TWI651237B

TWI651237B - 電助自行車及其輔助動力的控制方法

Info

Publication number: TWI651237B
Application number: TW106139115A
Authority: TW
Inventors: 林長慶; 陳政言; 蔡依樵
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2019-02-21
Also published as: TW201918420A

Abstract

電助自行車及其輔助動力的控制方法。電助自行車包括驅動電路、轉速偵測器以及命令電壓產生器。驅動電路接收命令電壓，並依據命令電壓以驅動電助自行車的助動馬達。轉速偵測器依據電助自行車的傳動齒輪的轉動狀態以產生具有多數個脈波的偵測信號。命令電壓產生器接收偵測信號，並用以：計算該偵測信號中的脈波中，相鄰的二脈波間的多個時間；依據所述時間執行數值微分運算，以產生估測速度值；設定電動輔助策略表，依據估測速度值與電動輔助策略表以計算出命令電壓。

Description

電助自行車及其輔助動力的控制方法

本發明是有關於一種電助自行車，且特別是有關於一種可計算出可靠的估測速度的電助自行車輔助動力。

在習知技術領域中，電助自行車中的助動馬達的控制設計上，僅透過偵測速度之方式，並利用牛頓第二運動定律(F=ma)的公式，來將速度轉換成踩踏扭矩力，並給予1：1輔助力道。然而，這種計算方式，在當騎乘在上坡段及/或不平穩地面上時，習知技術中進行的速度偵測，將會獲得一不穩定的偵測信號，其中的加速度(a)為不連續數值，而使得計算出的踩踏力(F)亦為不穩定。如此一來，電助自行車無法使助動馬達輸出最佳輔助力，來給予使用者合適的幫助，更甚者，當踩踏力的計算有較大的誤差時，可能造成助動馬達輸出的輔助力過大，而有造成使用者受到驚嚇或甚至受傷的可能。

本發明提供一種電助自行車及其輔助動力的控制方法，可在低運動速度時，提供穩定的輔助動力。

本發明的電助自行車包括驅動電路、轉速偵測器以及命令電壓產生器。驅動電路接收命令電壓，並依據命令電壓以驅動電助自行車的助動馬達。轉速偵測器依據電助自行車的傳動齒輪的轉動狀態以產生具有多數個脈波的偵測信號。命令電壓產生器耦接轉速偵測器以及驅動電路。命令電壓產生器接收偵測信號，並用以：計算該偵測信號中的脈波中，相鄰的二脈波間的多個時間；依據所述時間執行數值微分運算，以產生估測速度值；設定電動輔助策略表，依據估測速度值與電動輔助策略表以計算出命令電壓，其中，電動輔助策略表記錄電動輔助比率與估測速度值間的關係。

本發明的輔助動力的控制方法適用於電助自行車。控制方法包括：依據電助自行車的傳動齒輪的轉動狀態以產生具有多數個脈波的偵測信號；計算偵測信號中的脈波中，相鄰的二脈波間的多個時間；依據時間執行數值微分運算，以產生估測速度值；設定電動輔助策略表，依據估測速度值與電動輔助策略表以計算出命令電壓，其中，電動輔助策略表記錄電動輔助比率與估測速度值間的關係。

基於上述，本發明透過偵測傳動齒輪的轉動狀態以產生偵測信號，計算偵測信號的相鄰脈波間的時間，並透過針對所述時間執行數值微分運算，以獲得估測速度值，另依據估測速度值來對應電動輔助策略表以計算出命令電壓。如此一來，可於電助自行車在低運動速度的條件下，產生穩定的命令電壓，並使助動馬達產生穩定的輔助動力，提升騎乘上的舒適度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧電助自行車

