ITAN20130222A1 - Bicicletta a pedalata assistita. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“BICICLETTA A PEDALATA ASSISTITA”.

La presente domanda di brevetto per invenzione industriale ha per oggetto una bicicletta a pedalata assistita.

La bicicletta a pedalata assistita è, per definizione, un veicolo a due ruote la cui propulsione è composta sia dalla forza impressa sui pedali dal ciclista che da quella di un motore elettrico ausiliario, posto su una delle due ruote o collegato alla catena.

L’attuale normativa in vigore prevede la seguente definizione:“bicicletta a pedalata assistita: dotata di un motore ausiliario elettrico avente potenza nominale continua massima di 0,25 kW, la cui alimentazione è progressivamente ridotta e infine interrotta quando il veicolo raggiunge i 25 km/h o prima se il ciclista smette di pedalare“

Dalla normativa si evince che il ciclista è tenuto a pedalare in avanti (come richiesto specificatamente da un punto della normativa) affinché il motore resti in azione, ma non c’è alcun riferimento al fatto che il ciclista debba esercitare un’effettiva coppia meccanica sui pedali. Questa considerazione porta a concludere che effettivamente l’energia necessaria al moto sia di fatto richiesta completamente al motore e perciò alla batteria del motore elettrico, mentre il ciclista è tenuto soltanto a far ruotare i pedali “a vuoto”, al limite senza aggiungere nulla al contributo dato dal motore. Si osserva che comunque esistono nel mercato biciclette a pedalata assistita che tengono effettivamente conto della propulsione esercitata dal ciclista, tuttavia il sistema di controllo di codeste biciclette rileva la coppia esercitata dal ciclista tramite tecniche note sfruttando trasduttori di coppia tradizionali.

Conseguentemente, le biciclette a pedalata assistita non prevedono alcun controllo del motore che garantisca un bilanciamento tra la coppia del motore e la pedalata del ciclista, se non appunto tramite la tecnica nota (attraverso trasduttore) che, pur assolvendo bene al compito, contribuisce ad introdurre nel sistema costi importanti e presumibilmente maggiore criticità e manutenzione nel tempo.

Scopo della presente invenzione è di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota, fornendo una bicicletta a pedalata assistita che sia in grado di bilanciare la coppia del motore e la pedalata del ciclista.

Altro scopo della presente invenzione è di fornire una tale bicicletta a pedalata assistita che sia versatile, efficiente e poco pesante e ingombrante.

Questi scopi sono raggiunti in accordo all’invenzione, con le caratteristiche elencate nell’annessa rivendicazione indipendente 1.

Realizzazioni vantaggiose appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.

Una soluzione ovvia per risolvere il problema tecnico della presente invenzione (cioè bilanciare, o equalizzare, la propulsione muscolare del ciclista e quella elettrica del motore) è quella di utilizzare un dispositivo elettromeccanico che rileva la coppia meccanica impressa sui pedali dal ciclista. Questo dispositivo, comunemente detto trasduttore di coppia, permetterebbe appunto di rilevare la coppia sui pedali e, di conseguenza, stabilire quanta potenza dare al motore. Tuttavia, bisogna considerare che il trasduttore di coppia è ingombrante, pesante e costoso; pertanto esso non è adatto ad essere utilizzato in una bicicletta servoassistita. Pertanto tale soluzione comporterebbe conseguenti problemi di costi, difficoltà produttive e di assistenza.

La bicicletta a pedalata assistita secondo l’invenzione prevede una scheda elettronica sulla quale è montato un elaboratore che gestisce un algoritmo di controllo del motore. Tale algoritmo tende a bilanciare, seppur in maniera approssimata e con lunghe costanti di tempo, le due forze (del ciclista e del motore), per cui il ciclista non può pedalare “a vuoto”, bensì deve imprimere una modesta forza sui pedali. Tale algoritmo fa sì che il motore risponda con un’ulteriore forza proporzionale a quella del ciclista.

