本发明涉及电动自行车模拟力矩助力传感控制系统及实现方法,包括模拟力矩助力动态采集器;系统通过模拟力矩助力动态采集器对脚踏板速度、加速度监测,模拟力矩助力动态采集器由助力盘结构件和模拟力矩助力动态采集电路板构成;助力盘结构件包括转盘、定盘、轴承和磁钢;模拟力矩助力动态采集电路板安装在定盘的扇形区域A内,模拟力矩助力动态采集电路板上的元器件包括单片机AT89C16、三端稳压器LM1117-3.3V、三个间隔固定的霍尔元件ES732,一个姿态模块MPU6050、输出电压接口J2及阻容元件;所采集的信号经单片机识别、判断和处理,同时单片机根据按键选择输入的车型、挡位信息来确定基本电压输出值,再根据轮盘转速数据,利用数学模型计算输出PWM信号,最后将PWM信号积分后输出给电机控制器,最后由电机控制器控制电机工作状态。
1.电动自行车模拟力矩助力传感控制系统,包括液晶屏显示仪表模块、功能选择按键模块、刹车信号输入模块、模拟力矩助力动态采集器和电机控制器,其特征在于,模拟力矩助力动态采集器采用三颗霍尔传感器与环形磁钢阵列组成的速度检测结构,用于脚踏方向及速度的监测信号的采集;系统通过模拟力矩助力动态采集器对脚踏板速度、加速度监测,实时控制无刷电机控制器对电机功率的输出,从而实现模拟力矩助力传感的效果,模拟力矩助力动态采集器采用同时集成了9轴陀螺仪的MPU6050姿态模块,用以对骑行车辆的姿态进行监测,根据路面坡度情况对电机输出功率进行调整,从而获得更好的用户体验;所述模拟力矩助力动态采集器由助力盘结构件和模拟力矩助力动态采集电路板构成;所述助力盘结构件包括转盘(1)、定盘(2)、轴承(3)和磁钢(4);转盘(1)为盘状空腔体,其内部型腔结构包括转盘底(11)、转盘壁(12)、空心轴(13)和环行磁钢固定带(14);转盘(1)中心为空心轴(13),空心轴(13)的外径尺寸与轴承(3)内环尺寸配合;其轴心孔(1301)的孔径与电动自行车中轴(5)尺寸配合;环行磁钢固定带(14)位于转盘底(11)的内底面,其形状为一环行凸缘,环行凸缘的上平面高于转盘底(11)的内底面,环行磁钢固定带(14)的内环直径大于空心轴(13)外径,外环直径小于转盘壁(12)内径;环行磁钢固定带(14)上包括有一组环行、等距间隔排列的盲孔(1401),每个盲孔(1401)内固定一个圆柱形磁钢(4);定盘(2)为盘状空腔体,其内部型腔结构包括定盘底(21)、定盘壁(22)、轴承架(23)和穿线孔(24);定盘(2)中心为轴承架(23);定盘底(21)的内底面由筋板分为三个扇形区域,其中的一个扇形区域A作为模拟力矩助力动态采集电路板的安装位置,穿线孔(24)位于扇形区域A临近上边缘处,穿线孔(24)作为模拟力矩助力动态采集电路板控制线缆的引出口;转盘(1)、定盘(2)、轴承(3)和磁钢(4)装配在一起,轴承(3)装配在转盘(1)的空心轴(13)和定盘(2)的轴承架(23)之间,轴承架(23)的内径与轴承(3)外环直径配合;轴承(3)的外环嵌装在轴承架(23)的内径中,轴承(3)的内环套装在空心轴(13)上;转盘(1)与定盘(2)配合,转盘壁(12)内径与定盘壁(22)外径滑动配合;空心轴(13)的轴心孔(1301)的孔径与电动自行车中轴(5)紧密配合;所述模拟力矩助力动态采集电路板安装在定盘(2)的扇形区域A内,模拟力矩助力动态采集电路板上的元器件包括单片机AT89C16、三端稳压器LM1117-3.3V、三个间隔固定的霍尔元件ES732,一个姿态模块MPU6050(陀螺仪)、输出电压接口J2及阻容元件;在所述模拟力矩助力动态采集电路板上,三个所述霍尔元件ES732分别为第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C,三个霍尔元件ES732的感应面中心在同一条弧线上,每个霍尔元件ES732的感应面中心与定盘(2)轴心连线,形成两个扇形,每两个相邻的霍尔元件ES732的感应面中心分别与定盘(2)轴心的连线之间的夹角为5度;所述转盘(1)上的24个所述磁钢(4)的轴心在同一圆上,每个磁钢(4)轴心与转盘(1)轴心连线,形成23个扇形,每两个相邻磁钢(4)轴心与转盘(1)轴心连线之间的夹角为15度;三个霍尔元件ES732的感应面中心所在的圆的圆心与24个磁钢(4)轴心所在的圆的圆心均在同一轴心线上,此轴心线即电动自行车中轴(5)轴心线;当转盘(1)随自行车中轴转动时,定盘(2)的位置固定不变,三个所述霍尔元件ES732的方位保持不变;转盘(1)内的24个磁钢(4)沿其所在圆的轨迹环形移动时,其中,每一个磁钢(4)的感应面依次经过三个霍尔元件ES732的感应面,磁钢(4)的感应面与霍尔元ES732件的感应面相对应的一刻,触发霍尔元件ES732,霍尔元件ES732内部电路产生感应电压脉冲信号;24个磁钢(4)的感应面与三个霍尔元件ES732的感应面重合即触发时序为:转盘(1)正转即骑行前进时的转向时,依次触发第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C;转盘(1)反转时时,依次触发第三霍尔元件C、第二霍尔元件B、第一霍尔元件A;感应出电压脉冲信号给单片机AT89C16,单片机AT89C16据此提取有关的方向和速度数据作为计算出电源电压占空比PWM的数据,经DA转换后,输出电压信号,电机控制器以此作为控制系统的信号源;方向数据提取方法:通过转盘(1)的转动方向,由单片机AT89C16采集三个所述霍尔元件ES732触发信号顺序获得;速度数据提取方法:通过转盘(1)的转动,由单片机AT89C16采集三个所述霍尔元件ES732触发信号间隔时间数据获得;安装在所述模拟力矩助力动态采集电路板上的姿态模块MPU6050的姿态为:坐标X保持水平,坐标Z保持垂直,单片机AT89C16以此时的采集的信号数据作为其位置平衡的数据,以此数据作为程序判断的初始状态;模拟力矩助力动态采集器电路以单片机AT89C16为中心处理器,利用姿态模块MPU6050的姿态可知性,经过I²C总线与单片机AT89C16通信,以此作为坡度识别器;单片机AT89C16的SCL端口、SDL端口分别连接姿态模块MPU6050的SCL端口、SDL端口,SCL和SDL是xa0I2C通信的数据和时钟线;单片机AT89C16的三个通用I/O端口PIO0_6、PIO0_7和PIO0_12分别连接三个霍尔元件ES732;单片机AT89C16的PWM输出端口PIO0_0经电阻R3xa0连接输出电压接口J2。
