TWI790579B - 用於電動輔助腳踏車的驅動裝置以及驅動方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於電動輔助腳踏車的驅動裝置以及驅動方法。驅動裝置包括馬達、轉速感測器、力矩感測器以及控制器。轉速感測器感測曲柄的轉速值。力矩感測器獲得曲柄對電動輔助腳踏車的齒盤施加的力矩平均值。控制器反應於轉速值以及力矩平均值來控制馬達的輸出。

Description

用於電動輔助腳踏車的驅動裝置以及驅動方法
本發明是有關於一種驅動裝置以及驅動方法，且特別是有關於一種用於電動輔助腳踏車的驅動裝置以及驅動方法。
隨著環保意識抬頭，現在騎乘腳踏車的人日益增加，其中電動輔助腳踏車因為有電力輔助，騎乘上較不費力，因此越來越受歡迎。現行電動輔助腳踏車的驅動方式大致上是依據轉速、踩踏力矩以及油門輸出的其中一者來驅動電動輔助腳踏車。
然而，目前市場上現有的電動輔助腳踏車僅僅是根據轉速、踩踏力矩以及油門輸出的其中一者的數值來直接控制馬達的輸出，並沒有將上述的數值更進一步去處理與分析。因此現行電動輔助腳踏車的不容易符合使用者對騎乘的要求，使得騎乘感受並不舒適。
本發明提供一種用於電動輔助腳踏車的驅動裝置以及驅 動方法，能夠在不同騎乘情境下的提供更舒適的騎乘感受。
本發明的驅動裝置適用於電動輔助腳踏車。驅動裝置包括馬達、轉速感測器、力矩感測器以及控制器。馬達提供所述電動輔助腳踏車前進所需的驅動轉矩。轉速感測器感測電動輔助腳踏車的曲柄以及齒盤的其中一者的轉速值。力矩感測器獲得曲柄對電動輔助腳踏車的齒盤施加的力矩平均值。控制器耦接於馬達、轉速感測器以及力矩感測器。控制器反應於轉速值以及力矩平均值來控制馬達的輸出。
本發明的驅動方法適用於電動輔助腳踏車。電動輔助腳踏車包括齒盤、曲柄以及馬達。驅動方法包括：藉由轉速感測器感測曲柄以及齒盤的其中一者的轉速值，並藉由力矩感測器獲得曲柄對齒盤施加的力矩平均值；以及反應於轉速值以及力矩平均值來控制馬達的輸出。
基於上述，本發明的驅動裝置以及驅動方法反應於轉速值以及力矩平均值來控制馬達的輸出。因此，本發明的驅動裝置以及驅動方法能夠在不同騎乘情境下的提供更舒適的騎乘感受。
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:驅動裝置
110:馬達
120:轉速感測器
130:力矩感測器
140:控制器
150:齒盤
160:曲柄
V1:轉速值
V2:力矩平均值
CS:控制訊號
S110~S120:步驟
S210~S280:步驟
TVD:預設力矩值
SIT01~SIT11:騎乘情境
RPMmax:最大轉速值
RPMacc:高速轉速值
RPMidle:閒置轉速值
圖1是依據本發明一實施例所繪示的驅動裝置的示意圖。
圖2是依據本發明一實施例所繪示的曲柄的運動示意圖。
圖3是依據本發明一實施例所繪示的驅動方法流程圖。
圖4是依據本發明一實施例所繪示的另一驅動方法流程圖。
圖5是依據本發明一實施例所繪示的騎乘情境示意圖。
本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的範例。
請參考圖1以及圖2，圖1是依據本發明一實施例所繪示的驅動裝置的示意圖。圖2是依據本發明一實施例所繪示的曲柄的運動示意圖。在本實施例中，驅動裝置100適用於電動輔助腳踏車。驅動裝置100被設置於電動輔助腳踏車上。驅動裝置100包括馬達110、轉速感測器120、力矩感測器130以及控制器140。馬達110用以提供電動輔助腳踏車前進所需的驅動轉矩以驅動電動輔助腳踏車的至少一車輪。
