專利名稱：速度控制式比例助力電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種助力電動(dòng)車電機(jī)輸出功率控制方式，具體地說(shuō)是一種利用速度來(lái)控制電機(jī)輸出功率的速度控制式比例助力電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，電動(dòng)自行車在國(guó)內(nèi)外已十分普及。而目前國(guó)內(nèi)的電動(dòng)自行車大多是全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車，雖然大部分電動(dòng)自行車上都配備腳踏，但這種腳踏只有要上陡坡和電池沒(méi)電時(shí)才輔助使用一下，有的人甚至干脆將腳踏下掉。這種驅(qū)動(dòng)方式不僅使騎行車在較長(zhǎng)時(shí)間騎行中感到枯燥乏味，人體的肌肉得不到鍛煉易產(chǎn)生疲勞感，而且對(duì)電池的使用壽命和一次充電的續(xù)駛里程不利。而人助車動(dòng)，電助人行，人力電力聯(lián)動(dòng)的行駛方法省力又省電。長(zhǎng)時(shí)間全電動(dòng)騎行或人力騎行都會(huì)感覺(jué)到累，最好的辦法是比例助力騎行和全電動(dòng)騎行交替使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。在比例助力系統(tǒng)中，如果助力比例合適，腿只是微用力，肌肉不緊張而車快速運(yùn)轉(zhuǎn)，這種感覺(jué)很奇特。首先是人參與了這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，休閑的味道漸漸滲透出來(lái)了，可以品出一種人車合一的樂(lè)趣來(lái)。再者在都市實(shí)際生活中，由于紅綠燈多、上下班高峰期人多、車多，讓電動(dòng)自行車全速前進(jìn)是不可能的，也是不安全的，而比例助力驅(qū)動(dòng)是最佳的選擇。采用比例助力驅(qū)動(dòng)可以避免電池超大電流放電，有利于延長(zhǎng)電池和電機(jī)壽命。再?gòu)墓?jié)電的角度講，頻繁地全電動(dòng)啟動(dòng)是最耗電的，用比例助力啟動(dòng)則可達(dá)到省電的目的，從而提高電動(dòng)車的續(xù)行里程。因此，人力和電力聯(lián)動(dòng)自行車已成為發(fā)展趨勢(shì)，是發(fā)達(dá)國(guó)家首選的車型。
而現(xiàn)有的比例助力電動(dòng)車均是采用力矩傳感器或中軸扭力變形、鏈條張力、光柵電路等來(lái)控制電機(jī)的輸出功率。這些控制模式均存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大、成本高、精度難以控制、穩(wěn)定性差等一系列問(wèn)題而難以普及，限制了比例助力電動(dòng)車的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用自行車的速度與電機(jī)輸出功率的關(guān)系提供一種新的比例助力控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種速度控制式比例助力電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)，與電動(dòng)車原控制器相連，通過(guò)電動(dòng)車原控制器控制電機(jī)的輸出，電動(dòng)車具有全電動(dòng)和電動(dòng)加人力助動(dòng)兩種工作模式，其特征是在電動(dòng)自行車的前輪和中軸上安裝有速度傳感器，前輪和中軸上的速度傳感器分別將測(cè)得的速度信號(hào)送入比例助力控制器中，比例助力控制器將速度信號(hào)分析變換后向電動(dòng)車原控制器輸出控制信號(hào)，再通過(guò)原控制器控制電機(jī)的輸出功率。
本發(fā)明充分利用了現(xiàn)有全電動(dòng)電動(dòng)車的原控制結(jié)構(gòu)，基本不改變現(xiàn)有全電動(dòng)電動(dòng)車的線路結(jié)構(gòu)，只要在前輪和中軸上各安裝一個(gè)速度傳感器，再將信號(hào)傳送到比例助力控制器中，而比例助力控制器體積很小，可與現(xiàn)有的電動(dòng)車原控制器單獨(dú)連接，也可同時(shí)與電動(dòng)車調(diào)速把及電動(dòng)車原控制器相連，電動(dòng)車調(diào)速把動(dòng)作，則為全電動(dòng)工作模式，本發(fā)明的比例助力控制器將調(diào)速把的信號(hào)直接輸出到原控制器內(nèi)。電動(dòng)車在初始位置保持不同，則為電力加人力助動(dòng)工作模式，比例助力控制器模塊分析當(dāng)前的前輪與中軸速度，輸出一個(gè)合適的信號(hào)給原控制器，從而控制電機(jī)的輸出功率。
本發(fā)明的比例助力控制器的核心部分是單片機(jī)，它可在程序的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換、分析和輸出控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車原控制器輸入信號(hào)的控制，進(jìn)而控制電機(jī)輸出功率。
當(dāng)前輪或中軸的速度為零時(shí)，則切斷電機(jī)電源；當(dāng)前輪的速度與中軸速度的比值大于鏈輪齒數(shù)與飛輪齒數(shù)之比時(shí)，即腳踏踩空時(shí)，也切斷電機(jī)電源，電動(dòng)自行車靠慣性向前行駛。
比例助力控制器的單片機(jī)與電動(dòng)車原控制器共用同一個(gè)單片機(jī)，以節(jié)約成本和減小控制系統(tǒng)的體積；比例助力控制器與電動(dòng)車原控制器也可安裝在同一控制線路板上，并安裝在同一控制盒中，可減少控制系統(tǒng)的體積，減少線路傳輸損失，提高可靠性。
本發(fā)明的有益效果1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便。不僅適合于新車的使用，也適用于對(duì)已有電動(dòng)車的改造，而改造費(fèi)用在100元左右即可。
