[發明專利]電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統及實現方法

有效

• 申請號: 201410426856.5
• 申請日: 2014-08-27
• 公開（公告）號: CN104163225A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 王作彥;張士杰
• 申請（專利權）人: 天津市弘塔科技有限公司
• 主分類號: B62M6/50
• 分類號: B62M6/50
• 代理公司: 天津中環專利商標代理有限公司 12105
• 代理人: 莫琪

1.電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統，包括液晶屏顯示儀表模塊、功能選擇按鍵模塊、剎車信號輸入模塊、模擬力矩助力動態采集器和電機控制器，其特征在于，模擬力矩助力動態采集器采用三顆霍爾傳感器與環形磁鋼陣列組成的速度檢測結構，用于腳踏方向及速度的監測信號的采集；系統通過模擬力矩助力動態采集器對腳踏板速度、加速度監測，實時控制無刷電機控制器對電機功率的輸出，從而實現模擬力矩助力傳感的效果，模擬力矩助力動態采集器采用同時集成了9軸陀螺儀的MPU6050姿態模塊，用以對騎行車輛的姿態進行監測，根據路面坡度情況對電機輸出功率進行調整，從而獲得更好的用戶體驗；

所述模擬力矩助力動態采集器由助力盤結構件和模擬力矩助力動態采集電路板構成；

所述助力盤結構件包括轉盤（1）、定盤（2）、軸承（3）和磁鋼（4）；轉盤（1）為盤狀空腔體，其內部型腔結構包括轉盤底（11）、轉盤壁（12）、空心軸（13）和環行磁鋼固定帶（14）；

轉盤（1）中心為空心軸（13），空心軸（13）的外徑尺寸與軸承（3）內環尺寸配合；其軸心孔（1301）的孔徑與電動自行車中軸（5）尺寸配合；

環行磁鋼固定帶（14）位于轉盤底（11）的內底面，其形狀為一環行凸緣，環行凸緣的上平面高于轉盤底（11）的內底面，環行磁鋼固定帶（14）的內環直徑大于空心軸（13）外徑，外環直徑小于轉盤壁（12）內徑；環行磁鋼固定帶（14）上包括有一組環行、等距間隔排列的盲孔（1401），每個盲孔（1401）內固定一個圓柱形磁鋼（4）；

定盤（2）為盤狀空腔體，其內部型腔結構包括定盤底（21）、定盤壁（22）、軸承架（23）和穿線孔（24）；定盤（2）中心為軸承架（23）；

定盤底（21）的內底面由筋板分為三個扇形區域，其中的一個扇形區域A作為模擬力矩助力動態采集電路板的安裝位置，穿線孔（24）位于扇形區域A臨近上邊緣處，穿線孔（24）作為模擬力矩助力動態采集電路板控制線纜的引出口；

轉盤（1）、定盤（2）、軸承（3）和磁鋼（4）裝配在一起，軸承（3）裝配在轉盤（1）的空心軸（13）和定盤（2）的軸承架（23）之間，軸承架（23）的內徑與軸承（3）外環直徑配合；軸承（3）的外環嵌裝在軸承架（23）的內徑中，軸承（3）的內環套裝在空心軸（13）上；

轉盤（1）與定盤（2）配合，轉盤壁（12）內徑與定盤壁（22）外徑滑動配合；空心軸（13）的軸心孔（1301）的孔徑與電動自行車中軸（5）緊密配合；

所述模擬力矩助力動態采集電路板安裝在定盤（2）的扇形區域A內，模擬力矩助力動態采集電路板上的元器件包括單片機AT89C16、三端穩壓器LM1117-3.3V、三個間隔固定的霍爾元件ES732，一個姿態模塊MPU6050（陀螺儀）、輸出電壓接口J2及阻容元件；

在所述模擬力矩助力動態采集電路板上，三個所述霍爾元件ES732分別為第一霍爾元件A、第二霍爾元件B和第三霍爾元件C，三個霍爾元件ES732的感應面中心在同一條弧線上，每個霍爾元件ES732的感應面中心與定盤（2）軸心連線，形成兩個扇形，每兩個相鄰的霍爾元件ES732的感應面中心分別與定盤（2）軸心的連線之間的夾角為5度；