2.如权利要求1所述电动自行车模拟力矩助力传感控制系统的实现方法,其特征在于,模拟力矩助力动态采集器将所采集的信号经单片机AT89C16识别、判断和处理,同时单片机AT89C16根据按键选择输入的车型、挡位信息来确定基本电压输出值,再根据轮盘转速数据,利用数学模型计算输出PWM信号,最后将PWM信号积分后输出给电机控制器,由刹车信号输入模块输入刹车信号,最后由电机控制器控制电机工作状态,所述方法包括如下步骤:a)xa0xa0首先,电动自行车模拟力矩控制系统接通电源;b)xa0xa0模拟力矩助力动态采集器通过三个霍尔元件ES732实时采集由骑行者脚踏驱动的轮盘转速数据,单片机AT89C16不断查询三个霍尔脉冲信号的间隔数据信息,单片机AT89C16通过三个霍尔脉冲信号的间隔数据信息判断轮盘转速数据,然后,利用数学模型计算出输出电压占空比PWM,由单片机AT89C16的PWM输出端口输出到电机控制器的信号输入端,电机控制器输出控制电机的电压值取决于输出电压占空比PWM,输出电压占空比PWM决定电机的转速;由于单片机AT89C16的PWM输出端口PIO0_0输出的输出电压占空比PWM与轮盘转速呈线性正比关系,根据其对应关系建立计算PWM的数学模型为:PWMxa0=xa0y+z--------------------------------------------------------(1)式(1)中:PWM:输出电压占空比,单位:%y:为与速度变化对应的输出电压占空比值;xa0xa0xa0单位:%z:基本输出电压占空比值;单位:%yxa0=xa0(ka×60)÷wsxa0+xa0kb;-------------------------------------------(2)式(2)中:ka:为该转换关系的比例系数值;其取值范围为:26~48,当速度为26km/h时,ka的取值为26,当速度为6km/h时,ka的取值为48;kb:为与速度变化对应的修正值;其取值范围为:0~20,当速度为6km/h时,kb的取值为0,当速度为26km/h时,kb的取值为20;ws:是计算相邻两个磁钢在其圆形轨迹上运行时,相继通过同一个霍尔元件中心点所用的时间的关系式,xa0单位:xa0ms;wsxa0=xa03600×a×π×D÷(b×c×S)xa0xa0----------------------------(3)式(3)中:axa0--xa0轮盘齿数bxa0--xa0飞轮齿数cxa0--xa0磁钢数Sxa0--xa0行驶速度:单位:Km/h;Dxa0--xa0车轮值径:单位:m;在编程中利用上述数学模型进行计算,实现将轮盘转速变化与输出电压占空比PWM对应;为满足各类人群骑行电动自行车舒适度的要求,特别根据山地车、公路车塔轮结构配置的7种不同飞轮齿数组成的7种配比参数,按7种配比参数取值设置7个档位;7个档位对应相应的数据,其中26英寸车型的第7档取值如下表所示: ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="559"/> ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="551"/> ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="551"/> xa0xa0xa0基本输出电压占空比值z的取值获得方法是:按车型结构设置的7个档位,7个档位对应相应速度,从骑行的实验数据中获取,其中26英寸车型z的取值范围如下表所示:xa0ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="493"/> ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="494"/> 数据保存在单片机AT89C16内部存储器中,液晶屏显示仪表中选择菜单显示的不同车型、挡位选项分别对应不同的基本输出电压占空比值z,功能选择按键模块的编码与基本输出电压占空比值z对应,通过按键操作液晶屏显示仪表选择菜单选择车型、挡位,单片机AT89C16根据轮盘驱动时车轮速度、车型和挡位数据选定参与计算的基本输出电压占空比值z;c)xa0一旦单片机AT89C16判断三个霍尔脉冲信号的间隔数据符合助力请求的阀限,助力动态采集器通过液晶屏显示仪表模块输出实时速度数据,由液晶屏显示仪表显示实时速度状态;阀限规定:在0.1秒内一个磁钢连续触发第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C,单片机AT89C16获得分别由三个不同霍尔元件ES732发出的脉冲信号,即为达到阀限;d)xa0单片机AT89C16按照按键模块输入给定的助力档位信息,利用数学模型计算出电源电压占空比PWM,通过输出转把电压接口连接电机控制器,调控电机控制器的功率;e)xa0如果执行步骤d)后,液晶屏显示仪表显示的实时速度数据达到要求,则维持此工作状态;f)xa0如果执行步骤d)后,液晶屏显示仪表显示的