在本實施例中，轉速感測器120感測曲柄160的轉速值V1。力矩感測器130獲得曲柄160對電動輔助腳踏車的齒盤150施加的力矩平均值V2。力矩平均值V2關聯於使用者的踩踏力道。應注意的是，基於曲柄160的方向以及使用者的施力方式，曲柄 160所產生的力矩值並不相同。舉例來說，當曲柄160呈垂直時所提供的力矩值會明顯小於當曲柄160呈水平時所提供的力矩值。因此，在本實施例中，力矩感測器130會感測曲柄160繞行一周的多個力矩值，並紀錄所述多個力矩值。接下來，力矩感測器130會對所述多個力矩值進行平均運算以獲得力矩平均值V2。舉例來說，在曲柄160繞行一周的過程中，力矩感測器130會紀錄曲柄160每旋轉90°的多個力矩值。也就是4個力矩值。力矩感測器130會對4個力矩值進行平均運算以獲得力矩平均值V2。另舉例來說，在曲柄160繞行一周的過程中，力矩感測器130會紀錄曲柄160每旋轉60°的多個力矩值。也就是6個力矩值。力矩感測器130會對6個力矩值進行平均運算以獲得力矩平均值V2。
也應注意的是，轉速值V1以及力矩平均值V2會共同反映出使用者的騎乘狀況。
在一些實施例中，轉速感測器120感測齒盤150的轉速值V1。也就是說，轉速感測器120感測曲柄160或齒盤150的轉速值V1。
在本實施例中，控制器140耦接於馬達110、轉速感測器120以及力矩感測器130。控制器140會接收來自於轉速感測器120的轉速值V1並且接收來自於力矩感測器130的力矩平均值V2。控制器140會反應於轉速值V1以及力矩平均值V2來控制馬達110的輸出。在本實施例中，控制器140會反應於轉速值V1以及力矩平均值V2提供控制訊號CS。馬達110會反應於控制訊號CS提供 對應的輸出。也就是說，基於控制器140的控制，馬達110會提供對應於轉速值V1以及力矩平均值V2的騎乘狀況的輸出。
控制器140例如是中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(Microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)或其他類似裝置或這些裝置的組合，其可載入並執行電腦程式。
在此值得一提的是，驅動裝置100反應於轉速值V1以及力矩平均值V2來控制馬達110的輸出。轉速值V1以及力矩平均值V2會能夠反映出使用者的騎乘狀況。因此，驅動裝置100能夠對使用者的騎乘狀況對馬達110的輸出進行控制。如此一來，驅動裝置100能夠在不同騎乘情境下提供更舒適的騎乘感受。
請同時參考圖1以及圖3，圖3是依據本發明一實施例所繪示的驅動方法流程圖。本實施例的驅動方法在步驟S110中會感測曲柄160以及齒盤150的其中一者的轉速值V1，並獲得曲柄160對齒盤150施加的力矩平均值V2。本實施例的驅動方法可適用於驅動裝置100。在本實施例中，轉速值V1可以經由轉速感測器120來獲得。力矩平均值V2可以經由力矩感測器130來獲得。驅動方法在步驟S120中會反應於轉速值V1以及力矩平均值V2來控制馬達110的輸出。在本實施例中，步驟S120可以由控制器140來 執行。步驟S110、S120的實施細節可以至少由圖1、2實施例中獲得足夠的教示，因此恕不在此重述。
請同時參考圖1以及圖4，圖4是依據本發明一實施例所繪示的另一驅動方法流程圖。本實施例的驅動方法可適用於驅動裝置100。在本實施例中，驅動方法在步驟S210中會經由轉速感測器120感測曲柄160以及齒盤150的其中一者的轉速值V1，並經由力矩感測器130獲得曲柄160對齒盤150施加的力矩平均值V2。在步驟S220中，控制器140會判斷轉速值V1是否大於閒置轉速值。當轉速值V1被判斷出低於或等於閒置轉速值時，控制器140會在步驟S230中對馬達110進行控制，以使馬達110停止輸出。也就是說，馬達110在步驟S230中不提供驅動轉矩。具體來說，轉速值V1低於或等於閒置轉速值(例如是10 RPM)意謂著電動輔助腳踏車的轉速值V1極低。馬達110會停止輸出而不論力矩平均值V2為何。因此，使用者例如在電動輔助腳踏車停止的情況下踩動踏板而產生力矩平均值V2，馬達110會停止輸出。如此一來，在電動輔助腳踏車停止的情況下，驅動裝置100可預防使用者踩踏在踏柄上而使馬達110突然提供輸出所造成的危險。在步驟S230之後，驅動方法會回到步驟S210。在本實施例中，閒置轉速值可以依據實際的需求被修改或設定，本發明並不以10 RPM為限。
