起电动车轮后脚踏踏板2即可健身。

控制器在健身状态时，控制电机1为阻力发电状态，单片机7通过端口控制功率开关电路13使电机1所发电能泵升压后向电池4充电，且踏板2的阻力力矩可以通过电机1的三相下桥PWM的导通时间来调节，包括下述步骤：

(1)单片机7通过刹车和手柄或者串口通讯输入电机1的负载信息，单片机7将该信息转换为对应的PWM比较值，该值即为图6和图7的“PWM”；

(2)单片机7通过端口输出三相控制信号经过驱动电路11到功率开关电路13控制所有上半桥功率管Q1、Q3、Q5关闭、下半桥按照图6或者图7的逻辑驱动Q0、Q2、Q4导通和关闭；

(3)电机1在外力踏板2的传动下运转，电机1的三相绕组线圈将产生三相感应电压，该电压在下半桥Q0、Q2、Q4的PWM导通时间里转换为对应的三相电流，在下半桥Q0、Q2、Q4的PWM关闭时，由于电机1三相绕组线圈的电流不能突变将产生泵升电压，此电压在高于电池4电压时形成充电电流，对电池4充电；

(4)电机1在某一固定转速时三相下半桥Q0、Q2、Q4的PWM导通时间决定短路电流的绝对值，该短路电流绝对值决定电机1的负载力矩，电机1的负载通过电动车的链条传动到踏板2转换为阻力力矩；

(5)单片机7通过端口输出控制器的显示信息到工作状态输出9。

本发明的优点是：

按照踏板电动自行车的特点设计出具有踏板2负载力矩可以调节，又可以向电池4充电的健身电动车控制器，使最小的投入得到最大的收益。

附图说明

图1为健身电动车的结构示意图

图2为健身电动车控制器的功能示意图

图3为电机1的原理示意图

图4为功率开关电路13的原理示意图。

图5为控制器在行驶状态时，单片机7的电机Hall输入15与三相控制输出逻辑表。

图6为控制器工作在健身状态时，单片机7的电机Hall输入15与三相控制输出逻辑表，其中三相下桥全为同步PWM导通和关闭。

图7为控制器工作在健身状态时，单片机7的电机Hall输入15与三相控制输出逻辑表，其中三相下桥中有两相为同步PWM导通和关闭，另一相为常通。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述。

图3为电动车电机1的原理示意图，电机1为三相永磁同步电机，在输入三相电源时可为电机使用，也可在外力驱动运转时作为发电机使用，检测电机相位的三个Hall元件安装在电机内，单片机7通过端口输入三个Hall的逻辑组合和输出三相信号经过驱动电路11到功率开关管13控制电机1运行。图5为控制器行驶状态时单片机7的电机Hall输入15与三相控制输出的对照表，根据电机Hall输入15的组合状态可分为60度相位和120度相位驱动，图5中电机Hall输入15由HA、HB、HC三位逻辑组成，‘1’和‘0’分别代表逻辑高和低；三相上桥控制输出Q1、Q3、Q5对应的‘1’和‘0’分别代表单片机7的端口输出控制相应功率管的导通和关闭；三相下桥控制输出Q0、Q2、Q4对应的‘1’和‘0’分别代表单片机7的端口输出控制相应功率管的导通和关闭。控制器工作在健身状态时使用图6或者图7的驱动逻辑，图6和图7表中的“PWM”代表同步PWM脉冲控制对应的Q0、Q2、Q4导通和关闭，‘0’代表对应的Q1、Q3、Q5的常闭，‘1’代表对应的Q0、Q2、Q4常通；

如图2所示，本电动车控制器由电机1输出线、电池4电源线、刹车输入5、调速手柄输入6、单片机7、骑行和健身功能选择输入8、工作状态输出9、外部信号输入10、驱动电路11、电流反馈电路12、功率开关电路13、电源管理电路14和电机Hall输入15构成。单片机7通过端口分别与电机Hall输入15、刹车输入5、调速手柄输入6、骑行和健身功能选择8、工作状态输出9、外部信号输入10、驱动电路11和电流反馈电路12顺序相连接，电源管理电路14直接和电池4电源线连接，分别向电机Hall输入15、调速手柄输入6、单片机7、驱动电路11和电流反馈电路12提供稳压电源，功率开关电路13分别与电池4电源线、电机1三相线、电流反馈电路12和驱动电路11顺序相连接，外部信号输入10分别包括1∶1助力输入、三档变速输入、EABS输入、巡航入电路。在本实施例中使用CY8C24423A单片机，在该芯片上电时检测骑行和健身功能选择8端口为高电平时，控制器使用图5所示驱动逻辑表，电动车进入正常行驶状态。调速手柄输入6为电机速度控制、刹车输入5有效时控制器停止输出。在本实施例中工作状态输出9为单片机7端口直接驱动一个LED指示灯，在健身状态时该LED指示灯点亮，在正常行驶状态时该LED指示灯熄灭。

