專利名稱：用于手動操作車輛的電動助力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于手動操作車輛的電動助力系統(tǒng)，特別是涉及具有 用于對踩踏力助力的電機的電動自行車。
背景技術(shù)：
用于手動操作車輛的電動助力系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛操作者當(dāng)前給出的 力量來傳遞動力。與用純?nèi)肆眚?qū)動車輛時的情況相比，車輛操作者利用 該電動助力系統(tǒng)能夠用較小的力來達到相同的速度。因此，操作者能夠以 更有效的方式來操作車輛。
目前，諸如圖1所示的US2004/0206563A1，以電動自行車為例給出了 在車輛上實施的電動助力系統(tǒng)。由扭矩傳感器11感測踩踏力，扭矩傳感 器11將該力信息轉(zhuǎn)換成信號。由決定向電機驅(qū)動模塊輸出多大脈沖寬度 調(diào)制的單元19， 21，和22處理該信號。然后，模塊14控制電機13，電 機13包含感測電機的轉(zhuǎn)速的編碼器16。來自編碼器16的信息通過速度計 算模塊17和18反饋給單元19。從而調(diào)節(jié)該速度。
然而，使用扭矩傳感器要負(fù)擔(dān)較高的費用，并且導(dǎo)致更高的車輛價格。 另一種實施電動助力系統(tǒng)的現(xiàn)有方法采用"霍爾傳感器"，其中霍爾傳感 器用于感測大于特定閾值的車輛速度，然后在電機中命令固定的電流。該 方法沒有與人的動力輸入成比例地控制電機功率輸出的先進特性。因此， 存在著來自電機的不等的功率輸出，導(dǎo)致在高速期間來自電機的助力不 足，和在低速期間來自電機的助力太多的問題。
因此，需要實現(xiàn)能夠降低成本，同時使助力與人力相適應(yīng)的先進特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用霍爾傳感器減少系統(tǒng)成本，以及實現(xiàn)與人力輸入
成比例地控制電機功率輸出的先進特性。
根據(jù)本發(fā)明， 一種用于手動操作車輛的電動助力系統(tǒng)，所述手動操作 車輛具有可轉(zhuǎn)動的手動控制設(shè)備，所述電動助力系統(tǒng)包括速度傳感器， 用于檢測手動控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速；速度決定模塊，用于將手動控制設(shè)備的轉(zhuǎn) 速與參考速度比較，以檢測對手動控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速是正在加速還是減速；
增/減計數(shù)器，用于在手動控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速加速時增加計數(shù)，和在手動控
制設(shè)備的轉(zhuǎn)速減速時減小計數(shù)；電機，用于對車輛的車輪的驅(qū)動力助力； 功率驅(qū)動器，用于向電機提供電能和產(chǎn)生表示提供給電機的當(dāng)前功率等級 的當(dāng)前功率等級信號；和比較器，用于將轉(zhuǎn)換成模擬形式的增/減計數(shù)器 的計數(shù)結(jié)果與當(dāng)前功率等級信號進行比較。
通過本發(fā)明，由電機傳遞的助力量分別隨著手動控制設(shè)備的速度的增 加或降低而增加或降低。因此，能夠利用簡單的結(jié)構(gòu)，相對于踏板，即手 動控制設(shè)備的速度來控制電機的功率等級。


圖1是表示電機助力系統(tǒng)的傳統(tǒng)架構(gòu)的方框圖2是表示根據(jù)本發(fā)明實施例采用霍爾傳感器以及計數(shù)器的架構(gòu)的方 框圖3示出了車輛速度與兩個連續(xù)的霍爾傳感器信號上升沿之間的時序 之間的關(guān)系；
圖4示出了DAC設(shè)置(DAC setting)和對應(yīng)的車輛速度之間的關(guān)系； 圖5示出了兩個連續(xù)的霍爾傳感器信號上升沿之間的時序與DAC設(shè)置 之間的關(guān)系；
圖6A、 6B、 6C和6D是表示霍爾傳感器相對于踏板的布置示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的電機助力系統(tǒng)能夠應(yīng)用于諸如自行車、三輪車、輪椅、購物 推車或其它任何有輪的各種手動操作車輛。在此，應(yīng)該指出，電動自行車 僅是手動操作車輛的一個實例，在此僅用于說明的目的。
