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輔助動力車輛的輔助控制的制作方法

文檔序號:4102968閱讀:142來源:國知局
專利名稱:輔助動力車輛的輔助控制的制作方法
背景技術
本發(fā)明涉及一種輔助動力、人力操作的車輛,尤其是一種在車輛操作中給操作者更好感覺的對輔助動力的控制。
很多普通的人力人力操作車輛被提供了原動機助力器。助力器的力的大小最好與人力輸入的力的大小有關,以使使用者仍可以從車輛的操作受到訓練。這樣助力的車輛類型可以有很多種形式包括,但并不限于,陸地車輛如自行車和輪椅一樣有輪子的車輛。但是這種實施不必限于陸地車輛,而且也可以用于輕型飛機或水上運輸工具。
助力器也可以由各種原動機如電動機或內燃機來提供。人力輸入可以是由操作者的腿部或是手臂進行的,并且通常通過一種支撐用于繞一軸運動的一裝置如踏板或手輪來實現(xiàn)的。這樣,即使使用者施加的力是或者想要為一個常量,但是實際輸入的力也將循環(huán)變化。這些變化是在上部死點和底部死點的零推力之間進行的,而且在其間基本上是正弦變化的,以放大助力器的改變。
同時,由于現(xiàn)有技術類型的裝置的輔助力的大小通常與所測量的輸入力是成比例的,所以在一個單獨的力應用周期中的動力輔助力的改變是較大的。這就會使輔助裝置的動力消耗效率下降并且會使操作者或使用者會感到有些不適。當在詳細描述部分的圖5所述的情況下,其會變得更明顯。
公開號為11-17108
公開日為1999年6月21日的日本專利公開了一種典型的該類型的現(xiàn)有裝置。除上述討論的操作和已經注意到的缺點外,這種結構允許根據(jù)如使用者的年齡、力氣,行駛的距離和訓練所需的強度這些因素來決定輔助比例。但是,象所述現(xiàn)有技術一樣,在踏板操作的每個循環(huán)中輔助力都是改變的,因此前面提到的問題仍然存在。
因此,本發(fā)明的一個主要目的就是要提供一種改進的輔助動車車輛,其助力器與所感覺到的人力輸入有關,但是在輸入變化的整個循環(huán)內其是不變的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一個特征是,其適用于一種輔助動力、人力操作的車輛。該車輛包括一用于使所述車輛沿一地形移動的一推進裝置,一人力操作器,其可以從操作者那里接收到人力輸入力,從所述人力操作器的力來操作所述推進裝置的一傳動機構,與所述推進裝置成驅動關系的一原動機,一個力傳感器,其可以感受到由上述人力操作者傳到所述傳動系統(tǒng)的力,一算法運算器,其用來測量由力傳感器測得的力的變化并且決定在操作所述原動機時的一輔助力的大小。
本發(fā)明的另一個特征是,其適用于一種—決定如前述部分的輔助動力、人力操作的車輛的動力輔助力的大小的方法。根據(jù)本發(fā)明的這個特征,在力傳感器所測得力的所測力的變化和操作原動機的輔助力可以由該運算器根據(jù)該變化決定。


圖1是根據(jù)本發(fā)明和傳統(tǒng)技術在爬山期間的連續(xù)周期中力和輔助力的變化的圖示。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的實際力和處理過的輸出的視圖。
圖3是根據(jù)另一個實施例的與圖2部分相似的力的圖示。
圖4是本發(fā)明的一個實施例的方框圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一種變化情況(圖5A-5E)和根據(jù)傳統(tǒng)技術的變化情況(圖5F和5G)的一系列圖示。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的控制程序的方框圖。
詳細說明在描述本發(fā)明的一個結構實施例之前,首先用一些圖表來描述一下所用的理論和策略。這些視圖中的一部分包括了與現(xiàn)有技術的比較,其可以使敘述更加清晰。
