電動自行車智能調速控制系統的制作方法

專利名稱：電動自行車智能調速控制系統的制作方法
技術領域：
電動自行車智能調速控制系統技術領域：
本實用新型屬于電動自行車技術領域，特別涉及一種電動自行車的電子 控制系統。背景技術：
電動自行車作為一種無污染的綠色機動車，市場需求很大。目前市場流 行的電動自行車電子控制系統，主要采用由駕駛人憑自己的駕駛感覺設置控制器的加速 或減速命令方式，完成對直流電動機的調速，電動機再驅動車輪做加速或減速運動，從 而實現對電動自行車車速的控制。這是一種比較簡單的開環實時過程控制方式。這種技 術的特點是設計與實現簡單、使用方便，可利用價格比較低的器件和電路實現板級控 制，因此造價較低，并在大量的電動車上得到應用。隨著微處理器在電動車控制器中越 來越多的得到推廣和應用，傳統控制器存在的問題和缺點就越發暴露出來首先是從控 制理論上講開環控制的控制效率低，控制過程基本上沒有充分發揮微處理器的智能化控 制作用；其次是僅由駕駛人憑感覺完成車速控制和調節，不能滿足人們對電動產品更加 智能化、多功能化的需求；還有就是人們對于電動車主要部件如電機、電池組、控制 器等可靠性、耐用性等提出更高的要求。這些要求和國際、國內新的關于電動自行車控 制技術如電子智能助力及電子剎車控制、智能一體化電池組管理等新技術、新設計思 路也迫使我們對傳統電動自行車控制器產品加以改進，推出新的更加滿足市場需求的產Pl叩o目前市場流行的電動自行車電子系統控制方式如圖1所示，圖中虛線內部是控制器 內核，虛線以外是電動自行車控制系統外部電子功能部件。從圖1中可以看出系統是通過接口控制單元接收外部操作信息的。如通過車子的手柄轉把霍爾開關或腳踏板上的 中軸霍爾開關向控制器發出要求車子加速的信息，或是通過手把上的剎車柄(手柄閘把) 向控制器發出剎車或減速等信息。接口控制單元將這些信息整理后傳遞給系統的控制器 (通常是微處理器)。控制器經過判斷和處理后給功率驅動電路和控制電路發出相應的 控制命令，控制電路根據命令釋放更多的電源能量或減少電源能量的供應，功率驅動電 路將這些經過調制的電源能量輸送到直流電動機，電動機帶動車輪轉動。電動自行車的 控制器就是根據不斷解譯駕駛人員發出的指令(給出的控制信息)，不斷改變輸送給電 機的電能，實現對電動自行車速度的調整。應當指出，這種方式實際上是傳統摩托車控 制思想的延續。其控制器僅僅是完成對電機的單向控制，而控制的主體是駕駛員，雖然
控制器采用了 CPU、 MCU等高技術的微處理器作為主控部件，但它們僅起了簡單的命令 解讀和執行的作用。這種簡單的單向控制會給系統帶來許多安全隱患、能量浪費、電機損害等問題。比如1) 系統在車子剛剛啟動或低速行駛時強行加大電機驅動能量問通。由于駕駛人的加速 要求或系統慣性控制，導致動力控制電路依然向電機輸出動力，由于此狀態下，電 機需要非常大的動力才能驅動車輪加速，因此，功率消耗很大。經常使車子處于這 種工作狀態不但形成了一種能源浪費直接降低電池組使用壽命，而且加大驅動電路 和電機的負載，催其老化。2) 腳踏加速時容易出現竄車現象。因為傳統電動自行車是采用判斷有剎車信號從而切 斷驅動電路供應給電機的能量方法來實現車子的減速。當速度降低后再加速時可以 重新用手柄或腳踏方式實現。由于這個控制程序過于簡單，過程的銜接很生硬，車 子極易陷入腳踏_—躥車(速度突然提高很多)一一剎車一一再腳踏一一再躥 車——再剎車的危險循環狀態，這樣就會給行人和駕駛者帶來極大的安全隱患。我 們在路口遇到紅燈滅，綠燈剛亮時，發現有些騎電動車的人突然車子向前猛躥一下 就是這種現象。3) 車子長時間處于突變的加速、減速狀態對電能消耗及電機損害問題。我們知道當車 子長時間處于加速、減速、再加速、再減速過程中對電能源耗費最大和電機損害最 多。 一個好的電機驅動控制系統因當盡可能控制或減少這種現象的出現。因此，這 也是傳統電動自行車電子控制器需要改進的地方。