在描述本發(fā)明的實際實施之前方式，首先描述與本發(fā)明有關(guān)的基本原理。
如果pi等于3. 142，印d以米為單位表示自行車每秒的速度，y 以米 表示車輪的半徑，7V是車輪轉(zhuǎn)動1圈所用的時間，則可以如下計算自行車 的速度<formula>formula see original document page 6</formula> …(l)
對于任何手動操作車輛，操作者需要特定的設(shè)備，他或她能夠通過該 特定設(shè)備操作車輛。在自行車的情況下，該設(shè)備呈踏板和齒輪的形式，根 據(jù)本發(fā)明，該設(shè)備裝配有霍爾傳感器。假設(shè)霍爾傳感器連續(xù)地監(jiān)視該踏板， 則能夠跟蹤該踏板的位置信息，并由此得到其位置信息。這些霍爾傳感器 依次輸出包含速度信息的信號。由于踏板的轉(zhuǎn)動特性，來自霍爾傳感器的 輸出信號是一系列脈沖。如果一個踏板回轉(zhuǎn)產(chǎn)生許多脈沖，例如x個脈沖， 則能夠檢測到來自踏板霍爾傳感器的信號中的x上升沿，如果rp是兩個 連續(xù)的霍爾傳感器信號上升沿之間的時間，則
一個踏板回轉(zhuǎn)時間=;^7> (2) 如果自行車輪在一個踏板回轉(zhuǎn)期間轉(zhuǎn)動y圈，則可以建立時序關(guān)系 一個踏板回轉(zhuǎn)時間=7*7> (3) 從等式(2)和(3)，可以得到
r『(x*7>) // (4) 將(4)代入(1)，由下面的等式求出Tp與自行車速度的關(guān)系
(5)
其中7^與印c/成反比。因此，踏動踏板的速度越快，兩個連續(xù)的霍爾傳 感器信號上升沿之間的時間越短，自行車的速度越快。圖3的曲線示出了 該關(guān)系。
假設(shè)，(1)自行車100%由電力驅(qū)動；(2)電機電流與自行車速度成比 例；(3)電機電流由DAC (數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)的輸出控制，DAC的輸出與 DAC輸入，WC set"/7g呈線性關(guān)系。 因此，
其中k是比例系數(shù)。圖4中描繪了 WC""j'/^和自行車速度印d之間的 上述關(guān)系?？梢钥吹?，為了達到更高的自行車速度，需要更高的WCset"/7g，導(dǎo)致其電機電流更高和電機輸出更高。
將等式(6)代入等式(5)，由下面的等式求出7>與DAC輸入，創(chuàng)C se"i/^的關(guān)系
WC se"j./^ / 0^^7>) (7)，
圖5中用實線描繪了由(7)決定的這一關(guān)系。
電動助力系統(tǒng)只能輔助人力，而不能超過人力。因此，只希望100% 地電力驅(qū)動自行車所需的一部分功率。能夠通過比例系數(shù)k來對其進行調(diào) 節(jié)。在圖中，用點劃線，實線下移的方式來表示這一關(guān)系。該關(guān)系被預(yù)先 編程到電動助力系統(tǒng)中。
因此，通過上述關(guān)系，很顯然，可以根據(jù)預(yù)先編程的關(guān)系，用兩個連 續(xù)的霍爾傳感器信號上升沿之間的時間來確定向用于實施電動助力系統(tǒng) 的電機提供助力所需的^Cwt"/^。因此，踩動踏板越快，7>越小，WC ^t"/^越高，助力功率越高。與此相反，踩動踏板越慢，7>越大，WC ""i'/^越低，助力功率越低。
對于特定的T^，如果其對應(yīng)的MCs""/^在點劃線(點A)的右側(cè) 上，則意味著/MCse"i/^針對該對應(yīng)的踏板速度太高，需要向下調(diào)節(jié)以 匹配踏板速度。相反，"C "t";^落在點劃線(點B)的左側(cè)，則意味 著MC^"L^針對該對應(yīng)的踏板速度太小，需要向上調(diào)節(jié)以匹配踏板速 度。
下面詳細(xì)描述該布置的實際實施方式。
參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的電動助力系統(tǒng)具有踏板2，速度計數(shù)器3，速 度決定模塊4，增/減計數(shù)器7， n比特DAC (數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)9，比較器 11, P觀(脈沖寬度調(diào)制)邏輯模塊12，電機半橋(half bridge)功率驅(qū) 動器13和電機15。電機15與自行車的車輪(未示出)相連，用于對車輪 的驅(qū)動力提供助力。與霍爾傳感器相關(guān)聯(lián)地設(shè)置踏板2。設(shè)置有霍爾傳感 器的踏板通常被稱為具有霍爾傳感器的手動控制設(shè)備。因此，手動控制設(shè) 備是可轉(zhuǎn)動的。在三輪車的情況下，手動控制設(shè)備是可轉(zhuǎn)動的踏板，在輪 椅和購物推車的情況下，手動控制設(shè)備是車輪。霍爾傳感器和速度計數(shù)器 3定義速度傳感器。 —
