專利名稱：用于手動操作車輛的電動助力系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于手動操作車輛的電動助力系統，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：
用于手動操作車輛的電動助力系統能夠根據車輛操作者當前給出的 力量來傳遞動力。與用純人力來驅動車輛時的情況相比，車輛操作者利用 該電動助力系統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。由扭矩傳感器11感測踩踏力，扭矩傳感 器11將該力信息轉換成信號。由決定向電機驅動模塊輸出多大脈沖寬度 調制的單元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。從而調節該速度。
然而，使用扭矩傳感器要負擔較高的費用，并且導致更高的車輛價格。 另一種實施電動助力系統的現有方法采用"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，需要實現能夠降低成本，同時使助力與人力相適應的先進特性。
發明內容
本發明的目的是利用霍爾傳感器減少系統成本，以及實現與人力輸入
成比例地控制電機功率輸出的先進特性。
根據本發明， 一種用于手動操作車輛的電動助力系統，所述手動操作 車輛具有可轉動的手動控制設備，所述電動助力系統包括速度傳感器， 用于檢測手動控制設備的轉速；速度決定模塊，用于將手動控制設備的轉 速與參考速度比較，以檢測對手動控制設備的轉速是正在加速還是減速；
增/減計數器，用于在手動控制設備的轉速加速時增加計數，和在手動控
制設備的轉速減速時減小計數；電機，用于對車輛的車輪的驅動力助力； 功率驅動器，用于向電機提供電能和產生表示提供給電機的當前功率等級 的當前功率等級信號；和比較器，用于將轉換成模擬形式的增/減計數器 的計數結果與當前功率等級信號進行比較。
通過本發明，由電機傳遞的助力量分別隨著手動控制設備的速度的增 加或降低而增加或降低。因此，能夠利用簡單的結構，相對于踏板，即手 動控制設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的傳統架構的方框圖2是表示根據本發明實施例采用霍爾傳感器以及計數器的架構的方 框圖3示出了車輛速度與兩個連續的霍爾傳感器信號上升沿之間的時序 之間的關系；
圖4示出了DAC設置(DAC setting)和對應的車輛速度之間的關系； 圖5示出了兩個連續的霍爾傳感器信號上升沿之間的時序與DAC設置 之間的關系；
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
本發明的電機助力系統能夠應用于諸如自行車、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。
在描述本發明的實際實施之前方式，首先描述與本發明有關的基本原理。
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備，他或她能夠通過該 特定設備操作車輛。在自行車的情況下，該設備呈踏板和齒輪的形式，根 據本發明，該設備裝配有霍爾傳感器。假設霍爾傳感器連續地監視該踏板， 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。如果一個踏板回轉產生許多脈沖，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 連續的霍爾傳感器信號上升沿之間的時間，則
一個踏板回轉時間=;^7> (2) 如果自行車輪在一個踏板回轉期間轉動y圈，則可以建立時序關系 一個踏板回轉時間=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 該關系。
假設，(1)自行車100%由電力驅動；(2)電機電流與自行車速度成比 例；(3)電機電流由DAC (數字模擬轉換器)的輸出控制，DAC的輸出與 DAC輸入，WC set"/7g呈線性關系。 因此，
其中k是比例系數。圖4中描繪了 WC""j'/^和自行車速度印d之間的 上述關系。可以看到，為了達到更高的自行車速度，需要更高的WCset"/7g，導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C se"i/^的關系
WC se"j./^ / 0^^7>) (7)，
圖5中用實線描繪了由(7)決定的這一關系。
電動助力系統只能輔助人力，而不能超過人力。因此，只希望100% 地電力驅動自行車所需的一部分功率。能夠通過比例系數k來對其進行調 節。在圖中，用點劃線，實線下移的方式來表示這一關系。該關系被預先 編程到電動助力系統中。
