ITUB20155550A1

ITUB20155550A1 - Metodo di controllo di una unita di propulsione per bicicletta a pedalata assistita e relativa bicicletta a pedalata assistita

Info

Publication number: ITUB20155550A1
Application number: ITUB2015A005550A
Authority: IT
Inventors: Paolo Capozzella
Original assignee: Piaggio & C Spa
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2017-05-13
Also published as: EP3374255A1; EP3374255B1; WO2017081567A1; CN108349567B; US10703435B2; US20180319456A1; CN108349567A

Description

TITOLO: METODO DI CONTROLLO DI UNA UNITÀ DI PROPULSIONE PER BICICLETTA A PEDALATA ASSISTITA E RELATIVA BICICLETTA A PEDALATA ASSISTITA

CAMPO DI APPLICAZIONE

La presente invenzione riguarda un metodo di controllo di una unità di propulsione per una bicicletta a pedalata assistita, comunemente detta "EPAC" (Electric Pedal Assisted Cycle) e una relativa bicicletta a pedalata assistita.

Si tratta in particolare di un metodo di controllo di una bicicletta avente un'unità di propulsione che fornisce, secondo opportuni schemi di controllo, l'assistenza alla pedalata che il pilota genera nell'utilizzo del mezzo attraverso i pedali.

STATO DELLA TECNICA

Come è noto, i fattori chiave di successo per questo tipo di soluzioni di bicicletta sono la compattezza, la leggerezza, la praticità d'uso, l'estetica accattivante, l'affidabilità e, non ultimo, il costo contenuto. Nonostante ciò, le biciclette elettriche a pedalata assistita presentano ad oggi ancora alcuni margini di miglioramento. Infatti, l'unità di propulsione di tali biciclette comprende generalmente una macchina elettrica sincrona a magneti permanenti alimentata da una batteria attraverso un convertitore elettronico DC/AC, denominato inverter. La suddetta macchina elettrica sincrona comprende un rotore a magneti permanenti ed uno statore comprendente un avvolgimento statorico trifase alimentato da correnti alternate. E' noto che il corretto funzionamento di un motore sincrono a magneti permanenti è legato alla conoscenza esatta della posizione del flusso dei magneti permanenti del rotore, e dunque della posizione del rotore, rispetto alle fasi delle correnti di alimentazione dell'avvolgimento statorico. Il motore sincrono a magneti permanenti necessita dunque di un sensore di posizione assoluto (quale ad esempio un resolver o encoder assoluto).

L'impiego del suddetto sensore di posizione implica due problematiche da risolvere: l'alloggiamento del sensore sull'albero del rotore e l'abbinamento iniziale del segnale fornito dal sensore con la posizione dello statore.

Inoltre, la presenza di un componente aggiuntivo riduce il livello di affidabilità dell'intero sistema, in quanto qualunque possibile guasto al sensore di posizione conduce all'impossibilità di controllare la macchina elettrica.

E' quindi sentita l'esigenza di risolvere in tutto o quantomeno in parte i problemi sopra descritti con riferimento all'arte nota.

Tale esigenza è soddisfatta da metodo di controllo come definito nella rivendicazione 1 nella sua forma generale e nelle rivendicazioni dipendenti in forme di realizzazione particolari.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Ulteriori caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente comprensibili dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti e non limitativi di realizzazione, in cui:

la figura 1 rappresenta una vista prospettica di un possibile esempio di unità di propulsione controllabile tramite un metodo di controllo in accordo alla presente invenzione;

le figure 2-4 rappresentano viste in sezione, da differenti angolazioni, dell'unità di propulsione di figura 1;

la figura 5 rappresenta una vista laterale di un'unità di propulsione in cui è stato rimosso un coperchio o carter laterale,-la figura 6 rappresenta una vista prospettica di un'unità di propulsione in cui è stato rimosso un coperchio laterale,-la figura 7 rappresenta una vista frontale dell'unità di propulsione di figura 6, dal lato della freccia VII di figura 6;

la figura 8 rappresenta una vista prospettica in sezione di un'unità di propulsione secondo l'invenzione, in cui alcuni elementi sono stati omessi;

la figura 9 rappresenta una vista prospettica di un'unità di propulsione, parzialmente assemblata, della presente invenzione;

le figure 10-12 rappresentano viste prospettiche di componenti dell'unità di propulsione in accordo con la presente invenzione;

la figura 13 rappresenta una vista schematica della trasmissione cinematica dell'unità di propulsione in accordo con la presente invenzione, applicata ad una bicicletta;

la figura 14 rappresenta una vista di uno schema a blocchi funzionale di un sistema di controllo tramite il quale può essere implementato un metodo di controllo dell'unità di propulsione; e

la figura 15 mostra una possibile forma di realizzazione di una bicicletta comprendente l'unità di propulsione di figura 1.