实时速度数据未达到要求,则通过功能选择按键模块输入按键信息,更换、提高速度档位;单片机AT89C16按照按键模块输入给定的助力档位信息,重新利用数学模型计算出电源输出电压占空比PWM,再通过输出电压接口J2输出转把电压给电机控制器,调控电机控制器的功率;g)xa0xa0模拟力矩助力动态采集器识别正反转的功能,单片机AT89C16通过采集到的第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C的脉冲信号的顺序判断、识别转盘(1)的正、反转状态,计算得出结果,转盘(1)正转时有输出信号,否则无输出信号;h)通过姿态模MPU6050的体态可知性,经过I²C通讯口给单片机AT89C16,得知运行的坡度,在原助力档位的基础上,上坡时增加输出到电机控制器的输入端的电压值,即自动增加电机控制器在上坡时的输出功率,下坡时自动减少输出到电机控制器的输入端的电压值。技术领域
xa0xa0xa0xa0本发明涉及电动自行车助力传感技术,特别涉及电动自行车模拟力矩助力传感控制系统及实现方法。
背景技术
xa0电动自行车智能助力传感技术是针对高端助力型自行车(以山地车、公路车型为主)的应用,它要解决的任务是如何将人力和电力结合,形成动力相互传感。主要功能是提升骑行者的舒适度,同时减少电机磨损,提升电机使用寿命。以往的助力传感技术通常采用的方式包括:1、以往的助力传感技术通常采用的方式,人力(蹬踏)转动中轴,中轴轮盘上的固定磁性体随中轴轮盘转动,磁性体随中轴轮盘的转动到与霍尔元件位置重合的位置时触发固定在中轴连接件上的霍尔元件,由霍尔元件导通电机开关电路,进而使电机转动;此种仅由一个霍尔元件采集触发信号,切换开关方式,电源接通时的电流无过渡过程,电流从无到有直接跳变,瞬间接通电源极易造成有齿高速电机的减速齿轮的齿轮咬合撞击。而目前电动车专用(小型)永磁直流无刷有齿高速电机的减速齿轮,都是采用塑料为原材料的传动齿轮,其寿命和可靠性都较差,因此采用无过渡、跳变切换开关方式的助力传感技术对齿高速电机的使用寿命是一个不利因素。2、由于以往的助力传感技术在直接切换电路时会产生无瞬间大电流放电,锂电池在大电流放电的冲击下,会缩短电池的寿命和续行里程。3、以往的助力传感技术,仅有识别助力开关开启或关闭信号的识别功能,控制器根据开关信号输出指令控制电机开关,由于磁性体随中轴轮盘的转动到与霍尔元件位置重合的位置时才触发一次,因而控制器发出的开关信号是时断时续,电机亦时断时续输出动力,因为以往的助力传感技术不具速度变化识别能力,不能来判断骑行者的骑行(蹬踏中轴轮盘)状态即中轴轮盘的转动频率,所以控制器也不能根据中轴轮盘的转动频率来控制电机输出功率(动力)的大小,不能达到最佳电机输出功率和有效省力的助力状态。4、以往的助力传感技术不具有动态坡度识别能力,使骑行者在上坡时有劳累感。不能达到最佳电机输出功率和有效省力的助力状态。xa0xa0xa0xa0由于现有技术存在的上述不足,以及用户对电动自行车性能的更高需要,电动车助力传感技术仍有很大的提升空间,目前需要解决的问题包括:1、xa0对有齿高速电机能有效避免齿轮咬合撞击打齿,2、实现人工助力系统无瞬间大电流放电,避免锂电池大电流放电的冲击,3、实现系统具有速度变化识别能力、动态坡度识别能力,能够判断骑行者的骑行(蹬踏中轴轮盘)状态,电动车坡度状态,来控制控制电机输出功率(动力)的大小,达到最佳电机输出功率和有效省力的助力状态,使骑行者在上坡时也如同平路一样舒适无劳累感。4、对于山地车、公路车而言,在变速时,实现人工助力可以多档配合,达到最佳电机输出功率和有效省力的助力状态。xa0xa0xa0xa0而目前国内尚无能达到上述要求的电动自行车智能助力传感系统产品出现,也没有相关技术文献报道,因此,需要研制一种采用新技术的用于电动自行车智能助力的模拟力矩控制系统,从根本上解决以往的助力传感技术存在的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足,本发明的目的是,提供一种电动自行车模拟力矩助力传感控制系统及实现方法的技术解决方案,采用包括有环行矩阵排列的若干磁性体的助力动态采集装置,磁性体环行矩阵与多个霍尔元件作相对转动时,磁性体按规定的时序触发多个霍尔元件,多个霍尔元件产生触发产生的脉冲信号与中轴转动速度对应,由单片机(CPU)对采集到的脉冲信号进行识别、处理,由此判断脚踏(中轴转动)的实时速度,利用数学模型计算给出电机的输出动力,实现助力传感的智能化;系统在骑行时通过采集脚踏的实时速度,并通过采用整合3xa0轴陀螺仪、3xa0轴加速器的姿态模块为坡度识别器xa0,坡度识别器检测动态运行中的路面坡度给出相应增加的电机输出动力,实现助力传感的智能化。xa0xa0xa0xa0xa0为实现上述目的,本发明是采用这样的方案实现的:电动自行车模拟力矩助力传感控制系统,包括液晶屏显示仪表模块、功能选择按键模块、刹车信号输入模块、模拟力矩助力动态采集器和电机控制器,其特征在于,模拟力矩助力动态采集器采用三颗霍尔传感器与环形磁钢阵列组成的速度检测结构,用于脚踏方向及速度的监测信号的采集;系统通过模拟力矩助力动态采集器对脚踏板速度、加速度监测,实时控制无刷电机控制器对电机功率的输出,从而实现模拟力矩助力传感的效果,模拟力矩助力动态采集器采用同时集成了9轴陀螺仪的MPU6050姿态模块,用以对骑行车辆的姿态进行监测,根据路面坡度情况对电机输出功率进行调整,从而获得更好的用户体验;所述模拟力矩助力动态采集器由助力盘结构件和模拟力矩助力动态采集电路板构成;所述助力盘结构件包括转盘、定盘、轴承和磁钢;转盘为盘状空腔体,其内部型腔结构包括转盘底、转盘壁、空心轴和环行磁钢固定带;转盘中心为空心轴,空心轴的外径尺寸与轴承内环尺寸配合;其轴心孔的孔径与电动自