TWM483922U - 電動自行車馬達動力控制裝置 - Google Patents
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Description
本創作係關於一種電動自行車馬達動力控制裝置，尤指一種能有效降低踩踏腳踏板時馬達週期性出力的異動，提供平緩一致的馬達出力予自行車的電動自行車馬達動力控制裝置。
按，習知電動自行車的馬達出力大小之取決控制，概分下列兩種:
(1)依踩踏腳踏板(曲柄)移動速度控制。
即依據踩踏腳踏板(曲柄)移動速度速度，踩踏腳踏板移動速度快，馬達提供的助力愈大。該種控制模式，行駛於平坦路面馬達尚可依據使用者踩踏速度進行出力調整(即馬達出力大與踩踏速度快成正比)。惟，在自行車行駛於爬坡路段時，會因為路段陡峭而降低踩踏速度，導致馬達出力降低，造成電動自行車無法有效在爬坡路段上行進。
(2)依踩踏扭力大小控制。
即依據踩踏扭力大小控制馬達出力大小，踩踏扭力愈大控制馬達出力愈大，如US7814800專利案即是應用於此控制方式。惟，如第一圖所示，踩踏腳踏板時，當曲柄1位移至為0。 時，其力矩值為0；當曲柄1位移至為90。 時，其力矩值最大；當曲柄1位移至為180。 時，其力矩值為0。因此，腳踏板踩踏360。 與力矩的關係圖如第二圖所示，有過大波形異動產生，造成馬達產生過大異動週期性出力，意即腳踏板在360。 移動週期內會有不同出力，造成騎乘者其成的不舒適感。
(1)依踩踏腳踏板(曲柄)移動速度控制。
即依據踩踏腳踏板(曲柄)移動速度速度，踩踏腳踏板移動速度快，馬達提供的助力愈大。該種控制模式，行駛於平坦路面馬達尚可依據使用者踩踏速度進行出力調整(即馬達出力大與踩踏速度快成正比)。惟，在自行車行駛於爬坡路段時，會因為路段陡峭而降低踩踏速度，導致馬達出力降低，造成電動自行車無法有效在爬坡路段上行進。
(2)依踩踏扭力大小控制。
即依據踩踏扭力大小控制馬達出力大小，踩踏扭力愈大控制馬達出力愈大，如US7814800專利案即是應用於此控制方式。惟，如第一圖所示，踩踏腳踏板時，當曲柄1位移至為0。 時，其力矩值為0；當曲柄1位移至為90。 時，其力矩值最大；當曲柄1位移至為180。 時，其力矩值為0。因此，腳踏板踩踏360。 與力矩的關係圖如第二圖所示，有過大波形異動產生，造成馬達產生過大異動週期性出力，意即腳踏板在360。 移動週期內會有不同出力，造成騎乘者其成的不舒適感。
針對上述缺失，本創作人乃深入構思研發創作，經長時間努力，遂有本創作產生。
爰是，本創作之目的係在提供一種能有效降低踩踏腳踏板時馬達週期性出力的異動，提供平緩一致的馬達出力予自行車的電動自行車馬達動力控制裝置。
為達上述目的，本創作的主要特徵係在該電動自行車馬達動力控制裝置，係根據使用者踩踏自行車的運動力度以及踩踏運動角度等數據，透過一線性運算模組進行線性規劃給予補償信號，再將該信號送至一比例及積分模組運算，提供一穩定的輸入電源予一馬達，以控制該馬達出力，藉此，以有效降低踩踏腳踏板時週期性出力的異動，提供平緩一致的馬達出力與自行車者。
爰是，本創作之目的係在提供一種能有效降低踩踏腳踏板時馬達週期性出力的異動，提供平緩一致的馬達出力予自行車的電動自行車馬達動力控制裝置。
為達上述目的，本創作的主要特徵係在該電動自行車馬達動力控制裝置，係根據使用者踩踏自行車的運動力度以及踩踏運動角度等數據，透過一線性運算模組進行線性規劃給予補償信號，再將該信號送至一比例及積分模組運算，提供一穩定的輸入電源予一馬達，以控制該馬達出力，藉此，以有效降低踩踏腳踏板時週期性出力的異動，提供平緩一致的馬達出力與自行車者。
1‧‧‧曲柄
2‧‧‧偵測模組
20‧‧‧運動力矩感測單元
21‧‧‧運動角度感測單元
22‧‧‧車速感測單元
3‧‧‧線性運算模組
4‧‧‧比例及積分模組
5‧‧‧馬達
2‧‧‧偵測模組
20‧‧‧運動力矩感測單元
21‧‧‧運動角度感測單元