Si evita in questo modo di introdurre il trasduttore di coppia. Il processore prende come variabili di ingresso dell’algoritmo tutte le grandezze di cui dispone, come tensione e corrente del motore (e batteria), velocità bici, velocità rotazione pedali e ovviamente il tempo. Come risultato in uscita determina la potenza da conferire al motore. L’algoritmo, sottoposto successivamente a prove sperimentali anche su strada, è stato in primo luogo intuito e simulato matematicamente e con strumenti di laboratorio. In sintesi, il suo principio di funzionamento è basato sull’analisi costante dell’andamento nel tempo delle varie grandezze in ingresso, la loro correlazione, e la conseguente determinazione del risultato in uscita, ovvero la potenza applicata al motore.

L’algoritmo di controllo è stato integrato in un processore, preferibilmente un processore di segnale digitale DSP che tra l’altro si interfaccia, tramite un protocollo proprietario, ad altre schede elettroniche al fine di rilevare e/o controllare variabili come la velocità della bici, la velocità e la direzione di rotazione dei pedali, cruscotto intelligente con display grafico, alpha-dial e chiave transponder, accensione luci anteriore e posteriore (realizzate con LED ad alta efficienza) e altro.

Inoltre sono stati adottati diversi criteri al fine di ridurre le perdite nel sistema, curando alcuni aspetti:

• Riduzione delle lunghezze e sovra-dimensionamento di tutti i conduttori, sia dei cablaggi che dell’elettronica di potenza. Questo permette di trasportare il massimo dell’energia fra le varie parti, batteria, scheda elettronica controllore e motore, avendo perdite molto basse per effetto joule e conseguente miglioramento del rendimento

• Utilizzo di luci basate su tecnologia LED ad altissima efficienza, per le luci anteriore e posteriore. I LED utilizzati garantiscono oltre 100 lm/W, il che significa una flusso luminoso circa 10 volte superiore di quello di una normale lampada ad incandescenza a parità di energia consumata. La conseguenza è una migliore illuminazione ed un minor consumo energetico

Questi ultimi aspetti evidenziati, uniti alla ripartizione dell’energia fra motore e ciclista, portano ad un risultato complessivo di notevole riscontro da un punto di vista energetico, oltre agli altri aspetti evidenziati.

Se in prima analisi può risultare naturale non apprezzare questo metodo di controllo (che richiede un minimo sforzo del ciclista), riflettendo si deducono facilmente i seguenti aspetti positivi:

• Diretto impatto sulla salute del ciclista, che si trova a svolgere un’attività fisica molto leggera, ma comunque presente ed oggettivamente positiva

• Maggiore distanza percorsa con una ricarica completa della batteria, diretta conseguenza della ripartizione dell’energia fra motore(batteria) e ciclista.

• Maggiore rispetto per l’ambiente, in quanto come ben noto l’energia accumulata nella batteria proviene comunque da qualche fonte, spesso non rispettosa dell’ambiente

• Minore stress delle parti meccaniche ed elettriche. Il cuore del sistema è una scheda elettronica di potenza, alimentata da batteria con tensioni in ampio range, la quale controlla un motore elettrico, preferibilmente un motore brushless trifase (BLDC) con potenza massima di 250 W (come previsto dalla normativa).

Il cuore dell’invenzione è rappresentato dal fatto che si ottiene un’equalizzazione delle coppie esercitate dal motore e dal ciclista senza sfruttare tecniche note, quali trasduttori e simili.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione appariranno più chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita a una sua forma di realizzazione puramente esemplificativa e quindi non limitativa, illustrata nei disegni annessi, in cui:

la Fig. 1 è un grafico illustrante l’andamento nel tempo di una funzione sinusoidale relativa alla posizione angolare della pedivella sinistra (SX) e destra (DX);

la Fig. 2 è una vista schematica illustrante due posizioni di una pedivella, a 0° e a 90° che danno rispettivamente una coppia minima e una coppia massima;

