FR3099747A1 - Procédé automatique de commande en courant d’un moteur d’assistance au pédalage sur un vélo à assistance électrique et vélo à assistance électrique prévu pour la mise en œuvre d’un tel procédé - Google Patents

Abstract

Procédé automatique de commande en courant d’un moteur d’assistance au pédalage sur un vélo à assistance électrique et vélo à assistance électrique prévu pour la mise en œuvre d’un tel procédé Ce procédé automatique de commande en courant d’un moteur d’assistance au pédalage, sur un vélo à assistance électrique équipé d’un capteur mesurant une résultante d’effort au niveau de son pédalier, comprend des étapes consistant à injecter (100), à un instant (t1) donné, un courant de commande continu (I(t1)), de valeur connue, dans le moteur pour générer une couple d’assistance et calculer (102) la valeur du couple d’assistance. Selon l’invention, le procédé comprend, en outre, des étapes consistant à calculer (104) une valeur de la résultante longitudinale (RRxassist) du couple d’assistance en appliquant un second coefficient de proportionnalité (K2) à la valeur du couple calculée à l’étape précédente, à mesurer, à l’aide du capteur, une valeur de la résultante longitudinale du couple total exercé sur un arbre du pédalier, à calculer une valeur de la résultante longitudinale, selon l’axe prédéterminé, du couple exercé par le cycliste, à calculer une valeur moyenne du couple exercé par le cycliste sur au moins une fraction de tour de manivelle, à calculer la valeur du couple d’assistance à générer dans le moteur, en fonction du mode d’assistance prévu pour le vélo, à déduire la valeur du courant à injecter dans le moteur à un instant suivant. En outre il est prévu de déterminer (150) la valeur du deuxième coefficient de proportionnalité (K2), en fonction du nombre de dents du plateau en prise en avec la chaîne, en mettant en œuvre au moins les routines suivantes consistant à mettre en œuvre (200) les étapes 100 à 104 à premier un instant donné, à un deuxième instant donné (t2), faire varier subitement (202) la valeur du courant injecté à la routine précédente (200), mettre à nouveau en œuvre (204) les étapes 100 à 104 au deuxième instant donné, calculer (206) la différence (ΔRRxassist) entre des valeurs de la résultante longitudinale (RRXassist) du couple d’assistance obtenues à partir des routines 200 et 204 et calculer (208) une valeur du deuxième coefficient de proportionnalité (K2) à partir de la différence calculée dans la routine 206. Figure pour l'abrégé : Figure 5

Description

Procédé automatique de commande en courant d’un moteur d’assistance au pédalage sur un vélo à assistance électrique et vélo à assistance électrique prévu pour la mise en œuvre d’un tel procédé

La présente invention concerne un procédé automatique de commande en courant d’un moteur d’assistance au pédalage sur un vélo à assistance électrique. L’invention concerne également un vélo à assistance électrique prévu pour mettre en œuvre un tel procédé.

Sur un vélo à assistance électrique, un utilisateur fournit un couple en actionnant un pédalier situé sur le vélo. Afin d’aider l’utilisateur, un couple d’assistance peut être fourni par un moteur électrique situé sur le vélo qui, dans ce cas, est un vélo à assistance électrique. De façon avantageuse, le couple d’assistance électrique est proportionnel au couple fourni par l’utilisateur.

Il est donc nécessaire de connaître à chaque instant la valeur du couple fourni par l’utilisateur. Ce couple, qui est exercé sur un arbre tournant peut être déterminé avantageusement en mesurant sa résultante sur l’un des roulements du pédalier, ce qui permet d’avoir une liaison filaire directe, économique, robuste et rapide entre le capteur et le dispositif de commande du moteur. La relation entre cette résultante et ce couple dépend du nombre de dents du plateau sur lequel la chaîne est en prise. Il est donc nécessaire de connaître ce nombre de dents.

Pour ce faire, il est connu de placer deux capteurs sur le pédalier, à savoir un premier capteur, placé sur l’axe du pédalier, pour mesurer l’effort total fourni par le cycliste et le moteur d’assistance et un deuxième capteur, placé sur le dérailleur avant, destiné à déterminer le plateau avec lequel la chaîne est en prise.

Cependant, cette solution présente des inconvénients. En effet, elle nécessite l’ajout sur le vélo de deux capteurs. Elle complique donc le montage du vélo. De plus, elle n’est pas universelle. En effet, les dérailleurs de différents vélos pouvant avoir des technologies différentes, il est impossible d’imaginer une unique solution pour monter le deuxième capteur sur le dérailleur.

C’est à ces inconvénients qu’entend plus particulièrement remédier l’invention en proposant un procédé automatique de commande en courant d’un moteur d’assistance au pédalage sur un vélo à assistance électrique qui est universel, c’est-à-dire qui ne nécessite pas une configuration spécifique à chaque ensemble pédalier/dérailleur, et plus simple à mettre en œuvre que les procédés connus.