在另一方面，當轉速值V1在步驟S220中被判斷出高於閒置轉速值時，控制器140會在步驟S240中判斷轉速值V1是否 高於高速轉速值。當轉速值V1被判斷出高於高速轉速值時，控制器140會在步驟S250中依據轉速值V1對馬達110進行控制，使得馬達110提供高速輸出。具體來說，轉速值V1高於高速轉速值(例如是800 RPM，本發明並不以此為限)意謂著電動輔助腳踏車的轉速值V1很高。因此，馬達110會被控制以提供高速輸出。在本實施例中，高速轉速值可以依據實際的需求被修改或設定，本發明並不以800 RPM為限。
在本實施例中，所述的高速輸出會與轉速值V1呈正相關，並且介於馬達110的滿載輸出與馬達110的滿載輸出的預設百分比(例如約50%，也就是滿載輸出的一半)之間。在一些實施例中，所述的高速輸出會與轉速值V1呈正比並介於馬達110的滿載輸出與馬達110的滿載輸出的預設百分比之間。在步驟S250之後，驅動方法會回到步驟S210。在本實施例中，預設百分比可以依據實際的需求被修改或設定，本發明並不以50%為限。
在本實施例中，當轉速值V1在步驟S240中被判斷出高於閒置轉速值並且低於或等於高速轉速值時，控制器140會在步驟S260中進一步判斷力矩平均值V2是否高於預設力矩值。當力矩平均值V2在步驟S260中被判斷出高於預設力矩值時，控制器140會在步驟S270中對馬達110進行控制，以使馬達110提供對應於力矩平均值V2的輸出。也就是說，當轉速值V1高於閒置轉速值並且低於或等於高速轉速值，並且力矩平均值V2高於預設力矩值時，馬達110會在步驟S270中被控制以提供對應於力矩平均 值V2的輸出。舉例來說，在步驟S270中，馬達110的輸出會與力矩平均值V2呈正相關。另舉例來說，在步驟S270中，馬達110的輸出會與力矩平均值V2呈正比。在步驟S270之後，驅動方法會回到步驟S210。在本實施例中，預設力矩值可以依據實際的需求被修改或設定。
在另一方面，當力矩平均值V2在步驟S260中被判斷出小於或等於預設力矩值時，控制器140會在步驟S280中對馬達110進行控制，以使馬達110提供預設輸出。也就是說，當轉速值V1高於閒置轉速值並且低於或等於高速轉速值，並且力矩平均值V2小於或等於預設力矩值時，馬達110會在步驟S280中被控制以提供預設輸出。舉例來說，預設輸出大致上是馬達110的滿載輸出的預設百分比。在步驟S280之後，驅動方法會回到步驟S210。
接下來舉例說明驅動裝置在不同的騎乘情境下的實施細節。請同時參考圖1、圖4以及圖5，圖5是依據本發明一實施例所繪示的騎乘情境示意圖。圖5示出了騎乘情境SIT01~SIT11。首先，在騎乘情境SIT01中，例如是電動輔助腳踏車處於剎車狀態中，轉速值V1小於閒置轉速值RPMidle。因此，控制器140會控制馬達110停止輸出(步驟S230)而不論力矩平均值V2為何。
在騎乘情境SIT01的後期，使用者開始踩踏電動輔助腳踏車的踏柄，使得轉速值V1被增加。在騎乘情境SIT02中，轉速值V1大於閒置轉速值RPMidle並且小於或等於高速轉速值RPMacc。此外力矩平均值V2大於預設力矩值TVD。因此，控制 器140會控制馬達110提供對應於力矩平均值V2的輸出(步驟S270)。