la Fig. 3 è un grafico illustrante l’andamento nel tempo della coppia delle pedivelle destra e sinistra;

la Fig. 4 è un grafico illustrante la coppia risultante dalla somma delle due coppie di Fig. 3;

la Fig. 5 è un grafico illustrante l’andamento nel tempo della coppia del motore;

la Fig. 6 è una vista come Fig. 5, nella condizione in cui il ciclista contribuisce maggiormente alla coppia totale rispetto al motore;

la Fig. 7 è un grafico illustrante l’andamento nel tempo della corrente fornita dalla batteria (assorbita dal motore), nel caso di bilanciamento tra copia delle pedivelle e coppia del motore;

la Fig. 8 è una vista come Fig. 7, nel caso in cui il ciclista sta contribuendo alla coppia totale in maniera maggiore rispetto ad un target preimpostato;

la Fig. 9 è una vista come Fig. 8, nel caso in cui il ciclista sta contribuendo alla coppia totale in maniera minore rispetto ad un target preimpostato;

la Fig. 10 è uno schema a blocchi, illustrante schematicamente un controllore del motore della bicicletta a pedalata assistita secondo l’invenzione;

la Fig. 11 è uno schema a blocchi illustrante l’algoritmo implementato nel controllore di Fig. 1; e

la Fig. 12 è un grafico illustrante l’andamento della corrente assorbita dal motore in funzione del tempo nel caso di prove sperimentali.

Per ora con riferimento alle Figg. da 1 a 9 sono esposti gli studi effettuati per mettere a punto un algoritmo per il controllo del motore elettrico della bicicletta a pedalata assistita secondo l’invenzione.

Le grandezze fisiche analizzate dall’algoritmo sono: Tensione; Corrente e Tempo.

Come è noto, la coppia di un motore elettrico è proporzionale alla corrente assorbita dal motore.

C = K * I

Dove:

C= Coppia; K= Costante; I= Corrente

Prendendo come punto di riferimento il mozzo della ruota a cui è applicato il motore, si possono definire le seguenti grandezze:

- Coppia Agente: determinata dal solo contributo del motore oppure dalla sommatoria della coppia del motore con la coppia esercitata dal ciclista che agisce sui pedali ottenendo una Coppia Agente Totale (CAT).

- Coppia Resistente: questa è una grandezza che cambia notevolmente e dinamicamente in base alle condizioni di massa/accelerazione e altri fattori come gli attriti interni (cuscinetti e simili) ed attriti esterni (pneumatici, aria, ecc.). Il contributo di tutte queste forze ugualmente si applica, attraverso gli organi di trasmissione, nel punto di riferimento, ovvero nel mozzo della ruota. Queste forze resistenti sommate contribuiscono alla Coppia Resistente Totale (CRT).

In una condizione di equilibrio, in un certo istante a velocità costante, si ha che la coppia agente totale equivale alla coppia resistente totale:

CAT = CRT

Tale istante non viene ritenuto infinitesimo, bensì discreto e con un tempo T pari al periodo di una semi-pedalata, ovvero rotazione di 180° della pedivella. Il periodo T è chiaramente molto variabile, potendo essere compreso (ragionevolmente) tra 250 ms con 120 rpm (giri al minuto della pedivella) e 2 s con 15 rpm.

Il grafico di Fig. 1 mostra l’andamento nel tempo di una funzione sin(x) relativa alla posizione angolare delle due pedivelle, sinistra (SX) e destra (DX). Con riferimento a Fig. 2, si considera che l’angolo 0° coincida con la posizione della pedivella in alto disposta su una retta ortogonale al terreno, quindi l’angolo di 90° coincida con la pedivella verso l’avanti, disposta su una retta parallela al terreno.

Per un ciclista che sta pedalando in una normale bicicletta, senza motore, si ritiene che la coppia esercitata dal ciclista riproduce una sinusoide. Si suppone che la coppia massima sia nel momento in cui la pedivella è a 90°, nonostante nella pratica questo punto di massima coppia si possa trovare ad un angolo inferiore, in base a diversi fattori, tra cui la posizione del ciclista.

