CN218703714U - 一种健身电动自行车控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种健身电动自行车控制系统，属于滑板车技术领域，该控制系统包括自行车本体、电机、动力控制器、指令控制器和蓄电池，电机设于自行车本体，能够用于驱动自行车本体前进或倒退并能够选择进行发电；动力控制器与电机电连接，用于控制电机驱动自行车本体前进或倒退并能够选择进行发电；指令控制器用于发送控制指令至动力控制器；蓄电池与电机、动力控制器和指令控制器电连接。本方案中，通过控制电机输出与踩踏方向相反的扭矩，让用户在骑行过程中更加费力，提升骑行健身效果，另外，在健身模式下，电机转子可跟随车轮一起转动，使人踩踏的力量被电机转子吸收并转化为电力存储到蓄电池，使其在健身过程中可以实现发电。

Description

一种健身电动自行车控制系统

技术领域

本实用新型涉及滑板车技术领域，具体涉及一种健身电动自行车控制系统。

背景技术

目前，电动自行车是短距离出行的常用工具。传统的电动自行车使用电子油门驱动或使用位于中轴、曲柄或车轮处的速度/扭矩传感器，当人踩踏脚踏时，这些传感器将信号发送至控制器，来激活电动机，使人在踩踏前进时更加轻松。然而现有的电动自行车只能让用户更加省力或完全不用力地进行骑行。不能使用户的骑行过程更加费力。为了达到健身目的，经常有自行车爱好者在骑行时需要找一段上坡路骑行，以达到骑行更加费力的目的。在骑行训练时用户也会追求达到某一特定训练参数，例如维持踏频或维持功率输出值等需求。然而现有的电动自行车无法满足这些更加费力的健身需求，也无法给出这些健身数据。

实用新型内容

为此，本实用新型的实施例提供一种健身电动自行车控制系统，以解决现有的电动自行车无法满足健身需求的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型的实施例提供如下技术方案：

根据本实用新型的实施例提供了一种健身电动自行车控制系统，包括：

自行车本体；

电机，设于所述自行车本体上，能够用于驱动所述自行车本体前进或倒退并能够选择进行发电；

动力控制器，所述动力控制器与所述电机电连接，用于控制所述电机驱动所述自行车本体前进或倒退并能够选择进行发电；

指令控制器，所述指令控制器与所述动力控制器电连接，用于发送控制指令至所述动力控制器；

蓄电池，所述蓄电池设置与所述自行车本体上，并分别与所述电机、动力控制器和所述指令控制器电连接。

进一步地，所述电机为轮毂电机，所述轮毂电机与所述自行车本体的后轮转动连接；或

所述电机为中置电机，所述中置电机与所述自行车本体的中轴齿盘转动连接。

进一步地，所述自行车本体的脚踏曲柄上设置有扭矩传感器，所述扭矩传感器与所述动力控制器电连接。

进一步地，所述自行车本体的脚踏曲柄上设置有位置编码器，所述位置编码器分别与所述动力控制器电连接。

进一步地，所述的健身电动自行车控制系统还包括上位机，所述上位机与所述指令控制器电连接，用于发送指令给所述指令控制器或接收所述指令控制器发送的数据信息。

进一步地，所述上位机上设置有控制手柄或控制触摸屏或语音控制模块。

进一步地，所述的健身电动自行车控制系统还包括云端服务器，所述上位机与所述云端服务器通过无线通讯模块连接。

本实用新型还提供了一种健身电动自行车控制方法，包括：

步骤S1，自行车本体选择为健身模式状态；

步骤S2，控制电机选择发电模式，且控制电机输出与踏板方向相反的扭电流扭矩，并进行发电至蓄电池。

进一步地，所述控制方法还包括：

步骤S3，获取用户踩踏踏板的频率；

步骤S4，根据获取的所述用户踩踏踏板的频率，控制电机输出电流。

进一步地，当健身模式结束后，获取本次健身数据，并将所述健身数据上传至云端服务器。

本实用新型的实施例具有如下优点：

通过指令控制器发送指令至动力控制器，动力控制器能够控制电机驱动自行车本体前进或倒退，并能够选择进行发电，如指令控制器发送健身模式，则动力控制器控制电机处于发电模式，此时，电机的输出扭矩与踏板踩踏的方向相反，同时，可以在平路甚至下坡过程中模拟上坡时的骑行力度，具体可以通过指令控制器设定，更改自行车所需的踩踏力度，通过计算模拟不同坡度时的踩踏体感，相较于传统电动自行车，因增加了控制电机输出与踩踏方向相反的扭矩，让用户在骑行过程中更加费力，提升骑行健身效果，另外，在健身模式下，电机的转子可跟随自行车本体的车轮一起转动，可以使人踩踏的力量被电机转子吸收并转化为电力存储到蓄电池，使其在健身过程中可以实现发电，使用户在健身过程中更具有成就感。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本实用新型的一实施例提供的一种健身电动自行车控制系统的结构示意图；