發明內容本實用新型的目的是解決現有技術中存在的上述不足，提供一種電動自 行車智能調速控制系統。本實用新型設計和解決的技術問題主要包括以下5個方面1) 專門為這一系統研究與設計了一款MCU;2) 建立電機速度采集鏈路和電路3) 使用控制算法和智能判斷處理邏輯實現對電機速度的調整；4) 增加系統最低車速驅動能量控制判別邏輯和車子冷啟動禁止功能；5) 建立自動化即時定速巡航邏輯功能。為了解決上述問題，本實用新型設計和開發了新型電動自行車的智能調速控制系統,并為這個系統研制和開發了一塊新的MCU芯片。圍繞著這塊MCU,我們建立了一套實
際車速采集裝置，通過對車子實際速度的測量，實現對電動自行車的行駛狀態和實際運 行環境的了解和檢測。再將這些采集和分析出的信息、情況與MCU系統中保存的(事先 設定好的)速度樣值和駐留在系統中的速度控制模版進行比對和運算，從而得到新的補 償值，將補償值添加到驅動程序中改變電機驅動參數，從而實現車速自動調整。在本系 統中淘汰了原來的開環模式，采用采集車輪運轉次數，并將轉數換算成速度的方法得到 車子實際的運行速度。再將控制器中保留的駕駛操作參數與系統實際采集和判別出的車 子運行狀況進行比較，對不符合駕駛操作參數的狀況進行自動修正，從而完成合理的速 度調整。這樣一來大大地減少了由駕駛人為控制電動自行車加速或減速而長時間的使驅 動電機處于頻繁加速一剎車斷電一再加速--再剎車的切換狀態。靠著MCU的自動調節功 能，使電動自行車的電機最大限度地處于"動態的平滑運行狀態"。這樣不但提高了系 統的安全性和自動化程度，而且降低了系統不必要的能耗、提高電機的使用效率和使用 年限。應用這些技術的控制系統可以做到在電動自行車的行駛過程中，根據駕駛者的操作 請求，控制器自動檢測實際行駛狀態(比如判斷當前路況是上坡、下坡還是平地？目前 車速是多少？)并對車子的速度進行自動調整和處理。這些技術將安全駕駛和自動控制 思想溶入設計中，允許駕駛者預先設定車速，此速度作為一個樣值，再比對行駛中采集 到的路面情況、車輛實際行駛狀態，不斷地對行車速度進行調整，盡量使車保持勻速行 駛。由運動學原理可知能使車輛驅動電機長期處于"動態的平滑運行狀態"，帶來的直 接效益就是可以大大提高電動車運行效率，延長電機壽命。同時還可以提高自行車控制 電路和動力(這里指電動自行車的電池組)的使用效率，有效地降低動力消耗，延長電 池組使用時間，從而達到節能和綠色環保效果。本實用新型提供的電動自行車智能調速控制系統，包括用于接收手柄轉把霍爾開關、 中軸霍爾開關和手柄閘把輸入的控制信號的接口控制單元，用于接收接口控制單元輸入 的控制信號的控制器，用于接收控制器輸出的控制信號并對電動機工作進行控制的功率 驅動電路，以及通過控制器對整個控制系統和電動機提供電源的電池組及其欠壓過流保 護單元，其特征在于，接口控制單元為可編程邏輯I/O接口單元，該接口單元同時連接 車輪轉速信號采集單元;這樣就大大簡化了電動自行車控制器的結構，減少了控制器PCB 板上的分離元件數量，使控制器的可靠性得到大幅提高。所述控制器的組成包括: 一個8位CPU核;用于存儲事先設定好的速度樣值并與CPU 核雙向連接的數據存儲器為一個128 X 8bit SRAM;用于存儲驅動控制程序并與200720096067.5說明書第4/6頁CPU核雙向連接的指令存儲器是一個512 X 12 bit PROM，該存儲器同時連接可編程邏輯 I/O接口單元，為用戶提供了便利的在線編程方法和手段；與CPU核雙向連接的是專門 為電動車控制而設立的邏輯單元，包括有車把控制信號輸入欲轉換通道、采集與處理電 機/車輪位置霍爾信息的車速采集模塊、PWM發生和功率驅動模塊等，這些電路大大簡化 了控制器與車上各電子配件的方式和減少了分離元件數目；為電動車的PWM產生和實際 車速采集設立的專用定時器同時雙向連接CPU核和電動車控制邏輯單元，該定時器為車 速的采集和PWM的產生提供了硬件手段這樣不但可以大大簡化了控制程序而且提高了 系統的可靠性。該控制器中還包括一個預裝有專用的電動車控制模塊的初始化程序并為用戶在線編 寫和燒寫PROM的系統駐留引導ROM，該ROM同時雙向連接CPU核和指令存儲器 PROM的。使得控制器在加電工作的初始化階段就由系統自動完成對專用的電動車控制 模塊和控制的初始化，這樣既簡化了用戶控制程序的編寫，減少了軟件調用，也提高了 控制器系統可靠性。