Pertanto le coppie esercitate dal ciclista sulle due pedivelle avranno un andamento come illustrato in Fig. 3. Quando tramite la pedivella sinistra (SX) si esercita la massima coppia, tramite la pedivella destra (DX) si esercita una leggera coppia opposta e vice versa. In pratica succede che quando una gamba spinge, l’altra è semplicemente riportata verso l’alto sotto la spinta esercitata dalla gamba opposta. Ad ogni modo, la risultante analizzata nel semi-periodo T/2 è una coppia pulsante del tipo rappresentato in Fig. 4. Quanto detto ovviamente è da considerarsi pienamente valido se il piede non è fissato al pedale, per cui non c’è contributo positivo dato dalla pedivella che si trova nella fase passiva.

In pratica la coppia totale viene data nel tempo con contributo alternato dalla pedivella SX e dalla pedivella DX. Dal grafico di Fig. 4 si possono individuare alcuni valori caratteristici: un valore di minima coppia, un valore di massima coppia, e un valore medio.

Se in un determinato periodo si applica una tensione costante al motore e si ha un determinato carico dinamico (CR-Coppia Resistente), il motore darà un contributo costante in termini di coppia agente CA e di conseguenza avrà un assorbimento costante di corrente I (dato che C=K*I).

Lasciando invariate sia la tensione di alimentazione del motore che il carico dinamico, si suppone che il ciclista inizi a spingere sui pedali, introducendo ulteriore coppia nel mozzo della ruota. In questa nuova condizione si ha certamente un aumento di velocità (supponendo che si porti ad un valore costante) e la Coppia Agente Totale (CAT) sarà, per ogni istante, la somma delle coppie date rispettivamente dal motore e dal ciclista. Questa somma di coppie coincide con la Coppia Resistente Totale (CRT). Poiché la coppia data dal ciclista approssimativamente è una sinusoide, e la somma della coppia data dal ciclista con la coppia del motore è costante, risulta che anche la coppia del motore in qualche modo cambia nel tempo e sarà:

CAM = CAT – CAP

Dove: CAM = Coppia Agente Motore; CAT = Coppia Agente Totale; CAP = Coppia Agente Pedivella

Pertanto la coppia agente del motore (CAM) è rappresentata da una sinusoide come nel grafico di Fig. 5.

Dato che la corrente assorbita dal motore, con buona approssimazione è proporzionale alla coppia generata, è sufficiente analizzare l’andamento della corrente nel tempo al fine di estrapolare, seppur in modo indiretto ed approssimato, la coppia esercitata dal ciclista. E’ necessario valutare la corrente assorbita per tutto il periodo T/2 relativo alla semi-pedalata, al fine di avere i valori di corrente (coppia) da inserire nell’algoritmo di controllo; cioè si devono individuare i picchi minimo e massimo.

Il grafico di Fig. 5 mostra due livelli di coppia: uno massimo (Cmax) e uno minimo (Cmin), a prescindere dai valori effettivi che questi possano avere. Se il ciclista non contribuisse affatto, sarebbe sempre il motore a dare tutta la CAT necessaria a contrastare la CRT, di fatto rappresentabile con una linea retta parallela all’ascissa, ovvero una coppia (corrente) costante nel tempo. Invece, a parità di condizioni di carico dinamico (CRT) la “profondità” della sinusoide che si crea quando il ciclista pedala dipende appunto da quanta forza esercita sulle pedivelle, ovvero da quanto contributo sta dando alla coppia agente totale (CAT). Più la sinusoide è profonda, cioè si avvicina allo zero in ordinata, più il ciclista sta pedalando energicamente.

Il grafico di Fig. 6 riporta un esempio di condizione in cui il ciclista contribuisce maggiormente alla CAT, in cui il valore di copia minima (Cmin) è vicino o uguale a zero.

