一种带本质助力功能的电动车控制技术.pdf

一种带本质助力功能的电动车控制技术。这种本质助力功能是一种脚踏力-负载电流控制技术。即，将骑行者的双脚蹬踏力作为给定控制量，将负载电流作为反馈控制量，并在引入无级助力比例给定量的同时，速度量直接作为系统内部辅助反馈控制量，以此使“助力”功能挡实现人、车之间的力、速协调，人力、电力有机互补、互助。

1.  一种带本质助力功能的电动车控制技术，其特征是：通过骑行者旋动，助力比例给定环节H_R给定助力比例给定输入控制信号r_g，并将该信号送入比例放大环节＞_K，作为决定助力比例放大倍数K的控制量，该助力比例放大倍数K可无级地变化给定，即通过比较环节实现最小助力比1∶0～最大助力比1∶1之间变化；蹬踏力矩检测环节M_T的受力传感器(1)通过不同程度张紧的链条获取蹬踏力矩信号T，并将该信号送入比例放大环节＞_K；在比例放大环节＞_K中，作为输入量的蹬踏力矩信号T被放大K倍，作为给定助力比下的蹬踏力矩信号Tr输出；在比较环节中，经与电流检测环节M_I得到的电流反馈信号I_f进行比较，产生转矩偏差控制信号u_T，作为转矩控制信号输出；在比较环节中，转矩偏差控制信号u_T与速度反馈信号v_f进行比较，转矩偏差控制信号u_T的幅值和方向与速度反馈信号v_f的幅值和方向决定比较的结果，即比较环节输出的综合偏差控制信号e＝u_T-v_f；综合偏差控制信号e作为电流调节控制环节R_I的控制输入信号，经该环节的处理、放大、整形和幅度平移，产生电流控制信号u；电流控制信号u控制、驱动PWM控制环节PWM的单片机及其软件以及MOSFET器件逆变电路，借助电机转角位置信号p产生旋转功率驱动电流I；PWM控制环节PWM输出的驱动电流I，产生旋转电磁转矩，使得电动机D执行系统输出，实现机械转动，产生机械转矩。

2.  根据权利要求1所述的带本质助力功能的电动车控制技术，其特征是：在蹬踏力矩检测环节M_T中，受力传感器电路R_T的凹面应变电阻R_I的一端与受力传感器电路R_T的凸面应变电阻R_O的一端连接并引出，连接到控制器盒中的工作电源E的正极；凹面应变电阻R_I的另一端和凸面应变电阻R_O的另一端分别通过作为受力传感器(1)的凹面应变信号线b和凸面应变信号线a引出，依次连接到控制器盒中设置的凹面应变片桥臂平衡电阻R₂和凸面应变片桥臂平衡电阻R₁的一端。

3.  根据权利要求1或权利要求2所述的带本质助力功能的电动车控制技术，其特征是：在控制器盒中，凹面应变片桥臂平衡电阻R₂的另一端与凸面应变片桥臂平衡电阻R₁的另一端连接，并接地；工作点偏流电阻R₃的一端连接到运算放大器A_T的“+”信号输入端，另一端连接到工作电源虚地电位点E/2；反馈偏流电阻R₄的一端连接到运算放大器A_T的“-”信号输入端，另一端连接到运算放大器A_T的信号输出端；从受力传感器电路R_T引入的蹬踏力矩凸面应变信号线a和凹面应变信号线b连接到蹬踏力矩信号比较差分放大电路DA_T的差分输入端，即分别连接到运算放大器A_T的“+”和“-”信号输入端，经运算放大器A_T的放大，作为蹬踏力矩信号T，从运算放大器A_T的信号输出端输出。