Gli elementi o parti di elementi in comune tra le forme di realizzazione descritte nel seguito saranno indicati con medesimi riferimenti numerici.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Con riferimento alle suddette figure, con 4 si è globalmente indicata una vista schematica complessiva di una bicicletta comprendente un'unità di propulsione 8 in accordo con la presente invenzione.

La presente invenzione riguarda in particolare biciclette a pedalata assistita, comunemente detta "EPAC" (Electric Pedal Assisted Cycle).

Ai fini della presente invenzione, la tipologia di telaio della bicicletta è irrilevante, intendendosi anche biciclette a più di due ruote, sia anteriori che posteriori.

L'unità di propulsione 8 comprende una macchina elettrica 12 avente uno statore 14 e un rotore 16 a magneti permanenti, girevole attorno ad un asse motore M-M, detto rotore 16 essendo operativamente connesso ad un perno di pedivella 18, definente un asse di pedivella X-X, collegato meccanicamente a pedali 20. Nella presente descrizione si potrà fare riferimento alla macchina elettrica 12 anche indicandola con l'espressione motore 12 o motore elettrico 12.

L'asse di pedivella X-X è preferibilmente coassiale con l'asse motore M-M.

Lo statore 14 comprende un avvolgimento statorico trifase alimentabile con tre correnti alternate I_u, I_v, I_w per determinare la rotazione del rotore 16. Preferibilmente l'avvolgimento statorico è un avvolgimento a stella.

Il rotore 16 è preferibilmente coassiale ed esterno rispetto alo statore 14 in modo da racchiudere radialmente il rotore 16; per direzione radiale si intende una direzione perpendicolare all'asse di pedivella X-X ed incidente con questo.

In questo modo il rotore 16 racchiude e circonda radialmente lo statore 14.

L'unità di propulsione 8 comprende preferibilmente almeno una coppia di carter 24,26 che definiscono un volume di contenimento 28 che alloggia la macchina elettrica 12 e almeno parzialmente l'asse di pedivella X-X.

Preferibilmente, i carter 24,26 sono realizzati in un materiale termicamente conduttore, quale ad esempio un materiale metallico.

L'unità di propulsione 8 comprende almeno una scheda elettronica 32 per 1'azionamento e la gestione del funzionamento della macchina elettrica 12. La scheda elettronica 32 è ad esempio poggiata su una relativa piastra di supporto 34. La scheda elettronica 32 comprende un convertitore DC/AC 100 atto ad alimentare la macchina elettrica 12 ed una unità di controllo 101 del convertitore DC/AC. Ad esempio il convertitore DC/AC è tale da fornire alla macchina elettrica 12 tre correnti alternate I_u, I_v, I_w. Preferibilmente l'unità di controllo 101 comprende un microcontrollore.

L'unità di propulsione 8 comprende inoltre mezzi di trasmissione 36 del moto dal rotore 16 all'asse di pedivella X-X. Preferibilmente detti mezzi di trasmissione 36 sono complessivamente disposti in posizione asimmetrica e decentrata rispetto all'asse di pedivella X-X, in modo da fuoriuscire dalla proiezione del rotore 16 su un piano di proiezione perpendicolare all'asse di pedivella X-X.

Preferibilmente, la scheda elettronica 32 è contenuta ed è supportata all'interno di detto volume di contenimento 28 e più preferibilmente la scheda elettronica 32 è posizionata in modo da ricadere all'interno della proiezione del rotore 16 su un piano di proiezione perpendicolare all'asse di pedivella X-X.

Secondo una forma di realizzazione, la scheda elettronica 32 è complessivamente posizionata da parte opposta ai mezzi di trasmissione 36, rispetto all'asse di pedivella X-X. Ad esempio, la scheda elettronica 32 è complessivamente conformata a 'C' ed è disposta attorno all'asse di pedivella X-X.

Secondo una forma di realizzazione, l'unità di propulsione 8 comprende un elemento di supporto intermedio 40, di tipo fisso, che supporta girevolmente il rotore 16 e che supporta in maniera fissa la scheda elettronica 32; anche l'elemento di supporto intermedio 40 è contenuto all'interno del volume di contenimento 28. Ad esempio, il rotore 16 e la scheda elettronica 32 sono disposti da parti assialmente opposte rispetto a detto elemento di supporto intermedio 40, lungo l'asse di pedivella X-X.