行车中轴尺寸配合;环行磁钢固定带位于转盘底的内底面,其形状为一环行凸缘,环行凸缘的上平面高于转盘底的内底面,环行磁钢固定带的内环直径大于空心轴外径,外环直径小于转盘壁内径;环行磁钢固定带上包括有一组环行、等距间隔排列的盲孔,每个盲孔内固定一个圆柱形磁钢;定盘为盘状空腔体,其内部型腔结构包括定盘底、定盘壁、轴承架和穿线孔;定盘中心为轴承架;定盘底的内底面由筋板分为三个扇形区域,其中的一个扇形区域A作为模拟力矩助力动态采集电路板的安装位置,穿线孔位于扇形区域A临近上边缘处,穿线孔作为模拟力矩助力动态采集电路板控制线缆的引出口;转盘、定盘、轴承和磁钢装配在一起,轴承装配在转盘的空心轴和定盘的轴承架之间,轴承架的内径与轴承外环直径配合;轴承的外环嵌装在轴承架的内径中,轴承的内环套装在空心轴上;转盘与定盘配合,转盘壁内径与定盘壁外径滑动配合;空心轴的轴心孔的孔径与电动自行车中轴紧密配合;所述模拟力矩助力动态采集电路板安装在定盘的扇形区域A内,模拟力矩助力动态采集电路板上的元器件包括单片机AT89C16、三端稳压器LM1117-3.3V、三个间隔固定的霍尔元件ES732,一个姿态模块MPU6050(陀螺仪)、输出电压接口J2及阻容元件;在所述模拟力矩助力动态采集电路板上,三个所述霍尔元件ES732分别为第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C,三个霍尔元件ES732的感应面中心在同一条弧线上,每个霍尔元件ES732的感应面中心与定盘轴心连线,形成两个扇形,每两个相邻的霍尔元件ES732的感应面中心分别与定盘轴心的连线之间的夹角为5度;所述转盘上的24个所述磁钢的轴心在同一圆上,每个磁钢轴心与转盘轴心连线,形成23个扇形,每两个相邻磁钢轴心与转盘轴心连线之间的夹角为15度;三个霍尔元件ES732的感应面中心所在的圆的圆心与24个磁钢轴心所在的圆的圆心均在同一轴心线上,此轴心线即电动自行车中轴轴心线;当转盘随自行车中轴转动时,定盘的位置固定不变,三个所述霍尔元件ES732的方位保持不变;转盘内的24个磁钢沿其所在圆的轨迹环形移动,其中每一个磁钢的感应面依次经过三个霍尔元件ES732的感应面,磁钢的感应面与霍尔元ES732件的感应面相对应的一刻,触发霍尔元件ES732,霍尔元件ES732内部电路产生感应电压脉冲信号;24个磁钢的感应面与三个霍尔元件ES732的感应面重合即触发时序为:转盘正转即骑行前进时的转向时,依次触发第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C;转盘反转时,依次触发第三霍尔元件C、第二霍尔元件B、第一霍尔元件A;感应出电压脉冲信号给单片机AT89C16,单片机AT89C16据此提取有关的方向和速度数据作为计算电源电压占空比PWM的数据,经DA转换后,输出电压信号,电机控制器以此作为控制系统的信号源;方向数据提取方法:通过转盘的转动方向,由单片机AT89C16采集三个所述霍尔元件ES732触发信号顺序获得;速度数据提取方法:通过转盘的转动,由单片机AT89C16采集三个所述霍尔元件ES732触发信号间隔时间数据获得;安装在所述动态采集电路板上的姿态模块MPU6050(陀螺仪)的姿态为:坐标X保持水平,坐标Z保持垂直,单片机AT89C16以此时的采集的信号数据作为其位置平衡的数据,以此数据作为程序判断的初始状态;模拟力矩助力动态采集器电路以单片机AT89C16为中心处理器,利用姿态模块MPU6050(陀螺仪)的姿态可知性,经过I²C总线与单片机AT89C16通信,以此作为坡度识别器;单片机AT89C16的SCL端口、SDL端口分别连接姿态模块MPU6050的SCL端口、SDL端口,SCL和SDL是xa0I2C通信的数据和时钟线;单片机AT89C16的三个通用I/O端口PIO0_6、PIO0_7和PIO0_12分别连接三个霍尔元件ES732;单片机AT89C16的PWM输出端口PIO0_0经电阻R3xa0连接输出电压接口J2。所述电动自行车模拟力矩助力传感控制系统的实现方法,其特征在于,模拟力矩助力动态采集器将所采集的信号经单片机AT89C16识别、判断和处理,同时单片机AT89C16根据按键选择输入的车型、挡位信息来确定基本电压输出值,再根据轮盘转速数据,利用数学模型计算输出PWM信号,最后将PWM信号积分后输出给电机控制器,由刹车信号输入模块输入刹车信号,最后由电机控制器控制电机工作状态,所述方法包括如下步骤:a)xa0xa0首先,电动自行车模拟力矩控制系统接通电源;b)xa0xa0模拟力矩助力动态采集器通过三个霍尔元件ES732实时采集由骑行者脚踏驱动的轮盘转速数据,单片机AT89C16不断查询三个霍尔脉冲信号的间隔数据信息,单片机AT89C16通过三个霍尔脉冲信号的间隔数据信息判断轮盘转速数据,然后,利用数学模型计算出输出电压占空比PWM,由单片机AT89C16的PWM输出端口输出到电机控制器的信号输入端,电机控制器输出控制电机的电压值取决于输出电压占空比PWM,输出电压占空比PWM决定电机的转速;由于单片机AT89C16的PWM输出端口PIO0_0输出的输出电压占空比PWM与轮盘转速呈线性正比关系,根据其对应关系建立计算PWM的数学模型为:PWMxa0=xa0y+z--------------------------------------------------------(1)式(1)中:PWM:输出电压占空比,单位:%y:为与速度变化对应的输出电压占空比值(SpeedLevel);xa0xa0xa0单位:%z:基本输出电压占空比值xa0(Outputbase);单位:%yxa0=xa0(ka×60)÷wsxa0+xa0kb;-------------------------------