图2为本实用新型的一实施例提供的一种健身电动自行车控制方法的一流程示意图；

图3为本实用新型的一实施例提供的一种健身电动自行车控制方法另一流程示意图；

图4为本实用新型的一实施例提供的一种健身电动自行车控制系统的逻辑图图；

图5为本实用新型的一实施例提供的一种健身电动自行车控制系统的速度控制函数图；

图6为本实用新型的一实施例提供的一种健身电动自行车控制系统的爬坡电流增益函数图；

图7为本实用新型的一实施例提供的一种健身电动自行车控制系统的体力电流增益函数图；

图8为本实用新型的一实施例提供的一种健身电动自行车控制系统的充电状态下电势示意图；

图9为本实用新型的一实施例提供的一种健身电动自行车控制系统的充电状态下蓄流阶段电流流向示意图；

图10为本实用新型的一实施例提供的一种健身电动自行车控制系统的充电阶段电流流向示意图；

图11为本实用新型的一实施例提供的一种健身电动自行车控制系统的电机控制电路图。

图中：1-上位机；2-指令控制器；3-蓄电池；4-动力控制器；5-脚踏曲柄；6-中轴齿盘；7-后轮；8-电机；9-位置编码器；10-扭矩传感器。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1和图4、图5至图11所示，根据本实用新型的实施例提供了一种健身电动自行车控制系统，包括自行车本体、电机8、动力控制器4、指令控制器2和蓄电池3，电机8设于所述自行车本体上，能够用于驱动所述自行车本体前进或倒退并能够选择进行发电；所述动力控制器4与所述电机8电连接，用于控制所述电机8驱动所述自行车本体前进或倒退并能够选择进行发电；所述指令控制器2与所述动力控制器4电连接，用于发送控制指令至所述动力控制器4；所述蓄电池3设置与所述自行车本体上，并分别与所述电机8、动力控制器4和所述指令控制器2电连接。

本实用新型提供的健身电动自行车控制系统，通过指令控制器2发送指令至动力控制器4，动力控制器4能够控制电机8驱动自行车本体前进或倒退，并能够选择进行发电，如指令控制器2发送健身模式，则动力控制器4控制电机8处于发电模式，此时，电机8的输出扭矩与踏板踩踏的方向相反，同时，可以在平路甚至下坡过程中模拟上坡时的骑行力度，具体可以通过指令控制器2设定，更改自行车所需的踩踏力度，通过计算模拟不同坡度时的踩踏体感，相较于传统电动自行车，因增加了控制电机8输出与踩踏方向相反的扭矩，让用户在骑行过程中更加费力，提升骑行健身效果，另外，在健身模式下，电机8的转子可跟随自行车本体的车轮一起转动，可以使人踩踏的力量被电机8转子吸收并转化为电力存储到蓄电池3，使其在健身过程中可以实现发电，使用户在健身过程中更具有成就感。

需要说明的是，指令控制器2也可以通过发送指令给动力控制器4控制电机8驱动自行车本体前进，当作为前进电机8使用时，动力控制器4可通过六步法，十二步法，FOC(field-orientedcontrol)法等方式对电机8进行调速，使车辆向前运行。而当指令控制器2发送指令给动力控制器4，控制电机8驱动自行车本体后退时，动力控制器4可通过六步法，十二步法，FOC法等方式对电机8进行调速，使车辆向后运行，或是在锁车状态时阻止车辆被推走。其动力控制器4可通过6步法，12步法，FOC法等方式对电机8进行调速相关技术已经在现有技术中较为成熟，在此就不一一赘述。另外，电机8处于发电机8状态时使用的硬件结构与传统BLDC控制器结构相同。

如图1所示，在本实用新型的一个实施例中，进一步地，所述电机8为轮毂电机8，所述轮毂电机8与所述自行车本体的后轮7转动连接；或

所述电机8为中置电机8，所述中置电机8与所述自行车本体的中轴齿盘6转动连接。

在本实施例中，电机8可使用脚踏中轴位置的中置电机8，也可使用车轮位置的轮毂电机8，具体地，电机8具体选型可使用直流无刷电机8，也可使用有刷电机8。但电机8选为轮毂电机8时，电机8转子与车轮间的传动不可设置单向离合器，车轮与脚踏间的传动过程中需设置单向离合器(例如单向棘轮)，电机8转子与车轮之间不使用单向离合器模块，车轮在转动的过程中一直连带电机8转子转动，当电机8用作发电时不会因单向离合器的存在导致电机8转子不转动，其目的在于可以使人踩踏的力量被电机8转子吸收并转化为电力。而采用中置电机8进行驱动时，脚踏曲柄5处的中轴齿盘6与中置电机8转子之间不得使用单向离合器，中轴齿盘6的转动会一直连带中置电机8转子转动，进而进行发电。