4.  根据权利要求1所述的带本质助力功能的电动车控制技术，其特征是：在比例放大环节电路中，助力比例给定电位器R的动臂端与其电阻的一端连接，并连接到反馈偏流电阻R₆的一端和运算放大电路A_K的信号输出端，其电阻另一端连接到反馈偏流电阻R₆的另一端和运算放大电路A_K的“-”信号输入端；耦合电阻R₅的一端与运算放大电路A_K的“-”信号输入端连接，另一端作为蹬踏力矩信号T的输入端；工作点偏流电阻R₇的一端与运算放大电路A_K的“+”信号输入端连接，另一端连接到工作电源虚地电位点E/2；耦合电阻R₈的一端与运算放大电路A的“-”信号输入端连接，另一端连接到运算放大电路A_K的信号输出端；工作点偏流电阻R₉的一端与运算放大电路A的“+”信号输入端连接，另一端连接到工作电源虚地电位点E/2；反馈偏流电阻R_f的一端和运算放大电路A的信号输出端，另一端连接到运算放大电路A的“-”信号输入端。助力比例给定电位器R用以实现助力比例给定输入控制信号r_g，通过两级放大，实现K≈(R//R₆)R_f/R₅R₈的比例关系，产生K可无级变化给定的效果，进而将从输入端的输入蹬踏力矩信号T转换为给定助力比下的蹬踏力矩信号T_r，从运算放大电路A_K的信号输出端输出。

5.  根据权利要求1所述的带本质助力功能的电动车控制技术，其特征是：在转矩比较环节电路中，耦合电阻R₁₀和R₁₁的一端分别与运算放大电路A_K的“-”信号输入端和“+”信号输入端连接，另一端分别为电流反馈信号If输入端和给定助力比下的蹬踏力矩信号T_r输入端；反馈偏流电阻R₁₂的一端与和运算放大电路A_C的信号输出端连接，另一端连接到运算放大电路A_C的“-”信号输入端；工作点偏流电阻R₁₃的一端与运算放大电路A_C的“+”信号输入端连接，另一端连接到工作电源虚地电位点E/2；分压电阻R_E的一端连接到工作电源E的正极，另一端与瞬态电压抑制器即隧道二极管TVS的正极端连接，隧道二极管TVS的负极端接地。分压电阻R_E与隧道二极管TVS的正极端的连接点即成为工作电源虚地电位点E/2。以运算放大电路A_C为核心的差分放大器构成该转矩比较环节，电流反馈信号I_f和给定助力比下的蹬踏力矩信号T_r从其两信号输入端输入，经差分放大，产生转矩偏差控制信号u_T，从运算放大电路A_C的信号输出端输出。

6.  根据权利要求1所述的带本质助力功能的电动车控制技术，其特征是：受力传感器(1)安装在自行车后轮叉架梁(3)上，安装位置以受力传感器(1)与自行车链条(2)的对正配合为准。

7.  根据权利要求1或权利要求6所述的带本质助力功能的电动车控制技术，其特征是：在弹性应变连接体(1.1)的上端，通过轮轴组件(1.3)安装受力轮(1.2)，下端固接连接座兼安装卡件(盖)(1.4)；连接座兼安装卡件(盖)(1.4)与安装卡件(底)(1.5)为上下配合的紧固卡件，用于在安装时与自行车后轮叉架梁(3)紧固配合。

8.  根据权利要求1、权利要求6或权利要求7所述的带本质助力功能的电动车控制技术，其特征是：在弹性应变连接体(1.1)的煨弯处，分凸和凹面分别制成凸面应变片腔室(1.1.1)和凹面应变片腔室(1.1.2)；在凸面应变片腔室(1.1.1)内的弹性应变连接体(1.1)凸面，粘贴凸面应变片(1.1.3)；在凹面应变片腔室(1.1.2)内的弹性应变连接体(1.1)凹面，粘贴凹面应变片1.1.4)；凸面应变电阻R_O的引线1.1.5)穿越凸面应变电阻引线穿越孔道(1.1.7)，与凹面应变电阻R_I的引线(1.1.6)在应变电阻引线孔道(1.1.8)内口会合，共同穿过应变电阻引线孔道(1.1.8)引出至控制器盒。

一种带本质助力功能的电动车控制技术
所属技术领域
本发明涉及一种两轮电动车控制技术具体地说是助力功能下的电动车控制技术。
背景技术