In questo modo l'elemento di supporto intermedio 40 realizza un elemento non solo di supporto ma anche di separazione assiale tra il rotore 16 e lo statore 14 della macchina elettrica 12, da un lato, e la scheda elettronica 32 dall'altro.

Detto elemento di supporto intermedio 40 è preferibilmente disposto attorno all'asse di pedivella X-X ed è fisso rispetto a questo.

Preferibilmente, l'elemento di supporto intermedio 40 riceve e convoglia il calore generato sia dalla macchina elettrica 12 che dalla scheda elettronica. Tale calore ricevuto in direzione sostanzialmente assiale dall'elemento di supporto intermedio 40 viene da quest'ultimo dissipato radialmente verso l'esterno, ossia in allontanamento dall'asse di pedivella X-X.

Infatti l'elemento di supporto intermedio 40 è a contatto con almeno uno di detti carter 24,26 in modo, tramite questi, da dissipare il calore radialmente all'esterno dell'unità di propulsione 8.

Preferibilmente l'elemento di supporto intermedio 40 è realizzato in un materiale termicamente conduttore, quale ad esempio un materiale metallico.

Secondo una forma di realizzazione, l'unità di propulsione 8 comprende almeno un elemento cilindrico 44 che collega meccanicamente l'elemento di supporto intermedio 40 alla scheda elettronica 32, detto elemento cilindrico 44 essendo un conduttore termico che permette di estrarre e trasferire il calore dalla scheda elettronica 36 all'elemento di supporto intermedio 40 e da quest'ultimo all'esterno dei carter 24,26,

Secondo una forma di realizzazione, almeno uno di detti elementi cilindrici 44 è dotato di una sezione ovale rispetto ad un piano di sezione perpendicolare ad un asse di estensione prevalente dell'elemento medesimo.

La sezione ovale è quella che, a parità di ingombri complessivi, assicura una maggiore capacità di scambio termico se, ad esempio, raffrontata ad una sezione circolare .

Secondo una forma di realizzazione, la scheda elettronica 32 è munita di almeno un cavo elettrico 48 e di almeno un relativo passacavo 52; il passacavo 52 viene fissato alla scheda elettronica 32 mediante almeno un mezzo di fissaggio 56, quale ad esempio una vite.

Il passacavo 52 e/o i mezzi di fissaggio 56 sono dei conduttori termici in modo da dissipare il calore proveniente dalla scheda elettronica medesima.

Come sopra accennato, l'unità di propulsione 8 comprende mezzi di trasmissione 36 per trasmettere il moto dal rotore 16 al perno di pedivella 18. Preferibilmente, i mezzi di trasmissione 36 sono atti ad assumere selettivamente uno stato di impegno in cui detti mezzi consentono di trasmettere il moto dal rotore 16 al perno di pedivella 18 o uno stato di disimpegno in cui detti mezzi impediscono di trasmettere il moto dal rotore 16 al perno di pedivella 18. A tal fine i suddetti di mezzi di trasmissione 36 comprendono una o preferibilmente due ruote libere che saranno descritte più avanti in maggior dettaglio.

Saranno ora descritte alcune possibili forme di realizzazione dei mezzi di trasmissione 36, fermo restando che il metodo di controllo che sarà descritto in seguito è applicabile anche a biciclette elettriche 4 a pedalata assistita aventi dei mezzi di trasmissione diversi dagli specifici mezzi di trasmissione 36 qui di seguito descritti.

Secondo una forma di realizzazione i mezzi di trasmissione 36 comprendono un primo stadio di trasmissione 60 avente un primo ingranaggio di ingresso 64, solidale in rotazione al rotore 16 e coassiale con questo, e un primo ingranaggio di uscita 68 girevole attorno ad un primo asse Y-Y disassato e parallelo rispetto all'asse di rotazione X-X. Il primo ingranaggio di ingresso e di uscita 64,68 ingranano tra loro.

Secondo una forma di realizzazione il primo ingranaggio di ingresso 64 è girevolmente supportato dall'elemento intermedio.