A cet effet, l’invention concerne un procédé automatique de commande en courant d’un moteur d’assistance au pédalage sur un vélo à assistance électrique équipé d’un capteur mesurant une résultante d’effort au niveau de son pédalier. Ce procédé comprend plusieurs étapes. Une première étape a) consiste à injecter, à un instant donné, un courant de commande continu, de valeur connue, dans le moteur pour générer, au sein du moteur, un couple d’assistance proportionnel au courant injecté. Une étape suivante b) consiste à calculer la valeur du couple d’assistance généré par le moteur en appliquant à la valeur connue du courant un premier coefficient de proportionnalité connu de la structure du moteur. Conformément à l’invention, une troisième étape c) consiste à calculer une valeur de la résultante longitudinale du couple d’assistance, selon un axe prédéterminé et fixe par rapport au cadre du vélo, en appliquant un second coefficient de proportionnalité à la valeur du couple calculée à l’étape b), ce second coefficient dépendant du nombre de dents du plateau du pédalier en prise avec la chaîne du vélo. Ensuite, une étape d) consiste à mesurer, à l’aide du capteur, une valeur de la résultante longitudinale, selon l’axe prédéterminé, du couple total exercé sur un arbre du pédalier et résultant du couple exercé par le cycliste et du couple d’assistance généré dans le moteur. Puis, dans une étape e) une valeur de la résultante longitudinale, selon l’axe prédéterminé, du couple exercé par le cycliste, est calculée en tant que différence entre la valeur mesurée à l’étape d) et la valeur calculée à l’étape c). Une étape f) consiste à calculer une valeur moyenne du couple exercé par le cycliste sur au moins une fraction de tour de manivelle en appliquant un troisième coefficient de proportionnalité, qui dépend du nombre de dents du plateau en prise avec la chaîne, sur la moyenne des variations de la valeur de la résultante longitudinale du couple exercé par le cycliste sur cette fraction de tour. Une étape g) consiste à calculer la valeur du couple d’assistance à générer dans le moteur en appliquant à la valeur moyenne calculée à l’étape f) un quatrième coefficient de proportionnalité sélectionné en fonction du mode d’assistance prévu pour le vélo. Ensuite, une étape h) consiste à déduire de la valeur du couple d’assistance calculée à l’étape g) la valeur du courant à injecter dans le moteur à un instant suivant. Enfin, une étape i) consiste à déterminer la valeur du deuxième coefficient de proportionnalité, en fonction du nombre de dents du plateau en prise en avec la chaîne, en mettant en œuvre les routines suivantes. Une première de ces routines i1) consiste à mettre en œuvre les étapes a) à c) à un premier instant donné. Puis, une routine i2) consiste à, à un deuxième instant donné, faire varier subitement la valeur du courant injecté à l’étape a). Une routine i3) consiste à mettre à nouveau en œuvre les étapes a) à c) au deuxième instant donné. Puis, une routine i4) consiste à calculer la différence entre des valeurs de la résultante longitudinale du couple d’assistance obtenues à partir des routines i1) et i3). Enfin, une routine i5) consiste à calculer une valeur du deuxième coefficient de proportionnalité à partir de la différence calculée dans la routine i4).

Au sens de la présente invention, les valeurs obtenues à partir des routines sont les valeurs obtenues dans ces routines ou des valeurs calculées à partir des valeurs obtenues dans ces routines.

Au sens de la présente invention, une résultante longitudinale d’un effort ou d’un couple selon un axe est la composante longitudinale d’une résultante de cet effort ou de ce couple selon cet axe.

Grâce à l’invention, le calcul direct du deuxième coefficient de proportionnalité, qui dépend du nombre de dents du plateau avec lequel la chaîne est en prise, permet de s’affranchir de la mesure du nombre de dents et de n’utiliser que le capteur d’effort servant à l’asservissement du moteur. Ainsi, le procédé est simple à mettre en œuvre et ne nécessite pas l’ajout d’un capteur supplémentaire, ni d’un second appareil d’acquisition et de traitement de données. Le procédé est donc plus économique et plus fiable que ceux de l’art antérieur. De plus, il est universel, puisqu’il n’y a pas à ajouter de capteur sur le dérailleur.

Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l’invention, un tel procédé peut incorporer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises selon toute combinaison techniquement admissible :

- lors de la routine i4), les valeurs de la résultante longitudinale du couple d’assistance utilisées pour calculer la différence sont celles respectivement obtenues dans les routines i1) et i3) ;

- lors de l’étape i4), les valeurs de la résultante longitudinale du couple d’assistance utilisées pour calculer la différence sont, d’une part, la moyenne entre une valeur de la résultante longitudinale du couple d’assistance obtenue dans la routine i1) et une autre valeur de la résultante longitudinale obtenue dans une autre routine incluant les étapes a) à c) et mise en œuvre à un troisième instant donné postérieur à la variation du courant injecté à l’étape a) et, d’autre part, la valeur de la résultante longitudinale du couple d’assistance obtenue dans la routine i3) ;

- l’étape de détermination de la valeur du deuxième coefficient comprend une routine supplémentaire i6), mise en œuvre après la routine i5) et consistant à calculer le nombre de dents du plateau en prise avec la chaîne ;

- pendant la routine supplémentaire, la valeur calculée du nombre de dents est comparée à des valeurs limites de plages de valeurs et, si la valeur calculée est dans une plage de valeurs donnée, la valeur calculée est ajustée sur une valeur prédéterminée du nombre de dents ;

- suite à l’ajustement de la valeur calculée sur la valeur prédéterminée du nombre de dents, le deuxième coefficient de proportionnalité est déterminé à nouveau et, de préférence, le troisième coefficient de proportionnalité est déterminé à nouveau ;

- pendant la routine i2), une différence de valeur de courant est appliquée sur la valeur du courant utilisée à l’étape a) de la routine i1) ;

- la différence de valeur de courant appliquée est positive ou négative.

- de la routine i2), la différence de valeur de courant est appliquée pendant une période prédéterminée de durée comprise entre 20 et 500 ms, de préférence entre 50 et 200ms, de préférence encore de l’ordre de 100 ms ;

- l’étape de détermination de la valeur du deuxième coefficient de proportionnalité est mise en œuvre après détection d’une variation brusque de la résultante longitudinale du couple total, d’une vitesse de rotation du moteur ou d’une vitesse de rotation du pédalier.

- le premier instant donné est choisi à un moment où le couple exercé par le cycliste varie peu, notamment lorsque les manivelles du pédalier sont dans ou à proximité de leur position verticale.

- l’axe prédéterminé et fixe selon lequel est calculée la valeur de la résultante longitudinale à l’étape c) est décalé angulairement, autour de l’axe de rotation (Z) du pédalier et par rapport à l’axe longitudinal du cadre, d’un angle de valeur non nulle.

Selon un autre aspect, l’invention concerne un vélo à assistance électrique comprenant un cadre, un pédalier et un moteur d’assistance montés sur ce cadre. Ce vélo est équipé d’une unité logique de commande programmée pour mettre en œuvre un procédé de commande tel que mentionné ci-dessus.