La condizione teoricamente ricercata, per equalizzare in maniera identica i due contributi dati rispettivamente dal motore e dal ciclista, sarebbe di fare in modo che il picco massimo di coppia (Cmax) data dal motore sia il picco del totale necessario (CAT) e il picco di copia minimo (Cmin) dato dal motore sia zero. Tuttavia, preferibilmente si stabilisce come target da utilizzare per l’algoritmo di controllo, un valore di corrente (itgt) (espresso come percentuale della corrente massima), che non è zero, ma un valore comunque molto basso.

Come ogni algoritmo di controllo retro-azionato, quindi ad anello chiuso, si individua come il controllore deve reagire in base alle grandezze analizzate.

Il grafico di Fig. 7 mostra il sistema sotto controllo, ovvero il minimo della corrente (imin) è quella desiderata, cioè coincide con la corrente di target (itgt).

Il grafico di Fig. 8 riporta invece il caso in cui il ciclista sta contribuendo alla coppia totale in modo più energico rispetto a quello atteso come target. Infatti la corrente minima (imin) è minore della corrente di target (itgt). In questo caso, la reazione dell’algoritmo porterà ad un innalzamento del contributo dato dal motore.

Il grafico di Fig. 9 mostra il caso in cui il ciclista sta contribuendo alla copia totale in maniera esigua rispetto al motore. Infatti la corrente minima (imin) è maggiore della corrente di target (itgt). In questo caso l’algoritmo reagirà riducendo la tensione applicata al motore.

Con l’ausilio delle Figg. 10 e 11 viene descritta la bicicletta a pedalata assistita secondo l’invenzione. Con riferimento a Fig. 10, la bicicletta comprende:

- ruote (W) supportate girevolmente da un telaio,

- pedali (P) collegati a una trasmissione a catena che mette in rotazione una ruota motrice (W) della bicicletta,

- un motore elettrico (M) che mette in rotazione la ruota motrice (W), direttamente o tramite trasmissione,

- una batteria (B) per alimentare il motore elettrico, - un controllore (1) per controllare il motore elettrico. Preferibilmente il motore elettrico (M) è in corrente continua (DC) e può essere sia brushed che brushless (BLDC). Vantaggiosamente il motore elettrico (M) è un brushless trifase da 250W nominali, alimentato a 24V.

La batteria (B) vantaggiosamente è di tipo LiFePO4 24V / 8Ah.

Il controllore (1) comprende: un processore (10), un circuito di pilotaggio (11) per alimentare elettricamente il motore (M) e un rilevatore di corrente (12) per rilevare la corrente (i) assorbita dal motore (M), quindi dalla batteria (B).

Vantaggiosamente il processore (10) è un elaboratore di segnale digitale (DSP), il circuito di pilotaggio (11) è un inverter a modulazione di larghezza d’impulso (PWM), di tipo a tre fasi, per comandare le tre fasi del motore brushless (M). Il rilevatore di corrente (12) è una resistenza di shunt di 5 m-ohm.

La bicicletta può comprendere inoltre:

- un sensore di velocità delle ruote (4) montato su una ruota (W) della bicicletta, e

- un sensore di velocità dei pedali (5) montato sui pedali della bicicletta.

I sensori di velocità della ruota e dei pedali (4, 5) sono utilizzati al solo scopo di avviare il motore elettrico (M). Infatti il motore (M) deve azionarsi solo se il ciclista sta pedalando e fermarsi quando il ciclista smette di pedalare.

In seguito viene descritto il funzionamento della bicicletta a pedalata assistita secondo l’invenzione.

Partendo dalla condizione di bicicletta ferma (quindi motore fermo), il ciclista inizia a pedalare, producendo valori di velocità positivi sia sulla ruota (W) che sui pedali (P). Le due velocità sono rilevate dai sensori (4, 5) rispettivamente in m/s (metri/secondo) per la ruota e RPM (pedalate al minuto) per i pedali.