首先參見圖1以及如上所述,這是描述根據(jù)本發(fā)明的一輔助動力自行車的扭矩和輔助力的波形圖。這些是當自行車爬山情況下的波形。應當注意,所述構造和操作方法可以由任一種輔助動力人力車實現(xiàn),不管車和輔助裝置的類型。但是,在這里用一個電力輔助自行車做為一個例子來解釋。
在該圖中,曲線a用點線來表示由踏板力產生并由任一所需類型的扭矩傳感器的檢得扭矩值。曲線b用實線來表示通過驅動一電動機所產生的輔助力,該電動機是基于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的扭矩控制方法的算法處理而得出的經處理的扭矩值工作的。曲線c用虛線來表示由傳統(tǒng)的扭矩控制方法所施加的輔助力。
如該圖所示,當檢測到的由踏板力產生的扭矩(曲線a)在底部死點為零或很小時,傳統(tǒng)的輔助力(曲線c)也差不多是零然而根據(jù)本發(fā)明的輔助力(曲線b)不是零,因為輔助力是繼續(xù)施加的。
這就意味著由于電動機的驅動電流的變化減少,所以驅動能量效率可以得到提高,能耗減少。隨著能量效率的改善,電池的消耗也將減少。這就提高了電池的服務壽命,并能使自行車在少量動力的情況下行駛一個長的距離。另外,由于輔助力即使在踏板力為零或是很小的情況下也保持施加,所以騎行者的感覺是平穩(wěn)的并且有一個好的行駛感覺。
這種所用的方法在圖2中已經示出,該圖是根據(jù)本發(fā)明的處理過的扭矩值的圖示。曲線d用點線表示在算法處理前的檢得扭矩值,基本上與圖1的曲線a相同。曲線e表示由算法處理過得到的扭矩值。
該檢得扭矩值(曲線d)與踏板力同步地周期性改變。當檢得扭矩值開始從相應的頂峰下降到檢測到的扭矩曲線的上部死點時,開始對檢測到的扭矩進行算法處理。在應用該方法的一個實施例中,降低扭矩比率,降低一單位時間內的扭矩取決于檢得扭矩值預先確定的檢得扭矩值。該下降率表示了曲線的遞減梯度。
該扭矩值以一個減少率不斷減少,該減少率是由在預定時間間隔(ms)內從扭矩傳感器得到的檢得輸出(V)的大小決定的。例如,當檢得扭矩值高了,該減速少率(遞減梯度)就保持小的值。當檢得扭矩值變化時,該減少率就會上升。對應于檢得扭矩值的一張圖是預先制好的,算法處理就根據(jù)該圖執(zhí)行。
因此,處理過的或最終的輸出扭矩曲線(曲線e)從檢得扭矩值以平緩的梯度逐漸下降。當踏板經過底部死點時,檢得扭矩值(曲線d)上升,當檢得扭矩值超過處理過的扭矩值時,算法處理暫停(處理數(shù)據(jù)為零)并且將檢得扭矩值做為處理過的扭矩值。因此,就可以得到由實線所表示的處理過的輔助力扭矩曲線(曲線e)。因而,可以獲得更平穩(wěn)的操作性能并且實際上可以獲得比圖1所示小一點的最大扭矩輸出。這樣實際上減少了電能的消耗。
以該處理過的扭矩值為基礎,向該處理過的扭矩提供的特定輔助比率的該驅動電流是可以計算出來的,并且該電流驅動電動機以獲得輔助力,由于當踏板力在底部死點時處理過的扭矩值是高的,所以即使在踏板力處于底部死點時也可以獲得輔助力。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的得出的處理過的扭矩的圖示。在這個實施例中,執(zhí)行算法處理還考慮了車輛的速度。在該圖中,曲線f表示車速。曲線g表示檢得扭矩值。曲線h表示處理的扭矩值。
從圖中可以清楚地看出,當車速高時,減少率將下降以減小處理過的扭矩值。當?shù)退贂r,減少率將上升以增大處理過的扭矩值。這樣,當自行車低速行駛如當爬山或剛開始起步時其能產生高的輔助力而高速時輔助力將減少以避免輔助能量的額外消耗。
這樣,在已描述過的兩個實施例中,從力傳感器得到處理過的扭矩輸出以修改輔助扭矩的大小,本發(fā)明一個實際的實施例將在圖4中進行描述。此外,本領域的熟練人員將能從這些描述中明白本發(fā)明能用于很多種輔助動力人力車。在這一觀點的基礎上,圖4是根據(jù)本發(fā)明的用于一輔助動力自行車的一扭矩控制裝置的方框圖。