------------(2)式(2)中:ka:为该转换关系的比例系数值;其取值范围为:26~48,当速度为26km/h时,ka的取值为26,当速度为6km/h时,ka的取值为48;kb:为与速度变化对应的修正值;其取值范围为:0~20,当速度为6km/h时,kb的取值为0,当速度为26km/h时,kb的取值为20;ws:是计算相邻两个磁钢在其圆形轨迹上运行时,相继通过同一个霍尔元件中心点所用的时间的关系式,xa0单位:ms;wsxa0=xa03600×a×π×D÷(b×c×S)xa0xa0----------------------------(3)式(3)中:axa0--xa0轮盘齿数bxa0--xa0飞轮齿数cxa0--xa0磁钢数Sxa0--xa0行驶速度,单位:Km/h;Dxa0--xa0车轮值径,单位:m;在编程中利用上述数学模型进行计算,实现将轮盘转速变化与输出电压占空比PWM对应;为满足各类人群骑行电动自行车舒适度的要求,特别根据山地车、公路车塔轮结构配置的7种不同飞轮齿数组成的7种配比参数,按7种配比参数取值设置7个档位;7个档位对应相应的数据,其中26英寸车型的第7档取值如下表所示:xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="433"/> ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="552"/> 基本输出电压占空比值z的取值获得方法是:按车型结构设置的7个档位,7个档位对应相应速度,从骑行的实验数据中获取,其中26英寸车型z的取值范围如下表所示:xa0ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="491"/>数据保存在单片机AT89C16内部存储器中,液晶屏显示仪表中选择菜单显示的不同车型、挡位选项分别对应不同的基本输出电压占空比值z,功能选择按键模块的编码与基本输出电压占空比值z对应,通过按键操作液晶屏显示仪表选择菜单选择车型、挡位,单片机AT89C16根据轮盘驱动时车轮速度、车型和挡位数据选定参与计算的基本输出电压占空比值z;c)xa0一旦单片机AT89C16判断三个霍尔脉冲信号的间隔数据符合助力请求的阀限,模拟力矩助力动态采集器通过液晶屏显示仪表模块输出实时速度数据,由液晶屏显示仪表显示实时速度状态;阀限规定:在0.1秒内一个磁钢连续触发第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C,单片机AT89C16获得分别由三个不同霍尔元件ES732发出的脉冲信号,即为达到阀限;d)xa0单片机AT89C16按照按键模块输入给定的助力档位信息,利用数学模型计算出电源电压占空比PWM,通过输出转把电压接口连接电机控制器,调控电机控制器的功率;e)xa0如果执行步骤d)后,液晶屏显示仪表显示的实时速度数据达到要求,则维持此工作状态;f)xa0如果执行步骤d)后,液晶屏显示仪表显示的实时速度数据未达到要求,则通过功能选择按键模块输入按键信息,更换、提高速度档位;单片机AT89C16按照按键模块输入给定的助力档位信息,重新利用数学模型计算出电源输出电压占空比PWM,再通过输出电压接口J2输出转把电压给电机控制器,调控电机控制器的功率;g)xa0xa0模拟力矩助力采集器识别正反转的功能,单片机AT89C16通过采集到的第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C的脉冲信号的顺序判断、识别转盘的正、反转状态,计算得出结果,转盘正转时有输出信号,否则无输出信号;h)通过姿态模MPU6050的体态可知性,经过I²C通讯口给单片机AT89C16,得知运行的坡度,在原助力档位的基础上,上坡时增加输出到电机控制器的输入端的电压值,即自动增加电机控制器在上坡时的输出功率,下坡时自动减少输出到电机控制器的输入端的电压值。xa0xa0xa0xa0xa0本发明的有益效果:系统采集人体骑行数据,实现人机效率的极大提升,是人机完美的绝配。舒适骑行是运动健康为一体的最佳产品,也是电动自行车革命性创造发明。电动自行车智能助力传感系统是针对高端助力型自行车(以山地车型为主)而研发设计的高端产品,它是一种人力和电力结合动力相互传感的整体解决方案。主要功能是提升骑行者的舒适度,同时减少电机磨损,提升电机使用寿命,对有齿高速电机能有效避免了齿轮咬合撞击打齿的可能性,由于人工助力无瞬间大电流放电,避免了锂电池大电流放电的冲击,大幅提升了电池的寿命和续行里程。同时该系统具有动态坡度识别能力,使骑行者在上坡时也如同平路一样舒适无劳累感,特别是山地车在变速时,人工助力可以多档配合,达到最佳电机输出功率和有效省力的助力状态,实现脚踏舒适轻松骑行达到最佳的续行能力。总之,该系统在骑行时通过采集脚踏的实时速度,检测动态运行中的路面坡度形成的阻力物理量,利用数学模型智能地给出电机的输出动力,实现助力传感的智能化。
附图说明
图1、电动自行车模拟力矩助力传感控制系统结构框图;图2、助力盘结构件爆炸图;图3、助力盘结轴测图;图4、助力盘结构件与中轴装配轴测图;图5、转盘主视图;图6、转盘后视图;图7、转盘轴测图A;图8、转盘轴测图B;图9、定盘主视图;图10、定盘后视图;图11、定盘轴测图A;图12、定盘轴测图B;图13、磁钢排序图图14、电路板元件位置图;图15、xa0触发位置示意图图16、霍尔元件触发顺序示意图图17、姿态模块MPU6050部分电路图;图18、PWM输出电路图;图19、xa0霍尔元件及电源电路图;图20、单片机及其外围电路图。xa0图中:1.xa0转盘,2..定盘,3.轴承,4.磁钢,5.xa0电动自行车中轴。
具体实施方式