在騎乘情境SIT03中，電動輔助腳踏車行駛於上坡路段，轉速值V1降低，但仍大於閒置轉速值RPMidle並且小於或等於高速轉速值RPMacc。此外，力矩平均值V2增加，但仍大於預設力矩值TVD。因此，馬達110仍會提供對應於力矩平均值V2的輸出(步驟S270)。騎乘情境SIT02、SIT03中，馬達110所提供的輸出會對應於使用者的踩踏力道。
在騎乘情境SIT04中，電動輔助腳踏車行駛於平面路段，使用者降低了踩踏力道，使得力矩平均值V2小於預設力矩值TVD但轉速值仍大於閒置轉速值RPMidle。因此，控制器140會控制馬達110提供預設輸出(步驟S280)。預設輸出可例如是馬達110的滿載輸出的預設百分比。
在騎乘情境SIT05的前段，使用者使電動輔助腳踏車停止。轉速值V1小於閒置轉速值RPMidle。力矩平均值V2小於預設力矩值TVD。因此，控制器140會使馬達110停止輸出(步驟S230)。在騎乘情境SIT05的後段，使用者輕輕踩踏踏柄，雖然力矩平均值V2小於預設力矩值TVD，但轉速值V1大於閒置轉速值RPMidle並且小於或等於高速轉速值RPMacc。因此，控制器140會控制馬達110提供預設輸出(步驟S280)。
在騎乘情境SIT06的前段，馬達110仍會提供預設輸出(步驟S280)。在騎乘情境SIT06的後段，轉速值V1大於高速轉 速值RPMacc。因此，馬達110會提供高速輸出(步驟S250)。也就是說，不論力矩平均值V2是否高於預設力矩值TVD(圖中以力矩平均值V2小於預設力矩值TVD為例)，馬達110都會提供高速輸出。高速輸出會與轉速值V1呈正相關，並且介於馬達110的滿載輸出與馬達110的滿載輸出的預設百分比之間。在本實施例中，馬達110的滿載輸出可例如是對應到電動輔助腳踏車的最大轉速值RPMmax。在一些實施例中，馬達110的滿載輸出可例如是對應到電動輔助腳踏車的額定車速的輸出。在一些實施例中，對應於額定車速的輸出對應到最大轉速值RPMmax。
在騎乘情境SIT07中，電動輔助腳踏車行駛於上坡路段。轉速值V1大於閒置轉速值RPMidle並且小於等於高速轉速值RPMacc。使用者大幅提高了踩踏力道，使得力矩平均值V2大於預設力矩值TVD。因此，控制器140會控制馬達110提供對應於力矩平均值V2的輸出(步驟S270)。
在騎乘情境SIT08中，電動輔助腳踏車行駛於平面路段。使用者降低了踩踏力道，但力矩平均值V2還是大於預設力矩值TVD。因此，控制器140會控制馬達110提供對應於力矩平均值V2的輸出(步驟S270)。
在騎乘情境SIT09中，電動輔助腳踏車行駛於下坡路段。電動輔助腳踏車開始滑行。使用者不踩踏踏柄，使得轉速值V1小於閒置轉速值RPMidle並且力矩平均值V2小於預設力矩值TVD。因此，控制器140會控制馬達110停止輸出(步驟S230)。
在騎乘情境SIT10中，電動輔助腳踏車行駛於平面路段。騎乘情境SIT10相似於騎乘情境SIT02的範例。控制器140會控制馬達110提供對應於力矩平均值V2的輸出(步驟S270)。
在騎乘情境SIT11中，使用者使電動輔助腳踏車停止。因此，控制器140會使馬達110停止輸出(步驟S230)。
由此可知，驅動裝置100能夠在騎乘情境SIT01~SIT11下配合使用者的操作來控制馬達110的輸出。由於轉速值V1以及力矩平均值V2會反應出使用者在不同騎乘情境的騎乘操作。因此，驅動裝置100能夠提供更舒適的騎乘感受。
綜上所述，本發明的驅動裝置以及驅動方法反應於齒盤或曲柄的轉速值以及力矩平均值來控制馬達的輸出。由於轉速值以及力矩平均值會反應出使用者在不同騎乘情境的騎乘操作。如此一來，本發明的驅動裝置以及驅動方法能夠在不同騎乘情境下滿足使用者的騎乘要求，從而提供更舒適的騎乘感受。
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。