110、720‧‧‧驅動電路

120‧‧‧轉速偵測器

130、300、400、500‧‧‧命令電壓產生器

MOT‧‧‧助動馬達

V*‧‧‧命令電壓

DS‧‧‧偵測信號

C1‧‧‧傳動齒輪

TS‧‧‧偵測起始點

TD1~TDN‧‧‧偵測時間區間

PS1、PS2、PS3‧‧‧脈波

T_K-2、T_K-1、T_K‧‧‧時間

VE‧‧‧估測速度值

MOT‧‧‧助動馬達

310‧‧‧處理器

320‧‧‧查找表

410‧‧‧濾波器

420、450‧‧‧格式轉換器

430‧‧‧查找表

440‧‧‧處理器

510‧‧‧電路板

520‧‧‧連接器

501‧‧‧命令電壓產生模組

VR1-VR3‧‧‧參考速度

R1-R2‧‧‧電動輔助比率

730‧‧‧電壓偵測器

740‧‧‧濾波器

750‧‧‧霍爾(Hall)偵測器

760‧‧‧轉速偵測器

OP1~OP3‧‧‧運算器

721‧‧‧多相位命令電壓產生器

722‧‧‧驅動信號產生器

Q1-Q6‧‧‧驅動信號

V_a、V_b、V_c‧‧‧驅動相電壓

V_a ^*、V_b ^*、V_c ^*‧‧‧多相位命令電壓

θ_e‧‧‧轉動狀態

S810-S840‧‧‧輔助動力的控制步驟

圖1繪示本發明一實施例的電助自行車的方塊圖。

圖2繪示本發明實施例的偵測信號的偵測動作的示意圖。

圖3繪示本發明實施例的命令電壓產生器的實施方式的示意圖。

圖4繪示本發明實施例的命令電壓產生器的另一實施方式的示意圖。

圖5繪示本發明實施例的命令電壓產生器的在一實施方式的示意圖。

圖6繪示本發明實施例的電動輔助策略的實施方式的示意圖。

圖7繪示本發明實施例的電助自行車的另一實施方式的示意圖。

圖8繪示本發明一實施例的電助自行車的輔助動力的控制方法的流程圖。

請參照圖1，圖1繪示本發明一實施例的電助自行車的方塊圖。電助自行車100包括驅動電路110、轉速偵測器120以及命令電壓產生器130。驅動電路110耦接至電助自行車100的助動馬達MOT，接收命令電壓V^*，並依據命令電壓V^*以驅動電助自行車100的助動馬達MOT。轉速偵測器120則偵測電助自行車100的傳動齒輪C1的轉動狀態，並依據電助自行車100的傳動齒輪C1的轉動狀態來產生偵測信號。其中，偵測信號上具有多數個脈波。進一步來說明，當電助自行車100的傳動齒輪C1依據騎乘者的踩踏動作而產生轉動，當傳動齒輪C1的轉動角度每超過一個預設角度時，偵測信號上可產生對應的一個脈波。也就是說，當傳動齒輪C1每轉動一圈，偵測信號上可產生固定數量的多個脈波。

此外，在本發明實施例中，命令電壓產生器130耦接轉速偵測器120以及驅動電路110。命令電壓產生器130透過轉速偵測器120接收偵測信號，並且，命令電壓產生器130計算偵測信號中的脈波中，相鄰的二脈波間的時間，並依據所獲得的多個時間來執行數值微分運算，並藉以產生估測速度值。命令電壓產生器130另設定電動輔助策略表，並依據估測速度值與電動輔助策略表來計算出命令電壓V^*。其中，電動輔助策略表中記錄電動輔助比率與估測速度值間的關係。

細節上來說明，請同步參照圖1以及圖2，其中，圖2 繪示本發明實施例的偵測信號的偵測動作的示意圖。在此請注意，在當電助自行車開始啟動的初期、或在上坡路段、不整平路段行駛的過程中，傳動齒輪C1的轉動可能不順暢而生斷斷續續的現象。也因此，偵測信號DS上產生的連續脈波中，相鄰二脈波間的時間不相同。命令電壓產生器130可設定固定時間長短的偵測週期，並依據所設定的偵測週期，週期性對偵測信號DS有無產生脈波進行偵測。其中，在圖2中，命令電壓產生器130可由偵測起始點TS開始，在多個偵測時間區間TD1~TDN中持續對偵測信號DS有無產生脈波進行偵測，其中時間區間TD1~TDN的時間長短都是固定的，並等於預先設定的偵測週期。在本發明一實施例中，這個偵測週期可以設定為一毫秒。當然，在本發明其他實施例中，這個偵測週期可以由設計者依據電助自行車的實際狀態來設定為其他的數值，沒有特別的限制。

在此請注意，在時間區間TD1中，偵測信號DS並無產生脈波。在接下來的時間區間TD2中，偵測信號DS則產生脈波PS1。在此同時，命令電壓產生器130可計算出由起始點TS至產生脈波PS1中所需的時間，並獲得時間T_K-2。

命令電壓產生器130可持續進行偵測信號DS的偵測動作，並在時間區間TD_M+1中偵測到偵測信號DS上的第二個脈波PS2。接著，命令電壓產生器130可計算脈波PS1、PS2間的時間，並獲得時間T_K-1。承續上述，命令電壓產生器130持續進行偵測信號DS的偵測動作，並在時間區間TD_N中偵測到偵測信號DS上的第三個脈波PS3。命令電壓產生器130並計算脈波PS2、PS3間的時間，並獲得時間T_K。