电动车作为无尾气、无噪音的环保、文明的无公害绿色交通工具和不消耗不可再生资源、节省公共空间的资源节约型交通工具，正在受到人们的欢迎。其中一个受欢迎点，就是电动车带有一种“助力”挡的“助力”功能，使得人们骑、驾两便，加满足了远途乘行的需要，有满足了锻炼的需要。然而，当前电动车的“助力”功能，并非本质的助力，而是一种速度随动。它是靠检测链盘转速来控制电机转速的，骑驾者的双脚起的是速度给定的作用，其双脚的蹬踏力与车的运行无关。即，电动机对于人而言是主力，而不是“助力”。这样势必造成两种情况：一是因为这种速度随动忽略了人的负载力感觉，同时人也失去了本身的负载力感和速度感，从而速度失控，进而造成驾驶失控导致交通事故，特别是高速时造成大电流工作损害电池；二是因为由一导致的驾驶不便或不习惯，同时电动车的该“助力”功能完全可以被其主功能(“电动”挡)代替，电池电力不足时又完全丧失“助力”功能，因而该“助力”功能被索性闲置。为此，必须改进这种技术，使其实现本质的“助力”功能，即，将骑行者的双脚蹬踏力作为给定控制量，将负载电流作为反馈控制量，而速度仅作为系统内部反馈控制量，以期实现人、车之间的力、速协调，人力、电力互补、互助。
发明内容
为改进当前电动车“助力”功能挡的这种有缺陷技术，使其实现本质的“助力”功能，本发明提供一种脚踏力-负载电流控制技术。即，将骑行者的双脚蹬踏力作为给定控制量，将负载电流作为反馈控制量，并在引入无级助力比例给定量的同时，速度量直接作为系统内部辅助反馈控制量，以此使“助力”功能挡实现人、车之间的力、速协调，人力、电力有机互补、互助。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过安装在传动链条上部的压力传感器，获得骑行者的双脚蹬踏力信号，将该脚踏力作为给定控制量；增设无级助力比例给定输入量，得到给定助力比下的蹬踏力矩信号，同时引入负载电流信号作为电动机负载转矩反馈控制量，经比较得到“助力”功能挡下脚踏动力-电动机负载力，即人力-电力偏差量，作为转矩控制信号；不再使用该功能挡下现行的速度给定信号和速度给定信号与速度反馈信号的比较环节，速度反馈信号直接引入与转矩控制信号的比较环节，经比较得到综合偏差控制信号，作为该功能挡下转矩偏差控制比例调节环节的控制输入量，控制后续环节运行，其作用与现行技术相似。
运行时，压力传感器获得的骑行者双脚蹬踏力经与比例放大环节放大，得到在给定助力比例下的蹬踏力矩信号，经与电动机负载转矩反馈控制量比较，得到人力-电力偏差量，即转矩控制信号；该控制量与现行速度反馈量进行比较，得到综合偏差控制信号，该偏差量经放大、控制，使得电动力以给定比例“助力”，而车行速度取决于该偏差量、行车环境和电池电压；当电池电压较高时，比例控制量允许较小的偏差量获得较高的放大倍数，经驱动控制器控制、放大，使得电动力以正比于电池电压的较高比例(低于给定比例)“助力”，以至几乎接近给定比例，车速也可以很高；当电池电压较低时，即便偏差量较大，比例控制量也会通过调节放大倍数，使得驱动控制量较小，经驱动控制器控制、放大，调节电动力以较低比例(远低于给定比例)“助力”，车速则可能很低，骑行者双脚蹬踏力几乎成为“主力”；而当电池电压低到“欠压”值时，现行的欠压保护功能运行，车体行进完全由骑行者双脚蹬踏力驱动。
本发明的有益效果是：能使电动车在“助力”功能挡实现人、车之间的力、速协调，人力、电力有机互补、互助，同时又能顾及现行控制器的运行及工作状态。
附图说明