在本实施例中控制器进入健身状态后，使用图6所示驱动逻辑表，刹车输入5和调速手柄输入6作为单片机7的输入端口，输入电机1的负载控制信息。在本实施例中单片机7使用8位的PWM模块，周期值为0XFF对应的周期时间为64uS，PWM最小导通时间为48uS、关断时间为16uS，对应的PWM比较值为0XBF，此时电机1的负载力矩最小；最大导通时间为64uS、关断时间为0uS对应的PWM比较值为0XFF，此时电机1的负载力矩最大，电机1的负载通过电动车的链条传动到踏板2转换为阻力力矩。在本实施例中调速手柄输入6经单片机7的数模转换再运算后的取值为：手柄自然归零时0X00、旋转到最大时0XFF。在本实施例中控制器在健身状态下的实施步骤如下：

(1)刹车输入5作为单片机7的电机1负载输入触发信号，在大于50mS的稳定低电平后的上升沿有效。单片机7在检测到该端口有效低电平后状态工作输出指示LED灯熄灭、再检测到高电平时点亮，用以指示刹车信号已输入；

(2)在刹车输入5有效上升沿时单片机7同时读取调速手柄输入6的数模转换值，该值经单片机7运算后大于0X30时电机1三相负载PWM比较值加一，该值小于或者等于0X30时电机1三相负载PWM比较值减一，同时当PWM的比较值减到0XBF时不在减一、当PWM的比较值加到0XFF时不在加一；

(3)单片机7在进入健身状态后使用默认中间PWM比较值0XDF，当有最新的PWM比较值输入时再刷新该值经过驱动电路11到功率开关管13控制下桥功率开关管Q0、Q2、Q4的导通和关闭，改变Q0、Q2、Q4的PWM导通时间就可以调整电机1的负载力矩，最终改变踏板2的阻力力矩。

下面就本实施例对电机1的负载调整原理简要说明如下：

直流电机的基本方程式为：

端电压U＝E+IaRa    反电势E＝K₁Nφ

转矩M＝K₂Iaφ      磁通φ＝K₃I_f

总的机械功率    P＝MN＝EIa

式中：Ia、I_f分别为电枢和磁场电流；

Ra为电枢电阻；

N为电枢与电机转子的相对旋转速度(rad/s)；

K₁、K₂、K₃为比例常数。

如图3所示，电机1的三个线圈A、B、C是三个结构上完全相同，排列在圆周上的位置彼此差2∏/3的角度。在外力驱动运转下变为三相交流发电机三相电压分别为如下：

$V=E\×\stackrel{\‾}{\sqrt{2}}$

$V=K1\mathrm{N\Φ}\×\stackrel{\‾}{\sqrt{2}}$

e_A(t)＝VCOSωt

e_B(t)＝VCOS(ωt-2∏/3)

e_C(t)＝VCOS(ωt+2∏/3)

从以上三相电压公式可以看出电机1的三相电压与电机1的转速成正比。

已知电机1的三个绕组电压，则三个绕组线圈电流分别如下：

$i_{A_L}\left(t\right)=\frac{e_A}{R}(1-e^{-\frac{\mathrm{Rt}}{L}})$

$i_{B_L}\left(t\right)=\frac{e_B}{R}(1-e^{-\frac{\mathrm{Rt}}{L}})$

$i_{C_L}\left(t\right)=\frac{e_C}{R}(1-e^{-\frac{\mathrm{Rt}}{L}})$

式中：R为电机1绕组线圈的内阻值

L为电机1绕组线圈的电感量

t为下桥PWM的导通时间

参考图4和上面的三相电压、电流和电机基本公式列举电机1绕组线圈的电流流动方向，仅列举ω＝180度时如下：(其它角度与此分析原理相同)

e_A＝-V；    e_B＝0.5V；    e_C＝0.5V；

电流由a→A→Y→B→b→GND→a和a→A→Y→C→c→GND→a两个电流回路组成，三相电流方向与三相电压同相，在Q0、Q2、Q4的同步PWM导通时间内，三相电流大小与三相电压成正比，三相电压与电机1转速成正比。在相同的电机1转速下，三相电流的值由Q0、Q2、Q4的PWM导通时间t决定，t的时间长电机1绕组线圈电流Ia大、电机1的力矩M大；反之t的时间短电机1绕组线圈电流Ia小、电机1的力矩M小，在本实施例中t等于单片机7的PWM比较值，通过调节PWM的比较值即达到调节电机1的负载力矩，从而达到控制与电机1联动的踏板2的阻力力矩的目的。