L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de deux procédés automatiques de commande en courant d’un moteur d’assistance au pédalage sur un vélo à assistance électrique, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en référence aux dessins, dans lesquels :

la figure 1 est une vue en perspective d’un pédalier d’un vélo à assistance électrique conforme à l’invention, lequel est partiellement représenté sur cette figure ;

la figure 2 est une coupe axiale du pédalier de la figure 1 ;

la figure 3 est un schéma cinématique du pédalier de la figure 1 ;

la figure 4 est un schéma blocs d’un procédé automatique, conforme à l’invention, de commande en courant du moteur d’assistance au pédalage du vélo à assistance électrique des figures 1 et 2;

la figure 5 est un schéma blocs détaillé de l’étape 150 de la figure 4 ;

la figure 6 est une représentation schématique des valeurs du nombre de dents des plateaux d’un pédalier du vélo de la figure 1 ; et

la figure 7 est un schéma blocs d’un deuxième procédé conforme à l’invention.

La figure 1 montre le pédalier 1 d’un vélo V à assistance électrique. Le pédalier 1 est fixé à un cadre 2 du vélo V. Le cadre 2 s’étend selon un axe X longitudinal qui définit la direction avant-arrière du vélo 2 lorsque celui-ci avance en ligne droite, cet axe X étant dirigé vers l’avant. Cet axe X est horizontal lorsque le vélo V roule sur un sol plan. Le cadre 2 s’étend également en hauteur selon un axe Y dirigé de bas en haut. Cet axe Y est vertical lorsque le vélo V roule sur un sol plan. Un axe Z définit avec les axes X et Y un repère orthogonal. Le cadre 2 comprend un boîtier 4 centré sur l’axe Z.

Le pédalier 1 comprend un arbre creux 6, deux manivelles 8 et 8’ et deux pédales 10. Il est monté sur le cadre 2 en engageant l’arbre 6 dans le boîtier 4.

Seuls un tube oblique 22 et un tube de selle 24 du cadre 2 sont visibles sur la figure 1.

Le vélo à assistance électrique V comprend également deux roues, non représentées sur les figures 1 et 2, connues en soi. La roue arrière est motrice, supportée par le cadre 2 et entraînée par une chaîne 18, dont les brins rectilignes sont sensiblement parallèles à l’axe X et s’étendent entre le pédalier 1 et un ou des pignons solidaires en rotation de la roue arrière du vélo V, également non représenté(s) sur les figures. La chaîne 18 est en prise avec un plateau denté 14, qui appartient au pédalier 1 et qui est solidaire en rotation de l’arbre 6, qui s’étend le long de l’axe Z. L’axe Z est donc un axe de rotation du pédalier 1.

En pratique, le pédalier 1 comprend deux plateaux 14, avec des nombres de dents différents, un seul de ces plateaux étant représenté sur les figures 1 à 3, pour la clarté du dessin. En variante, le pédalier 1 peut comprendre trois plateaux ou plus.

Les manivelles 8 et 8’ sont fixées sur l’arbre 6, s’étendant radialement à l’axe Z et se trouvent de part et d’autre du boîtier 4 et du cadre 2, le long de cet axe Z. Les pédales 10 sont fixées orthogonalement aux manivelles 8 et 8’, c’est-à-dire qu’elles sont parallèles à l’axe Z, en s’éloignant du cadre 2, par des moyens connus qui ne sont pas décrits en détail.

Le plateau 14 est situé sur le côté droit du boîtier 4, c’est-à-dire entre la manivelle de droite 8 et le boîtier 4, et est coaxial à l’arbre 6 sur lequel les manivelles 8 et 8’ sont fixées. Les pièces 6 et 14 sont centrées sur et tournent autour de l’axe Z.

La manivelle de droite 8 est solidaire de l’arbre 6 qui est, par exemple, fretté dans cette manivelle 8. La manivelle de gauche 8’ comprend un orifice débouchant 82, dans lequel l’arbre 6 est inséré et maintenu en place par un bouchon 62 vissé dans la deuxième extrémité de l’orifice 82.

Le boîtier 4 est intégré au cadre 2, par exemple soudé aux tubes 22 et 24.

Comme visible à la figure 2, le boîtier 4 est fermé, à son extrémité gauche, par un couvercle 42 qui est monté fixe sur le boîtier 4 et lié à l’arbre 6 au moyen d’un roulement à billes 44.

Le boîtier 4 est fermé, à son extrémité droite, c’est-à-dire du côté du plateau 14, par un capteur 16. Le capteur 16 est monté fixe sur le boîtier 4 et lié à l’arbre 6 au moyen d’un roulement à billes 45. Les roulements à billes 44 et 45 permettent à l’arbre 6 d’avoir un mouvement de rotation à l’intérieur du boîtier pour former une liaison pivot avec celui-ci.

Le boîtier 4 comprend un carter 46 à l’intérieur duquel se trouvent un moteur 12 et un réducteur 13. Le moteur 12 est un moteur d’assistance électrique du vélo V. Il sert à fournir un couple d’assistance C_mot, qui aide l’utilisateur lors du pédalage. Ce couple, comme tous les autres couples mentionnés ci-dessous, s’exprime en newtons mètres (Nm).

Le moteur 12 est, par exemple, un moteur électrique dont le couple mécanique C_motgénéré en sortie est proportionnel à un courant I_td’entrée comme, par exemple, un moteur à courant continu à balais, dont la commutation des phases est donnée par un collecteur à balais. Il peut également s’agir d’un moteur multi-phase sans contact, dont la commutation des phases est gérée par un contrôleur et dont la caractéristique de couple est proportionnelle à la consigne d’intensité appliquée à l’entrée du contrôleur. En pratique, un tel moteur est connu sous l’acronyme BLDC (de l’Anglais « brushless direct current »), est préféré.