如图1和图4所示，在本实用新型的一个实施例中，进一步地，所述自行车本体的脚踏曲柄5上设置有扭矩传感器10，所述扭矩传感器10与所述动力控制器4电连接。

在本实施例中，通过扭矩传感器10的设置，其可以检测出脚踏状态的扭矩信息数据，并将这些扭矩信息数据发送至动力控制器4，动力控制器4将其发送至指令控制器2，指令控制器2进行分析，可以根据不同的扭矩信息发送不同的指令给动力控制器4，当然，指令控制器2也可以将该扭矩信息数据传送给上位机1，上位机1也可以进行保存、显示和分析使用。

如图1和图4所示，在上述实施例中，进一步地，所述自行车本体的脚踏曲柄5上设置有位置编码器9，所述位置编码器9分别与所述动力控制器4电连接。

在本实施例中，通过位置编码器9的设置，其可以检测出脚踏状态的位置信息数据，并将这些位置信息数据发送至动力控制器4，动力控制器4将其发送至指令控制器2，指令控制器2进行分析，可以根据不同的位置信息发送不同的指令给动力控制器4，也就是可以通过位置信息识别出用户是否处于健身疲劳状态，控制电机8的输出电流，当然，指令控制器2也可以将该扭矩信息数据传送给上位机1，上位机1也可以进行保存、显示和分析使用。

如图1和图4所示，在本实用新型的一个实施例中，进一步地，所述的健身电动自行车控制系统还包括上位机1，所述上位机1与所述指令控制器2电连接，用于发送指令给所述指令控制器2或接收所述指令控制器2发送的数据信息。可选地，所述上位机1上设置有控制手柄或控制触摸屏或语音控制模块。

在本实施例中，上位机1内MCU(MicrocontrollerUnit)具有较强算力。上位机1可具有用户交互输出模块，如显示器、扬声器，用以向用户展示信息，还可以具有用户交互输入模块：如触控屏、手柄摇杆、麦克风，用以从用户处接受指令或信息数据。还可以具有近距离无线通讯模块，如蓝牙、wifi、zigbee，用以接受指令控制器2所上传的信息，并将命令下发至指令传感器。上位机1具有4G或5G无线通讯模块，用以连接云端服务器，进行云端数据储存及调用；另外，可选地，上位机1还可具有其他运动相关传感器，如加速度仪(角度)，气压计，心率传感器，用于感知车辆状态及用户状态。例如可以感知骑行路段的实际坡度，用户运动量是否已超负荷等。例如，可以使用手机在连接外部操控手柄及其他上述模块后，可作为上位机1使用。在骑行过程中及骑行结束后，自行车本体可通过上位机1实时显示各类数据，这些数据可用于指导用户健身。上位机1可配有显示屏、mic，扬声器等模块，使在骑行过程中可完成音乐娱乐，组队对讲，骑行导航，实时健身数据展示等外延功能。

需要说明的是，上位机1的上述原理及功能模块为现有技术中常规电路构成，在此就不一一赘述。

另外，对于扭矩传感器10和位置编码器9的方案，也可以不设置扭矩传感器10和位置传感器，通过使用上位机1中的GPS、气压计、角速度、速度及加速度传感器、磁感传感器等，判断用户实际骑行所在路段路况，估算当前骑行速度所需总输出功率，减去电机8输出/输入功率及根据经验得出的系统损耗功率后逆算得出用户的健身功率/踩踏扭矩。

在本实用新型的一个实施例中，进一步地，所述的健身电动自行车控制系统还包括云端服务器，所述上位机1与所述云端服务器通过无线通讯模块连接。

在本实施例中，骑行时的参数计算、记录、分析主要由上位机1完成，然后通过上位机1传送至云端服务器，不受限于自行车内控制器的硬件算力。可联网，通过云端大数据和云端算法协助调整后，再下发至上位机1，并通过MCU发送指令给指令控制器2进行调整命令，让用户在健身过程中既不会因太累导致放弃蹬踏，也不会因太轻松而达不到训练效果。

