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一种动力辅助系统及控制方法技术方案

技术编号:19730333 阅读:29 留言:0更新日期:2018-12-12 02:19
本发明专利技术公开一种动力辅助系统及控制方法,以解决骑行时电力与人力不易有效分配的技术问题,一方面,控制骑行者输出力矩保持在理想力矩Td,首先利用力矩传感器采样出骑行者的力矩T,使之减去理想力矩Td,取其力矩误差e1进行控制,并且理想力矩Td的大小根据期望心率Hd调整;另一方面,采用分级的控制策略,具体为采样出骑行者心率H减去期望心率Hd得到心率误差e2,以误差e1和e2的大小来选择助力级别,本方法根据骑行者心率与力矩来实时分配骑行时人力与电力的大小,进而保持骑行者的输出力矩和心率在理想值,具有更优的锻炼效果,更高的续航性能和更舒适的骑行体验。

【技术实现步骤摘要】
一种动力辅助系统及控制方法
本专利技术涉及电动助力装置的控制领域,更具体地说,本专利技术涉及一种动力辅助系统及控制方法。
技术介绍
电动助力自行车于80年代末90年代初发源于日本,它只允许以助力模式运行,必须是“人力+电力”的混合动力输出方式,没有纯电动模式。之所以只允许使用助力模式,是因为助力驱动模式有效保证了骑行的安全性和可靠性,并且大大增加了一次骑行的续航里程,同时有效避免了整车重量的增加,还起到代步和健身的双重效果,让人们在保留骑行体验的同时骑得轻松,骑得更远。在电动助力自行车行业中,“动力辅助系统”的优劣一直是衡量电动助力自行车水平高低的标准,也是各企业间竞争最为激烈的领域。“动力辅助系统”的核心技术在控制方案,既要合理分配好电力和人力,使之具有高续航性,还要让骑行者有舒适感,具体表现为:一、在骑行者乏力或骑行费劲的时候,提供大小合适的助力;二、在骑行者体力充沛或有踏空感的时候精确地减少助力保证运动的高效率;三、保证骑行运动不对身体造成负面效果。不论在骑行运动还是其他的运动中,不论是有氧运动还是无氧运动,心率维持在合理的期望心率才会获得最大的运动效果和减脂效率。如果心率过高,对人体健康不利,如果心率过低,运动的效果不好。对于自行车运动员,心率的控制更为重要。现有技术中设定了六区间系统:区间一(60%-65%的最大心率):热身和恢复区;区间二(65%-75%的最大心率):基础训练区;区间三(75%-82%的最大心率):提高有氧能力和耐力区;区间四(82%-89%的最大心率):适应比赛节奏和强度区;区间五(89%-94%的最大心率):提高乳酸阈值区;区间六(94%-100%的最大心率):提高最大速度和输出功率区。最大心率估算公式:210减去年龄的一半,然后减掉你的体重(pounds)的5%,最后男子+4,女子+0。因此,在电动助力自行车的控制系统中,心率的利用和控制具有很高的实用价值。正常体力运动下,心率的高低与骑行者对外做功的大小呈线性关系。心率值上升,输出的功率上升,心率值降低,输出的功也就降低。由此可见,心率可以作为一个优秀的参数利用在电动自行车助力系统中,同时,如果把骑行者的输出力矩控制在一个理想值左右,骑行者不仅会有更舒适骑行效果,还能有最佳的锻炼效果。并且,人力和电力充分利用,能源利用率高。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决至少上述问题,并提供至少后面将说明的优点。本专利技术的目的是提供一种动力辅助系统及控制方法,以解决骑行时电力与人力不易有效分配的技术问题。为了实现根据本专利技术的这些目的和其他优点,提供了一种动力辅助系统,包括:驱动电机,其设置在自行车上,所述驱动电机通过一分级控制器进行驱动控制;第一比较器,其第一输入端连接一心率传感器的输出端,所述心率传感器采集骑行者的心率,所述第一比较器的第二输入端输入所述骑行者的期望心率信号;第二比较器,其第一输入端连接一力矩传感器的输出端,所述力矩传感器采集所述骑行者的输出力矩信号,所述第二比较器的第二输入端输入理想力矩信号;其中,所述第一比较器和第二比较器的输出端分别与所述分级控制器的输入端连接。一种动力辅助系统的控制方法,包括以下步骤:步骤一、设置骑行时所要保持的期望心率值Hd,实时采集骑行者的输出力矩T和心率H;步骤二、根据期望心率Hd与骑行者加设备的重量W调整所述理想力矩Td的值;步骤三、分级控制器根据采集的力矩误差e1和心率误差e2,对驱动电机进行分级控制,其中,力矩误差e1=T-Td,心率误差e2=H-Hd。优选的,所述步骤一中,对采集的输出力矩T和心率H通过指数权重移动平均模型进行滤波处理,该模型为:YK=SK,K=0;YK=SK,K=1;YK=ASK+BSK-1+(1-A-B)SK-2,K>1;其中,系数A与B为介于0-1之间的实数,且A与B之和小于1,SK为第K次采样值,YK为滤波后的第K次采样值。优选的,所述步骤二中,所述理想力矩Td值的调整方法如式(1)所示:其中Q为权值,W为骑行者加设备重量。优选的,所述步骤三中,分级控制的方法包括以下步骤:步骤A、根据力矩误差e1和心率误差e2的大小划分若干级别的助力区,每个级别的助力区对应不同的PID控制参数;步骤B、实时判断采集到的力矩误差e1和心率误差e2落入到哪个助力区,通过该助力区对应的PID控制参数对驱动电机进行驱动控制。优选的,根据力矩误差e1和心率误差e2的大小,将以力矩误差e1为纵坐标、心率误差e2为横坐标的坐标区域划分为三个级别助力区,划分过程为:第一步、设置心率误差分级常量a、b,a=-(Hd×10%),b=Hd×20%;第二步、设置力矩误差分级常量c、d,c=-(Td×10%);d=Td×80%;其中,力矩误差e1<c、力矩误差c≤e1≤d且心率误差e2≤a的区域为零级助力区Z0;力矩误差e1>d、力矩误差c≤e1≤d且心率误差a<e2≤b的区域为一级助力区Z1;力矩误差c≤e1≤d且心率误差b<e2的区域为二级助力区Z2。优选的,当采集到的力矩误差e1和心率误差e2落入到零级助力区Z0时,分级控制器不开启助力;当采集到的力矩误差e1和心率误差e2落入到一级助力区Z1时,分级控制器开启助力驱动控制,一级助力区Z1对应的PID控制参数为:KP=8,KI=0.2,KD=1;当采集到的力矩误差e1和心率误差e2落入到二级助力区Z2时,分级控制器开启助力驱动控制,二级助力区Z2对应的PID控制参数为:KP=13,KI=0.8,KD=3。与现有技术相比,本专利技术包含的有益效果在于:1、助力的大小由双误差——力矩误差e1和心率误差e2同时参与控制,并且所控制的理想力矩Td由期望心率Hd进行调节,更加全面的考虑了骑行者的骑行体验;2、心率误差e2的分级设计提升了骑行者的骑行体验,本专利技术方法充分考虑了对心率与力矩的控制,进一步实现人力与电力的高度配合,进而保持骑行者的心率大小,实现了高效率性,高续航性和高舒适性的人性化设计。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现,部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1:本专利技术的控制原理框图;图2:分级控制示意图;图3:本专利技术方法的控制流程图;图4:起步状态工作示意图;图5:平路状态工作示意图;图6:上坡状态工作示意图;图7:下坡状态工作示意图;其中e1——力矩误差,e2——心率误差,a、b、c、d——分级常量,Td——理想力矩,T——采样力矩,Tm——助力转矩,Hd——期望心率,H——采样心率,Q——权值,W——骑行者加设备重量,Z0——零级助力区,Z1——一级助力区,Z2——二级助力区。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。如图1所示,本专利技术提供了提供了一种动力辅助系统,包括:第一比较器2、第二比较器3、分级控制器4、心率传感器5、力矩传感器6和驱动电机7。驱动电机7设置在自行车9上,用于为自行车9提供一辅助动力,所述驱动电机7通过一分级控制器4进行驱动控制;第一比较器2的第一输入端连接一心率传感器5的输出端,所述心率传感器5采集骑行者8的心率,所述第一比较器2的第二输入端输入所述骑行者8的期望心率信号,期望心率是自主设定的。第二比较器本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种动力辅助系统,其特征在于,包括:驱动电机,其设置在自行车上,所述驱动电机通过一分级控制器进行驱动控制;第一比较器,其第一输入端连接一心率传感器的输出端,所述心率传感器采集骑行者的心率,所述第一比较器的第二输入端输入所述骑行者的期望心率信号;第二比较器,其第一输入端连接一力矩传感器的输出端,所述力矩传感器采集所述骑行者的输出力矩信号,所述第二比较器的第二输入端输入理想力矩信号;其中,所述第一比较器和第二比较器的输出端分别与所述分级控制器的输入端连接。