2、控制精度高、性能穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。
3、制造簡(jiǎn)單、成本低，速度傳感器和單片機(jī)均為成熟的電子產(chǎn)品，成本非常低廉。
4、軟件編制簡(jiǎn)單易行，只要根據(jù)附圖所示的助力比例、速度與人力、電機(jī)功率及總功率的關(guān)系曲線即可編制出相應(yīng)的程序，然后輸入單片機(jī)中即可使用。


圖1是現(xiàn)有電動(dòng)自行車通用的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是全電動(dòng)自行車的行駛速度與電流/功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。
圖3是本發(fā)明的電氣控制原理框圖。
圖4是圖3的等效原理框圖。
圖5是本發(fā)明的比例助力控制器直接與控制器相連而不接調(diào)速把手的原理框圖。
圖6是本發(fā)明的助力比為1的助力系統(tǒng)中，速度與人力功率、電機(jī)功率及總功率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。
圖7是本發(fā)明的助力比為2.5的助力系統(tǒng)中，速度與人力功率、電機(jī)功率及總功率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
一種速度控制式比例助力電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)，與電動(dòng)車原控制器4相連，電動(dòng)車原控制器4控制電動(dòng)的輸出，電動(dòng)車具有全電動(dòng)和電動(dòng)加人力助動(dòng)二種工作模式，其特征是在電動(dòng)自行車的前輪和中軸上安裝有速度傳感器1、2，前輪和中軸上的速度傳感器分別將測(cè)得的速度信號(hào)送入比例助力控制器中3，比例助力控制器3將速度信號(hào)分析變換后向電動(dòng)車原控制器4輸出電壓控制信號(hào)，原控制器4控制電機(jī)的輸出功率。
本發(fā)明充分利用了現(xiàn)有全電動(dòng)電動(dòng)車的控制結(jié)構(gòu)，不改變現(xiàn)有全電動(dòng)電動(dòng)車的結(jié)構(gòu)，只要在前輪和中軸上各安裝一個(gè)速度傳感器1、2，再通過(guò)線路將信號(hào)傳動(dòng)比例助力控制器3中，而比例助力控制器3具有體積小，可與現(xiàn)有的電動(dòng)車原控制器4直接聯(lián)接，也可與電動(dòng)車調(diào)速把及電動(dòng)車原控制器相連4，電動(dòng)車調(diào)速把動(dòng)作，則為全電動(dòng)工作模式，本發(fā)明的比例助力控制器3將接收到的調(diào)速把電壓輸出到電動(dòng)車原控制器中。
單片機(jī)是本發(fā)明的比例助力控制器3的核心部件，它可在程序的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換、分析和輸出控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車原控制器4輸入電壓的控制，進(jìn)而控制電機(jī)輸出功率。單片機(jī)可采用臺(tái)灣ELAN公司生產(chǎn)的EM78P458型，其內(nèi)部有4K×13位一次性ROM、96×8位片內(nèi)寄存器(SDRAM)、8位多路AD轉(zhuǎn)換器、2個(gè)脈沖寬度調(diào)制器(PWM)以及6個(gè)中斷源。
當(dāng)前輪或中軸的速度為零時(shí)，則切斷電機(jī)電源；當(dāng)前輪的速度與中軸速度的比值大于鏈輪齒數(shù)與飛輪齒數(shù)之比時(shí)，則切斷電機(jī)電源，也切斷電源，正常騎行狀態(tài)下電力和人力按設(shè)定的助力比例同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，比例助力控制器根據(jù)所測(cè)得的速度控制電機(jī)的輸出功率，從而最終再控制自行車的速度。
比例助力控制器3的核心控制模塊——單片機(jī)可與電動(dòng)車原控制器共用同一個(gè)單片機(jī)，以節(jié)約成本和減小控制系統(tǒng)的體積；比例助力控制器3與電動(dòng)車原控制器4也可安裝在同一控制線路板上，并安裝在同一控制盒中，可減少控制系統(tǒng)的體積，減少線路傳輸損失，提高可靠性。
下結(jié)合一個(gè)具體的例子對(duì)本發(fā)明的工作原理作進(jìn)一步介紹。
一般自行車的最高速度為25～30km/h，而在城區(qū)自行車的速度一般為15km/h左右，助力比例一般為1∶1或2.5∶1；助力比例可設(shè)為連續(xù)可調(diào)，也可設(shè)為分檔調(diào)節(jié)，助力比例的選擇可通過(guò)控制面板上的相關(guān)按鈕進(jìn)行設(shè)定，而這在電氣上是非常簡(jiǎn)捷方便的。助力比例的設(shè)定可在電動(dòng)車啟動(dòng)前進(jìn)行設(shè)定，也可在運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行調(diào)節(jié)?，F(xiàn)以0～15km/h速度區(qū)間1∶1比例助力為例加以說(shuō)明。