Le moteur 12 génère un couple mécanique qui est amplifié par le réducteur 13. Ce couple est ensuite transféré du réducteur 13 à l’arbre 6 par l’intermédiaire d’un mécanisme de roue libre 64. Les éléments 12 et 13 forment, ensemble, un motoréducteur 15 d’assistance au pédalage sur le vélo V.

Le schéma cinématique de la figure 3 résume l’équilibre des forces qui s’exercent sur le pédalier 1. Le cycliste exerce sur la manivelle gauche 8’ un effort P_Leftet sur la manivelle droite 8 un effort P_right, tous deux dirigés vers le sol. Ces efforts sont transmis par les manivelles 8 et 8’ correspondantes à l’arbre 6, sur lequel ils exercent, ensemble, un couple de rotation C_cyclist, autour de l’axe Z, qui est la somme d’un couple C_Leftrésultant de l’effort P_Leftet d’un couple C_Right résultant de l’effort P_Right.

Le moteur d’assistance 12 exerce, par le biais du réducteur 13, le couple C_mot d’assistance sur l’axe 6. A la figure 3, le motoréducteur 15 est représenté dans son ensemble.

Sur cette figure 3, les résultantes de l’effort exercé par le cadre 2 sur l’arbre 6 sur les côtés gauche et droit du cadre 2 sont respectivement notées R_Leftet R_Right.

Chacun des efforts P et R mentionnés ci-dessus se décompose en une composante longitudinale et une composante verticale. La composante longitudinale est parallèle à l’axe X et identifiée avec la notation . La composante verticale est parallèle à l’axe Y et identifiée avec la notation .

Dans la suite, afin de simplifier la description, on considère que la résultante de chacun des efforts P_Rightet P_Leftest orientée principalement verticalement, de sorte qu’il est possible de négliger les composantes horizontales, orientées suivant l’axe X, P_RXet P_LX. Ainsi la composante longitudinale de l’effort radial R_Rightexercé par le roulement 45 sur l’arbre 6 du pédalier 1, se trouve principalement générée par l’effet de la tension T_chainde la chaîne 18.

Le capteur 16 est un capteur d’effort qui mesure une composante longitudinale R_RxTotal d’une résultante totale, selon l’axe X, c’est-à-dire, une résultante longitudinale selon cet axe, de l’effort radial engendré par l’action motrice, du cycliste et de l’assistance, du côté droit du pédalier, au niveau du roulement 45. Cette résultante est exprimée en newtons (N). Le capteur 16 est connu en soi. Il peut, par exemple, être du type de celui décrit dans US 8 117 923.

La somme du couple C_cyclistfourni par le cycliste et du couple d’assistance C_motfourni par le moteur 12 est un couple total C_Totalqui induit une rotation du plateau 14. La chaîne 18 étant en prise avec les dents du plateau 14, elle est tendue lorsque le plateau 14 tourne. La tension T_chainde la chaîne 18 est proportionnelle au couple C_Totalet inversement proportionnelle à un nombre de dents nombre de dents N_idu plateau 14. La résultante longitudinale R_RxTotal mesurée par le capteur varie de manière sensiblement proportionnelle à la tension T_chainde la chaîne 18. La résultante longitudinale totale R_RxTotal est la superposition de l’action du cycliste R_RxCyclist et de l’action de l’assistance R_Rxassist :

où R_Rxcyclist est une valeur de la résultante longitudinale engendrée par le couple C_cyclistfourni par le cycliste selon l’axe X et R_Rxassist est une valeur de la résultante longitudinale engendrée par le couple C_motd’assistance du vélo selon l’axe X.

La figure 4 présente un procédé d’asservissement du moteur 12, conforme à l’invention, permettant de générer le couple C_motd’assistance nécessaire au cycliste, en fonction du couple C_cyclistqu’il exerce sur l’arbre 6.

Ce procédé est mis en œuvre au moyen d’une unité logique de commande 30, qui est formée par une carte électronique équipée d’au moins un processeur et d’une mémoire dans laquelle sont stockées des instructions exécutables par le microprocesseur. En pratique, l’unité logique et électronique 30 se présente sous la forme d’une carte de circuit imprimée logée dans le boîtier 4 et qui supporte des composants électroniques, dont au moins le microprocesseur et une mémoire, programmés pour mettre en œuvre ce procédé.

En variante, l’unité logique électronique 30 peut être montée sur le vélo ailleurs que dans le boîtier 4, par exemple en tant que partie de la carte de gestion de la puissance de sortie de la batterie d’alimentation du moteur 12 ou dans l’interface du cycliste, qui peut être située au niveau du guidon.

Sur la figure 4, la référence C représente le cycliste, la référence 18 représente la chaîne et la référence 20 représente la roue arrière du vélo V. Les autres références commençant par 1 représentent des étapes du procédé de commande de l’invention.

Dans une première étape 100, à un instant t donné, un courant de commande continu de valeur I_tconnue est injecté dans le moteur 12 pour générer, au sein du moteur 12, un couple d’assistance proportionnel au courant I_tinjecté.

Ensuite, dans une étape 102, la valeur du couple C_motd’assistance à fournir est calculée. Cette valeur est proportionnelle au courant I_t, avec un premier coefficient de proportionnalité K₁, dénommé « constante du moteur » qui dépend de la structure du moteur 12 et de son réducteur 13 et qui est réputé connu. En pratique, ce coefficient K₁, qui peut être exprimé en newtons mètres par ampère (NmA^-1), est fourni par le fabriquant du motoréducteur 15.

Pour le calcul de l’étape 102, la relation suivante est appliquée :

Puis, dans une étape 104, une valeur de la résultante longitudinale R_Rxassist engendrée par le couple d’assistance C_motselon l’axe X est calculée. La valeur de R_Rxassist est proportionnelle au couple C_mot d’assistance et à un deuxième coefficient de proportionnalité K₂, qui peut être exprimé en m^-1. Le coefficient K₂est inversement proportionnel au nombre de dents N_idu plateau 14 en prise avec la chaîne 18.

Pour le calcul de l’étape 104, la relation suivante est appliquée :

Ensuite, dans une étape 106, le capteur 16 mesure la résultante longitudinale R_RxTotal du couple total C_{T otal}.