【技术特征摘要】
1.一种动力辅助系统,其特征在于,包括:驱动电机,其设置在自行车上,所述驱动电机通过一分级控制器进行驱动控制;第一比较器,其第一输入端连接一心率传感器的输出端,所述心率传感器采集骑行者的心率,所述第一比较器的第二输入端输入所述骑行者的期望心率信号;第二比较器,其第一输入端连接一力矩传感器的输出端,所述力矩传感器采集所述骑行者的输出力矩信号,所述第二比较器的第二输入端输入理想力矩信号;其中,所述第一比较器和第二比较器的输出端分别与所述分级控制器的输入端连接。2.一种如权利要求1所述的动力辅助系统的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一、设置骑行时所要保持的期望心率值Hd,实时采集骑行者的输出力矩T和心率H;步骤二、根据期望心率Hd与骑行者加设备的重量W调整所述理想力矩Td的值;步骤三、分级控制器根据采集的力矩误差e1和心率误差e2,对驱动电机进行分级控制,其中,力矩误差e1=T-Td,心率误差e2=H-Hd。3.如权利要求2所述的动力辅助系统的控制方法,其特征在于,所述步骤一中,对采集的输出力矩T和心率H通过指数权重移动平均模型进行滤波处理,该模型为:YK=SK,K=0;YK=SK,K=1;YK=ASK+BSK-1+(1-A-B)SK-2,K>1;其中,系数A与B为介于0-1之间的实数,且A与B之和小于1,SK为第K次采样值,YK为滤波后的第K次采样值。4.如权利要求2所述的动力辅助系统的控制方法,其特征在于,所述步骤二中,所述理想力矩Td值的调整方法如式(1)所示:其中Q为权值,W为骑行者加设备重量。5.如权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:袁小芳
申请(专利权)人:袁小芳
类型:发明
国别省市:湖南,43

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