下面结合附图所示的一个实施例对本发明进一步说明。
附图1是本发明的一个实施例——带本质助力功能的电动车控制系统框图；
附图2是本发明一个实施例的双脚蹬踏力矩信号引入电路原理图；
附图3是本发明一个实施例的比例放大环节电路原理图；
附图4是本发明一个实施例的转矩比较环节电路原理图；
附图5是本发明一个实施例的压力传感器安装图；
附图6是本发明一个实施例的压力传感器结构(侧向)主视图；
附图7是本发明一个实施例的压力传感器结构左视图(局部)。
在附图1所示的带本质助力功能的电动车控制系统框图、附图2所示的双脚蹬踏力信号引入电路原理图、附图3所示的比例放大环节电路原理图和附图4所示的转矩比较环节电路原理图中：r_g为助力比例给定输入控制信号，T为蹬踏力矩信号，p为电机转角位置信号，I_f为电流反馈信号，v_f为速度反馈信号，T_r为给定助力比下的蹬踏力矩信号，u_T为转矩偏差控制信号，e为综合偏差控制信号，u为电流控制信号，I为电机驱动电流。H_R为助力比例给定环节，即通过骑行者旋动来无级地给定助力比例给定输入控制信号r_g的控制环节；M_T为蹬踏力矩检测环节，即通过受力传感器获取蹬踏力矩信号T的控制环节；＞K为比例放大环节，即实现T_r＝KT(K为由助力比例给定输入控制信号r_g决定的助力比例放大倍数)的控制环节；和分别为对应输入信号的比较环节，即分别实现u_T＝T_r-I_f和e＝u_T-v_f的控制环节；M_p为位置检测环节，即通过电机内光电编码器获取电机转角位置信号p的控制环节；C_v为速度计算环节，即实现从电机转角位置信号p到速度反馈信号v_f的转化功能的控制环节；M_I为电流检测环节，即获取电动机转矩电流信号即将电机驱动电流I转化为电流反馈信号I_f的控制环节；R_I为电流调节环节，即产生电流控制信号u而实现电流调节功能的控制环节；PWM为PWM控制环节，即通过脉宽调制逆变电路产生电机驱动电流I而实现电机驱动功能的控制环节；D为电动机，即实现机械转动的执行环节。
在附图2所示的双脚蹬踏力信号引入电路原理图、附图3所示的比例放大环节电路原理图和附图4所示的转矩比较环节电路原理图中：R_T为受力传感器电路，其中R_I为凹面应变电阻，R_O为凸面应变电阻；R₁为凸面应变片桥臂平衡电阻，R₂为凹面应变片桥臂平衡电阻；a为凸面应变信号线，b为凹面应变信号线；DA_T为差分放大电路，其中A_T为运算放大电路，R₃为工作点偏流电阻，R₄为反馈偏流电阻，E为工作电源，E/2为工作电源虚地电位点。
在附图3所示的比例放大环节电路原理图中：A_K为运算放大电路，R₅为耦合电阻，R₆为反馈偏流电阻，R₇为工作点偏流电阻，R为助力比例给定电位器，用以实现助力比例给定输入控制信号r_g；A为运算放大电路，R₈为耦合电阻，R₉为工作点偏流电阻，R_f为反馈偏流电阻。
在附图4所示的转矩比较环节电路原理图中：A_C为运算放大电路，R₁₀、R₁₁为耦合电阻，R₁₂为反馈偏流电阻，R₁₃为工作点偏流电阻，R_E为分压电阻，TVS为瞬态电压抑制器即隧道二极管。
在附图5所示的压力传感器安装图中：1.受力传感器(实现附图2的受力传感器电路R_T)，2.自行车链条，3.自行车后轮叉架梁。
在附图6所示的压力传感器结构(侧向)主视图和附图7所示的压力传感器结构左视图(局部)中：1.1.弹性应变连接体，1.2.受力轮，1.3.轮轴组件，1.4.连接座兼安装卡件(盖)，1.5.安装卡件(底)。