22‧‧‧車速感測單元
3‧‧‧線性運算模組
4‧‧‧比例及積分模組
5‧‧‧馬達
第一圖所示係習知自行車腳踏板踩踏180度與產生力矩的關係圖。
第二圖所示係習知自行車腳踏板踩踏360度與產生力矩的關係圖。
第三圖所示係本創作控制裝置的控制流程方塊圖。
第四圖所示係本創作控制裝置依據腳踩運動角度給予補償演算的參考圖。
第五圖所示係習知自行車與地面摩擦力及風阻摩擦力關係圖。
第六圖所示係習知自行車車速與摩擦力函數關係圖。
第七圖所示係本創作控制裝置更包含一車速感測單元的控制流程方塊圖。
第二圖所示係習知自行車腳踏板踩踏360度與產生力矩的關係圖。
第三圖所示係本創作控制裝置的控制流程方塊圖。
第四圖所示係本創作控制裝置依據腳踩運動角度給予補償演算的參考圖。
第五圖所示係習知自行車與地面摩擦力及風阻摩擦力關係圖。
第六圖所示係習知自行車車速與摩擦力函數關係圖。
第七圖所示係本創作控制裝置更包含一車速感測單元的控制流程方塊圖。
本創作為達成上述目的，所採用之技術手段及可達致之功效，茲舉以下較佳可行實施例配合附圖進行詳細說明。
請參閱第三圖所示，本創作實施例的電動自行車馬達動力控制裝置，包含有:
一偵測模組2，具有運動力矩感測單元20以及運動角度感測單元21。該運動力矩感測單元20係可安裝於自行車車架或腳踏板主軸，藉以量測車架或腳踏板主軸變形量，亦即騎乘者的踩踏扭力。該運動角度感測單元21，可為霍爾感測器(Hall Sensor)，可藉由安裝於腳踏板主軸位置，以量測腳踩踏板的運動角度。
一線性運算模組3，接收該偵測模組2的運動力矩感測單元20以及運動角度感測單元21所感測到的數據後，進行補償演算及線性規劃，如第四圖所示。其中，F1torque係原有腳踩踏板力矩所產生的出力，演算式F1torque =【a1 x F(torque)(t)】，其中a1為為力矩調整參數，F(torque)為力矩，t為時間。F1angle 係經該線性運算模組3依據腳踏板運動角度數據演算的補償出力，演算式F1angle =【a2 x F(angle)(t)】，其中a2為腳踏板運動調整參數，F(angle)為踩踏轉動角度，t為時間，馬達5的出力總和F1total = F1torque 【a1 x F(torque)(t)】+F1angle 【a2 x F(angle) (t)】。舉一應用例，如F1torque =a1x│Sin(ω10+ω11t)│，F1angle =a2 x │Sin(ω20+ω21t)│，其中，a1為力矩調整參數，ω10為力矩運動初始相位角，ω11為力矩運動週期，a2為腳踏板運動調整參數，ω20為腳踏板運動初始相位角，ω21為腳踏板運動週期，t為時間。藉該線性運算模組3的演算式之演算補償及線性規劃，輸出平緩信號。及
一比例及積分模組(Proportion and Integration Module)4，為一PI控制器，用來接收來自該線性運算模組3運算補償及線性規劃後的信號，將該收集到的數據和一個參考值進行比較，根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，使數據更加準確而穩定的輸出。
上述比例及積分模組4輸出的信號因近線性，致可提供平緩且一致的穩定電源給馬達5，致該馬達5出力平穩一致，不會有習知週期性出力異動的情況發生。而且，該自行車被騎至陡坡路面，該馬達5會依據運動力矩感測單元20數據正比的改變馬達5出力，提供自行車行駛助力；當自行車踩踏角度改變，該馬達5亦會依據該運動角度感測單元21角度數據改變出力。
