电动自行车模拟力矩助力传感控制系统及实现方法技术方案

技术编号:10684259 阅读:277 留言:0更新日期:2014-11-26 15:18
本发明专利技术涉及电动自行车模拟力矩助力传感控制系统及实现方法,包括模拟力矩助力动态采集器;系统通过模拟力矩助力动态采集器对脚踏板速度、加速度监测,模拟力矩助力动态采集器由助力盘结构件和模拟力矩助力动态采集电路板构成;助力盘结构件包括转盘、定盘、轴承和磁钢;模拟力矩助力动态采集电路板安装在定盘的扇形区域A内,模拟力矩助力动态采集电路板上的元器件包括单片机AT89C16、三端稳压器LM1117-3.3V、三个间隔固定的霍尔元件ES732,一个姿态模块MPU6050、输出电压接口J2及阻容元件;所采集的信号经单片机识别、判断和处理,同时单片机根据按键选择输入的车型、挡位信息来确定基本电压输出值,再根据轮盘转速数据,利用数学模型计算输出PWM信号,最后将PWM信号积分后输出给电机控制器,最后由电机控制器控制电机工作状态。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及,包括模拟力矩助力动态采集器;系统通过模拟力矩助力动态采集器对脚踏板速度、加速度监测,模拟力矩助力动态采集器由助力盘结构件和模拟力矩助力动态采集电路板构成;助力盘结构件包括转盘、定盘、轴承和磁钢;模拟力矩助力动态采集电路板安装在定盘的扇形区域A内,模拟力矩助力动态采集电路板上的元器件包括单片机AT89C16、三端稳压器LM1117-3.3V、三个间隔固定的霍尔元件ES732,一个姿态模块MPU6050、输出电压接口J2及阻容元件;所采集的信号经单片机识别、判断和处理,同时单片机根据按键选择输入的车型、挡位信息来确定基本电压输出值,再根据轮盘转速数据,利用数学模型计算输出PWM信号,最后将PWM信号积分后输出给电机控制器,最后由电机控制器控制电机工作状态。【专利说明】
本专利技术涉及电动自行车助力传感技术,特别涉及。
技术介绍
电动自行车智能助力传感技术是针对高端助力型自行车(以山地车、公路车型为主)的应用,它要解决的任务是如何将人力和电力结合,形成动力相互传感。主要功能是提升骑行者的舒适度,同时减少电机磨损,提升电机使用寿命。 以往的助力传感技术通常采用的方式包括:1、以往的助力传感技术通常采用的方式,人力(蹬踏)转动中轴,中轴轮盘上的固定磁性体随中轴轮盘转动,磁性体随中轴轮盘的转动到与霍尔元件位置重合的位置时触发固定在中轴连接件上的霍尔元件,由霍尔元件导通电机开关电路,进而使电机转动;此种仅由一个霍尔元件采集触发信号,切换开关方式,电源接通时的电流无过渡过程,电流从无到有直接跳变,瞬间接通电源极易造成有齿高速电机的减速齿轮的齿轮咬合撞击。而目前电动车专用(小型)永磁直流无刷有齿高速电机的减速齿轮,都是采用塑料为原材料的传动齿轮,其寿命和可靠性都较差,因此采用无过渡、跳变切换开关方式的助力传感技术对齿高速电机的使用寿命是一个不利因素。 2、由于以往的助力传感技术在直接切换电路时会产生无瞬间大电流放电,锂电池在大电流放电的冲击下,会缩短电池的寿命和续行里程。 3、以往的助力传感技术,仅有识别助力开关开启或关闭信号的识别功能,控制器根据开关信号输出指令控制电机开关,由于磁性体随中轴轮盘的转动到与霍尔元件位置重合的位置时才触发一次,因而控制器发出的开关信号是时断时续,电机亦时断时续输出动力,因为以往的助力传感技术不具速度变化识别能力,不能来判断骑行者的骑行(蹬踏中轴轮盘)状态即中轴轮盘的转动频率,所以控制器也不能根据中轴轮盘的转动频率来控制电机输出功率(动力)的大小,不能达到最佳电机输出功率和有效省力的助力状态。 4、以往的助力传感技术不具有动态坡度识别能力,使骑行者在上坡时有劳累感。不能达到最佳电机输出功率和有效省力的助力状态。 由于现有技术存在的上述不足,以及用户对电动自行车性能的更高需要,电动车助力传感技术仍有很大的提升空间,目前需要解决的问题包括:1、对有齿高速电机能有效避免齿轮咬合撞击打齿,2、实现人工助力系统无瞬间大电流放电,避免锂电池大电流放电的冲击,3、实现系统具有速度变化识别能力、动态坡度识别能力,能够判断骑行者的骑行(蹬踏中轴轮盘)状态,电动车坡度状态,来控制控制电机输出功率(动力)的大小,达到最佳电机输出功率和有效省力的助力状态,使骑行者在上坡时也如同平路一样舒适无劳累感。 4、对于山地车、公路车而言,在变速时,实现人工助力可以多档配合,达到最佳电机输出功率和有效省力的助力状态。 