在附图7所示的压力传感器结构左视图(局部)中：1.1.1.凸面应变片腔室，1.1.2.凹面应变片腔室，1.1.3.凸面应变片，1.1.4.凹面应变片，1.1.5.凸面应变电阻R_O的引线(实现附图2中的凸面应变信号线a)，1.1.6.凹面应变电阻R_I的引线(实现附图2中的凹面应变信号线b)，1.1.7.凸面应变电阻引线孔道，1.1.8.应变电阻引线孔道。
具体实施方式
在附图1所示的带本质助力功能的电动车控制系统框图和附图5所示的压力传感器安装图中：通过骑行者旋动，助力比例给定环节H_R给定助力比例给定输入控制信号r_g，并将该信号送入比例放大环节＞K，作为决定助力比例放大倍数K的控制量，该助力比例放大倍数K可无级地变化给定，即通过比较环节实现最小助力比1∶0～最大助力比1∶1之间变化；蹬踏力矩检测环节M_T的压力传感器(1)通过不同程度张紧的链条获取蹬踏力矩信号T，并将该信号送入比例放大环节＞K；在比例放大环节＞K中，作为输入量的蹬踏力矩信号T被放大K倍，实现T_r＝KT，作为给定助力比下的蹬踏力矩信号T_r输出；在比较环节中，经与电流检测环节M_I得到的电流反馈信号I_f进行比较，产生转矩偏差控制信号u_T，作为转矩控制信号输出。
在比较环节蹬踏力矩信号T的幅值和方向与反映电动机转矩即电机驱动电流I的电流反馈信号I_f的幅值和方向，决定转矩偏差控制信号u_T的幅值和方向，即比较器的输出为u_T＝T-I_f。因在“助力”挡下总是T≥0，I_f≥0，所以u_T只有两种情况，即T≥I_f时，u_T≥0，反之，u_T＜0。
在比较环节转矩偏差控制信号u_T与速度反馈信号v_f进行比较，转矩偏差控制信号u_T的幅值和方向与速度反馈信号v_f的幅值和方向决定比较的结果，即比较环节输出的综合偏差控制信号e＝u_T-v_f。显然，当u_T≥0，v_f≥0时，如果u_T≥v_f，则e≥0，反之，e＜0；当u_T≥0，v_f＜0时，e＞＞0；当u_T＜0，v_f≥0时，如果|u_T|≥v_f，则e＜＜＜0，反之，e＜＜0。
综合偏差控制信号e作为电流调节控制环节R_I的控制输入信号，经该环节的处理、放大、整形和幅度平移，产生电流控制信号u。
电流控制信号u控制、驱动PWM控制环节PWM的单片机及其软件以及MOSFET器件逆变电路，借助电机转角位置信号p产生旋转功率驱动电流I。
PWM控制环节PWM输出的驱动电流I，产生旋转电磁转矩，使得电动机D执行系统输出，实现机械转动，产生机械转矩。
在附图2所示的双脚蹬踏力信号引入电路原理图中：受力传感器电路R_T的凹面应变电阻R_I的一端与受力传感器电路R_T的凸面应变电阻R_O的一端连接并引出，连接到控制器盒中的工作电源E的正极；凹面应变电阻R_I的另一端和凸面应变电阻R_O的另一端分别通过作为蹬踏力矩信号线的凹面应变信号线b和凸面应变信号线a引出，依次连接到控制器盒中设置的凹面应变片桥臂平衡电阻R₂和凸面应变片桥臂平衡电阻R₁的一端。在控制器盒中，凹面应变片桥臂平衡电阻R₂的另一端与凸面应变片桥臂平衡电阻R₁的另一端连接，并接地。工作点偏流电阻R₃的一端连接到运算放大器A_T的“+”信号输入端，另一端连接到工作电源虚地电位点E/2；反馈偏流电阻R₄的一端连接到运算放大器A_T的“-”信号输入端，另一端连接到运算放大器A_T的信号输出端。从受力传感器电路R_T引入的蹬踏力矩凸面应变信号线a和凹面应变信号线b连接到蹬踏力矩信号比较差分放大电路DA_T的差分输入端，即分别连接到运算放大器A_T的“+”和“-”信号输入端，经运算放大器A_T的放大，作为蹬踏力矩信号T，从运算放大器A_T的信号输出端输出。