Il motore (M) è pilotato tramite l’inverter PWM (11), il cui duty-cycle può essere compreso fra 0% e 100%. Il valore del duty-cycle è ottenuto da un accumulatore (21) disposto a monte dell’inverter PWM (11).

L’accumulatore (21) può essere ad esempio un contatore binario a 16 bit (che può contare nel range 0-10000), che viene incrementato quando il motore (M) necessita un aumento di potenza. Viceversa il contatore binario (21) è diminuito per diminuire la potenza del motore (M).

Poiché il motore elettrico (M) è un brushless trifase, è necessario generare una corretta sequenza di alimentazione sulle tre fasi del motore. Ad ogni modo il livello di treni di impulsi dell’inverter PWM (11) sarà lo stesso applicato con la corretta sequenza alternativamente alle varie fasi del motore, attraverso attuatori di potenza del motore.

Con riferimento anche a Fig. 11, agendo sull’accumulatore (21) si gestisce una rampa, in salita o in discesa, in base alle esigenze dell’algoritmo. Quindi l’accumulatore (21) funge da integratore per un segnale di errore (ε) prodotto da un comparatore digitale (20) gestito dal DSP (10).

Alla partenza, quando la velocità delle ruote rilevata dal sensore (4) supera un valore di soglia minimo (ad esempio 1 m/s) ed i giri dei pedali rilevati dal sensore (5) sono positivi (poiché il ciclista pedala in avanti), l’accumulatore (21) incrementata la rampa di 5 / 10000 ogni 20 ms (ovvero 5 parti su 10000 ogni 20 ms, tempo scelto come “tick” di elaborazione del processore (10)).

Il motore (M) quindi entra gradualmente in azione contribuendo sempre più alla coppia totale. Finché il valore massimo della corrente (i) assorbita dal motore (che è rilevata dal rilevatore di corrente (12)) non supera un valore di soglia preimpostato (ad esempio 1.5 A), l’algoritmo non viene applicato, dato che non ci sarebbero sufficienti margini per poter ben discriminare le correnti da analizzare. In questa fase, che di fatto è l’accelerazione iniziale, viene solo incrementato l’accumulatore (21). Quindi, dopo alcuni secondi, la corrente supera questa soglia di 1.5 A, e l’algoritmo entra in funzione.

A questo punto il rilevatore di corrente (12) rileva la corrente (i) che ha un andamento sinusoidale con valori di corrente massimi e valori di corrente minimi.

Il DSP (10) discrimina i seguenti valori di corrente:

imax= valore massimo della corrente in un semi-ciclo di pedalata

imin= valore minimo della corrente in un semi-ciclo di pedalata

Successivamente il DSP (10) calcola il seguente valore di target

itgt= k * imax

In cui k è un qualsiasi numero positivo minore di 1. Preferibilmente K è compreso tra 0,2 e 0,5. Una scelta ottimale è k = 1/3.

Il valore di target itgtè il valore di corrente usato come riferimento per chiudere l’anello del sistema di controllo.

Come mostrato in Fig. 10, attraverso lo shunt (12), viene rilevata la corrente assorbita dalla batteria (B), che con ottima approssimazione è da considerarsi quella assorbita dal motore (M) (tutta l’elettronica di controllo, shunt, dsp, attuatori funziona con pochi mA). Il campionamento della corrente (i) viene effettuato a una frequenza di 15 KHz, ma per lo scopo dell’algoritmo si effettua una media su un periodo di 20 ms (coincidente con il tick di elaborazione). Quindi, questo valore medio viene usato per rilevare i picchi di corrente massimo (imax) e minimo (imin), attraverso un semplice algoritmo che simula il comportamento di un tipico di un rivelatore di picco analogico, composto da diodo+capacità+resistenza.

Come mostrato in Fig. 11, l’algoritmo prevede che vengano confrontate la corrente minima (imin) con quella di target (itgt). Se la corrente minima (imin) è inferiore a quella target (itgt), l’uscita del comparatore (20) è alta. Al contrario quando la corrente minima (imin) è superiore a quella target (itgt) l’uscita del comparatore (20) sarà bassa.