为了更清楚的理解本发明,结合附图和实施例详细描述本发明:xa0xa0xa0xa0xa0如图1至图20所示,电动自行车模拟力矩助力传感控制系统包括液晶屏显示仪表模块、功能选择按键模块、刹车信号输入模块、模拟力矩助力动态采集器和电机控制器,模拟力矩助力动态采集器采用三颗霍尔传感器与环形磁钢阵列组成的速度检测结构,用于脚踏方向及速度的监测信号的采集;系统通过模拟力矩助力动态采集器对脚踏板速度、加速度监测,实时控制无刷电机控制器对电机功率的输出,从而实现模拟力矩助力传感的效果,模拟力矩助力动态采集器采用同时集成了9轴陀螺仪的MPU6050姿态模块,用以对骑行车辆的姿态进行监测,根据路面坡度情况对电机输出功率进行调整,从而获得更好的用户体验;模拟力矩助力动态采集器由助力盘结构件和模拟力矩助力动态采集电路板构成;助力盘结构件包括转盘1、定盘2、轴承3和磁钢4;转盘1为盘状空腔体,其内部型腔结构包括转盘底11、转盘壁12、空心轴13和环行磁钢固定带14;转盘1中心为空心轴13,空心轴13的外径尺寸与轴承3内环尺寸配合;其轴心孔1301的孔径与电动自行车中轴5尺寸配合;环行磁钢固定带14位于转盘底11的内底面,其形状为一环行凸缘,环行凸缘的上平面高于转盘底11的内底面,环行磁钢固定带14的内环直径大于空心轴13外径,外环直径小于转盘壁12内径;环行磁钢固定带14上包括有一组环行、等距间隔排列的盲孔1401,每个盲孔1401内固定一个圆柱形磁钢4;定盘2为盘状空腔体,其内部型腔结构包括定盘底21、定盘壁22、轴承架23和穿线孔24;定盘2中心为轴承架23;定盘底21的内底面由筋板分为三个扇形区域,其中的一个扇形区域A作为模拟力矩助力动态采集电路板的安装位置,穿线孔24位于扇形区域A临近上边缘处,穿线孔24作为模拟力矩助力动态采集电路板控制线缆的引出口;转盘1、定盘2、轴承3和磁钢4装配在一起,轴承3装配在转盘1的空心轴13和定盘2的轴承架23之间,轴承架23的内径与轴承3外环直径配合;轴承3的外环嵌装在轴承架23的内径中,轴承3的内环套装在空心轴13上;转盘1与定盘2配合,转盘壁12内径与定盘壁22外径滑动配合;空心轴13的轴心孔1301的孔径与电动自行车中轴5紧密配合。动态采集电路板安装在定盘2的扇形区域A内,模拟力矩助力动态采集电路板上的元器件包括单片机AT89C16、三端稳压器LM1117-3.3V、三个间隔固定的霍尔元件ES732,一个姿态模块MPU6050陀螺仪、输出电压接口J2及阻容元件;在所述模拟力矩助力动态采集电路板上,三个所述霍尔元件ES732分别为第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C,三个霍尔元件ES732的感应面中心在同一条弧线上,每个霍尔元件ES732的感应面中心与定盘2轴心连线,形成两个扇形,每两个相邻的霍尔元件ES732的感应面中心分别与定盘2轴心的连线之间的夹角为5度;转盘1上的24个所述磁钢4的轴心在同一圆上,每个磁钢4轴心与转盘1轴心连线,形成23个扇形,每两个相邻磁钢4轴心与转盘1轴心连线之间的夹角为15度;三个霍尔元件ES732的感应面中心所在的圆的圆心与24个磁钢4轴心所在的圆的圆心均在同一轴心线上,此轴心线即电动自行车中轴5轴心线;当转盘1随自行车中轴转动时,定盘2的位置固定不变,三个所述霍尔元件ES732的方位保持不变;转盘1内的24个磁钢4沿其所在圆的轨迹环形移动时,其中,每一个磁钢4的感应面依次经过三个霍尔元件ES732的感应面,磁钢4的感应面与霍尔元ES732件的感应面相对应的一刻,触发霍尔元件ES732,霍尔元件ES732内部电路产生感应电压脉冲信号;24个磁钢4的感应面与三个霍尔元件ES732的感应面重合即触发时序为:转盘1正转即骑行前进时的转向时,依次触发第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C;转盘1反转时时,依次触发第三霍尔元件C、第二霍尔元件B、第一霍尔元件A;感应出电压脉冲信号给单片机AT89C16,单片机AT89C16据此提取有关的方向和速度数据作为计算出电源电压占空比PWM的数据,经DA转换后,输出电压信号,电机控制器以此作为控制系统的信号源;方向数据提取方法:通过转盘1的转动方向,由单片机AT89C16采集三个所述霍尔元件ES732触发信号顺序获得;速度数据提取方法:通过转盘1的转动,由单片机AT89C16采集三个所述霍尔元件ES732触发信号间隔时间数据获得;安装在所述模拟力矩助力动态采集电路板上的姿态模块MPU6050(陀螺仪)的姿态为:坐标X保持水平,坐标Z保持垂直,单片机AT89C16以此时的采集的信号数据作为其位置平衡的数据,以此数据作为程序判断的初始状态;模拟力矩助力动态采集器电路以单片机AT89C16为中心处理器,利用姿态模块MPU6050(陀螺仪)的姿态可知性,经过I²C总线与单片机AT89C16通信,以此作为坡度识别器;单片机AT89C16的SCL端口、SDL端口分别连接姿态模块MPU6050的SCL端口、SDL端口,SCL和SDL是xa0I2C通信的数据和时钟线;单片机AT89C16的三个通用I/O端口PIO0_6、PIO0_7和PIO0_12分别连接三个霍尔元件ES732;单片机AT89C16的PWM输出端口PIO0_0经电阻R3xa0连接输出电压接口J2。xa0xa0xa0如图14至图16所示,通电后,当第一个磁钢4触发第一霍尔元件A时,第二霍尔元件B和第三霍尔元件C的位置正处于空隙处;当第一个磁钢4触发第二霍尔元件B时,第一霍尔元件A和第三霍尔元件C的位置正处于空隙处;当第一个磁钢4触发第三霍尔元件C时,第一霍尔元件A和第二霍尔元件B的位置正处于空隙处;本实施例中:(一)显示功能和内容包括:xa0xa01.xa0电池电量显示:通过采集电源电压值的动态变化,给出电量的5段式显示(只作显示功能)。