所述的電機/車輪轉速信號采集單元包括設在電機/車輪上的霍爾傳感器，以及與霍爾 傳感器順次連接的降噪與電平調節電路、初級采集電路和次級采集與補償電路，次級采 集與補償電路將采集的車輪轉速信號輸入至可編程邏輯I/O接口單元，這幾個部件共同 構成了實際車速采集環節即車輪轉速信號采集單元。本實用新型的優點和有益效果，主要體現在以下幾個方面-1、 用閉環控制模式實現電動車速度智能化自動調整。因為要使自行車行駛平穩安 全，那么在路況不同的情況下行駛速度應該不同，也就是要使系統速度調整模塊輸出的 結果是一個非固定值。我們在系統中增加了車輪轉速信號釆集模塊，對采集到的值與設 定速度值相比較，并根據運行速度調整模版得到速度的補償值，將這個補償值添加到驅 動參數中，驅動系統(電路)根據新的參數調整輸出給電機的動力，從而完成本次速度 調節。系統再進入新的采集車輪轉數的新的控制與調整周期。這樣控制系統不斷地動態 調整輸出功率的大小，實現車輛以相對穩定速度行駛。從而改變了傳統控制器的控制方 法和控制模式，使電動自行車越發安全可靠、耗能降低、電機和電池組壽命得以延長。2、 冷啟動禁止功能。當行駛時速低于5公里/H時，如果突然進行大的加速操作會 造成兩種不良后果 一是對電機造成損害，二是引發竄車現象。在傳統控制系統中多采 用感應助力方式完成加速、減速控制，這時會出現起速—躥^~剎車一起速—-再竄車的狀 況。為了解決此問題我們增加了冷啟動禁止功能，該功能的主要作用是保證車子在低速
行駛的狀況下不輸出動力，若要由低速狀態加速，必須由中軸系統首先加速(即要求駕 駛者在控制器完全無動力提供給電機情況下，用人力蹬腳蹬使車運行起來)；當車速提 升到基本設定值時，系統自動恢復輸出動力，使車子改為電子助力駕駛。具體實現如圖3所示。這樣做可以有效的避免低速啟動中的竄車現象，同時還解決了車子在速度非常 低的情況下再起速時形成電流過大、電機發熱和驅動電路受損情況的發生(因為在低速 狀態下突然輸出大動力，會使電機工作處于扭矩最大狀態，車子不易操控)。冷啟動禁 止功能可以保證電動自行車在需要慢速行駛情況下，如傳統自行車一樣方便控制，安全 舒適，同時還無須消耗過多動力。另外，解決了冷啟動問題也就同時解決了由于過載可 能對自行車電動系統帶來的傷害問題，可以有效的保護電池和電機，實現了延長電機壽 命和提高電機運行效率的效果。3、即時定速巡航功能。區別于傳統控制器必須由駕駛人將加速手柄轉動8秒鐘后才 能通過控制器將設定的速度值鎖定從而形成巡航的定速方式。只要駕駛人停止對速度的 手動調整，本系統就能自動鎖定當時的速度設定為定速巡航速度，這樣的設置大大方便了駕駛人對車子速度的調整。我們的技術還對傳統的速度設定方法進行改進傳統控制 只有單方向的速度設定(只能設置加速，不能直接使現有設置減值)。如目前車速設 定為3級(相當于15KM/h)，駕駛人只能通過手柄加速，如果需要減速到2級(相當于 10KM/h)，必須用剎車將車速設置變為"0"，再重新用手柄加速到2級。而我們的技 術可以使駕駛人在任何設置的速度檔次上進行加或減速改變。這樣的設計與實現，不但 能使定速巡航控制更加方便、更具自動化，而且由于本系統采用閉環調速方式，可以實 現真正的無級調速。這也是原來電動自行車控制器所無法實現的。
圖1為現有技術中傳統電動自行車控制系統結構框圖；圖2為本發明電動自行車智能調速控制系統結構框圖；圖3為圖2中控制器的結構框圖；圖4為車輪轉速信號采集與處理模塊結構圖；圖5為電動自行車智能調速控制系統結構電路圖；圖6為本發明控制系統智能速度調節與冷啟動制動控制流程。
具體實施方式
實施例1、