在命令電壓產生器130獲得上述的多個時間T_K-2、T_K-1以及T_K後，命令電壓產生器130可依據時間T_K-2、T_K-1以及T_K執行數值微分運算，並藉以產生估測速度值。其中，在本發明實施例中，命令電壓產生器130可依據時間T_K-2、T_K-1以及T_K以及T_K-2、T_K-1以及T_K的倒數(乘法反元素)來計算出估測速度值VE，計算方式可如式(1)所示：

在此請注意，命令電壓產生器130可持續針對偵測信號DS進行偵測動作，並在偵測信號DS持續產生新的脈波的條件下，命令電壓產生器130可針對最新獲得的連續三個時間進行數值微分運算，以產生最新的估測速度值VE。

此外，上述透過三個時間T_K-2、T_K-1以及T_K執行數值微分運算以產生估測速度值的方式僅只是一個範例，本發明實施例可透過更多數量的時間來進行數值微分運算。

在另一方面，關於電動輔助策略表的部分。電動輔助策略表可設置在記憶裝置中，且記憶裝置可內建在命令電壓產生器130中，或外掛於命令電壓產生器130外。在本發明實施例中，電動輔助策略表可以是查找表的形式，並記錄電動輔助比率與估測速度值VE間的關係。值得注意的，電動輔助比率指示助動馬達MOT所需產生的助力大小，而當電動輔助比率高時，助動馬達MOT需產生相對大的助力，相對的，當電動輔助比率低時，助動馬達MOT需產生相對低的助力。而在電動輔助策略表中，電動輔助比率與估測速度值VE的大小是負相關。

以下請參照圖3，圖3繪示本發明實施例的命令電壓產生器的實施方式的示意圖。命令電壓產生器300包括處理器310以及查找表320。處理器310接收偵測信號DS，並耦接查找表320。查找表320中記錄電動輔助策略表。處理器310透過針對偵測信號DS上產生脈波的狀態進行偵測，並獲得多個相鄰脈波間的時間。再利用上述時間進行連續的數值微分運算來產生估測速度值VE。處理器310並透過估測速度值VE來對查找表320執行查找動作，並獲得對應估測速度值VE的電動輔助比率。處理器310另依據電動輔助比率來產生命令電壓V^*。

以下請參照圖4，圖4繪示本發明實施例的命令電壓產生器的另一實施方式的示意圖。命令電壓產生器400包括濾波器410、格式轉換器420、450、查找表430以及處理器440。濾波器410接收偵測信號DS，並針對偵測信號DS進行雜訊的濾除動作。濾波後的偵測信號DS被傳送至格式轉換器420以進行信號格式的轉換動作。在本實施例中，格式轉換器420為類比數位轉換器。

處理器440接收數位格式的偵測信號，並配合查找表430中的電動輔助策略表來產生命令電壓。而格式轉換器450則針對處理器440所產生的命令電壓進行信號格式的轉換，並產生類比格式的命令電壓V^*。在本實施例中，格式轉換器450為數位類比轉換器。

附帶一提的，關於上述圖3、圖4實施例中的處理器310、440可以為具運算能力的處理器。或者，處理器310、440可以是透過硬體描述語言(Hardware Description Language,HDL)或是其他任意本領域具通常知識者所熟知的數位電路的設計方式來進行設計，並透過現場可程式邏輯門陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)、複雜可程式邏輯裝置(Complex Programmable Logic Device,CPLD)或是特殊應用積體電路(Application-specific Integrated Circuit,ASIC)的方式來實現的硬體電路。

關於查找表320、430的部分，可應用任意本領域具通常知識者所熟知的記憶裝置來實施，例如任意形式的記憶體。而關於濾波器410，則可應用本領域具通常知識者所熟知的濾波電路來完成，同樣的，關於格式轉換器420、450，也可應用本領域具通常知識者所熟知的類比數位轉換電路以及數位類比轉換電路來實施，沒有特定的限制。

以下請參照圖5，圖5繪示本發明實施例的命令電壓產生器的在一實施方式的示意圖。在圖5中，命令電壓產生器500可被設置在電路板510上，並成為一種模組化的裝置(命令電壓產生模組501)。電路板510上並配置連接器520，並透過連接器520可拆卸式的連接到對應的電助自行車上。當電助自行車的速度估測方式以及電動輔助策略的至少其中之一要變更時，只需要簡單的抽換命令電壓產生模組501即可，提升電助自行車在生產組裝上的便利性。

附帶一提的，上述的連接器520可以是任意形式的連接器，圖5繪示的金手指形式的連接器僅只是一個說明範例，不用以限縮本發明的範疇。此外，電路板510上可另配置其他的電路元件，沒有特定的限制。