在下桥Q0、Q2、Q4的PWM关闭时，电机1的三个绕组线圈的电流不能突然归零，将自动产生泵升电压，电压达到电池的充电电压后，将三个绕组线圈存储的能量向电池4充电。在泵升电压的过程中三个绕组线圈电流方向与Q0、Q2、Q4的PWM导通时的电流方向相同，下面仅列举ω＝180度时的两路电流如下：(其它角度与此分析原理相同)

A→a→Q1的寄生二极管→电池的正极→GND(地)→Q2的寄生二极管→b→B→Y→A

A→a→Q1的寄生二极管→电池的正极→GND(地)→Q4的寄生二极管→c→C→Y→A

将电机1的三相绕组线圈所存储的能量泵升后向电池4充电。

通过上述步骤即可实现单片机7的电机1负载信号输入、电机1负载力矩控制、踏板2的阻力力矩控制、对电池4充电和显示控制器的工作状态的目的。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1、一种健身电动自行车控制器，其特征在于：由电机(1)输出线、电池(4)电源线、刹车输入(5)、调速手柄输入(6)、单片机(7)、骑行和健身功能选择输入(8)、工作状态输出(9)、外部信号输入(10)、驱动电路(11)、电流反馈电路(12)、功率开关电路(13)、电源管理电路(14)和电机Hall输入(15)构成；单片机(7)通过端口分别与电机Hall输入(15)、刹车输入(5)、调速手柄输入(6)、骑行和健身功能选择(8)、工作状态输出(9)、外部信号输入(10)、驱动电路(11)和电流反馈电路(12)顺序相连接，电源管理电路(14)直接和电池(4)电源线连接，分别向电机Hall输入(15)、调速手柄输入(6)、单片机(7)、驱动电路(11)和电流反馈电路(12)提供稳压电源，功率开关电路(13)分别与电池(4)电源线、电机(1)三相线、电流反馈电路(12)和驱动电路(11)顺序相连接，外部信号输入(10)分别包括1:1助力输入、三档变速输入、EABS输入、巡航入电路；单片机通过骑行和健身功能选择(8)决定控制器工作在骑行或者健身状态，通过单片机(7)的输入端口输入电机(1)的控制信号、输出端口输出控制器的显示信息和三相电机(1)控制信号。

2、根据权利要求1所述的健身电动自行车控制器，其特征在于：所述的单片机(7)的输入端口为串行通信接口或单片机(7)的一个I/O端口或单片机(7)的两个I/O端口。

3、根据权利要求1所述的健身电动自行车控制器，其特征在于：所述的输入电机(1)的控制信号为输入到单片机(7)的A/D模拟信号或者I/O高低数字信号或者串行通信信号。

4、根据权利要求1所述的健身电动自行车控制器，其特征在于：所述的输入电机(1)的控制信号为输入到单片机(7)的A/D模拟和I/O数字混合输入信号。

5、根据权利要求1所述的健身电动自行车控制器，其特征在于：所述的显示输出端口为单片机(7)的串行通信接口或单片机(7)的一个I/O端口或单片机(7)的两个I/O端口。

6、根据权利要求1所述的一种电动车控制器，其特征在于：所述的输出显示信号为直接驱动LED或者数码LED或者LCD。

7、根据权利要求1所述的健身电动自行车控制器，其特征在于：所述的输出显示信号包括控制器的运行时间、电机(1)负载力矩、电池(4)电压和控制器的温度。

8、根据权利要求1所述的健身电动自行车控制器，其特征在于：所述的电动车控制器在健身状态时可以控制转动的电机(1)发电并泵升压后向电池(4)充电，三相下桥在PWM导通时使电机(1)内的绕组线圈蓄能，在PWM关闭时释放存储在电机(1)绕组线圈内的能量并向电池(4)进行充电，单片机(7)通过调节PWM控制信号可以控制电机(1)的转动阻力力矩，从而实现控制踏板(2)的阻力力矩，单片机(7)通过骑行和健身功能选择输入(8)进入健身控制状态；单片机(7)通过输入端口输入对电机(1)的负载控制信号；单片机(7)通过端口输出三相控制信号经过驱动电路(11)到功率开关电路(13)控制电机(1)的负载阻力力矩；单片机(7)通过端口输出控制器的显示信息。

9、根据权利要求8所述的健身电动自行车控制器，其特征在于：所述的PWM控制信号在控制器控制功率开关电路(13)的三相下桥导通和关闭。

10、根据权利要求8所述的健身电动自行车控制器，其特征在于：所述的单片机(7)连设有在控制器健身状态和在电池电压超过电池的最高充电电压时提示用户电池已经充电超压的显示状态输出(9)。

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