其次，請參閱第五、六圖所示，自行車於運動過程中會有摩擦阻力產生，該摩擦阻力主要係來自輪胎與地面間的摩擦阻力，以及風阻摩擦阻力。這兩種摩擦阻力與車速之間的函數關係圖如第六圖所示。為提供自行車騎乘的舒適感，本創作的偵測模組2另增設一車速感測單元22(如第七圖所示)，該車速感測單元22用以偵測車速，依據車速與摩擦阻力間的關係(如第六圖所示)，經過該線性運算模組3以F2total =b1 x Ftyre fiction drag (speed)+b2 x Fwind drag (speed)演算式的運算，其中b1、b2為常數，Ftyre friction drag 為輪胎與地面間的摩擦阻力，Fwind drag 為行車風阻，以提供一抵銷該摩擦阻力的馬達5出力，藉此，該馬達5的總出力Fmotor =F1total +F2total 。其中該馬達總出力Fmotor 的F1total 係依據運動力矩以及運動角度補償所得；該F2total 係依據車速計算出摩擦阻力補償所得，藉此，使自行車的騎乘更舒適。
由以上說明可知，本創作主要係提供一種可根據使用者踩踏較踏板力度以及踩踏角度變化數據，經過一線性運算模組3運算及線性規劃後，提供信號予一比例及積分模組4進行參考值比較，根據歷史數據和差別的出現率調整輸入值，使數據更加準確而穩定的輸出，提供一平緩且一致的穩定電源給馬達5，俾該馬達5出力平穩一致，不會有習知週期性出力異動的情況發生。更佳的是，若再搭配一車速感測單元22提供車速數據，俾該馬達5提供一抵銷摩擦阻力的出力，使自行車於騎乘上會更舒適。
經查本創作所揭示之電動自行車馬達動力控制裝置之構造組成未曾見諸昔時，亦不曾見諸刊物，已具備各項專利要件，爰依法提出專利申請。
請參閱第三圖所示，本創作實施例的電動自行車馬達動力控制裝置，包含有:
一偵測模組2，具有運動力矩感測單元20以及運動角度感測單元21。該運動力矩感測單元20係可安裝於自行車車架或腳踏板主軸，藉以量測車架或腳踏板主軸變形量，亦即騎乘者的踩踏扭力。該運動角度感測單元21，可為霍爾感測器(Hall Sensor)，可藉由安裝於腳踏板主軸位置，以量測腳踩踏板的運動角度。
一線性運算模組3，接收該偵測模組2的運動力矩感測單元20以及運動角度感測單元21所感測到的數據後，進行補償演算及線性規劃，如第四圖所示。其中，F1torque係原有腳踩踏板力矩所產生的出力，演算式F1torque =【a1 x F(torque)(t)】，其中a1為為力矩調整參數，F(torque)為力矩，t為時間。F1angle 係經該線性運算模組3依據腳踏板運動角度數據演算的補償出力，演算式F1angle =【a2 x F(angle)(t)】，其中a2為腳踏板運動調整參數，F(angle)為踩踏轉動角度，t為時間，馬達5的出力總和F1total = F1torque 【a1 x F(torque)(t)】+F1angle 【a2 x F(angle) (t)】。舉一應用例，如F1torque =a1x│Sin(ω10+ω11t)│，F1angle =a2 x │Sin(ω20+ω21t)│，其中，a1為力矩調整參數，ω10為力矩運動初始相位角，ω11為力矩運動週期，a2為腳踏板運動調整參數，ω20為腳踏板運動初始相位角，ω21為腳踏板運動週期，t為時間。藉該線性運算模組3的演算式之演算補償及線性規劃，輸出平緩信號。及
一比例及積分模組(Proportion and Integration Module)4，為一PI控制器，用來接收來自該線性運算模組3運算補償及線性規劃後的信號，將該收集到的數據和一個參考值進行比較，根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，使數據更加準確而穩定的輸出。
上述比例及積分模組4輸出的信號因近線性，致可提供平緩且一致的穩定電源給馬達5，致該馬達5出力平穩一致，不會有習知週期性出力異動的情況發生。而且，該自行車被騎至陡坡路面，該馬達5會依據運動力矩感測單元20數據正比的改變馬達5出力，提供自行車行駛助力；當自行車踩踏角度改變，該馬達5亦會依據該運動角度感測單元21角度數據改變出力。