因此，通過上述關系，很顯然，可以根據預先編程的關系，用兩個連 續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 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^，如果其對應的MCs""/^在點劃線(點A)的右側 上，則意味著/MCse"i/^針對該對應的踏板速度太高，需要向下調節以 匹配踏板速度。相反，"C "t";^落在點劃線(點B)的左側，則意味 著MC^"L^針對該對應的踏板速度太小，需要向上調節以匹配踏板速 度。
下面詳細描述該布置的實際實施方式。
參考圖2，根據本發明的電動助力系統具有踏板2，速度計數器3，速 度決定模塊4，增/減計數器7， n比特DAC (數字模擬轉換器)9，比較器 11, P觀(脈沖寬度調制)邏輯模塊12，電機半橋(half bridge)功率驅 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 的驅動力提供助力。與霍爾傳感器相關聯地設置踏板2。設置有霍爾傳感 器的踏板通常被稱為具有霍爾傳感器的手動控制設備。因此，手動控制設 備是可轉動的。在三輪車的情況下，手動控制設備是可轉動的踏板，在輪 椅和購物推車的情況下，手動控制設備是車輪。霍爾傳感器和速度計數器 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周圍設置有框架RM。齒輪GR設置有與其中 心等距設置的霍爾傳感器H1、 H2、和H3，三個霍爾傳感器H1、 H2、和H3 相隔相等的120度角度。框架RM上設置有永磁體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轉動，霍爾傳感器H1、 H2、和H3檢測到磁場的改變，導致產生脈沖，或正弦信號。隨著齒輪GR 轉動一圈或一周，霍爾傳感器H1產生四個周期的信號。通過組合來自霍 爾傳感器H1、 H2、和H3的信號，齒輪GR轉動一圈產生12個周期的信號。
霍爾傳感器的數量可以是除三之外的任何其它數量，并且可以位于不同的 位置。圖6B、 6C和6D示出了設置霍爾傳感器的布置的改進。霍爾傳感器 的數量可以是除1外的任何數量。另外，N極和S極對的數量可以是除1
之外的任何數量。.
參考圖6B，霍爾傳感器H1、 H2、和H3設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設置在框架RM上，并且相隔 120度的相等角度。齒輪GR上設置有永磁體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。
霍爾傳感器連續地監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器3。速度計數器3對來自霍爾傳感器的 兩個連續脈沖之間的時間，例如兩個連續霍爾傳感器信號上升沿之間的時 間進行計數，作為7>信息。可以以下面的方式布置速度計數器3以便對 單位時間的脈沖數量計數。因此，速度計數器3檢測踏板2，即手動控制 設備的轉速。計數器輸出是每單位時間的輸出，踩踏踏板越快，計數值越 大。因此，在每個單位時間，高值的計數結果對應于較快的踏板速度，低 值對應于較慢的踏板速度。
速度決定模塊4將當前踏板速度計數與作為參考速度的當前ZMC ^"i/^8進行比較。在當前踏板速度增加時，速度計數器3的輸股曾加。
如果當前踏板速度計數3高于當前WC se^^7g 8，踏板決定模塊輸出6 為HIGH。當踏板速度降低時，踏板速度計數3據此而降低。如果當前踏板 速度計數3低于當前MC""i/^8，踏板決定模塊輸出6為L0W。于是， 速度決定模塊4檢測手動控制設備的轉速是加速還是減速。
然后，將速度決定模塊4的輸出6輸送到增/減計數器7。增/減計數 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的每個上升沿產生的時鐘信號5。 該輸出是增/減計數器7的計數，用其作為/^Cset"/^8。在時鐘輸入5 的上升沿，當踏板決定模塊的輸出6是HIGH電平時，該增/減計數器7的 輸出8增加該計數8，當踏板決定模塊的輸出6是LOW電平時，該增/減計 數器7的輸出8減小該計數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的計數越高，該DAC輸出電壓越高；計數越低，DAC 輸出電壓越低。
DAC 9產生由比較器11依次與當前的感測電壓14進行比較的電壓10。 當前感測電壓14是與實際電機電流成比例的電壓。因此，當前感測電壓 14是表示提供給電機15的當前功率等級的當前功率登記信號。如果n比 特DAC的輸出10比當前感測電壓14高，比較器11的輸出變為高電平。 當n比特DAC的輸出10比當前感測電壓14低時，比較器11的輸出電壓 變為低電平。于是，比較器11將增/減計數器7的計數結果與當前功率等 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動器13的接通或斷開 的PWM邏輯模塊12。當比較器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 的占空系數來驅動電機功率驅動器。結果是，電機線圈電流降低，當比較 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 系數驅動電機功率驅動器13。當電機正在以調節的速度運行時，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備的速度增加或降低而分別 增加或降低。