如图2至图7所示，本实用新型的实施例还提供了一种健身电动自行车控制方法，包括：

步骤S1，自行车本体选择为健身模式状态；

步骤S2，控制电机8选择发电模式，且控制电机8输出与踏板方向相反的扭电流扭矩，并进行发电至蓄电池3。

在本实施例中，用户操作上位机1或指令控制器2对自行车本体进行开机。开机前车轮处于锁定状态，当尝试推走自行车本体时，电机8反转或进行发电，防止被盗。车辆开机后方可进行其他操作。健身自动自行车不仅在具有传统的前进和后退的功能，可以通过指令控制器2或上位机1选定健身模式，控制电机8输出与踏板方向相反的扭电流扭矩，让用户在骑行过程中更加费力，提升骑行健身效果，进而实现健身效果。另外，电机8转子会随后轮7或中轴齿盘6转动，进而实现发电。也就是用户蹬踏的力量一部分用于供给车辆前进，另一部分最终转化为电量，储存于蓄电池3内。

需要说明的是，动力控制器4内需具有Boost增压充电控制模块及控制程序。其具体实现方法为：使用电机8内绕线的线圈作为储能电感，并按需额外增加电感，电容或改变已有保护电感电容参数。利用电机8线圈切割磁感线产生的反电动势，通过Boost增压方法，调节PWM斩波形成完整的电路充电及续流状态，将脚踏所产生电流向3输入。Boost增压方法为现已公开的通用技术，在此不在一一赘述。

具体而言，在利用电机8内线圈作为蓄流储能电感构造Boost增压电路，向蓄电池3充电，例如，当线圈切割磁感线产生电动势如图为A至C相方向时。使用C相下半桥mos进行pwm斩波，续流阶段电流方向如箭头所示。充电阶段电流方向如箭头所示。类似的，使用Boost增压的方式也可以利用有刷电机8或其他类型电机8对电池进行充电。在此不再赘述。

需要说明的是，因具有健身(发电)模式，该控制系统需添加下述保护程序段及保护模块。在上述通过Boost增压方法过程中，为避免PWM占空比过调，被充电蓄电池3离线等原因造成的动力控制器4内电压过高，损害电路元件，需在mos管信号输入端(栅极)增加负反馈保护模块，使输出端电压大于限定值时停止增压充电输出。类似的，为避免动力控制器4内电压过高，动力控制器4内需配备(TVS等)电压泄放，电压钳制模块。控制程序中需对电流进行闭环/阈值控制。电流控制值如，当蓄电池3电量不同时，电压差距会导致发电，用电过程中动力控制器4对电机8以电流方式进行控制时，电机8实际输出/输入功率不同，骑行体验也有差距，具体表现为蓄电池3高电量时车速较快，低电量时脚踏所需力量较大。为解决此问题，动力控制器4内可选配功率矫正模块及相应控制算法，实现解决不同电量下骑行体验的差距。为避免被充电蓄电池3离线导致的发电能量无法释放，蓄电池3内电源管理系统应具有延时或条件性保护模块，降低其过充保护时间灵敏度，避免不稳定性较强的人力发电充电激活电源保护导致电池离线。另外，蓄电池3与动力控制器4的连接处可增加具有余度设计的连接模块，避免行驶过程中的震动脱离或接触不良带来的发电能量损害电路问题。指令控制器2内需新增保护策略及保护模块，当蓄电池3当前电量、电压高于限定值时，则不允许开启健身模式，或限制健身发电强度。

另外，当用户骑行时间较久，体力下降时，上位机1可通过各传感器实时数据知悉此情况。调整并下发控制函数F。此时动力控制器4控制电机8逐渐由发电转换为用电，自行车模式由健身模式转换为助力模式，此过程也可不由上位机1自动完成，而是由用户主动通过操作上位机1或指令控制器2上的按钮来实现。

控制函数关系可依据需要进行设计最为合适的函数关系，如前用户状态的控制函数F。上位机1将此控制函数F通过指令控制器2向下传输，储存至动力控制器4内，并由动力控制器4在驱动电机8过程中实时使用。而骑行过程中当用户需求或运动状态改变，需要变更控制函数F时，可重复本段说明的过程。