Ad esempio, l'elemento di supporto intermedio 40 comprende un foro 70 che alloggia un cuscinetto 72; il cuscinetto 72 comprende un primo anello 73 fisso e calettato sulla parete dell'elemento di supporto intermedio 40 che delimita il foro 70 e un secondo anello 74 mobile e solidale in rotazione con una porzione di detto primo ingranaggio di ingresso 64, In questo modo, grazie all'interposizione del cuscinetto 72, l'elemento di supporto intermedio 40 supporta girevolmente il primo ingranaggio di ingresso; inoltre, secondo una forma di realizzazione, il primo ingranaggio di ingresso 64 è solidale in rotazione al rotore 16 grazie ad un elemento a bicchiere 76. Ad esempio, l'elemento a bicchiere 76 comprende un anello su cui viene piantato con interferenza il secondo anello 74 del cuscinetto 72.

L'unità di propulsione 8 comprende un secondo stadio di trasmissione 80 avente un secondo ingranaggio di ingresso 84, solidale in rotazione al primo ingranaggio di uscita 68 e coassiale con questo, e un secondo ingranaggio di uscita 88, che ingrana con il secondo ingranaggio di ingresso 84 ed è girevole solidalmente ad un secondo albero 92 definente un secondo asse o asse di rinvio W-W disassato e parallelo rispetto all'asse di rotazione X-X e al primo asse Y-Y.

Ad esempio, il secondo ingranaggio di ingresso 84 è collegato coassialmente al primo ingranaggio di uscita 68 del primo stadio di trasmissione 60 mediante un profilo scanalato.

Ad esempio, i carter 24,26 definiscono sedi 98 che alloggiano cuscinetti di supporto 100 per detto secondo albero 92 (figura 3).

L'unità di propulsione 8 comprende un terzo stadio di trasmissione 104 avente un terzo ingranaggio di ingresso 106, solidale in rotazione con il secondo ingranaggio di uscita 88 e coassiale con questo, e un terzo ingranaggio di uscita 108 che ingrana con il terzo ingranaggio di ingresso 106 e che trasmette la potenza sull'asse di rotazione o asse pedivella X-X realizzando l'aiuto alla pedalata.

Preferibilmente, i mezzi di trasmissione 36 comprendono una prima ruota libera 116 montata tra il secondo albero 92 e il secondo ingranaggio di uscita 88, in modo da svincolare la trasmissione di coppia al secondo ingranaggio di uscita 88 per evitare che l'utente, trascini in rotazione i meccanismi dell'unità di propulsione 8 quando questa non fornisce assistenza alla pedalata e/o per consentire al rotore di ruotare liberamente rispetto al perno di pedivella 18 quando la macchina elettrica 12 è alimentata e quando l'unità di propulsione 8 non fornisce assistenza alla pedalata.

Ad esempio, la prima ruota libera 116 è configurata in modo da rendere solidale il secondo ingranaggio di uscita 88 con il secondo albero 92 quando la velocità di rotazione del terzo stadio di trasmissione 104 è maggiore 0 uguale a quella del secondo albero 92.

Ad esempio, la prima ruota libera 116 è configurata in modo che, se la velocità di rotazione del secondo albero 92 è superiore a quella del secondo ingranaggio di uscita 88, la prima ruota libera 116 rende possibile il sopravanzamento, grazie al disimpegno di cilindretti, evitando quindi al pilota di dover portare in rotazione anche l'unità di propulsione 5.

1 mezzi di trasmissione 36 comprendono preferibilmente una seconda ruota libera 112 montata tra il terzo ingranaggio di uscita 108 e il perno di pedivella 18, coassialmente all'asse pedivella X-X, in modo da evitare il trascinamento della unità di propulsione 8 quando si pone la pedivella, ossia i pedali 20, in controrotazione (pedalata contraria rispetto al senso di avanzamento). In questo modo si evita che l'utente incontri resistenza, dovuta al trascinamento dell'unità di propulsione 8 nelle contropedalate .

Come visto l'unità di propulsione 8 in accordo con la presente invenzione è montata su una bicicletta 4; il perno di pedivella 18 è cinematicamente connesso ad una ruota motrice 120 della bicicletta 4, ad esempio mediante una trasmissione a catena.

Inoltre, definito un verso di avanzamento F della bicicletta 4, l'unità di propulsione 8 è preferibilmente associata ed orientata rispetto ad un telaio 140 della bicicletta 4 in modo che la scheda elettronica 32 sia disposta almeno parzialmente dal lato del verso di avanzamento F.

In questo modo la porzione di carter 24,26 che circonda la scheda elettronica 32 viene direttamente e completamente investita dal flusso di aria frontale che incontra il veicolo in movimento, ottimizzando il raffreddamento della scheda elettronica 32 e dunque dell'unità di propulsione 8.