參考圖6A，示出了霍爾傳感器相對于踏板的布置實例。踏板牢固地連 接到齒輪或鏈條GR。齒輪GR周圍設(shè)置有框架RM。齒輪GR設(shè)置有與其中 心等距設(shè)置的霍爾傳感器H1、 H2、和H3，三個霍爾傳感器H1、 H2、和H3 相隔相等的120度角度?？蚣躌M上設(shè)置有永磁體M1，四個N極和四個S 極以45度相等的間隔角度交替布置。隨著齒輪GR轉(zhuǎn)動，霍爾傳感器H1、 H2、和H3檢測到磁場的改變，導(dǎo)致產(chǎn)生脈沖，或正弦信號。隨著齒輪GR 轉(zhuǎn)動一圈或一周，霍爾傳感器H1產(chǎn)生四個周期的信號。通過組合來自霍 爾傳感器H1、 H2、和H3的信號，齒輪GR轉(zhuǎn)動一圈產(chǎn)生12個周期的信號。
霍爾傳感器的數(shù)量可以是除三之外的任何其它數(shù)量，并且可以位于不同的 位置。圖6B、 6C和6D示出了設(shè)置霍爾傳感器的布置的改進。霍爾傳感器 的數(shù)量可以是除1外的任何數(shù)量。另外，N極和S極對的數(shù)量可以是除1
之外的任何數(shù)量。.
參考圖6B，霍爾傳感器H1、 H2、和H3設(shè)置在距中心等距離的位置， 霍爾傳感器Hl和H3與霍爾傳感器H2相隔60度。
參考圖6C，霍爾傳感器H1、 H2、和H3設(shè)置在框架RM上，并且相隔 120度的相等角度。齒輪GR上設(shè)置有永磁體M1，以使四個N極和四個S
極以45度相等的間隔角度交替布置。
參考圖6D，霍爾傳感器H1、 H2、和H3設(shè)置在框架固上，霍爾傳感 器Hl和H3與霍爾傳感器H2相隔60度。
霍爾傳感器連續(xù)地監(jiān)視電動自行車的踏板2的速度。來自霍爾傳感器 1的輸出信號被施加到速度計數(shù)器3。速度計數(shù)器3對來自霍爾傳感器的 兩個連續(xù)脈沖之間的時間，例如兩個連續(xù)霍爾傳感器信號上升沿之間的時 間進行計數(shù)，作為7>信息?？梢砸韵旅娴姆绞讲贾盟俣扔嫈?shù)器3以便對 單位時間的脈沖數(shù)量計數(shù)。因此，速度計數(shù)器3檢測踏板2，即手動控制 設(shè)備的轉(zhuǎn)速。計數(shù)器輸出是每單位時間的輸出，踩踏踏板越快，計數(shù)值越 大。因此，在每個單位時間，高值的計數(shù)結(jié)果對應(yīng)于較快的踏板速度，低 值對應(yīng)于較慢的踏板速度。
速度決定模塊4將當(dāng)前踏板速度計數(shù)與作為參考速度的當(dāng)前ZMC ^"i/^8進行比較。在當(dāng)前踏板速度增加時，速度計數(shù)器3的輸股曾加。
如果當(dāng)前踏板速度計數(shù)3高于當(dāng)前WC se^^7g 8，踏板決定模塊輸出6 為HIGH。當(dāng)踏板速度降低時，踏板速度計數(shù)3據(jù)此而降低。如果當(dāng)前踏板 速度計數(shù)3低于當(dāng)前MC""i/^8，踏板決定模塊輸出6為L0W。于是， 速度決定模塊4檢測手動控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速是加速還是減速。
然后，將速度決定模塊4的輸出6輸送到增/減計數(shù)器7。增/減計數(shù) 器7具有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端被施加踏板速度決定模塊 4的輸出信號6，和在踏板霍爾傳感器1的每個上升沿產(chǎn)生的時鐘信號5。 該輸出是增/減計數(shù)器7的計數(shù)，用其作為/^Cset"/^8。在時鐘輸入5 的上升沿，當(dāng)踏板決定模塊的輸出6是HIGH電平時，該增/減計數(shù)器7的 輸出8增加該計數(shù)8，當(dāng)踏板決定模塊的輸出6是LOW電平時，該增/減計 數(shù)器7的輸出8減小該計數(shù)8。
然后，wc ""j'm 8到達n比特dac 9。 dac 9的輸入-輸出特性如 下Z^Cw"i/^8的計數(shù)越高，該DAC輸出電壓越高；計數(shù)越低，DAC 輸出電壓越低。