Puis, dans une étape 108, une valeur d’une résultante longitudinale R_RxCyclist, selon l’axe X, du couple C_cyclistexercé par le cycliste, est déduite en soustrayant à la valeur de la résultante longitudinale R_RxTotal mesurée la valeur de la résultante longitudinale R_Rxassist calculée à l’étape 104.

Pour le calcul de l’étape 108, la relation suivante est appliquée :

Ainsi, la composante longitudinale, c’est-à-dire parallèle à l’axe X, de l’effort exercé par le cycliste est connue et le couple d’assistance nécessaire peut en être déduit.

Dans une étape 110, une valeur moyenne du couple C_cyclistexercé par le cycliste sur un tour de manivelles 8 et 8’ est calculée.

L’étape 110 est découpée en plusieurs sous-étapes. Tout d’abord, dans une sous-étape 112, une valeur minimum R_Rxmin de résultante selon l’axe X exercée par le cycliste est déterminée, en fonction d’un angle β de la manivelle 8 ou 8’ par rapport à l’axe Y. Cette valeur minimum est déterminée à un instant t pour un nombre n d’angles β différents, avec n un nombre entier strictement supérieur à 2. En pratique, la valeur de n est choisie supérieur à 8, de préférence de l’ordre de 60.

Ensuite, dans une sous-étape 114, une valeur différentielle ΔR_Rxentre la valeur de la résultante longitudinale R_RxCyclist et la valeur minimum R_Rxmin de la résultante longitudinale exercée par le cycliste est calculée. Cette mesure différentielle permet de s’affranchir des décalages de mesures pouvant être liées aux variations de température et à la calibration du capteur 16. Cette mesure différentielle permet également d’éviter une assistance intempestive, potentiellement dangereuse pour l’utilisateur, dans le cas où le capteur 16 détecterait un signal représentatif du couple anormalement constant pouvant être dû par exemple à un frottement mécanique ou à un défaut de connexion électrique pouvant faire saturer le capteur.

Dans une sous-étape 116, le microprocesseur calcule une valeur moyenne des variations de la valeur de la résultante longitudinale R_RxCyclist sur ce tour, grâce à la formule ci-dessous :

Dans cette formule, i est un entier inférieur à n et la valeur moyenne est calculée en prenant en compte la différence ΔR_Rxà n angles différents.

Le fait de calculer une valeur moyenne pour un tour pour la valeur de la différence de valeurs permet de lisser cette valeur sur un tour.

Enfin, dans une sous-étape 118, la valeur moyenne est multipliée par un troisième coefficient de proportionnalité K₃, qui est exprimé en mètres et qui dépend du nombre de dents N_idu plateau 14. En pratique, ce coefficient K₃augmente avec le nombre de dents N_idu plateau 14. Ceci permet de connaître la valeur moyenne du couple C_cyclistexercé par le cycliste en utilisant la relation suivante :

Une fois l’étape 110 effectuée, le couple d’assistance C_mot à générer à l’instant t+ε suivant l’instant t est calculé, dans une étape 120, en appliquant à la valeur moyenne du couple C_cyclistexercé par le cycliste un quatrième coefficient de proportionnalité K₄, sans unité, qui dépend du mode d’assistance sélectionné par l’utilisateur. Le mode d’assistance fait varier la proportion du couple du cycliste C_cyclistqui va être fournie par le moteur 12.

Ce mode d’assistance varie généralement entre un mode n°1 (peu d’assistance, essentiellement pour compenser le poids du vélo V) et un mode n°4 (assistance maximale, pour aider le plus possible le cycliste). Par exemple, le mode d’assistance n°1 peut correspondre à un coefficient K₄égal à 0,2. Ainsi, le couple C_mot fourni par le moteur 12 correspond à 20% du couple C_cyclistfourni par le cycliste. Le mode d’assistance n°2 peut, par exemple, correspondre à un coefficient K₄égal à 0,5. Ainsi, le couple C_mot fourni par le moteur 12 correspond à 50% du couple C_cyclistfourni par le cycliste. Le mode d’assistance n°3 peut, par exemple, correspondre à un coefficient K₄égal à 1. Ainsi, le couple C_mot fourni par le moteur 12 correspond à 100% du couple C_cyclistfourni par le cycliste. Le mode d’assistance n°4 peut, par exemple, correspondre à un coefficient K₄égal à 2. Ainsi, le couple C_mot fourni par le moteur 12 correspond à 200% du couple C_cyclistfourni par le cycliste.

Ainsi, le couple C_motd’assistance fourni par le moteur est proportionnel à la valeur moyenne du couple C_cyclistexercé par le cycliste, avec le coefficient K₄comme coefficient de proportionnalité. Cette proportionnalité demeure tant qu’un couple maximal du motoréducteur 15 n’est pas encore atteint. Ensuite, le couple sature à sa valeur maximale.

Ensuite, dans une étape 122, le courant I_t+εà injecter à l’instant t+ε est déduit en divisant le couple C_motà injecter, calculé à l’étape 120, par la constante K₁ du moteur 12.

Si aucun changement de plateau 14 n’a été détecté, le courant I_t+εest injecté dans le moteur 12, comme représenté par la flèche en pointillés 300 sur la droite de la figure 4 et la boucle d’asservissement reprend à l’étape 100.

A tout moment, le procédé de la figure 4 peut être interrompu par une étape 160 au cours de laquelle la valeur du courant I est mise à zéro, notamment pour des raisons de sécurité.

Si un changement de plateau 14 a été détecté, par exemple si une variation brutale du couple C_Totalest détectée par le capteur 16, avant de retourner à l’étape 100, une étape 150 de détermination automatique du nombre de dents du plateau 14 avec lequel la chaîne 18 est en prise, est effectuée. Pour ce faire, la valeur du deuxième coefficient de proportionnalité K₂doit être déterminée. Des routines mises en œuvre lors de cette étape 150, dans le premier mode de réalisation de l’invention, sont détaillées à la figure 5.