其次，請參閱第五、六圖所示，自行車於運動過程中會有摩擦阻力產生，該摩擦阻力主要係來自輪胎與地面間的摩擦阻力，以及風阻摩擦阻力。這兩種摩擦阻力與車速之間的函數關係圖如第六圖所示。為提供自行車騎乘的舒適感，本創作的偵測模組2另增設一車速感測單元22(如第七圖所示)，該車速感測單元22用以偵測車速，依據車速與摩擦阻力間的關係(如第六圖所示)，經過該線性運算模組3以F2total =b1 x Ftyre fiction drag (speed)+b2 x Fwind drag (speed)演算式的運算，其中b1、b2為常數，Ftyre friction drag 為輪胎與地面間的摩擦阻力，Fwind drag 為行車風阻，以提供一抵銷該摩擦阻力的馬達5出力，藉此，該馬達5的總出力Fmotor =F1total +F2total 。其中該馬達總出力Fmotor 的F1total 係依據運動力矩以及運動角度補償所得；該F2total 係依據車速計算出摩擦阻力補償所得，藉此，使自行車的騎乘更舒適。
由以上說明可知，本創作主要係提供一種可根據使用者踩踏較踏板力度以及踩踏角度變化數據，經過一線性運算模組3運算及線性規劃後，提供信號予一比例及積分模組4進行參考值比較，根據歷史數據和差別的出現率調整輸入值，使數據更加準確而穩定的輸出，提供一平緩且一致的穩定電源給馬達5，俾該馬達5出力平穩一致，不會有習知週期性出力異動的情況發生。更佳的是，若再搭配一車速感測單元22提供車速數據，俾該馬達5提供一抵銷摩擦阻力的出力，使自行車於騎乘上會更舒適。
經查本創作所揭示之電動自行車馬達動力控制裝置之構造組成未曾見諸昔時，亦不曾見諸刊物，已具備各項專利要件，爰依法提出專利申請。
2‧‧‧偵測模組
20‧‧‧運動力矩感測單元
21‧‧‧運動角度感測單元
3‧‧‧線性運算模組
4‧‧‧比例及積分模組
5‧‧‧馬達
Claims (8)
- 【第1項】一種電動自行車馬達動力控制裝置，包含有:
一偵測模組，具有一運動力矩感測單元以及一運動角度感測單元；該運動力矩感測單元係用以量測自行車的踩踏扭力；該運動角度感測單元系用以量測腳踩運動角度；
一線性運算模組，係用以接收該偵測模組的運動力矩感測單元以及該運動角度感測單元所感測到的數據後，進行補償演算及線性規劃後將信號輸出；及
一比例及積分模組，用來接收來自該線性運算模組運算補償及線性規劃後的信號，將該收集到的信號數據和一個參考值進行比較，根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，使數據更加準確而穩定的輸出，以提供一平緩且一致的穩定電源給一馬達，使該馬達出力平穩一致者。 - 【第2項】如請求項1所述之電動自行車馬達動力控制裝置，其中該線性運算模組依據腳踩踏板力矩所產生的補償出力演算公式為a1 x F(torque)(t)，其中a1為力矩調整參數，t為時間，F(torque)為力矩；依據腳踏板運動角度數據的補償出力演算公式為a2 x F(angle)(t)，其中a2為腳踏板運動調整參數，t為時間，F(angle)為踩踏轉動角度，馬達的出力總和為二者補償出力相加。
- 【第3項】如請求項2所述之電動自行車馬達動力控制裝置，其中該線性運算模組依據腳踩踏板力矩所產生的補償出力演算公式中的F(torque)(t)，係為│Sin(ω10+ω11t)│；依據腳踏板運動角度數據的補償出力演算公式中的F(angle)(t)，係為│Sin(ω20+ω21t)│，其中ω10為力矩運動初始相位角，ω11為力矩運動週期，ω20為腳踏板運動初始相位角，ω21為腳踏板運動週期，t為時間。
- 【第4項】如請求項3所述之電動自行車馬達動力控制裝置，其中該偵測模組更包含一車速感測單元，用以偵測車速，依據車速與摩擦阻力間的函數關係，經過該線性運算模組運算及經該比例及積分模組比對調整數據信號後，提供一抵銷摩擦阻力的馬達出力。