本實用新型提供的電動自行車智能調速控制系統具體結構參見圖2、 3、 4、 5，包括 用于接收手柄轉把霍爾開關、中軸霍爾開關和手柄閘把輸入的控制信號的接口控制單元， 用于接收接口控制單元輸入的控制信號的控制器，用于接收控制器輸出的控制信號并對 電動機工作進行控制的功率驅動電路，以及通過控制器對整個控制系統和電動機提供電 源的電池組及其欠壓過流保護單元，接口控制單元為可編程邏輯I/O接口單元，該接口 單元同時連接車輪轉速信號采集單元；這樣就大大簡化了電動自行車控制器的結構，減 少了控制器PCB板上的分離元件數量，使控制器的可靠性得到大幅提高。本實用新型的核心點如何能使電動自行車的動力控制系統最大限度地處于"動態 的平滑運行狀態"？如何實現低速狀態下的輸出動力調整，避免竄車現象發生？如何充分利用MCU具有的智能分析、判斷能力最大限度地使電動自行車的速度控 制處于相對平滑的速度調節模式中，盡量避免反復利用加速 一 剎車 一 再加速-再剎 車的方式對車速進行調節是我們這一技術的特點。圖6為以上問題的解決方案，從圖中 可以看出，本技術對車速的調節由三部分組成1、駕駛員對車速的要求和命令。2、實 際車速的采集以及與設置參數的比較。3、系統駐留經典速度控制模版對車速控制驅動參 數調整的指導和修正。在這三大部分中，首先確立是以"駕駛員對車速的要求和命令" 為第一，第2、 3部分均是在"1"的指導下靠MCU和系統完成的。只有在"1"確定后， "2" 、 "3"才能發揮作用。這樣本系統通過從設計與采用新型專用電動車控制芯片；增加電銜車輪實際速度采 集；提供智能化速度分析和速度調節；設立人性化自動巡航控制；設立安全運行模式和 控制等方法和處理給電動自行車的控制提供了一些新的發展模式和思路。希望這些技術 和思想對我國的電動自行車事業的發展做出積極的貢獻。
權利要求1、一種電動自行車智能調速控制系統，包括用于接收手柄轉把霍爾開關、中軸霍爾開關和手柄閘把輸入的控制信號的接口控制單元，用于接收接口控制單元輸入的控制信號的控制器，用于接收控制器輸出的控制信號并對電動機工作進行控制的功率驅動電路，以及通過控制器對整個控制系統和電動機提供電源的電池組及其欠壓過流保護單元，其特征在于，接口控制單元為可編程邏輯I/O接口單元，該接口單元同時連接車輪轉速信號采集單元；所述控制器的組成包括一個8位CPU核；用于存儲事先設定好的速度樣值并與CPU核雙向連接的數據存儲器為一個128 X 8bit SRAM；用于存儲驅動控制程序并與CPU核雙向連接的指令存儲器是一個512 X 12 bit PROM，該存儲器同時連接可編程邏輯I/O接口單元，為用戶提供了便利的在線編程方法和手段；CPU核同時雙向連接專門為電動車控制而設立的電動車控制邏輯單元；為電動車的PWM產生和實際車速采集設立的專用定時器同時雙向連接CPU核和電動車控制邏輯單元。
2、 根據權利要求l所述的電動自行車智能調速控制系統，其特征在于所述的控制器中還包括一個預裝有專用的電動車控制模塊的初始化程序并為用戶在線編寫和燒寫PROM的系統駐留引導ROM,該ROM同時雙向連接CPU核和指令存儲器PROM的。
3、 根據權利要求1或2所述的電動自行車智能調速控制系統，其特征在于所述的 車輪轉速信號采集單元包括設在車輪上的霍爾傳感器，與霍爾傳感器順次連接的降噪與 電平調節電路、初級采集電路和次級采集與補償電路，次級采集與補償電路將采集的車 輪轉速信號輸入至可編程邏輯I/O接口單元，這幾個部件共同構成了實際車速采集環節 即車輪轉速信號采集單元。
專利摘要一種電動自行車智能調速控制系統。該控制系統是將接口控制單元改為可編程邏輯I/O接口單元，并連接車輪轉速信號采集單元；這樣就大大簡化了電動自行車控制器的結構，減少了控制器PCB板上的分離元件數量，使控制器的可靠性得到大幅提高。同時對原控制器進行一些改動，主要包括一個8位CPU核，一個數據存儲器128×8bitSRAM，一個指令存儲器512×12bitPROM，電動車控制邏輯單元，為電動車的PWM產生和實際車速采集設立的專用定時器，和一個系統駐留引導ROM。該系統用閉環控制模式實現了電動車速度的智能化自動調整；同時具有冷啟動禁止功能和即時定速巡航功能。可以實現真正的無級調速。這也是原來電動自行車控制器所無法實現的。
文檔編號G05B15/02GK201041623SQ20072009606
公開日2008年3月26日 申請日期2007年5月23日 優先權日2007年5月23日
發明者任立儒, 張紅光, 李福才 申請人:南開大學