Dans un premier temps, dans une routine 200, les étapes 100, 102 et 104 sont mises en œuvre à un premier instant donné t₁avec une première intensité I(t₁) injectée dans le moteur 12. Cette première intensité I(t₁) est égale à l’intensité I_t+εcalculée à l’étape 122 précédente.

Ensuite, dans une routine 202, une nouvelle valeur de courant I(t₂), à injecter à un instant donné t₂postérieur à l’instant t₁, est calculée en ajoutant à la valeur I(t₁) une différence de courant ΔI, positive ou négative, de manière à ce que la courbe de courant par rapport au temps forme un échelon et à ce que l’intensité du courant fourni au moteur 12 et le couple C_motfourni par ce moteur varient brusquement.

En pratique, l’instant t₂suit immédiatement l’instant t₁, avec une différence temporelle entre eux inférieure à 500 ms, de préférence à 10 ms.

La valeur de la différence de courant ΔI doit être suffisante pour induire une variation significative de la valeur du couple C_motfourni par le moteur 12, mais pas trop élevée pour ne pas être détectée par l’utilisateur. Par exemple, la différence de courant ΔI est comprise entre 1 et 5 A, de préférence égale à 3 A.

Puis, dans une routine 204, effectuée à l’instant donné t₂, les étapes 100, 102 et 104 sont de nouveau mises en œuvre, cette fois avec la nouvelle valeur de courant I(t₂).

Ainsi, dans le cas où la différence de courant ΔI est positive, la valeur C_mot(t₂) du couple moteur à l’instant t₂est supérieure à la valeur C_mot(t₁) du couple moteur à l’instant t₁.

De la même manière, dans le cas où la différence de courant ΔI est négative, la valeur C_mot(t₂) est inférieure à la valeur C_mot(t₁).

Les valeurs des résultantes longitudinales R_Rxassist1 et R_Rxassist2 des couples C_mot(t₁) et C_mot(t₂) sur l’axe X étant connues par les étapes 104 mises en œuvre dans les routines 200 et 204, il est aisé de calculer, dans une routine 206, leur différence ΔR_Rxassist qui suit la relation suivante :

Ensuite, dans une routine 208, la valeur du deuxième coefficient de proportionnalité K₂est déduite de la relation précédente, puisque c’est la seule inconnue de la relation.

Le nombre de dents N_ide chaque plateau 14 en prise avec la chaîne 18 dépend du coefficient K₂, il peut donc être calculé, dans une routine 210 optionnelle, à partir de la valeur de K₂déterminée à l’étape 208. La valeur calculée du nombre de dents est notée N_C.

Le nombre exact de dents N_ide chaque plateau 14 est fixé et dépend du diamètre primitif dudit plateau.

La valeur de N_Ccalculée à l’étape 210 est une valeur approximative. Afin d’avoir un asservissement le plus précis possible, il est donc préférable de rectifier ce nombre de dents N_Cen l’approximant par exemple à l’entier le plus proche, puisque le nombre de dents N_iest forcément entier.

Pour ce faire, l’unité logique électronique 30 recueille les données collectées par le capteur 16.

Les diamètres de plateaux 14 possibles étant en nombre limité, le système de contrôle dispose d’une table dans laquelle sont stockées les différentes valeurs possibles de N_i prédéterminées, ainsi que, pour chacune d’entre elles, des valeurs limites de plages de valeurs, dont une valeur minimale N_iminet une valeur maximale N_imaxformant un intervalle de valeurs centré sur la valeur N_i. La valeur calculée N_Cest comparée aux valeurs stockées dans la table. Ensuite, si elle est dans l’une des plages de valeurs, cette valeur calculée N_Cest ajustée pour être rendue égale à la valeur N_ila plus proche pour laquelle elle entre dans l’intervalle. Ceci intervient dans le cadre d’une routine finale 212 de l’étape 150.

Dans l’exemple représenté à la figure 6, le pédalier comprend deux plateaux, ce qui est un cas classique, et deux valeurs de nombre de dents N_isont possibles, à savoir N₁= 36 et N₂= 50. On considère deux gammes possibles G1 et G2 de valeurs calculées N_Cpouvant correspondre à ces nombres de dents. La première gamme G1 est comprise entre N_1min= 32 et N_1max= 40 et la deuxième gamme G2 est comprise entre N_2min= 46 et N_2max= 54.

Si la valeur N_Ccalculée est dans l’une des gammes G1 et G2, alors cette valeur est automatiquement recentrée, dans la routine 212, sur la valeur de centre N₁ou N₂de cette gamme, à savoir 36 ou 50 dents selon le cas. Dans ce cas, la valeur N₁ou N₂est injectée comme un paramètre d’entrée du procédé de la figure 4, comme représenté par la flèche 302 sur cette figure.

Dans le cas contraire, le calcul de détermination de nombre de dents est considéré comme infructueux et l’étape 150 est relancée

Il est à noter que les gammes G1 et G2 des différentes valeurs N_ine se chevauchent pas, c’est-à-dire que pour un premier nombre de dents N₁et un second nombre de dents N₂, supérieur à N₁, N_1maxest toujours strictement inférieur à N_2min.

Suite à l’ajustement de la valeur calculée N_Cdu nombre de dents sur l’une des valeurs prédéterminées N_idu nombre de dents, le deuxième coefficient de proportionnalité K₂et, de préférence, le troisième coefficient de proportionnalité K₃, sont recalculés ou déterminés à partir d’un tableau stocké dans la mémoire de l’unité logique 30.

Une fois ce calcul ou cette détermination fait, la valeur du courant injecté retourne à la valeur qu’il avait avant l’étape 150, c’est-à-dire à I_t+ε.

Il est à noter que la durée pendant laquelle la différence de courant ΔI est affectée à I(t₁) est courte, de sorte que le cycliste ne sente pas la variation de couple C_motfourni par le moteur. Ainsi, la durée d’application de la différence de courant ΔI est comprise entre 20 et 500 ms, de préférence entre 50 et 200ms, de préférence encore de l’ordre de 100 ms.