所述轉盤（1）上的24個所述磁鋼（4）的軸心在同一圓上，每個磁鋼（4）軸心與轉盤（1）軸心連線，形成23個扇形，每兩個相鄰磁鋼（4）軸心與轉盤（1）軸心連線之間的夾角為15度；

三個霍爾元件ES732的感應面中心所在的圓的圓心與24個磁鋼（4）軸心所在的圓的圓心均在同一軸心線上，此軸心線即電動自行車中軸（5）軸心線；

當轉盤（1）隨自行車中軸轉動時，定盤（2）的位置固定不變，三個所述霍爾元件ES732的方位保持不變；轉盤（1）內的24個磁鋼（4）沿其所在圓的軌跡環形移動時，其中，每一個磁鋼（4）的感應面依次經過三個霍爾元件ES732的感應面，磁鋼（4）的感應面與霍爾元ES732件的感應面相對應的一刻，觸發霍爾元件ES732，霍爾元件ES732內部電路產生感應電壓脈沖信號；

24個磁鋼（4）的感應面與三個霍爾元件ES732的感應面重合即觸發時序為：

轉盤（1）正轉即騎行前進時的轉向時，依次觸發第一霍爾元件A、第二霍爾元件B和第三霍爾元件C；

轉盤（1）反轉時時，依次觸發第三霍爾元件C、第二霍爾元件B、第一霍爾元件A；

感應出電壓脈沖信號給單片機AT89C16，單片機AT89C16據此提取有關的方向和速度數據作為計算出電源電壓占空比PWM的數據，經DA轉換后，輸出電壓信號，電機控制器以此作為控制系統的信號源；

方向數據提取方法：通過轉盤（1）的轉動方向，由單片機AT89C16采集三個所述霍爾元件ES732觸發信號順序獲得；

速度數據提取方法：通過轉盤（1）的轉動，由單片機AT89C16采集三個所述霍爾元件ES732觸發信號間隔時間數據獲得；

安裝在所述模擬力矩助力動態采集電路板上的姿態模塊MPU6050的姿態為：坐標X保持水平，坐標Z保持垂直，單片機AT89C16以此時的采集的信號數據作為其位置平衡的數據，以此數據作為程序判斷的初始狀態；

模擬力矩助力動態采集器電路以單片機AT89C16為中心處理器，利用姿態模塊MPU6050的姿態可知性，經過I²C總線與單片機AT89C16通信，以此作為坡度識別器；

單片機AT89C16的SCL端口、SDL端口分別連接姿態模塊MPU6050的SCL端口、SDL端口，SCL和SDL是?I2C通信的數據和時鐘線；

單片機AT89C16的三個通用I/O端口PIO0_6、PIO0_7和PIO0_12分別連接三個霍爾元件ES732；

單片機AT89C16的PWM輸出端口PIO0_0經電阻R3?連接輸出電壓接口J2。

2.如權利要求1所述電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統的實現方法，其特征在于，模擬力矩助力動態采集器將所采集的信號經單片機AT89C16識別、判斷和處理，同時單片機AT89C16根據按鍵選擇輸入的車型、擋位信息來確定基本電壓輸出值，再根據輪盤轉速數據，利用數學模型計算輸出PWM信號，最后將PWM信號積分后輸出給電機控制器，由剎車信號輸入模塊輸入剎車信號，最后由電機控制器控制電機工作狀態，所述方法包括如下步驟：

a)??首先，電動自行車模擬力矩控制系統接通電源；

b)??模擬力矩助力動態采集器通過三個霍爾元件ES732實時采集由騎行者腳踏驅動的輪盤轉速數據，單片機AT89C16不斷查詢三個霍爾脈沖信號的間隔數據信息，單片機AT89C16通過三個霍爾脈沖信號的間隔數據信息判斷輪盤轉速數據，然后，利用數學模型計算出輸出電壓占空比PWM，由單片機AT89C16的PWM輸出端口輸出到電機控制器的信號輸入端，電機控制器輸出控制電機的電壓值取決于輸出電壓占空比PWM，輸出電壓占空比PWM決定電機的轉速；

由于單片機AT89C16的PWM輸出端口PIO0_0輸出的輸出電壓占空比PWM與輪盤轉速呈線性正比關系，根據其對應關系建立計算PWM的數學模型為：

PWM?=?y+z--------------------------------------------------------（1）

式（1）中：PWM：輸出電壓占空比，單位：%

y：為與速度變化對應的輸出電壓占空比值；???單位：%?