而目前国内尚无能达到上述要求的电动自行车智能助力传感系统产品出现,也没有相关技术文献报道,因此,需要研制一种采用新技术的用于电动自行车智能助力的模拟力矩控制系统,从根本上解决以往的助力传感技术存在的问题。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的不足,本专利技术的目的是,提供一种的技术解决方案,采用包括有环行矩阵排列的若干磁性体的助力动态采集装置,磁性体环行矩阵与多个霍尔元件作相对转动时,磁性体按规定的时序触发多个霍尔元件,多个霍尔元件产生触发产生的脉冲信号与中轴转动速度对应,由单片机(CPU)对采集到的脉冲信号进行识别、处理,由此判断脚踏(中轴转动)的实时速度,利用数学模型计算给出电机的输出动力,实现助力传感的智能化;系统在骑行时通过采集脚踏的实时速度,并通过采用整合3轴陀螺仪、3轴加速器的姿态模块为坡度识别器,坡度识别器检测动态运行中的路面坡度给出相应增加的电机输出动力,实现助力传感的智能化。 为实现上述目的,本专利技术是采用这样的方案实现的:电动自行车模拟力矩助力传感控制系统,包括液晶屏显示仪表模块、功能选择按键模块、刹车信号输入模块、模拟力矩助力动态采集器和电机控制器,其特征在于,模拟力矩助力动态采集器采用三颗霍尔传感器与环形磁钢阵列组成的速度检测结构,用于脚踏方向及速度的监测信号的采集;系统通过模拟力矩助力动态采集器对脚踏板速度、加速度监测,实时控制无刷电机控制器对电机功率的输出,从而实现模拟力矩助力传感的效果,模拟力矩助力动态采集器采用同时集成了 9轴陀螺仪的MPU6050姿态模块,用以对骑行车辆的姿态进行监测,根据路面坡度情况对电机输出功率进行调整,从而获得更好的用户体验; 所述模拟力矩助力动态采集器由助力盘结构件和模拟力矩助力动态采集电路板构成;所述助力盘结构件包括转盘、定盘、轴承和磁钢;转盘为盘状空腔体,其内部型腔结构包括转盘底、转盘壁、空心轴和环行磁钢固定带;转盘中心为空心轴,空心轴的外径尺寸与轴承内环尺寸配合;其轴心孔的孔径与电动自行车中轴尺寸配合;环行磁钢固定带位于转盘底的内底面,其形状为一环行凸缘,环行凸缘的上平面高于转盘底的内底面,环行磁钢固定带的内环直径大于空心轴外径,外环直径小于转盘壁内径;环行磁钢固定带上包括有一组环行、等距间隔排列的盲孔,每个盲孔内固定一个圆柱形磁钢;定盘为盘状空腔体,其内部型腔结构包括定盘底、定盘壁、轴承架和穿线孔;定盘中心为轴承架;定盘底的内底面由筋板分为三个扇形区域,其中的一个扇形区域A作为模拟力矩助力动态采集电路板的安装位置,穿线孔位于扇形区域A临近上边缘处,穿线孔作为模拟力矩助力动态采集电路板控制线缆的引出口;转盘、定盘、轴承和磁钢装配在一起,轴承装配在转盘的空心轴和定盘的轴承架之间,轴承架的内径与轴承外环直径配合;轴承的外环嵌装在轴承架的内径中,轴承的内环套装在空心轴上;转盘与定盘配合,转盘壁内径与定盘壁外径滑动配合;空心轴的轴心孔的孔径与电动自行车中轴紧密配合;所述模拟力矩助力动态采集电路板安装在定盘的扇形区域A内,模拟力矩助力动态采集电路板上的元器件包括单片机AT89C16、三端稳压器LM1117-3.3V、三个间隔固定的霍尔元件ES732,一个姿态模块MPU6050 (陀螺仪)、输出电压接口 J2及阻容元件;在所述模拟力矩助力动态采集电路板上,三个所述霍尔元件ES732分别为第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C,三个霍尔元件ES732的感应面中心在同一条弧线上,每个霍尔元件ES732的感应面中心与定盘轴心连线,形成两个扇形,每两个相邻的霍尔元件ES732的感应面中心分别与定盘轴心的连线之间的夹角为5度;所述转盘上的24个所述磁钢的轴心在同一圆上,每个磁钢轴心与转盘本文档来自技高网
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【技术保护点】