De plus, pour le confort du cycliste et sa sécurité, il est préférable que la mesure soit faite lorsque l’une des pédales 10 est au point-mort haut et l’autre est au point-mort bas, de sorte que le couple C_cyclistexercé par le cycliste est quasiment constant et proche de son minimum, c’est-à-dire qu’il est préférable de choisir le premier instant donné t₁lorsque le couple exercé par le cycliste varie peu, notamment quand les manivelles 8 et 8’ sont dans, ou à proximité, de leur position verticale orthogonale aux axes X et Z.

Les étapes 100 à 150 et les routines 200 à 212 sont effectuées de façon automatique par l’unité logique 30, sans intervention du cycliste.

En pratique, comme envisagé ci-dessus, l’étape 150 peut être mise en œuvre à chaque détection de changement de plateau 14. La détection du changement de plateau 14 est effectuée en détectant une variation brusque de la valeur de la résultante longitudinale R_RxTotal, une variation brusque de la vitesse du moteur 12 ou une variation brusque de la vitesse du pédalier 1, par exemple lorsque cette variation est égale ou supérieure à 30%.

La figure 7 détaille des routines mises en œuvre lors de l’étape 150 d’un deuxième mode de réalisation de l’invention.

Dans un premier temps, les routines 200, 202 et 204 sont mises en œuvre de la même manière que dans le premier mode de réalisation.

Ensuite, dans une routine supplémentaire 205 effectuée à un troisième instant donné t₃, les étapes 100, 102 et 104 sont mises en œuvre avec une intensité I(t₃), qui est égale à l’intensité I_t+ε, calculée à l’étape 122.

L’instant t₃est postérieur à l’application de la différence de courant ΔI, donc à l’étape 202. En pratique, l’instant t₃suit rapidement l’instant t₂, avec une différence temporelle entre eux inférieure à 1 seconde, de préférence inférieure à 500 ms, de préférence encore de l’ordre de 20 ms.

Puis, dans une nouvelle étape 207, une moyenne de la valeur de la résultante longitudinale R_Rxassist1 du couple d’assistance C_motobtenue dans la routine 200 et de la valeur de la résultante longitudinale R_Rxassist3 du couple d’assistance C_motobtenue dans la routine 205 est calculée :

Ensuite, dans l’étape 206, une différence ΔR_Rxassist entre la moyenne et la valeur de la résultante longitudinale R_Rxassist2 du couple d’assistance C_motcalculée dans la routine 204 est déterminée avec la relation suivante :

Enfin, les routines 208 à 212 sont mises en œuvre de la même manière que dans le premier mode de réalisation.

Les variantes mentionnées ci-dessous s’appliquent aux deux mode de réalisation.

En variante, la détermination automatique du nombre de dents N_ipeut être faite à chaque itération du procédé d’asservissement du moteur 12.

En variante, le calcul de la valeur moyenne du couple exercé par le cycliste C_cyclistpeut être calculé sur une fraction de tour, notamment sur une moitié de tour, sur plusieurs demi-tours ou sur plusieurs tours de manivelles 8 et 8’.

En variante, l’axe selon lequel on considère la composante longitudinale de mesure peut être avantageusement décalé angulairement par rapport à l’axe X, d’un angle φ non nul, de préférence compris entre 15° et 20°, autour de l’axe Z. Ceci est représenté par les axes X’ et Y’ à la figure 3 et améliore la précision de détection du capteur 16 en prenant notamment en compte l’effet des composantes longitudinales P_RXet P_LX, qui a été négligé par souci de simplification au début de cette description.

En variante, l’étape 150 ne comprend pas les routines 210 et 212 et le coefficient calculé à la routine 208 est directement utilisé à l’étape 104. La valeur du coefficient K₃peut alors être ajustée en fonction de celle du coefficient K₂.

En variante, le réducteur 13 peut être omis.

En variante, le capteur 16 peut être positionné à gauche du cadre 2, au niveau du roulement à billes 44. Dans ce cas, les calculs présentés ci-dessus sont faits en ne considérant dans le couple C_cyclistexercé par le cycliste uniquement le couple C_Leftexercé en appuyant sur la pédale 10 de gauche.

Dans une autre variante, un premier capteur 16 est positionné à gauche du cadre 2, au niveau du roulement 44 et un second capteur 16 est positionné à droite du cadre 2, au niveau du roulement à billes 45. Dans ce cas, les calculs présentés ci-dessus sont faits en considérant dans le couple C_cyclistla somme du couple C_Right, exercé par le cycliste en appuyant sur la pédale 10 de droite, et du couple C_Left, exercé par le cycliste en appuyant sur la pédale 10 de gauche.

Les modes de réalisation et les variantes mentionnés ci-dessus peuvent être combinés entre eux pour générer de nouveaux modes de réalisation de l’invention.

Claims (13)