該輔助扭矩控制裝置包括一個扭矩傳感器11,可以是任一想要的形式,其用來檢測人力輸入的踏板力,一控制器12,其用來計算驅動輔助電動機13的驅動電流,也可以是任一想要的形式如一個基于由扭矩傳感器11測得的扭矩的脈寬調制電動機。一電動機驅動電路14,其可以根據(jù)來自控制器12的驅動信號來激勵電動機13。電路14包括一電流檢測電路(安培表)15,以檢測電動機13的電流,一譯碼器16來檢測電動機13的旋轉速度。
控制器12包括一CPU,如本例所示,并且有一個電動機轉速計算裝置17,其有一個預設的軟件程序或已編程的硬件電路。CPU也有一個車速計算電路18,扭矩傳感器值處理電路19,一扭矩電流計算電路21和一個負載計算電路22。
在行駛中,由扭矩傳感器11檢測到的踏板力在該扭矩傳感器值處理濾波器19中得到算法處理,其是以該檢得扭矩為基礎相應于前述的方法以之一和該車速進行的。該車速由電動機轉速計算裝置17和該車速計算裝置18以從譯碼器16傳來的脈沖信號為基礎計算的,并輸入到控制器12中的處理濾波裝置19中。
處理過的扭矩值輸入到扭矩電流計算裝置21中,其根據(jù)已處理的扭矩計算一電流的指令值。根據(jù)該電流指令值,負載計算裝置22計算出一驅動脈沖的負荷比。驅動脈沖輸入到電動機驅動電路14中做為一PWM輸出以驅動電動機13。該電動機13的驅動電流由電流檢測電路15來檢測并且被提供給負載計算電路22以形成反饋控制。
如在

中所提到的,圖5(A)到圖5(E)描述了波形信號,其是由圖4中的位置A到E分別確定的。同時如

中所提到的,圖5(F)和圖5(G)描述了傳統(tǒng)的波形信號,其是為了相關目的由圖4中的位置F″和G分別決定的。特別地,圖5(A)描述了與踏板的轉動同步周期性改變的所觀測的踏板力的波形。圖5(B)描述了由踏板力產生并由扭矩傳感器11檢測的已檢得扭矩值的波形。如圖5(A)所示,檢得扭矩與踏板力同步周期性地大幅度改變。
圖5(D)描述了在處理濾波裝置22中通過算法處理而得到的已處理的扭矩的波形。點線表示處理前的扭矩,其與圖5(B)中曲線的波形相同。通過處理,曲線,包括底部死點的值,向高扭矩的一側移動,而沒有改變上部死點處的扭矩,并且變化變小了。因此,使用者的感覺就會更好并且同時能耗也會降低。
圖5(C)描述了電動機13的驅動電流的波形。相應于處理過的扭矩值的驅動電流與如圖5(F)所示的傳統(tǒng)曲線相比其變化小了。圖5(E)描述了電動機扭矩的波形。該曲線的低扭矩側的部分移向相應于圖5(C)所示的電流波形的高扭矩的部分,并且整體與圖5(G)所示的傳統(tǒng)曲線相比,其變化更小了。
如圖4所示的系統(tǒng)中的控制器12通過該控制程序提供如圖5(C)所示的處理過的扭矩值,該控制程序可參見圖6進行。該程序以預定的時間間隔(如幾毫秒)由如圖4所示的控制器12中的CPU重復運行。操作如下。
在步驟S1的“開始”后,判斷檢測到的扭矩電壓是否是峰值電壓。這是為了在扭矩電壓從其峰值平緩下降時通過算法處理得到一個梯度以提高扭矩值。該判斷例如是由分析從扭矩傳感器11得到的輸出電壓數(shù)據(jù)的波形而做出的。如果檢測到的扭矩電壓是峰值電壓,則轉到步驟S2。否則,轉到步驟S3。
如果當電壓被測為下降時該進程進入步驟S2來設置峰值電壓。那么在步驟S2中,峰值前的最后一個電壓將被設為峰值電壓。
如果在步驟S1中,電壓與在步驟S2中所設的峰值電壓不相等,則當檢得扭矩電壓從峰值下降時該程序轉到步驟S3(處理程序在預定的幾毫秒的時間間隔內重復)。在步驟S3中,判斷是否檢得扭矩超過了先前處理的扭矩。如果檢得扭矩超過處理過的扭矩(在圖2中K點的時刻),該進程操作中止,程序中止。