电动自行车模拟力矩助力传感控制系统,包括液晶屏显示仪表模块、功能选择按键模块、刹车信号输入模块、模拟力矩助力动态采集器和电机控制器,其特征在于,模拟力矩助力动态采集器采用三颗霍尔传感器与环形磁钢阵列组成的速度检测结构,用于脚踏方向及速度的监测信号的采集;系统通过模拟力矩助力动态采集器对脚踏板速度、加速度监测,实时控制无刷电机控制器对电机功率的输出,从而实现模拟力矩助力传感的效果,模拟力矩助力动态采集器采用同时集成了9轴陀螺仪的MPU6050姿态模块,用以对骑行车辆的姿态进行监测,根据路面坡度情况对电机输出功率进行调整,从而获得更好的用户体验;所述模拟力矩助力动态采集器由助力盘结构件和模拟力矩助力动态采集电路板构成;所述助力盘结构件包括转盘(1)、定盘(2)、轴承(3)和磁钢(4);转盘(1)为盘状空腔体,其内部型腔结构包括转盘底(11)、转盘壁(12)、空心轴(13)和环行磁钢固定带(14);转盘(1)中心为空心轴(13),空心轴(13)的外径尺寸与轴承(3)内环尺寸配合;其轴心孔(1301)的孔径与电动自行车中轴(5)尺寸配合;环行磁钢固定带(14)位于转盘底(11)的内底面,其形状为一环行凸缘,环行凸缘的上平面高于转盘底(11)的内底面,环行磁钢固定带(14)的内环直径大于空心轴(13)外径,外环直径小于转盘壁(12)内径;环行磁钢固定带(14)上包括有一组环行、等距间隔排列的盲孔(1401),每个盲孔(1401)内固定一个圆柱形磁钢(4);定盘(2)为盘状空腔体,其内部型腔结构包括定盘底(21)、定盘壁(22)、轴承架(23)和穿线孔(24);定盘(2)中心为轴承架(23);定盘底(21)的内底面由筋板分为三个扇形区域,其中的一个扇形区域A作为模拟力矩助力动态采集电路板的安装位置,穿线孔(24)位于扇形区域A临近上边缘处,穿线孔(24)作为模拟力矩助力动态采集电路板控制线缆的引出口;转盘(1)、定盘(2)、轴承(3)和磁钢(4)装配在一起,轴承(3)装配在转盘(1)的空心轴(13)和定盘(2)的轴承架(23)之间,轴承架(23)的内径与轴承(3)外环直径配合;轴承(3)的外环嵌装在轴承架(23)的内径中,轴承(3)的内环套装在空心轴(13)上;转盘(1)与定盘(2)配合,转盘壁(12)内径与定盘壁(22)外径滑动配合;空心轴(13)的轴心孔(1301)的孔径与电动自行车中轴(5)紧密配合;所述模拟力矩助力动态采集电路板安装在定盘(2)的扇形区域A内,模拟力矩助力动态采集电路板上的元器件包括单片机AT89C16、三端稳压器LM1117‑3.3V、三个间隔固定的霍尔元件ES732,一个姿态模块MPU6050(陀螺仪)、输出电压接口J2及阻容元件;在所述模拟力矩助力动态采集电路板上,三个所述霍尔元件ES732分别为第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C,三个霍尔元件ES732的感应面中心在同一条弧线上,每个霍尔元件ES732的感应面中心与定盘(2)轴心连线,形成两个扇形,每两个相邻的霍尔元件ES732的感应面中心分别与定盘(2)轴心的连线之间的夹角为5度;所述转盘(1)上的24个所述磁钢(4)的轴心在同一圆上,每个磁钢(4)轴心与转盘(1)轴心连线,形成23个扇形,每两个相邻磁钢(4)轴心与转盘(1)轴心连线之间的夹角为15度;三个霍尔元件ES732的感应面中心所在的圆的圆心与24个磁钢(4)轴心所在的圆的圆心均在同一轴心线上,此轴心线即电动自行车中轴(5)轴心线;当转盘(1)随自行车中轴转动时,定盘(2)的位置固定不变,三个所述霍尔元件ES732的方位保持不变;转盘(1)内的24个磁钢(4)沿其所在圆的轨迹环形移动时,其中,每一个磁钢(4)的感应面依次经过三个霍尔元件ES732的感应面,磁钢(4)的感应面与霍尔元ES732件的感应面相对应的一刻,触发霍尔元件ES732,霍尔元件ES732内部电路产生感应电压脉冲信号;24个磁钢(4)的感应面与三个霍尔元件ES732的感应面重合即触发时序为:转盘(1)正转即骑行前进时的转向时,依次触发第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C;转盘(1)反转时时,依次触发第三霍尔元件C、第二霍尔元件B、第一霍尔元件A;感应出电压脉冲信号给单片机AT89C16,单片机AT89C16据此提取有关的方向和速度数据作为计算出电源电压占空比PWM的数据,经DA转换后,输出电压信号,电机控制器以此作为控制系统的信号源;方向数据提取方法:通过转盘(1)的转动方向,由单片机AT89C16采集三个所述霍尔元件ES732触发信号顺序获得;速度数据提取方法:通过转盘(1)的转动,由单片机AT89C16采集三个所述霍尔元件ES732触发信号间隔时间数据获得;安装在所述模拟力矩助力动态采集电路板上的姿态模块...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:王作彦张士杰
申请(专利权)人:天津市弘塔科技有限公司
类型:发明
国别省市:天津;12

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