Verrà ora descritto il funzionamento di un'unità di propulsione 8 per biciclette in accordo con la presente invenzione.

In particolare, la scheda elettronica 32 ed in particolare l'unità elettronica di controllo 101 in base alla logica prevista, rilevando le condizioni al contorno, attiva la macchina elettrica 12 in modo da fornire la potenza di assistenza che va a sommarsi a quella generata dal pilota grazie alla pedalata. La logica di controllo che presiede l'assistenza alla pedalata dipende, senza entrare nello specifico, dalle variabili di esercizio di volta in volta rilevate da appositi sensori implementati sull'EPAC, quali ad esempio la pendenza, la velocità, la coppia necessaria, ecc. e dalle eventuali restrizioni normative che afferiscono alla categoria di appartenenza del veicolo (normalmente possono riguardare la velocità massima oltre la quale deve cessare l'intervento di aiuto e la massima potenza di assistenza del motore elettrico).

Quando le condizioni di intervento sono raggiunte, la macchina elettrica 12 si attiva ossia, anche in questo caso senza entrare nel dettaglio, secondo una opportuna logica, le correnti I_u, I__w, I_w sono alimentate all'avvolgimento statorico dello statore 14.

A seguito del passaggio di tali correnti c nell'avvolgimento statorico, il rotore 16 entra in rotazione esplicando di fatto l'aiuto alla pedalata, ossia immettendo coppia e dunque potenza sul perno di pedivella 18. L'energia elettrica necessaria a fare funzionare l'intero sistema è contenuta sotto forma di energia chimica all'interno di un pacco batteria 102, montato a bordo della bicicletta 4.

Entrando più nel merito del funzionamento meccanico, nel suo moto, il rotore 16 pone in rotazione il primo ingranaggio di ingresso 64 ad esso calettato che, insieme al primo ingranaggio di uscita 68, costituisce la coppia di ingranamenti del primo stadio di trasmissione 60.

Il secondo ingranaggio di ingresso 84, collegato coassialmente al primo ingranaggio di uscita 68 ad esempio mediante un profilo scanalato, trasmette il moto al secondo ingranaggio di uscita 88.

Il secondo ingranaggio di ingresso 84 e il primo ingranaggio di uscita ruota solidali attorno al primo asse Y-Y disassato e parallelo rispetto all'asse di rotazione X-X o asse di pedivella.

Il secondo ingranaggio di uscita 88 è calettato sul secondo albero 92 che conseguentemente entra in rotazione.

Tramite il secondo albero 92 è posto in rotazione il terzo ingranaggio di ingresso 106 del terzo stadio di trasmissione 104 che insieme al terzo ingranaggio di uscita 108 forma la coppia del terzo stadio di trasmissione 104.

Il terzo ingranaggio di uscita 108 in ultima analisi trasmette la potenza sull'asse pedivella X-X realizzando l'aiuto alla pedalata.

Come già descritto, nell'unità di propulsione 8 sono preferibilmente presenti due ruote libere 116, 112.

In particolare l'unità di propulsione 8 comprende una prima ruota libera 116 montata tra il secondo albero 92 e il secondo ingranaggio di uscita 88, in modo da svincolare la trasmissione di coppia al secondo ingranaggio di uscita 88 per evitare che l'utente, trascini in rotazione i meccanismi dell'unità di propulsione 8 quando questo non fornisce assistenza alla pedalata.

Ad esempio, la prima ruota libera 116 è configurata in modo da rendere solidale il secondo ingranaggio di uscita 88 con il secondo albero 92 quando la velocità di rotazione del terzo stadio di trasmissione 104 è maggiore o uguale a quella del secondo albero 92.

Ad esempio, la prima ruota libera 116 è configurata in modo che, se la velocità di rotazione del secondo albero 92 è superiore a quella del secondo ingranaggio di uscita 88, la prima ruota libera 116 rende possibile il sopravanzamento, grazie al disimpegno di cilindretti, evitando quindi al pilota di dover portare in rotazione anche l'unità di propulsione 8.