但是,在步驟S3中如果該檢得扭矩比處理過的扭矩低,如果這是峰值后的第一次處理程序,則程序轉到步驟S4。在步驟S4中,判斷從處理開始是否已經超過了一預定的時間間隔。該預定的時間間隔存儲在一非變存儲器22中。當預定的時間段已經過去時,處理操作將中斷,程序中止。這是為了消除一種狀況,其中甚至在踏板已經停止并且扭矩變?yōu)榱愕亩虝r間內,由處理算法得到的一處理過的扭矩值仍然繼續(xù)并且電動機仍供給輔助力。用這種方法從電動機得到的輔助力能被切斷,自行車能在踏板停止扭矩變?yōu)榱愫罅⒓椿謴偷秸5男旭偁顟B(tài)。這樣,由于能防止用來使自行車停止的剎車力隨輔助力增加并且能用一合適的制動力使自行車停下來,所以,駕駛者能有一個穩(wěn)定和舒服的自行車駕駛狀態(tài)。
但是,如果在步驟S4中預定的時間段還沒有完,則處理操作將繼續(xù)并轉到步驟S5,在該步驟根據(jù)當前的檢得扭矩值計算出減少率。在該例的情況下,檢得扭矩值和減少率之間的功能等式以一一維圖預先存儲在該非變存儲器23中。從一RAM 24中讀出當前的扭矩傳感器值,RAM 24中已經寫入了從扭矩傳感器輸出的數(shù)據(jù)。如圖4所示,非變存儲器23和RAM 24可以置入控制器具12中的處理濾波裝置19中。
然后程序轉到步驟S6,在該步驟中根據(jù)步驟S5中的圖對檢得扭矩傳感器值進行算法處理。算法處理由圖4所示的處理濾波裝置19來執(zhí)行。
然后,如果根據(jù)如圖3所示的也采用車速的方法,那么該程序轉到步驟S7。在這一步,如圖4所示的處理濾波裝置22以當前車速計算出一減少率。車速和減少率之間的相關表述是由一比的圖來決定的,該圖表達了基于在步驟S6中計算出的扭矩值和處理前的檢得扭矩的比。因此處理的數(shù)值可以根據(jù)車速進行調整。該圖從該非變存儲器23中讀出,且該當前車速從該RAM 24中讀出。
然后,程序轉入步驟S8,在其中算法處理將基于步驟S7中的圖來處理在步驟S6中已處理過的檢得扭矩值以得到一個處理過的扭矩值。然后重復運行該程序。
這樣,從前述可以很清楚地看出,在已描述過的方法和裝置中,檢測到的扭矩曲線的梯度是根據(jù)扭矩改變的,并且扭矩曲線在形狀上變?yōu)橐烟幚淼呐ぞ厍€。由于電動機的驅動電流是基于處理過的扭矩曲線計算出來的,所以在底部死點的扭矩可以在不減少上部死點處的檢測到的扭矩的情況下得到增加。由于檢測到的扭矩的周期性變化因此而減小并且電動機的驅動電流的變化也減小,所以驅動能量效率能得到提高并且能耗會減少。隨著能量效率的提高,電池的消耗會減少。這就提高了電池的使用壽命,使車使可以用少量的電能行駛長的距離。另外,由于即使在踏板力變?yōu)榱慊蚝苄〉那闆r下仍有輔助力,所以駕駛者在騎行中經常能感覺到平穩(wěn)和有力的輔助力,有良好的駕駛感覺。另外,減少率能根據(jù)車速改變。當?shù)退贂r,減少率會減少以使處理過的扭矩曲線在高扭矩一側,當高速時,減少率會上升以減少輔助力。這樣,當自行車低速行駛如當爬山或剛開時起步時其能產生大的輔助力而車速高時輔助力將減少以避免輔助能量的額外消耗。
當然,本領域的技術人員能理解,所述的實施方式僅作為本發(fā)明可以采取的形式的舉例已,在不偏離如所附權利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍內可以有很多變化和修正。
權利要求
1.一種輔助動力、人力操作的車輛,包括用于使所述車輛沿一地形移動的一推進裝置,一人力操作器,其可以從操作者那里接收到人力輸入力,從所述人力操作器的力來操作所述推進裝置的一傳動機構,與所述推進裝置成驅動關系的一原動機,一個力傳感器,其可以感受到由上述人力操作者傳到所述傳動系統(tǒng)的力,一算法運算器,其用來測量由力傳感器測得的力的變化并且決定在操作所述原動機時的一輔助力的大小。
2.如權利要求1所述的輔助動力、人力操作車輛,其中原動機包括一電動機和一用來決定供給上述電動機電能大小的算法運算器。
3.如權利要求1所述的輔助動力、人力操作車輛,其中人力操作器被支撐且繞一軸運動。
4.如權利要求3所述的輔助動力、人力操作車輛,其中人力操作器包括一踏板。
5.如權利要求1所述的輔助動力、人力操作車輛,其中由于人力操作器的性質,人力操作器在其一個操作循環(huán)期間提供一個響應于一常量的使用者施加的力的周期性改變的能量輸出,且算法運算器提供了一種振幅比人力操作器要小的周期性改變的輔助力。