請參照圖6，圖6繪示本發明實施例的電動輔助策略的實施方式的示意圖。本發明實施例中，在設定電動輔助策略時，可設定多個參考速度VR1-VR3以及對應的多個電動輔助比率R1-R2。以參考速度VR1<VR2<VR3，且電動輔助比率R2>R1為範例，當估測速度值小於參考速度值VR1時，電動輔助策略對應提供相對大的電動輔助比率R2，當估測速度值介於參考速度值VR1及VR2時，電動輔助策略對應提供相對小的電動輔助比率R1。在當估測速度值大於參考速度值VR2時，電動輔助策略對應的電動輔助比率為0。

請參照圖7，圖7繪示本發明實施例的電助自行車的另一實施方式的示意圖。電助自行車700包括命令電壓產生器710、驅動電路720、電壓偵測器730、濾波器740、霍爾(Hall)偵測器750、轉速偵測器760以及運算器OP1~OP3。命令電壓產生器710產生命令電壓V^*，並提供命令電壓V^*至驅動電路720。驅動電路720包括多相位命令電壓產生器721以及驅動信號產生器722。多相位命令電壓產生器721依據命令電壓V^*產生多相位命令電壓V_a ^*、V_b ^*、V_c ^*，並分別提供多相位命令電壓V_a ^*、V_b ^*、V_c ^*至運算器OP1~OP3。運算器OP1~OP3分別使多相位命令電壓V_a ^*、V_b ^*、V_c ^*與多個回授信號進行減法運算，並將所產生的運算結果傳送至驅動信號產生器722。

驅動信號產生器722用以產生多個驅動信號Q1-Q6，並透過驅動信號Q1-Q6來驅動電晶體Tx，並藉以提供助動馬達MOT驅動電壓。

此外，電壓偵測器730耦接至助動馬達MOT，並偵測助動馬達MOT的多個驅動相電壓V_a、V_b、V_c並產生多個回授信號。回授信號透過濾波器740進行雜訊的濾除動作，並被提供至運算器OP1~OP3以執行減法運算。

此外，霍爾偵測器750偵測助動馬達MOT的轉動狀態θ_e，並將偵測到的轉動狀態θ_e傳送至多相位命令電壓產生器721，以做為多相位命令電壓產生器721產生多相位命令電壓V_a ^*、V_b ^*、V_c ^*的依據。

轉速偵測器760則偵測電助自行車700的傳動齒輪的轉動狀態，並產生偵測信號DS。

以下請參照圖8，圖8繪示本發明一實施例的電助自行車的輔助動力的控制方法的流程圖。其中，步驟S810依據電助自行車的傳動齒輪的轉動狀態以產生具有多個脈波的偵測信號；步驟S820計算上述偵測信號中的脈波中，相鄰的二脈波間的多個時間；步驟S830則依據上述時間執行數值微分運算，以產生估測速度值；接著，步驟S840則設定電動輔助策略表，並依據估測速度值與電動輔助策略表以計算出命令電壓。

關於上述步驟的實施細節，在前述的多個實施例中都有詳盡的說明，在此恕不多贅述。

綜上所述，本發明偵測傳動齒輪的轉動狀態以產生具有多數個脈波的偵測信號，並透過針對偵測信號上多個脈波間的時間來進行數值微分運算，可產生穩定的估測速度值。本發明另透過設置電動輔助策略表來產生電動輔助比率，以有效的使助動馬達提供合適的助動力，提升電助自行車的使用便利度以及安全性。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims

一種電助自行車，包括：一驅動電路，接收一命令電壓，並依據該命令電壓以驅動該電助自行車的一助動馬達；一轉速偵測器，依據該電助自行車的一傳動齒輪的一轉動狀態以產生具有多數個脈波的一偵測信號；以及一命令電壓產生器，耦接該轉速偵測器以及該驅動電路，該命令電壓產生器接收該偵測信號，並用以：計算該偵測信號中的該些脈波中，相鄰的二脈波間的多個時間；依據該些時間執行一數值微分運算，以產生一估測速度值；設定一電動輔助策略表，依據該估測速度值與該電動輔助策略表以計算出該命令電壓，其中，該電動輔助策略表記錄一電動輔助比率與該估測速度值間的關係。
如申請專利範圍第1項所述的電助自行車，其中該命令電壓產生器設定一偵測週期，依據該偵測週期，週期性的偵測該偵測信號有無產生各該脈波。
如申請專利範圍第2項所述的電助自行車，其中該偵測週期為1毫秒。
如申請專利範圍第1項所述的電助自行車，其中該命令電壓產生器包括：一處理器，計算該些時間，依據該些時間執行該數值微分運算以產生該估測速度值，並依據該電動輔助策略表以及該估測速度值計算出該命令電壓；以及一查找表，耦接該處理器，儲存該電動輔助策略表，並提供該電動輔助策略表至該處理器。
如申請專利範圍第4項所述的電助自行車，其中該命令電壓產生器更包括：一濾波器，耦接至該處理器，接收並針對該偵測信號進行濾波，並提供一濾波後偵測信號至該處理器。
如申請專利範圍第4項所述的電助自行車，其中該些時間包括一第一時間、一第二時間以及一第三時間，該處理器計算該第一時間、該第二時間以及該第三時間的多數個倒數，並依據該第一時間以及該些倒數以執行該數值微分運算。
如申請專利範圍第6項所述的電助自行車，其中該估測速度值等於，其中，T_K為該第三時間，T_K-1為該第二時間T_K-2為該第一時間。
如申請專利範圍第1項所述的電助自行車，其中該電動輔助比率的大小與該估測速度值的大小呈負相關。
如申請專利範圍第6項所述的電助自行車，其中在該電動輔助策略表中，小於一第一參考速度值的該估測速度值對應至一第一電動輔助比率，介於該第一參考速度值與一第二參考速度值間的該估測速度值對應至一第二電動輔助比率，大於該第二參考速度值間的該估測速度值對應至一第三電動輔助比率，其中，該第一參考速度值小於該第二參考速度值，且該第一電動輔助比率大於該第二電動輔助比率，該第二電動輔助比率大於該第三電動輔助比率。
如申請專利範圍第1項所述的電助自行車，其中該驅動電路包括：一多相位命令電壓產生器，耦接該命令電壓產生器，依據該命令電壓產生多個相位命令電壓；以及一驅動信號產生器，耦接該多相位命令電壓產生器，依據該些相位命令電壓以產生多個驅動信號以驅動該助動馬達。
如申請專利範圍第10項所述的電助自行車，其中該驅動電路更包括：一電壓偵測器，耦接該助動馬達，偵測該助動馬達的多個驅動相電壓並產生多個回授信號；以及一運算器，耦接至該多相命令電壓產生器以及該電壓偵測器，使該些相位命令電壓分別與該些回授信號進行運算，並提供多個運算後相位命令電壓至該驅動信號產生器。
如申請專利範圍第1項所述的電助自行車，其中該命令電壓產生器設置於一電路板上，該電路板可拆卸耦接至該電助自行車。
一種輔助動力的控制方法，適用於一電助自行車，包括：依據該電助自行車的一傳動齒輪的一轉動狀態以產生具有多數個脈波的一偵測信號；計算該偵測信號中的該些脈波中，相鄰的二脈波間的多個時間；依據該些時間執行一數值微分運算，以產生一估測速度值；設定一電動輔助策略表，依據該估測速度值與該電動輔助策略表以計算出該命令電壓，其中，該電動輔助策略表記錄一電動輔助比率與該估測速度值間的關係。
如申請專利範圍第13項所述的輔助動力的控制方法，其中計算該偵測信號中的該些脈波中，相鄰的二脈波間的該些時間的步驟包括：設定一偵測週期，並依據該偵測週期，週期性的偵測該偵測信號有無產生各該脈波。
如申請專利範圍第13項所述的輔助動力的控制方法，其中該些時間包括一第一時間、一第二時間以及一第三時間，依據該些時間執行該數值微分運算，以產生該估測速度值的步驟包括：計算該第一時間、該第二時間以及該第三時間的多數個倒數；以及依據該第一時間以及該些倒數以執行該數值微分運算。
如申請專利範圍第15項所述的輔助動力的控制方法，其中該估測速度值等於，其中，T_K為該第三時間，T_K-1為該第二時間T_K-2為該第一時間。
如申請專利範圍第13項所述的輔助動力的控制方法，其中該電動輔助比率的大小與該估測速度值的大小呈負相關。
如申請專利範圍第13項所述的輔助動力的控制方法，其中設定該電動輔助策略表的步驟包括：設定一第一參考速度值以及一第二參考速度值；以及設定小於一第一參考速度值的該估測速度值對應至一第一電動輔助比率，介於該第一參考速度值與一第二參考速度值間的該估測速度值對應至一第二電動輔助比率，大於該第二參考速度值間的該估測速度值對應至一第三電動輔助比率，其中，該第一參考速度值小於該第二參考速度值，且該第一電動輔助比率大於該第二電動輔助比率，該第二電動輔助比率大於該第三電動輔助比率。