xa0xa02.xa0通过功能键的选择,实现不同的显示内容xa0(1)速度显示:其它功能显示项稳定5秒后,返回默认速度显示,通过骑行速度霍尔传感器给出的脉冲信号计算出骑行速度。显示的速度要通过功能键选择不同的车轮径,如:22吋、24吋、26吋、27吋、28吋,通过MCU处理器得到不同车型骑行的真实速度。(2)速度显示可以进行英制和公制转换功能xa0xa0xa0速度显示和累计里程显示通过功能显示键来转换英制和公制,即英里和公里。(3)车型显示:如:22吋、24吋、26吋、28吋,通过功能选择键来选择当前所骑行的车型。(4)里程显示:每一次开机接通电源后,断开电源前所骑行的里程累计显示,第二次开机后自动清零。通过车型的轮径和采集的霍尔速度传感信号的多少计算出里程。(5)助力档位显示:共计显示7档,即助力分为7档位。通过功能选择键选取,在功能键选择在助力档位显示功能后,通过上调键和下调键选择档位。开机后默认为第6档。(二)液晶屏显示仪表还具有如下功能1、向下端给助力采集器(通过控制器中继线)传输数据功能:在不同的助力档位下(1-7档),通过协议传给下端模拟力矩助力动态采集器不同的档位信号来指示模拟力矩助力动态采集器输出不同的电压值(PWM占空比),实现调控电机控制器输出功率的多少。这是人机混合传感系统的核心,达到实时助力、无滞后断电、不踏空骑行、轻松舒适的效果。2.、刹车信号传导功能:通过采集刹车信号(IO是接地拉低电平)处理器传给下端模拟力矩助力动态采集器一个终止电压值输出的协议信号来停止电机功率输出的功能。3、xa0电源开启键:按开启键实现上电开通和断电关闭系统功能,通电后背光灯闪烁三次后进入正常状态,断电后背光灯熄灭。同时LCD显示屏随着亮和灭。4、刷卡功能:通过RF原理进行刷卡,实现上电开通和断电关闭系统功能,通电后背光灯闪烁三次后进入正常状态,断电后背光灯熄灭。通过刷卡起到安全开启防盗的功能。子母卡的选配:初次上电后先读取母卡(背光灯闪烁两次指示)然后五秒内选配两个子卡(成功后背光灯闪烁一次指示),5、同时具有识别负载上电前后短路保护功能。当出现负载短路状况时,背光指示灯以每分钟80次的频率闪烁10次作为指示。xa0xa0xa0xa0液晶屏显示仪表为电动自行车助力系统的显示部分。主要实现实时速度显示、行驶里程、档位选择、电量信息、车轮直径信息,以及助力系统电源控制功能。输入包括:1.xa0xa0xa0xa0xa0xa0按xa0xa0xa0xa0键:3个按键,上调键(K1)、功能键(K2)、下调键(K3);2.xa0xa0xa0xa0xa0xa0电量监测:等比电压输入,根据电压检测电源电量;3.xa0xa0xa0xa0xa0xa0测速输入:外部中断输入,监测转动圈数;4.xa0xa0xa0xa0xa0xa0刹车信号:电平输入信号,监测刹车情况输入;5.xa0xa0xa0xa0xa0xa0刷卡线圈:外部中断输入,读取EM4100卡号数据;6.xa0xa0xa0xa0xa0xa0电源监测:比较器中断,监测电源故障情况;输出包括:1.xa0xa0xa0xa0xa0xa0液xa0晶xa0屏:显示里程、电量、速度、档位信息;2.xa0xa0xa0xa0xa0xa0通xa0xa0xa0xa0讯:脉冲输出,输出档位选择和刹车信息;3.xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0背xa0xa0xa0xa0光:电平输出,提示电源输出情况;4.xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0电源控制:电平输出,控制电动车控制器电源供应;功能说明:按键扫描的主要参与者:按键,流程:30ms检测一次,检测到按键输入,记录键值送入菜单/参数配置;电量检测的主要参与者:电量监测,成功流程:10s检测一次,根据AD值划分6档电量,送入菜单/参数配置;速度检测的主要参与者:速度输入,成功流程:中断产生一次,记录两次中断间隔时间,计算速度及里程送入菜单/参数配置;刹车信号检测的主要参与者:刹车信号;成功流程:30ms检测一次,检测到低电平,送入通讯输出发送;读卡控制的主要参与者:刷卡线圈成功流程:中断检测输入信号,根据读入EM4100卡号判断有效性,送入控制逻辑;电源保护的主要参与者:电源监测成功流程:比较器中断检测,电源供电开启100us后,未发生中断,则电源供电故障,送入控制逻辑;控制逻辑初始状态:检测EEPROM中存储钥匙卡号情况成功流程:没有卡号信息,切换到母卡学习状态;替代流程:母卡卡号有效,子卡卡号及副子卡卡号无效,切换到子卡卡号学习状态;母卡、子卡或副子卡卡号有效,切换到正常工作状态;母卡学习状态:成功流程:收到正确卡号消息,存储为母卡卡号,切换状态到子卡学习状态;子卡学习状态:成功流程:收到新卡号消息,存储为子卡卡号,切换状态到副子卡学习状态;副子卡学习状态:成功流程:收到新卡号消息,存储为副子卡卡号,切换状态到关机状态;替代流程:收到子卡卡号消息,切换状态到关机状态;5s未收到有效卡号消息,切换状态到关机状态;关机状态:成功流程:收到子卡卡号消息,切换状态到工作状态;替代流程:收到副子卡卡号消息,切换状态到工作状态;工作状态:成功流程:短按功能键,切换到档位选择功能状态,档位数字闪烁;替代流程长按功能键,切换到车型配置模式状态,轮径尺寸数字闪烁;xa0xa0xa0xa0接收子卡卡号消息,切换状态到关机状态;xa0xa0xa0xa0接收副子卡卡号消息,切换状态到关机状态;xa0xa0xa0xa0接收电源故障消息,切换状态到关机状态;档位选择功能状态:成功流程:短按上调键,档位增加一档,直到最高档位(七档);替代流程:短按下调键,档位减少一档,直到最低档位(一档);短按功能键,切换到速度单位选择状态,当前速度单位闪烁,档位信息生效,存入EEPEOM,并取消闪烁;5s无任何按键动作,档位信息生效,存入EEPROM,返回工作状态;xa0接收子卡卡号消息,放弃档位信息修改,切换状态到关机状态;xa0xa0接收副子卡卡号消息,放弃档位信息修改,切换状态到关机状态;xa0xa0接收电源故障消息,放弃档位信息修改,切换状态到关机状态。