6.如權利要求5所述的輔助動力、人力操作車輛,其中算法運算器提供一個在人力施加時不會為零的輔助力。
7.如權利要求6所述的輔助動力、人力操作車輛,其中算法運算器提供一也與車速有關的輔助力。
8.如權利要求1所述的輔助動力、人力操作車輛,人力操作器在其一個操作循環(huán)期間提供一個響應于常量使用力的周期性改變的能量輸出,由于人力操作器的性質,且即使輔助力在使用循環(huán)中一部分的動力輸出是零以及該算法運算器提供一種振幅比人力操作器要小的周期性改變且在人力施加時不會為零的輔助力。
9.如權利要求8所述的輔助動力、人力操作車輛,其中根據(jù)在預定時間間隔檢得扭矩值來確定預定的減少率,對檢測到的扭矩連續(xù)進行算法處理,以從檢得扭矩值從預定的扭矩峰值開始下降時得到處理過的扭矩值。
10.如權利要求8所述的輔助動力、人力操作車輛,其中從當上述檢得扭矩值開始上升到超過處理過的扭矩值時到檢測到的扭矩的下一個峰值,算法處理中止以使對檢得扭矩值的處理量為零。
11.如權利要求10所述的輔助動力、人力操作車輛,其中原動機包括一電動機和一個決定供給上述電機電能大小的算法運算器。
12.如權利要求11所述的輔助動力、人力操作車輛,其中人力操作器被支撐且繞一軸運動。
13.如權利要求12所述的輔助動力、人力操作車輛,其中人力操作器包括一踏板。
14.一種控制一輔助動力、人力操作的車輛的動力輔助力的大小的方法,用于使所述車輛沿一地形移動的一推進裝置,一人力操作器,其可以從操作者那里接收到人力輸入力,從所述人力操作器的力來操作所述推進裝置的一傳動機構,與所述推進裝置成驅動關系的一原動機,一個力傳感器,其可以感受到由上述人力操作者傳到所述傳動系統(tǒng)的力,所述方法包括測定由上述力傳感器檢測到的力的變化的步驟,通過對依據(jù)檢測到的力而以特定的變化率進行變化的上述力的值進行處理而決定輔助力的步驟,并施加基于該處理的來自該原動機的一力。
15.如權利要求14所述的控制一輔助動力、人力操作的車輛的動力輔助力的大小的方法,其中由于人力操作器的性質,人力操作器在其一個操作循環(huán)期間提供一個響應于一常量的使用者施加的力的周期性改變的能量輸出,且輔助力也周期性改變但其振幅比人力操作器要小。
16.如權利要求15所述的控制一輔助動力、人力操作的車輛的動力輔助力的大小的方法,其中在人力施加時輔助力不會為零。
17.如權利要求16所述的控制一輔助動力、人力操作的車輛的動力輔助力的大小的方法,其中輔助力也與車速有關。
18.如權利要求17所述的控制一輔助動力、人力操作的車輛的動力輔助力的大小的方法,其中根據(jù)在預定時間間隔檢得扭矩值來確定預定的減少率,對檢測到的扭矩進行算法處理,以從檢得扭矩值從預定的扭矩峰值開始下降時得到處理過的扭矩值。
19.如權利要求18所述的控制一輔助動力、人力操作的車輛的動力輔助力的大小的方法,其中從當上述檢得扭矩值開始上升到超過處理過的扭矩值時到檢測到的扭矩的下一個峰值,算法處理中止以對檢得扭矩值的處理量為零。
20.如權利要求19所述的控制一輔助動力、人力操作的車輛的動力輔助力的大小的方法,其中原動機包括一電動機和一個決定供給電機電能大小的算法運算器。
全文摘要
一種輔助動力、人力操作車輛,其中輔助裝置所需的能量的大小減少了,并且由于在人力依然在作用而由于傳動系統(tǒng)的幾何構造問題而使沒有人力傳送到其中時,仍可以提供持續(xù)的動力,從而使輔助力的周期變化和振幅均減小了,所以駕駛者的感覺更好。
文檔編號B62M23/02GK1569553SQ20041003873
公開日2005年1月26日 申請日期2004年4月15日 優(yōu)先權日2003年4月15日
發(fā)明者村田和弘 申請人:株式會社萌力克
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