DAC 9產(chǎn)生由比較器11依次與當(dāng)前的感測電壓14進行比較的電壓10。 當(dāng)前感測電壓14是與實際電機電流成比例的電壓。因此，當(dāng)前感測電壓 14是表示提供給電機15的當(dāng)前功率等級的當(dāng)前功率登記信號。如果n比 特DAC的輸出10比當(dāng)前感測電壓14高，比較器11的輸出變?yōu)楦唠娖健?當(dāng)n比特DAC的輸出10比當(dāng)前感測電壓14低時，比較器11的輸出電壓 變?yōu)榈碗娖健Ｓ谑?，比較器11將增/減計數(shù)器7的計數(shù)結(jié)果與當(dāng)前功率等 級信號14進行比較。
比較器11的輸出被施加到控制電機半橋功率驅(qū)動器13的接通或斷開 的PWM邏輯模塊12。當(dāng)比較器ll輸出為低電平時，意味著電機電流高于 n比特DAC的輸出10正在命令的電流。于是，P麗邏輯模塊12將以較低 的占空系數(shù)來驅(qū)動電機功率驅(qū)動器。結(jié)果是，電機線圈電流降低，當(dāng)比較 器11輸出為高電平時，意味著電機電流低于n比特DAC的輸出10正在命 令的電流。因此，PWM邏輯模塊12將針對較高的電機電流，以較高的占空 系數(shù)驅(qū)動電機功率驅(qū)動器13。當(dāng)電機正在以調(diào)節(jié)的速度運行時，電流感測 電壓14將接近n比特DAC的輸出電壓10。
于是，電機傳遞的助力量隨著手動控制設(shè)備的速度增加或降低而分別 增加或降低。
該環(huán)路的控制機構(gòu)說明如下。速度計數(shù)器3檢測踏板霍爾傳感器信號 1的兩個連續(xù)上升沿之間的時間，并對該時間計數(shù)。這是7>信息，并通過
速度決定模塊4與目前的WC se"i/^ 8進行比較。比較標(biāo)準(zhǔn)如圖5中的 點劃線所示。如果使踏板2的速度降低，速度決定模塊4的輸出6將為LOW 電平。在踏板霍爾傳感器信號1的每個上升沿，產(chǎn)生時鐘脈沖5來觸發(fā)增 /減計數(shù)器7。如果速度決定模塊4的輸出6在時鐘邊緣為LOW電平，計數(shù) 器7則減小計數(shù)。增/減計數(shù)器的輸出，或WC""i'/^8將直接控制DAC 9。增/減計數(shù)器7的輸出計數(shù)越低，DAC輸出IO也越低。這樣，能夠總是 在圖5中的參考點劃線的一個計數(shù)內(nèi)調(diào)節(jié)DAC 9。相反，如果踏板2的速 度升高，DAC9的輸出則增加，并將電機設(shè)置為更高的速度。因此，電機 12能夠輸出與踏板速度成比例的助力。
在上述實例中，使用踏板霍爾傳感器信號1的上升沿，但是也可以使 用任何其它部分，例如下降沿或峰值點。
在上述實例中，能夠只用模擬信號，或只用數(shù)字信號來執(zhí)行控制。這 種情況下，不需要DAC。另外，使用PWM邏輯模塊的電機半橋功率驅(qū)動器 13可以是任何其它類型的功率驅(qū)動器。
上述就給出的優(yōu)選實施例而言揭示的本發(fā)明不應(yīng)解釋為對本發(fā)明的 限定。在閱讀揭示的本發(fā)明的內(nèi)容之后，各種替換和改進對本領(lǐng)域技術(shù)人 員來說是顯而易見的。很顯然，這些替換和改進落入本發(fā)明的精神和范圍 內(nèi)。此外，可以理解，所附權(quán)利要求的目的是覆蓋這些替換和改進。
權(quán)利要求
1.一種用于手動操作車輛的電動助力系統(tǒng)，所述手動操作車輛具有可轉(zhuǎn)動的手動控制設(shè)備，所述電動助力系統(tǒng)包括速度傳感器，用于檢測所述手動控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速；速度決定模塊，用于將所述手動控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速與參考速度比較，以檢測對所述手動控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速是加速還是減速；增/減計數(shù)器，用于在所述手動控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速加速時增加計數(shù)，和在所述手動控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速減速時減小計數(shù)；電機，用于對所述車輛的車輪的驅(qū)動力助力；功率驅(qū)動器，用于向所述電機提供電能，和產(chǎn)生表示提供給所述電機的當(dāng)前功率等級的當(dāng)前功率等級信號；和比較器，用于增/減計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果與當(dāng)前功率等級信號進行比較，由此所述電機傳遞的助力量隨著所述手動控制設(shè)備的速度增加或降低而分別增加或降低。