z：基本輸出電壓占空比值；單位：%

y?=?(ka×60)÷ws?+?kb;-------------------------------------------（2）

式（2）中：

ka：為該轉換關系的比例系數值；

其取值范圍為：26～48，當速度為26km/h時，ka的取值為26，當速度為6km/h時，ka的取值為48；

kb：為與速度變化對應的修正值；

其取值范圍為：0～20，當速度為6km/h時，kb的取值為0，當速度為26km/h時，kb的取值為20；

ws：是計算相鄰兩個磁鋼在其圓形軌跡上運行時，相繼通過同一個霍爾元件中心點所用的時間的關系式，?單位：?ms；

ws?=?3600×a×π×D÷(b×c×S)??----------------------------（3）

式（3）中：

a?--?輪盤齒數

b?--?飛輪齒數

c?--?磁鋼數

S?--?行駛速度：單位：Km/h；

D?--?車輪值徑：單位：m；

在編程中利用上述數學模型進行計算，實現將輪盤轉速變化與輸出電壓占空比PWM對應；?

為滿足各類人群騎行電動自行車舒適度的要求，特別根據山地車、公路車塔輪結構配置的7種不同飛輪齒數組成的7種配比參數，按7種配比參數取值設置7個檔位；

7個檔位對應相應的數據，其中26英寸車型的第7檔取值如下表所示：

?

???基本輸出電壓占空比值z的取值獲得方法是：按車型結構設置的7個檔位，7個檔位對應相應速度，從騎行的實驗數據中獲取，其中26英寸車型z的取值范圍如下表所示：

?

數據保存在單片機AT89C16內部存儲器中，液晶屏顯示儀表中選擇菜單顯示的不同車型、擋位選項分別對應不同的基本輸出電壓占空比值z，功能選擇按鍵模塊的編碼與基本輸出電壓占空比值z對應，通過按鍵操作液晶屏顯示儀表選擇菜單選擇車型、擋位，單片機AT89C16根據輪盤驅動時車輪速度、車型和擋位數據選定參與計算的基本輸出電壓占空比值z；

c)?一旦單片機AT89C16判斷三個霍爾脈沖信號的間隔數據符合助力請求的閥限，助力動態采集器通過液晶屏顯示儀表模塊輸出實時速度數據，由液晶屏顯示儀表顯示實時速度狀態；

閥限規定：在0.1秒內一個磁鋼連續觸發第一霍爾元件A、第二霍爾元件B和第三霍爾元件C，單片機AT89C16獲得分別由三個不同霍爾元件ES732發出的脈沖信號，即為達到閥限；

d)?單片機AT89C16按照按鍵模塊輸入給定的助力檔位信息，利用數學模型計算出電源電壓占空比PWM，通過輸出轉把電壓接口連接電機控制器，調控電機控制器的功率；

e)?如果執行步驟d)后，液晶屏顯示儀表顯示的實時速度數據達到要求，則維持此工作狀態；

f)?如果執行步驟d)后，液晶屏顯示儀表顯示的實時速度數據未達到要求，則通過功能選擇按鍵模塊輸入按鍵信息，更換、提高速度檔位；單片機AT89C16按照按鍵模塊輸入給定的助力檔位信息，重新利用數學模型計算出電源輸出電壓占空比PWM，再通過輸出電壓接口J2輸出轉把電壓給電機控制器，調控電機控制器的功率；

g)??模擬力矩助力動態采集器識別正反轉的功能，單片機AT89C16通過采集到的第一霍爾元件A、第二霍爾元件B和第三霍爾元件C的脈沖信號的順序判斷、識別轉盤（1）的正、反轉狀態，計算得出結果，轉盤（1）正轉時有輸出信號，否則無輸出信號；

h)通過姿態模MPU6050的體態可知性，經過I²C通訊口給單片機AT89C16，得知運行的坡度，在原助力檔位的基礎上，上坡時增加輸出到電機控制器的輸入端的電壓值，即自動增加電機控制器在上坡時的輸出功率，下坡時自動減少輸出到電機控制器的輸入端的電壓值。