控制函数F的输入变量为该电机8状态、脚踏状态、车辆状态、用户状态。输出(控制)变量为电机8电流及电机8转速。

现对控制函数F进行举例说明，需要注意的是，本文中所展示的示例仅为对本方法进行简要说明，并不代表全部F控制函数的类型，也不代表全部函数映射方法：

如图5所示，不同用户设定挡位下，由电机8状态(转速)单一变量所构成的控制函数F；

助力模式，当车速为20-22km/h时，动力控制器4对电机8输出5A电流，此时踩踏踏板最轻松，适合喜欢在高速状态省力骑行的用户。

健身模式，当车速为14-16km/h时，电机8以3A电流进行发电，此时踩踏踏板需要较大力量，适合在中速骑行时需要较大运动量的客户。

如图6所示，由自行车状态(坡度)单一变量所构成的控制函数F。当车辆状态为上坡时，增加动力控制器4对电机8的输出电流。反之亦然。

如图7所示，为由用户状态(体力)单一变量所构成的控制函数F。当用户体力下降时，动力控制器44对电机8输出更大电流用以支持用户骑行。其中体力剩余值为上位机1综合当前骑行数据及用户状态后对用户体力情况的评分。

需要说明的是，多个变量控制的F可由单变量F进行累加，累乘或以其他构造方法进行构造。

如图3所示，在上述实施例中，进一步地，所述控制方法还包括：

步骤S3，获取用户踩踏踏板的频率；

步骤S4，根据获取的所述用户踩踏踏板的频率，控制电机8输出电流。

在骑行过程中，动力控制器4会将扭矩传感器10和位置编码器9所获得的数据(踩踏频率，踩踏扭矩)及电机8在运行中所产生的数据(电机8发电/用电电流，电压，转速)等实时上传至指令控制器2，并由指令控制器2传输至上位机1。上位机1可将其所具有的传感器及连接的外部设备数据统一记录。另外，在骑行过程中可绘制各参数的图表，由上位机1上所含显示屏显示，告知用户其当前健身强度、身体状况。在骑行结束后由上位机1统合健身过程中的各类数据信息，给出此次健身效果报告。

需要说明的是，踩踏功率计算方法为：

人力输出功率等于当前坡度、速度、载荷所需功率加当前加速度所需功率减去电机8输出功率；

当人力输出功率大于零时，可理解为脚踏与电机8转速同步(用户正在踩脚踏)此时可计算踩踏速度：

踩踏速度等于电机8当前转速乘以链条传动比率。

在上述任一实施例中，进一步地，当健身模式结束后，获取本次健身数据，并将所述健身数据上传至云端服务器。完成骑行健身后，上位机1可将本次健身数据储存(也可按需求传输至云端服务器)。协助用户记录其健身历程，并在将来的健身过程中利用历史数据对用户给出恰当健身指导或调整健身强度。当指令控制器2将动力控制器4所统计的电机8状态、脚踏状态上传至上位机1后，再由上位机1结合自行车本体状态、用户状态参数，与云端或上位机1本地所存在的经验函数(此经验函数可由本领域技术人员依据用户骑行大数据进行编写，或由AI学习的方式自动生成)进行对比及拟合。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种健身电动自行车控制系统，其特征在于，包括：

自行车本体；

电机(8)，设于所述自行车本体上，能够用于驱动所述自行车本体前进或倒退并能够选择进行发电；

动力控制器(4)，所述动力控制器(4)与所述电机(8)电连接，用于控制所述电机(8)驱动所述自行车本体前进或倒退并能够选择进行发电；

指令控制器(2)，所述指令控制器(2)与所述动力控制器(4)电连接，用于发送控制指令至所述动力控制器(4)；

蓄电池(3)，所述蓄电池(3)设置与所述自行车本体上，并分别与所述电机(8)、动力控制器(4)和所述指令控制器(2)电连接。

2.根据权利要求1所述的健身电动自行车控制系统，其特征在于，所述电机(8)为轮毂电机，所述轮毂电机与所述自行车本体的后轮转动连接；或

所述电机(8)为中置电机，所述中置电机与所述自行车本体的中轴齿盘转动连接。

3.根据权利要求1所述的健身电动自行车控制系统，其特征在于，所述自行车本体的脚踏曲柄(5)上设置有扭矩传感器(10)，所述扭矩传感器(10)与所述动力控制器(4)电连接。

4.根据权利要求1所述的健身电动自行车控制系统，其特征在于，所述自行车本体的脚踏曲柄(5)上设置有位置编码器(9)，所述位置编码器(9)分别与所述动力控制器(4)电连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的健身电动自行车控制系统，其特征在于，还包括上位机(1)，所述上位机(1)与所述指令控制器(2)电连接，用于发送指令给所述指令控制器(2)或接收所述指令控制器(2)发送的数据信息。

6.根据权利要求5所述的健身电动自行车控制系统，其特征在于，所述上位机(1)上设置有控制手柄或控制触摸屏或语音控制模块。

7.根据权利要求5所述的健身电动自行车控制系统，其特征在于，还包括云端服务器，所述上位机(1)与所述云端服务器通过无线通讯模块连接。

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