- 【第5項】如請求項4所述之電動自行車馬達動力控制裝置，其中該線性運算模組提供抵銷摩擦阻力的馬達出力運算公式為F2total =b1 x Ftyre friction drag (speed)+b2 x Fwind drag (speed)，其中b1、b2為參數，Ftyre friction drag 為輪胎與地面間的摩擦阻力，Fwind drag 為行車風阻。
- 【第6項】如請求項第1至5項任一項所述之電動自行車馬達動力控制裝置，其中該偵測模組的運動角度感測單元，係一霍爾感測器，且安裝於腳踏板主軸位置。
- 【第7項】如請求項第1至5項任一項所述之電動自行車馬達動力控制裝置，其中該運動力矩感測單元係可安裝於車架上，以量測車架變形量來量測自行車的踩踏扭力。
- 【第8項】如請求項第1至5項任一項所述之電動自行車馬達動力控制裝置，其中該運動力矩感測單元係可安裝於腳踏板主軸上，以量測車架變形量來量測自行車的踩踏扭力。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW103208196U TWM483922U (zh) | 2014-05-09 | 2014-05-09 | 電動自行車馬達動力控制裝置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW103208196U TWM483922U (zh) | 2014-05-09 | 2014-05-09 | 電動自行車馬達動力控制裝置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWM483922U true TWM483922U (zh) | 2014-08-11 |
Family
ID=51793568
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW103208196U TWM483922U (zh) | 2014-05-09 | 2014-05-09 | 電動自行車馬達動力控制裝置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWM483922U (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI607926B (zh) * | 2014-08-29 | 2017-12-11 | 國立清華大學 | 位移設備及動力輔助系統 |
| CN109823453A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-05-31 | 深圳市乐骑智能科技有限公司 | 一种具有重力感应功能的滑板车 |
| TWI737627B (zh) * | 2015-08-25 | 2021-09-01 | 英商飛夫羅科技有限公司 | 腳踏車和載具相關之傳動系統和改進 |
-
2014
- 2014-05-09 TW TW103208196U patent/TWM483922U/zh not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI607926B (zh) * | 2014-08-29 | 2017-12-11 | 國立清華大學 | 位移設備及動力輔助系統 |
| TWI737627B (zh) * | 2015-08-25 | 2021-09-01 | 英商飛夫羅科技有限公司 | 腳踏車和載具相關之傳動系統和改進 |
| CN109823453A (zh) * | 2019-03-26 | 2019-05-31 | 深圳市乐骑智能科技有限公司 | 一种具有重力感应功能的滑板车 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| MM4K | Annulment or lapse of a utility model due to non-payment of fees |