該環路的控制機構說明如下。速度計數器3檢測踏板霍爾傳感器信號 1的兩個連續上升沿之間的時間，并對該時間計數。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。比較標準如圖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，產生時鐘脈沖5來觸發增 /減計數器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 器7則減小計數。增/減計數器的輸出，或WC""i'/^8將直接控制DAC 9。增/減計數器7的輸出計數越低，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內調節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，或只用數字信號來執行控制。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動器 13可以是任何其它類型的功率驅動器。
上述就給出的優選實施例而言揭示的本發明不應解釋為對本發明的 限定。在閱讀揭示的本發明的內容之后，各種替換和改進對本領域技術人 員來說是顯而易見的。很顯然，這些替換和改進落入本發明的精神和范圍 內。此外，可以理解，所附權利要求的目的是覆蓋這些替換和改進。
權利要求
1.一種用于手動操作車輛的電動助力系統，所述手動操作車輛具有可轉動的手動控制設備，所述電動助力系統包括速度傳感器，用于檢測所述手動控制設備的轉速；速度決定模塊，用于將所述手動控制設備的轉速與參考速度比較，以檢測對所述手動控制設備的轉速是加速還是減速；增/減計數器，用于在所述手動控制設備的轉速加速時增加計數，和在所述手動控制設備的轉速減速時減小計數；電機，用于對所述車輛的車輪的驅動力助力；功率驅動器，用于向所述電機提供電能，和產生表示提供給所述電機的當前功率等級的當前功率等級信號；和比較器，用于增/減計數器的計數結果與當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備的速度增加或降低而分別增加或降低。
2. 根據權利要求l所述的電動助力系統，其中所述速度傳感器包括與 所述手動控制設備相關聯地設置的霍爾傳感器，用于相對亍所述手動控制 設備的轉速產生脈沖；和速度計數器，用于對兩個連續脈沖之間的時間進 行計數。
3. 根據權利要求l所述的電動助力系統，進一步包括數字模擬轉換器， 用于把增/減計數器的數字格式的計數轉換成模擬格式。
4. 根據權利要求l所述的電動助力系統，其中所述功率驅動器包括電 機功率驅動器和脈沖寬度調制邏輯模塊。
5. 根據權利要求l所述的電動助力系統，其中所述手動控制設備是具 有齒輪的踏板。
6. 根據權利要求5所述的電動助力系統，其中所述霍爾傳感器設置在 齒輪上，和在所述齒輪周圍設置的框架上設置永久磁體。
7. 根據權利要求5所述的電動助力系統，其中所述霍爾傳感器設置在 齒輪周圍設置的框架上，和在所述齒輪上設置永久磁體。
8.—種用于根據權利要求l所述的手動操作車輛的電動助力系統的方 法，所述手動操作車輛具有對車輛助力的可轉動手動控制設備，所述方法包括步驟感測所述手動控制設備的轉速，和利用速度傳感器提取該速度信息；將該信息與指定的關系進行比較，以由所述速度決定模塊檢驗所述手動控制設備正在加速還是減速；根據比較結果更新增/減計數器的輸出計數，和由此產生與計數器輸 出成比例的計數結果，所述計數器輸出通過所述電機來控制驅動電流；由模擬比較器將所述計數結果與由電機功率驅動產生的當前功率等 級信號進行比較，和由此產生比較結果作為脈沖寬度調制命令信號；由電機功率驅動器通過來自脈沖寬度調制邏輯模塊的脈沖寬度調制 信號直接驅動所述電機，其中脈沖寬度調制邏輯模塊根據脈沖寬度調制命 令信號來產生脈沖寬度調制信號。
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，具有帶霍爾傳感器的踏板，和用于對自行車的驅動力助力的電機。所述霍爾傳感器產生表示所述踏板的轉速的信號。設置速度計數器，速度決定模塊，增/減計數器，和比較器，以便隨著手動控制設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 優先權日2006年11月13日
發明者劉宇斌, 張建德, 江天佑 申請人:松下電器產業株式會社;松下半導體亞洲私人有限公司