在附图3所示的比例放大环节电路原理图中：助力比例给定电位器R的动臂端与其电阻的一端连接，并连接到反馈偏流电阻R₆的一端和运算放大电路A_K的信号输出端，其电阻另一端连接到反馈偏流电阻R₆的另一端和运算放大电路A_K的“-”信号输入端；耦合电阻R₅的一端与运算放大电路A_K的“-”信号输入端连接，另一端作为蹬踏力矩信号T的输入端；工作点偏流电阻R₇的一端与运算放大电路A_K的“+”信号输入端连接，另一端连接到工作电源虚地电位点E/2；耦合电阻R₈的一端与运算放大电路A的“-”信号输入端连接，另一端连接到运算放大电路A_K的信号输出端；工作点偏流电阻R₉的一端与运算放大电路A的“+”信号输入端连接，另一端连接到工作电源虚地电位点E/2；反馈偏流电阻R_f的一端和运算放大电路A的信号输出端，另一端连接到运算放大电路A的“-”信号输入端。助力比例给定电位器R用以实现助力比例给定输入控制信号r_g，通过两级放大，实现K≈(R//R₆)R_f/R₅R₈的比例关系，产生K可无级变化给定的效果，进而将从输入端的输入蹬踏力矩信号T转换为给定助力比下的蹬踏力矩信号T_r，从运算放大电路A_K的信号输出端输出。
在附图4所示的转矩比较环节电路原理图中：耦合电阻R₁₀和R₁₁的一端分别与运算放大电路A_K的“-”信号输入端和“+”信号输入端连接，另一端分别为电流反馈信号I_f输入端和给定助力比下的蹬踏力矩信号T_r输入端；反馈偏流电阻R₁₂的一端与和运算放大电路A_C的信号输出端连接，另一端连接到运算放大电路A_C的“-”信号输入端；工作点偏流电阻R₁₃的一端与运算放大电路A_C的“+”信号输入端连接，另一端连接到工作电源虚地电位点E/2；分压电阻R_E的一端连接到工作电源E的正极，另一端与瞬态电压抑制器即隧道二极管TVS的正极端连接，隧道二极管TVS的负极端接地。分压电阻R_E与隧道二极管TVS的正极端的连接点即成为工作电源虚地电位点E/2。以运算放大电路A_C为核心的差分放大器构成该转矩比较环节，电流反馈信号I_f和给定助力比下的蹬踏力矩信号T_r从其两信号输入端输入，经差分放大，产生转矩偏差控制信号u_T，从运算放大电路A_C的信号输出端输出。
在附图5所示的压力传感器安装图中：受力传感器(1)安装在自行车后轮叉架梁(3)上，安装位置以受力传感器(1)与自行车链条(2)的对正配合为准。
在附图6所示的压力传感器结构(侧向)主视图中：在弹性应变连接体(1.1)的上端，通过轮轴组件(1.3)安装受力轮(1.2)，下端固接连接座兼安装卡件(盖)(1.4)；连接座兼安装卡件(盖)(1.4)与安装卡件(底)(1.5)为上下配合的紧固卡件，用于在安装时与自行车后轮叉架梁(3)紧固配合。
在附图7所示的压力传感器结构左视图(局部)中：在弹性应变连接体(1.1)的煨弯处，分凸和凹面分别制成凸面应变片腔室(1.1.1)和凹面应变片腔室(1.1.2)；在凸面应变片腔室(1.1.1)内的弹性应变连接体(1.1)凸面，粘贴凸面应变片(1.1.3)；在凹面应变片腔室(1.1.2)内的弹性应变连接体(1.1)凹面，粘贴凹面应变片1.1.4)；凸面应变电阻R_O的引线1.1.5)穿越凸面应变电阻引线穿越孔道(1.1.7)，与凹面应变电阻R_I的引线(1.1.6)在应变电阻引线孔道(1.1.8)内口会合，共同穿过应变电阻引线孔道(1.1.8)引出至控制器盒。