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電動助力系統(tǒng)，其中所述速度傳感器包括與 所述手動控制設(shè)備相關(guān)聯(lián)地設(shè)置的霍爾傳感器，用于相對亍所述手動控制 設(shè)備的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生脈沖；和速度計數(shù)器，用于對兩個連續(xù)脈沖之間的時間進 行計數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電動助力系統(tǒng)，進一步包括數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器， 用于把增/減計數(shù)器的數(shù)字格式的計數(shù)轉(zhuǎn)換成模擬格式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電動助力系統(tǒng)，其中所述功率驅(qū)動器包括電 機功率驅(qū)動器和脈沖寬度調(diào)制邏輯模塊。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電動助力系統(tǒng)，其中所述手動控制設(shè)備是具 有齒輪的踏板。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電動助力系統(tǒng)，其中所述霍爾傳感器設(shè)置在 齒輪上，和在所述齒輪周圍設(shè)置的框架上設(shè)置永久磁體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電動助力系統(tǒng)，其中所述霍爾傳感器設(shè)置在 齒輪周圍設(shè)置的框架上，和在所述齒輪上設(shè)置永久磁體。
8.—種用于根據(jù)權(quán)利要求l所述的手動操作車輛的電動助力系統(tǒng)的方 法，所述手動操作車輛具有對車輛助力的可轉(zhuǎn)動手動控制設(shè)備，所述方法包括步驟感測所述手動控制設(shè)備的轉(zhuǎn)速，和利用速度傳感器提取該速度信息；將該信息與指定的關(guān)系進行比較，以由所述速度決定模塊檢驗所述手動控制設(shè)備正在加速還是減速；根據(jù)比較結(jié)果更新增/減計數(shù)器的輸出計數(shù)，和由此產(chǎn)生與計數(shù)器輸 出成比例的計數(shù)結(jié)果，所述計數(shù)器輸出通過所述電機來控制驅(qū)動電流；由模擬比較器將所述計數(shù)結(jié)果與由電機功率驅(qū)動產(chǎn)生的當(dāng)前功率等 級信號進行比較，和由此產(chǎn)生比較結(jié)果作為脈沖寬度調(diào)制命令信號；由電機功率驅(qū)動器通過來自脈沖寬度調(diào)制邏輯模塊的脈沖寬度調(diào)制 信號直接驅(qū)動所述電機，其中脈沖寬度調(diào)制邏輯模塊根據(jù)脈沖寬度調(diào)制命 令信號來產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制信號。
全文摘要
一種用于諸如自行車之類的手動操作車輛的電動助力系統(tǒng)，具有帶霍爾傳感器的踏板，和用于對自行車的驅(qū)動力助力的電機。所述霍爾傳感器產(chǎn)生表示所述踏板的轉(zhuǎn)速的信號。設(shè)置速度計數(shù)器，速度決定模塊，增/減計數(shù)器，和比較器，以便隨著手動控制設(shè)備的速度增加或降低，由所述電機分別增加或降低所述助力。
文檔編號B60L15/20GK101181876SQ200710005190
公開日2008年5月21日 申請日期2007年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月13日
發(fā)明者劉宇斌, 張建德, 江天佑 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社;松下半導(dǎo)體亞洲私人有限公司