In questo modo se l'azione dell'utente in marcia avanti è tale da garantire una velocità di rotazione dei pedali superiore a quella imposta dall'unità di propulsione 8, automaticamente la prima ruota libera 116 disimpegna l'unità di propulsione 8 che altrimenti funzionerebbe da freno all'azione motrice impartita dall'utente. Se invece l'azione imposta sui pedali 20 dall'utente è tale da generare una velocità di rotazione dei pedali inferiore a quella imposta dall'unità di propulsione 8, allora la prima ruota libera 116 consente la trasmissione della coppia dall'unità di propulsione 8 ai pedali 20. In tale situazione è l'utente a fornire una coppia/potenza inferiore rispetto a quelle generate dall'unità di propulsione 8; in ogni caso la coppia impartita dall'utente sui pedali 20 non viene mai disimpegnata ma viene sempre e comunque trasmessa al perno di pedivella 18 e, tramite ad esempio una trasmissione a catena 122, alla ruota motrice 120. In altre parole l'azione di coppia impartita dall'utente viene a sommarsi, sul perno di pedivella 18, con l'azione di coppia erogata dall'unità di propulsione 8 che funge da elemento coadiuvante all'azione dell'utente.

La trasmissione a catena 122 può comprendere una corona 124 solidale in rotazione al perno di pedivella 18 e un pignone 126: la corona 124 e il pignone 126 sono dentati in modo da ingranare opportunamente sulla maglie della catena della trasmissione a catena 122.

Come visto, la seconda ruota libera 112 viene montata tra il terzo ingranaggio di uscita 108 e il perno di pedivella 18, coassialmente all'asse pedivella X-X, in modo da evitare il trascinamento della unità di propulsione 8 quando si pone la pedivella, ossia i pedali 20, in controrotazione (pedalata contraria rispetto al senso di avanzamento) e per evitare che il motore elettrico possa mettere in rotazione il perno di pedivella 18.

In questo modo si evita che l'utente incontri resistenza, dovuta al trascinamento dell'unità di propulsione 8, nelle contropedalate e che nelle fasi in cui il motore elettrico 12 produce una coppia di trazione tale da non esercitare alcuna coppia di trascinamento sul perno di pedivella 18.

La funzione di ruota libera può essere ottenuta mediante varie soluzioni tecniche, ad esempio mediante l'uso di cagnoletti, ed è preferibilmente montata coassialmente all'asse di pedivella X-X. Per effetto dell'azione dei cagnoletti, il perno di pedivella 18 può sopravanzare il terzo ingranaggio di uscita 108 che dunque rimane disimpegnato: quindi si evita il trascinamento dell'unità di propulsione 8 in caso di contropedalata.

Saranno ora descritte alcune forme di realizzazione di un metodo di controllo di una unità di propulsione d8 i una bicicletta elettrica 4 a pedalata assistita EPAC del tipo sopra descritto, fermo restando che tale metodo è anche applicabile ad unità di propulsione di tipo differente. Come si è già detto l'unità di propulsione 8 a livello generale comprende:

- una macchina elettrica 12 avente uno statore 14 e un rotore 16 a magneti permanenti, girevole attorno ad un asse motore M-M, lo statore 14 comprendendo un avvolgimento statorico trifase alimentabile per determinare la rotazione del rotore 16;

- un convertitore DC/AC 100 controllabile per alimentare l'avvolgimento statorico;

un perno di pedivella 18, definente un asse di pedivella X-X ed una coppia di pedali 20 fissati meccanicamente al perno di pedivella 18;

- mezzi di trasmissione 36 atti a trasmettere il moto dal rotore 16 al perno di pedivella 18.

Il metodo di controllo è tale per cui l'unità elettronica di controllo 101 è in grado di controllare il convertitore DC/AC 100 senza richiedere dei sensori di posizione montati all'interno della macchina elettrica 12.

In una forma di realizzazione generale il metodo di controllo comprende le fasi di:

a) avviare la macchina elettrica 12 al fine di ruotare il rotore;

b) stimare una forza controelettromotrice prodotta dalla macchina elettrica 12;

c) stimare la posizione angolare del rotore 16 rispetto all'avvolgimento statorico a partire dalla stima della forza controelettromotrice;

d) controllare il convertitore DC/AC 100 in base a detta posizione angolare stimata di modo che questo alimenti l'avvolgimento statorico affinché la macchina elettrica 12 eroghi una coppia.

Ai fini di eseguire le suddette fasi b), c) e d) il suddetto metodo può essere ad esempio realizzato in conformità al controllo vettoriale sensorless descritto nell'articolo "Implementation and Sensorless vector control Design and Tuning Strategy for SMPM Machines in Fan-Type Applications", Parag Kshirsagar et Al., IEE 2006, pagg. 2062-2069 qui interamente incorporato per riferimento in relazione al metodo di controllo sensorless basato sulla stima della forza controelettromotrice .