1. Procédé automatique de commande en courant d’un moteur d’assistance au pédalage sur un vélo (V) à assistance électrique équipé d’un capteur (16) mesurant une résultante d’effort (R_RxTotal) au niveau de son pédalier (1), ce procédé comprenant au moins les étapes suivantes consistant à :
   a) injecter (100), à un instant (t) donné, un courant de commande continu (I_t), de valeur connue, dans le moteur pour générer, au sein du moteur, un couple (C_mot) d’assistance proportionnel au courant injecté ;
   b) calculer (102) la valeur du couple d’assistance généré (C_mot) par le moteur en appliquant à la valeur connue du courant un premier coefficient de proportionnalité (K₁) connu de la structure du moteur ;
   caractérisé en ce que le procédé comprend, en outre, au moins les étapes suivantes consistant à :
   c) calculer (104) une valeur de la résultante longitudinale (R_RXassist) du couple d’assistance, selon un axe (X ; X’) prédéterminé et fixe par rapport au cadre du vélo, en appliquant un second coefficient de proportionnalité (K₂) à la valeur du couple calculée à l’étape b), ce second coefficient dépendant du nombre de dents (N_i) du plateau (14) du pédalier en prise avec la chaîne du vélo ;
   d) mesurer (106), à l’aide du capteur, une valeur de la résultante longitudinale (R_RxTotal), selon l’axe prédéterminé (X ; X’), du couple total (C_Total) exercé sur un arbre (6) du pédalier et résultant du couple exercé par le cycliste (C_cyclist) et du couple d’assistance généré dans le moteur ;
   e) calculer (108) une valeur de la résultante longitudinale, selon l’axe prédéterminé (X ; X’), du couple exercé par le cycliste, en tant que différence entre la valeur mesurée à l’étape d) et la valeur calculée à l’étape c) ;
   f) calculer (110) une valeur moyenne du couple exercé par le cycliste sur au moins une fraction de tour de manivelle (8, 8’) en appliquant un troisième coefficient de proportionnalité (K₃), qui dépend du nombre de dents du plateau en prise avec la chaîne, sur la moyenne des variations de la valeur de la résultante longitudinale du couple exercé par le cycliste sur cette fraction de tour ;
   g) calculer (120) la valeur du couple d’assistance à générer dans le moteur en appliquant à la valeur moyenne calculée à l’étape f) un quatrième coefficient de proportionnalité (K₄) sélectionné en fonction du mode d’assistance prévu pour le vélo ;
   h) déduire (122) de la valeur du couple d’assistance calculée à l’étape g) la valeur du courant à injecter dans le moteur à un instant suivant (t+ε)
   i) déterminer (150) la valeur du deuxième coefficient de proportionnalité (K₂), en fonction du nombre de dents (N_i) du plateau en prise en avec la chaîne, en mettant en œuvre au moins les routines suivantes consistant à :
   i1) mettre en œuvre (200) les étapes a) à c) à premier un instant donné (t₁) ;
   i2) à un deuxième instant donné (t₂) faire varier subitement (202) la valeur du courant injecté à l’étape a) ;
   i3) mettre à nouveau en œuvre (204) les étapes a) à c) au deuxième instant donné (t₂) ;
   i4) calculer (206) la différence (ΔR_Rxassist) entre des valeurs de la résultante longitudinale (R_RXassist) du couple d’assistance obtenues à partir des routines i1) et i3) ;
   i5) calculer (208) une valeur du deuxième coefficient de proportionnalité (K₂) à partir de la différence calculée dans la routine i4).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de la routine i4), les valeurs de la résultante longitudinale (R_Rxassist) du couple d’assistance (C_mot) utilisées pour calculer la différence (ΔR_Rxassist) sont celles respectivement obtenues dans les routines i1) (200) et i3) (204).
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de l’étape i4), les valeurs de la résultante longitudinale (R_Rxassist) du couple d’assistance (C_mot) utilisées pour calculer la différence (ΔR_Rxassist ) sont, d’une part, la moyenne entre une valeur de la résultante longitudinale (R_Rxassist1) du couple d’assistance (C_mot) obtenue dans la routine i1) (200) et une autre valeur de la résultante longitudinale (R_Rxassist3) obtenue dans une autre routine (205) incluant les étapes a) (100) à c) (104) et mise en œuvre à un troisième instant donné (t₃) postérieur à la variation (ΔI) du courant injecté à l’étape a) et, d’autre part, la valeur de la résultante longitudinale (R_Rxassist2) du couple d’assistance obtenue dans la routine i3) (204).
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape (150) de détermination de la valeur du deuxième coefficient (K2) comprend une routine supplémentaire (210), mise en œuvre après la routine i5) (208) et consistant à :
   i6) calculer le nombre de dents (N_C) du plateau (14) en prise avec la chaîne (18).
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que, pendant la routine supplémentaire (210), la valeur calculée (N_C) du nombre de dents est comparée à des valeurs limites (N_imin, N_imax) de plages de valeurs (G₁, G₂) et, si la valeur calculée est dans une plage de valeurs donnée, la valeur calculée est ajustée sur une valeur prédéterminée (N_i) du nombre de dents.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, suite à l’ajustement de la valeur calculée (N_C) sur la valeur prédéterminée (N_i) du nombre de dents, le deuxième coefficient de proportionnalité (K₂) est déterminé à nouveau et, de préférence, le troisième coefficient de proportionnalité (K₃) est déterminé à nouveau.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que pendant la routine i2), une différence (ΔI) de valeur de courant est appliquée sur la valeur du courant (I_t) utilisée à l’étape a) de la routine i1).
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la différence de valeur (ΔI) de courant appliquée est positive ou négative.
9. Procédé selon l’une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que, lors de la routine i2) (202), la différence de valeur (ΔI) de courant est appliquée pendant une période prédéterminée de durée comprise entre 20 et 500 ms, de préférence entre 50 et 200ms, de préférence encore de l’ordre de 100 ms.
10. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape (150) de détermination de la valeur du deuxième coefficient de proportionnalité (K₂) est mise en œuvre après détection d’une variation brusque de la résultante longitudinale (R_RxTotal) du couple total (C_Total), d’une vitesse de rotation du moteur (12) ou d’une vitesse de rotation du pédalier (1).
11. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier instant donné (t₁) est choisi à un moment où le couple (C_cyclist) exercé par le cycliste varie peu, notamment lorsque les manivelles (8, 8’) du pédalier (1) sont dans ou à proximité de leur position verticale.
12. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’axe (X’) prédéterminé et fixe selon lequel est calculée la valeur de la résultante longitudinale (R_Rxassist) à l’étape c) (104) est décalé angulairement, autour de l’axe de rotation (Z) du pédalier (1) et par rapport à l’axe (X) du cadre (2), d’un angle (φ) de valeur non nulle.
13. Vélo à assistance électrique comprenant un cadre (2), un pédalier (1) et un moteur d’assistance (12) montés sur ce cadre (2), caractérisé en ce qu’il est équipé d’une unité logique de commande (30) programmée pour mettre en œuvre un procédé de commande selon l’une des revendications précédentes.