100:驅動裝置 110:馬達 120:轉速感測器 130:力矩感測器 140:控制器 CS: 控制訊號 V1: 轉速值 V2: 力矩平均值

Claims (14)

  1. 一種用於電動輔助腳踏車的驅動裝置，包括：馬達，經配置以提供所述電動輔助腳踏車前進所需的驅動轉矩；轉速感測器，經配置以感測所述電動輔助腳踏車的曲柄以及齒盤的其中一者的轉速值；力矩感測器，經配置以獲得所述曲柄對所述電動輔助腳踏車的所述齒盤施加的力矩平均值；以及控制器，耦接於所述馬達、所述轉速感測器以及所述力矩感測器，經配置以反應於所述轉速值以及所述力矩平均值來控制所述馬達的輸出，其中所述力矩感測器感測所述曲柄繞行一周中的多個不同角度的多個力矩值，並對所述多個力矩值進行平均運算以獲得所述曲柄繞行一周的所述力矩平均值，且其中所述多個不同角度中的兩相近角度的差小於或等於90度。
  2. 如請求項1所述的驅動裝置，其中當所述轉速值低於或等於閒置轉速值時，所述控制器控制所述馬達以停止提供所述馬達的輸出。
  3. 如請求項1所述的驅動裝置，其中當所述轉速值高於高速轉速值時，所述控制器依據所述轉速值控制所述馬達以提供高速輸出。
  4. 如請求項3所述的驅動裝置，其中所述高速輸出與所述轉速值呈正相關，並且介於所述馬達的滿載輸出與所述馬達的滿載輸出的預設百分比之間。
  5. 如請求項1所述的驅動裝置，其中當所述轉速值高於閒置轉速值並且低於或等於高速轉速值，並且所述力矩平均值大於預設力矩值時，所述控制器控制所述馬達以提供對應於所述力矩平均值的輸出。
  6. 如請求項1所述的驅動裝置，其中當所述轉速值高於閒置轉速值並且低於或等於高速轉速值，並且所述力矩平均值小於或等於預設力矩值時，所述控制器控制所述馬達以提供預設輸出。
  7. 如請求項6所述的驅動裝置，其中所述預設輸出大致上等於所述馬達的滿載輸出的預設百分比。
  8. 一種用於電動輔助腳踏車的驅動方法，其中所述電動輔助腳踏車包括齒盤、曲柄以及馬達，其中所述驅動方法包括：藉由轉速感測器感測所述曲柄以及所述齒盤的其中一者的轉速值，並藉由力矩感測器獲得所述曲柄對所述齒盤施加的力矩平均值；以及反應於所述轉速值以及所述力矩平均值來控制所述馬達的輸出，其中獲得所述曲柄對所述齒盤施加的所述力矩平均值的步驟包括： 感測所述曲柄繞行一周中的多個不同角度的多個力矩值，其中所述多個不同角度中的兩相近角度的差小於或等於90度；以及對所述多個力矩值進行平均運算以獲得所述曲柄繞行一周的所述力矩平均值。
  9. 如請求項8所述的驅動方法，還包括：當所述轉速值低於或等於閒置轉速值時，控制所述馬達以停止提供所述馬達的輸出而不論所述力矩平均值為何。
  10. 如請求項8所述的驅動方法，還包括：當所述轉速值高於高速轉速值時，依據所述轉速值控制所述馬達以提供高速輸出。
  11. 如請求項10所述的驅動方法，其中所述高速輸出與所述轉速值呈正相關，並且介於所述馬達的滿載輸出與所述馬達的滿載輸出的預設百分比之間。
  12. 如請求項8所述的驅動方法，其中反應於所述轉速值以及所述力矩平均值來控制所述馬達的輸出的步驟包括：當所述轉速值高於閒置轉速值並且低於或等於高速轉速值，並且所述力矩平均值大於預設力矩值時，控制所述馬達以提供對應於所述力矩平均值的輸出。
  13. 如請求項8所述的驅動方法，其中反應於所述轉速值以及所述力矩平均值來控制所述馬達的輸出的步驟包括：當所述轉速值高於閒置轉速值並且低於或等於高速轉速值， 並且所述力矩平均值小於或等於預設力矩值時，控制所述馬達以提供預設輸出。
  14. 如請求項13所述的驅動方法，其中所述預設輸出大致上等於所述馬達的滿載輸出的預設百分比。
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