Secondo il suindicato articolo il suddetto metodo di controllo sarebbe applicabile ad una macchina elettrica 12 in una condizione di rotazione ad alta velocità mentre secondo tale articolo il metodo non sarebbe applicabile a partire da una condizione in cui la macchina elettrica 12 è ferma o quasi ferma. Tuttavia, la Richiedente ha osservato che è possibile sfruttare vantaggiosamente un periodo transitorio fra una condizione di controllo in cui la macchina elettrica 12 non fornisce assistenza alla pedalata ed una condizione di controllo nella quale viene richiesta assistenza alla pedalata, per avviare la macchina elettrica 12 come indicato nella fase a) ad esempio secondo dei parametri di funzionamento predefiniti in corso di progettazione ed eseguire le fasi b) c) e d) in una condizione in cui il rotore è libero di ruotare ed è disimpegnato dal perno di pedivella 18. A tal fine in una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa, come sopra descritto in precedenza, i mezzi di trasmissione 36 dell'unità di propulsione 8 sono atti ad assumere selettivamente uno stato di impegno in cui detti mezzi consentono di trasmettere il moto dal rotore 16 al perno di pedivella 18 o uno stato di disimpegno in cui detti mezzi impediscono di trasmettere il moto dal rotore 16 al perno di pedivella 18 ed il metodo comprende inoltre una fase iniziale di sincronizzazione in cui le fasi b), c) e d) sopra descritte sono eseguite in sequenza una o più volte dopo aver avviato la macchina elettrica 12 nella fase a) in una condizione in cui detti mezzi di trasmissione 36 sono nello stato di disimpegno.

In accordo ad una forma di realizzazione, la fase iniziale di sincronizzazione viene eseguita affinché la macchina elettrica 12 eroghi un primo valore di coppia costante ed in cui al termine di detta fase iniziale di sincronizzazione quando detti mezzi assumono lo stato di impegno dette fasi b), c) e d) sono eseguite affinché la macchina elettrica eroghi valori di coppia superiori a detto primo valore di coppia. Per questi motivi i valori picco-picco di ampiezza delle correnti alternate I_u, I_v ed I_w nella fase di sincronizzazione sono inferiori ai valori picco-picco di ampiezza forniti al termine di detta fase di sincronizzazione quando effettivamente i mezzi di trasmissione sono nello stato di impegno ed il motore elettrico 12 eroga una coppia che si somma a quella generata dal pilota grazie alla pedalata.

In accordo ad una forma di realizzazione vantaggiosa, il metodo di controllo comprende inoltre le fasi di:

- misurare una velocità e/o frequenza di rotazione del perno di pedivella 18 dovuta alla pedalata;

- confrontare detta velocità e/o frequenza misurata con un valore di soglia;

e la fase iniziale di sincronizzazione è avviata quando la velocità e/o frequenza misurata è maggiore o maggiore uguale a detto valore di soglia.

Ad esempio la velocità e/o la frequenza possono ad esempio essere misurate tramite un sensore di pedalata 130, ad esempio munito di almeno un magnete ed almeno un sensore di Hall, connesso all'unità elettronica di controllo 101.

Preferibilmente, le fasi b), c), d) sopra descritte sono eseguite in accordo ad un algoritmo di controllo ad anello chiuso basato su un osservatore lineare asintotico per stimare detta forza controelettromotrice nella fase b) e su un controllore ad inseguimento per ottenere una stima di velocità angolare e di posizione angolare del rotore in detta fase c). Più preferibilmente il controllore ad inseguimento è un anello ad aggancio di fase tale da minimizzare un errore nella stima della posizione e della velocità in un sistema di riferimento d-q.

In accordo ad una forma di realizzazione vantaggiosa, nella fase iniziale di sincronizzazione la sopra descritta fase d) è eseguita controllando il convertitore DC/AC 100 ad esempio tramite un segnale di controllo pWM fornito attraverso le linee di controllo 105 in modo tale che questo alimenti l'avvolgimento statorico con correnti alternate I_u, I_v, I_w con ampiezza picco-picco costante e con frequenza maggiore o uguale ad un valore di frequenza di soglia. In altre parole, durante la fase di sincronizzazione il convertitore DC/AC viene controllato in modo tale che la frequenza imposta alle correnti di alimentazione non scenda al di sotto di detto valore di frequenza di soglia.

Ovviamente il funzionamento sopra descritto è a sua volta soggetto, soprattutto al termine della fase di sincronizzazione, alle logiche di funzionamento/intervento della macchina elettrica 12 implementate dalla scheda elettronica 32 sulla base di una pluralità di parametri di funzionamento.