L’integratore (21) a valle del comparatore (20) è l’accumulatore a 16 bit. Ad ogni tick di elaborazione, l’algoritmo aggiunge 5/10000 all’accumulatore (21) se il comparatore (20) ha uscita alta, oppure sottrae 5/10000 se l’uscita del comparatore è bassa. Quindi, il valore dell’accumulatore, rappresenta direttamente il valore del dutycycle (dove duty cycle 100%=10000) da applicare ai segnali PWM uscenti dall’inverter (11) che, attraverso gli attuatori di potenza (e con la corretta sequenza delle fasi), azionano il motore.

Quando il ciclista pedala esercitando una reale coppia sui pedali, la forma d’onda della corrente assomiglia a una sinusoide traslata verso il positivo; il picco positivo rappresenta imaxmentre quello negativo è imin. Maggiore è la forza impressa sui pedali, maggiore è la differenza tra imaxed imin. A questo scopo è utile osservare che anche se il ciclista fa ruotare i pedali, potrebbe non esercitare alcuna coppia utile al movimento, e quindi potrebbe far girare i pedali “a vuoto”.

Se il ciclista non esercitasse affatto forza sui pedali, il picco massimo e minimo di corrente coinciderebbero, rendendo di fatto la corrente circa costante. In questa ipotesi estrema, certamente iminè maggiore di itgt, per cui l’algoritmo tende a ridurre il pwm (uscita comparatore bassa), di fatto riducendo il contributo dato dal motore. Se invece il ciclista esercita una forza tale da fare scendere iminsotto il livello itgt, allora l’algoritmo reagisce aumentando i segnali pwm, quindi aumentando il contributo dato dal motore. Il fatto di aggiungere / togliere all’accumulatore piccole quantità ad ogni tick di elaborazione (5/10000 per ogni 20 ms) porta ad avere lunghe costanti di tempo, tuttavia nel lungo periodo c’è un reale adeguamento, pur approssimato, della coppia del motore a quella del ciclista.

La richiedente ha effettuato delle prove sperimentali su un prototipo di bicicletta a pedalata assistita secondo l’invenzione.

Nel grafico di Fig. 12 sono riportati i dati rilevati nelle prove sperimentali. In ordinata c’è la corrente assorbita dal motore, espressa in mA, mentre nell’ascissa c’è il tempo.

Dopo un periodo iniziale in cui il motore effettua una rampa di accelerazione, il ciclista inizia a pedalare. Come si vede, si riconoscono molto bene tutti gli elementi discussi in precedenza:

- Picco massimo corrente

- Picco minimo corrente

- Forma (circa) sinusoidale dell’andamento della corrente nel tempo

Si notano ovviamente anche tutti quegli elementi dati dal sistema reale, ad esempio la corrente contiene un certo rumore, inoltre i minimi ed i massimi non sono tutti uguali, proprio per il fatto di non poter contare su una perfetta ripetibilità della coppia impressa dal ciclista umano in ogni singola pedalata.

L’area colorata in grigio è la corrente erogata dal motore. Se il ciclista smettesse di pedalare (ovvero se continuasse a farlo senza imprimere forza sui pedali, cioè facendoli girare “a vuoto”), l’area grigia sarebbe un rettangolo con la parte superiore coincidente con il picco massimo, cioè la corrente necessaria per generare la coppia agente totale CAT per vincere la coppia resistente totale CRT. Si noti invece come il contributo del ciclista permetta “circa” di dimezzare la superficie colorata che essendo l’integrale della corrente del motore rappresenta di fatto una forte riduzione dell’assorbimento energetico del motore.

Dal grafico di Fig. 12 si nota anche la reazione dell’algoritmo che sta generando un aumento del contributo dato dal motore. Infatti, dal grafico è ben evidente che il picco minimo di corrente (imin) sia inferiore ad 1/3 del picco massimo di corrente (imax), per cui giustamente l’algoritmo tende ad incrementare l’accumulatore che in maniera diretta, aumentando il segnale pwm, aumenta il contributo del motore. Questo è evidente osservando che i vari picchi positivi sono crescenti nel tempo.