假設(shè)現(xiàn)車速度為12km/h，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，全電動(dòng)時(shí)整車平均電流為4.0A，其中空載電流為0.4A，實(shí)際做功電機(jī)電流為3.6A。在1∶1助力情況下，電機(jī)電流應(yīng)為1.8A，余下1.8A電流做功則應(yīng)由人力提供，如圖6所示。假如人力達(dá)不到相應(yīng)的功率，速度就會(huì)減小，最后達(dá)到一個(gè)能勻速前進(jìn)的平衡狀態(tài)。當(dāng)然不同車型，不同電機(jī)所得到的電流都不同，但對(duì)一具體車型而言，則是可以用實(shí)驗(yàn)方法檢測(cè)出來(lái)的。余下的就是用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行軟件修正了。此時(shí)第一推動(dòng)力是人力，騎乘者希望快點(diǎn)就要加力蹬踩，此時(shí)瞬時(shí)速度就會(huì)提高，速度一快對(duì)應(yīng)要求的電流就會(huì)增加，電機(jī)的輸出功率就會(huì)增加，通過(guò)軟件循環(huán)檢測(cè)可以保證這一過(guò)程周而復(fù)始地進(jìn)行下去。從圖6、圖7可以看出，電流與速度的關(guān)系是一種連續(xù)函數(shù)關(guān)系，而電流與電壓又呈一個(gè)固定的函數(shù)關(guān)系，控制電壓即可控制電流，故不會(huì)出現(xiàn)其它助力比例控制系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的一旦不踩腳踏就會(huì)斷電，一踩又會(huì)來(lái)電，時(shí)斷時(shí)續(xù)，騎行過(guò)程中出現(xiàn)一沖一沖的不良感覺(jué)的現(xiàn)象。得到的是行云流水、張弛有度、隨心所欲的效果。騎乘者利用本發(fā)明可以幾乎不費(fèi)力地加速到20km/h，放慢踩速，就可以平穩(wěn)地降低速度，可以在任一個(gè)速度點(diǎn)達(dá)到平衡狀態(tài)，此外，原有電動(dòng)車原控制器的安全措施如剎車斷電等功能都不受本發(fā)明的任何影響，故整車的安全性能可得到很好的保障。
權(quán)利要求
1.一種速度控制式比例助力電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)，與電動(dòng)車原控制器相連，通過(guò)電動(dòng)車原控制器控制電機(jī)的輸出，電動(dòng)車具有全電動(dòng)和電動(dòng)加人力助動(dòng)兩種工作模式，其特征是在電動(dòng)自行車的前輪和中軸上安裝有速度傳感器，前輪和中軸上的速度傳感器分別將測(cè)得的速度信號(hào)送入比例助力控制器中，比例助力控制器將速度信號(hào)分析變換后向電動(dòng)車原控制器輸出控制信號(hào)，再通過(guò)原控制器控制電機(jī)的輸出功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的速度控制式比例助力電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)，其特征是比例助力控制器與電動(dòng)車調(diào)速把及電動(dòng)車原控制器相連，電動(dòng)車調(diào)速把動(dòng)作，則為全電動(dòng)工作模式；電動(dòng)車在初始位置保持不同，則為電力加人力助動(dòng)工作模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的速度控制式比例助力電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)，其特征是比例助力控制器由單片機(jī)在程序的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換、分析和輸出控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車原控制器輸入電壓的控制，進(jìn)而控制電機(jī)輸出功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的速度控制式比例助力電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)，其特征是當(dāng)前輪或中軸的速度為零時(shí)，則切斷電機(jī)電源；當(dāng)前輪的速度與中軸速度的比值大于鏈輪齒數(shù)與飛輪齒數(shù)之比時(shí)，即腳踏踩空時(shí)，也切斷電機(jī)電源，電動(dòng)自行車靠慣性向前行駛。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的速度控制式比例助力電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)，其特征是比例助力控制器的單片機(jī)與電動(dòng)車原控制器共用同一個(gè)單片機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的速度控制式比例助力電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)，其特征是比例助力控制器與電動(dòng)車原控制器安裝在同一控制線路板上。
全文摘要
一種速度控制式比例助力電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)，與電動(dòng)車原控制器相連，通過(guò)電動(dòng)車原控制器控制電機(jī)的輸出，電動(dòng)車具有全電動(dòng)和電動(dòng)加人力助動(dòng)兩種工作模式，其特征是在電動(dòng)自行車的前輪和中軸上安裝有速度傳感器，前輪和中軸上的速度傳感器分別將測(cè)得的速度信號(hào)送入比例助力控制器中，比例助力控制器將速度信號(hào)分析變換后向電動(dòng)車原控制器輸出控制信號(hào)，通過(guò)控制器控制電機(jī)的輸出功率。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精確、平穩(wěn)、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B62M23/02GK1526604SQ0315826
公開(kāi)日2004年9月8日 申請(qǐng)日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者繆華, 繆 華 申請(qǐng)人:繆華, 繆 華