Come si può apprezzare da quanto descritto, il metodo sopra descritto consente di superare gli inconvenienti presentati nella tecnica nota.

Un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti all'unità di propulsione sopra descritta, tutte peraltro contenute nell'ambito dell' invenzione quale definito dalle seguenti rivendicazioni .

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo di controllo di una unità di propulsione (8) di una bicicletta elettrica (4)a pedalata assistita, in cui l'unità di propulsione (8) comprende: - una macchina elettrica (12) avente uno statore (14) e un rotore (16) a magneti permanenti, girevole attorno ad un asse motore (M-M), lo statore (14) comprendendo un avvolgimento statorico trifase alimentabile per determinare la rotazione del rotore (16); un convertitore DC/AC (100) controllabile per alimentare l'avvolgimento statorico; un perno di pedivella (18), definente un asse di pedivella (X-X) ed una coppia di pedali (20) fissati meccanicamente al perno di pedivella (18); - mezzi di trasmissione (36) atti a trasmettere il moto dal rotore (16) al perno di pedivella (18); il metodo di controllo comprendendo le fasi di: a) avviare la macchina elettrica (12) al fine di ruotare il rotore (16); b) stimare una forza controelettromotrice prodotta dalla macchina elettrica (12); c) stimare la posizione angolare del rotore (16) rispetto all'avvolgimento statorico a partire dalla stima della forza controelettromotrice; d) controllare il convertitore DC/AC (100) in base a detta posizione angolare stimata di modo che questo alimenti l'avvolgimento statorico affinché detta macchina elettrica (12) eroghi una coppia.
2. Metodo di controllo secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di trasmissione (36) sono atti ad assumere selettivamente uno stato di impegno in cui detti mezzi consentono di trasmettere il moto dal rotore (16) al perno di pedivella (18) o uno stato di disimpegno in cui detti mezzi impediscono di trasmettere il moto dal rotore (16) al perno di pedivella (18) ed in cui il metodo di controllo comprende inoltre una fase iniziale di sincronizzazione in cui le fasi b), c) e d) sono eseguite in sequenza una o più volte dopo aver avviato la macchina elettrica (12) nella fase a), in una condizione in cui detti mezzi di trasmissione (36) sono nello stato di disimpegno.
3. Metodo di controllo secondo la rivendicazione 2, in cui la fase iniziale di sincronizzazione viene eseguita affinché la macchina elettrica (12) eroghi un primo valore di coppia costante ed in cui al termine di detta fase iniziale di sincronizzazione quando detti mezzi assumono lo stato di impegno dette fasi b), c) e d) sono eseguite affinché la macchina elettrica (12) eroghi valori di coppia superiori a detto primo valore di coppia.
4. Metodo di controllo secondo le rivendicazioni 2 o 3, comprendente inoltre le fasi di: - misurare una velocità e/o frequenza di rotazione del perno di pedivella (18) dovuta alla pedalata; - confrontare detta velocità e/o frequenza misurata con un valore di soglia; ed in cui detta fase iniziale di sincronizzazione è avviata quando la velocità e/o frequenza misurata è maggiore o uguale a detto valore di soglia.
5. Metodo di controllo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui dette fasi b), c), d) sono eseguite in accordo ad un algoritmo di controllo ad anello chiuso basato su un osservatore lineare asintotico per stimare detta forza controelettromotrice nella fase b) e su un controllore ad inseguimento per ottenere una stima di velocità angolare e di posizione angolare del rotore in detta fase c).
6. Metodo di controllo secondo la rivendicazione 5, in cui il controllore ad inseguimento è un anello ad aggancio di fase tale da minimizzare un errore nella stima della posizione e della velocità in un sistema di riferimento d-q.
7. Metodo di controllo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui nella fase iniziale di sincronizzazione detta fase d) è eseguita controllando il convertitore DC/AC in modo tale che questo alimenti l'avvolgimento statorico con correnti alternate ad ampiezza picco-picco costante e frequenza non inferiore ad un valore di soglia,
8. Bicicletta elettrica (4) a pedalata assistita comprendente una unità elettronica di controllo (101), atta e configurata per eseguire un metodo di controllo in accordo ad una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.
9. Bicicletta elettrica secondo la rivendicazione (8) in cui una unità elettronica di controllo (101) è atta e configurata per eseguire un metodo di controllo secondo la rivendicazione 2, ed in cui detti mezzi di trasmissione (36) al fine di poter assumere selettivamente lo stato di impegno o lo stato di disimpegno comprendono almeno una ruota libera (112, 116) .