Alla presente forma di realizzazione dell’invenzione possono essere apportate numerose variazioni e modifiche di dettaglio, alla portata di un tecnico del ramo, rientranti comunque entro l’ambito dell’invenzione espresso dalle rivendicazioni annesse.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Bicicletta a pedalata assistita comprendente: - ruote (W) montate girevoli in un telaio; - pedali (P) collegati ad una trasmissione per mettere in rotazione una ruota motrice (W) della bicicletta; - un motore elettrico (M) collegato direttamente o tramite trasmissione alla ruota motrice (W) della bicicletta per metterla in rotazione, - una batteria (B) per alimentare elettricamente il motore elettrico (M), - un controllore (1) per controllare la velocità del motore elettrico (M), caratterizzata dal fatto che detto controllore (1) comprende: - un rilevatore di corrente (12) che rileva la corrente (i) assorbita dal motore (M) o dalla batteria (B), detta corrente (i) essendo indicativa della coppia totale sul mozzo della ruota motrice ottenuta dalla somma della coppia del motore e della coppia dei pedali, detta corrente (i) avendo un andamento sostanzialmente sinusoidale con valori di corrente minimi (imin) e valori di corrente massimi (imax), - un processore (10) che discrimina detto valore di corrente minimo (imin) e detto valore di corrente massimo (imax) e imposta un valore di corrente di target (itgt) inferiore al valore di corrente massimo (imax), - un comparatore (20) che confronta detto valore di corrente minimo (imin) con detto valore di corrente di target (itgt) ed emette in uscita un segnale di errore (ε), - un circuito di pilotaggio (11) che, in base a detto segnale di errore (ε) emesso dal comparatore (20), alimenta elettricamente detto motore elettrico (M).
2. 2) Bicicletta secondo la rivendicazione 1, in cui detto valore di corrente di target (itgt) è compreso in un intervallo tra 0,2 – 0,5 per il valore di corrente massimo (imax).
3. 3) Bicicletta secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto processore (10) comprende un algoritmo che simula un rilevatore di picchi analogico per discriminare detto valore di corrente minimo (imin) e detto valore di corrente massimo (imax).
4. 4) Bicicletta secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto rilevatore di corrente (12) comprende una resistenza di shunt.
5. 5) Bicicletta secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto rilevatore di corrente (12) campiona la corrente (i) effettuando una media su un periodo coincidente con il tick di elaborazione del processore (10).
6. 6) Bicicletta secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto motore elettrico (M) è un motore a corrente continua, trifase, di tipo brushless.
7. 7) Bicicletta secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito pilota (11) comprende un inverter a modulazione di ampiezza di impulsi (PWM) (11) che alimenta con un treno di impulsi detto motore (M).
8. 8) Bicicletta secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto controllore (1) comprende inoltre un accumulatore (21) disposto tra il comparatore (20) e il circuito di pilotaggio (11), per pilotare il circuito di pilotaggio (11) in base al segnale di errore (ε).
9. 9) Bicicletta secondo la rivendicazione 8, in cui detto accumulatore (21) è un contatore che incrementa una rampa, quando detto valore di corrente minimo (imin) è inferiore a detto valore di corrente di target (itgt) e decrementa una rampa quando detto valore di corrente minimo (imin) è maggiore a detto valore di corrente di target (itgt).
10. 10) Bicicletta secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un sensore di velocità delle ruote (4) montato su una ruota (W) della bicicletta e un sensore di velocità dei pedali (5) montato sui pedali della bicicletta; detti sensori (4, 5) essendo collegati a detto processore (10) per azionare il motore elettrico (M) solo se il ciclista sta pedalando e arrestare il motore elettrico, quando il ciclista smette di pedalare.