速度单位选择状态:成功流程:短按上调键,速度单位切换到英制模式;替代流程:短按下调键,速度单位切换到公制模式;短按功能键,切换到里程单位选择状态,当前里程单位闪烁,速度单位选择生效,存入EEPROM,并取消闪烁;5s无任何按键操作,速度单位选择生效,存入EEPROM,返回工作状态;xa0接收子卡卡号消息,放弃速度单位选择信息修改,切换状态到关机状态;接收副子卡卡号消息,放弃速度单位选择信息修改,切换状态到关机状态;接收电源故障消息,放弃速度单位选择信息修改,切换状态到关机状态。里程单位选择状态;成功流程:短按上调键,里程单位切换到英制模式;替代流程:短按下调键,里程单位切换到公制模式;短按功能键,切换到正常工作状态,当前里程单位生效,存入EEPROM;5s无任何按键操作,里程单位选择生效,存入EEPROM,返回工作状态;接收子卡卡号消息,放弃里程单位修改,切换状态到关机状态;xa0xa0xa0xa0接收副子卡卡号消息,放弃里程单位修改,切换状态到关机状态;xa0xa0接收电源故障消息,放弃里程单位修改,切换状态到关机状态。车型配置模式状态;(可选择车型依次:22型、24型、26型、28型)成功流程:xa0xa0短按上调键,轮径尺寸上调一个级别,直到最大轮径(28型);替代流程:短按下调键,轮径尺寸下调一个级别,直到最小轮径(22型);短按功能键,当前轮径尺寸选择生效,存入EEPROM,返回工作状态;长按功能键,当前轮径尺寸选择生效,存入EEPROM,删除卡号信息,切换状态到母卡学习状态;5s无任何按键操作,当前轮径尺寸选择生效,存入EEPROM,返回工作状态;接收子卡卡号消息,放弃轮径尺寸修改,切换状态到关机状态;xa0xa0xa0xa0接收副子卡卡号消息,放弃轮径尺寸修改,切换状态到关机状态;xa0xa0xa0xa0接收到母卡卡号消息,放弃轮径尺寸修改,切换状态到子卡学习状态;xa0xa0xa0xa0接收电源故障消息,放弃轮径尺寸修改,切换状态到关机状态;参数存储成功流程:xa0xa0上电正确读取EEPROM参数信息,使用EEPROM数据参数;替代流程:xa0xa0上电读取EEPROM参数信息错误,初始化各参数;xa0参数生效时,存储参数信息到EEPROM中;通讯输出:成功流程:刹车信号有效时,输出占空比50%周期为2ms方波21个,间隔1s重复3次;替代流程:刹车信号无效时,档位信息生效后,输出占空比50%周期为2ms方波档位数值个,间隔1s重复3次;刹车信号有效时,档位信息生效后,待刹车信号无效后,输出占空比50%周期2ms方波档位数值个,间隔1s重复3次;xa0xa0xa0xa0显示控制1.xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0初始状态成功流程:只显示当前电量信息;2.xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0母卡学习状态:成功流程:xa0xa0未学习母卡卡号时,速度数字显示位置显示“00”闪动,闪烁频率为1s;替代流程:学习母卡卡号成功时,速度数字显示位置显示“01”,停止闪动2秒钟;3.xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0子卡学习状态:成功流程:未学习子卡卡号时,档位数字显示位置显示“00”闪动,闪烁频率为1s;替代流程:学习子卡卡号成功时,档位数字显示位置显示“01”,闪动频率为1s;4.xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0副子卡学习状态:成功流程:xa0xa0未学习副子卡卡号时,速度数字显示位置显示“01”闪动,闪烁频率为1s;替代流程:xa0xa0学习母卡卡号成功时,速度数字显示位置显示“02”,停止闪动2秒钟;5.xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0关机状态:成功流程:xa0xa0只显示当前电量信息;6.xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0工作状态:成功流程:显示当前电量信息、实时速度信息、开机里程信息、档位选择信息、车型信息;7.xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0档位选择状态:成功流程:xa0xa0显示当前电量信息、实时速度信息、开机里程信息、车型信息均不闪烁,档位信息闪烁,闪烁频率1Hz;8.xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0速度单位选择状态成功流程:xa0xa0显示当前电量信息、实时速度信息、开机里程信息、车型信息、档位信息均不闪烁,速度单位闪烁,闪烁频率1Hz;9.xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0里程单位选择状态成功流程:显示当前电量信息、实时速度信息、开机里程信息、档位信息均不闪烁,里程单位闪烁,闪烁频率1Hz;10.xa0xa0xa0xa0车型配置状态:xa0xa0xa0xa0成功流程:显示当前电量信息、实时速度信息、开机里程信息、车型信息均不闪烁,车型数字闪烁,闪烁频率1Hz;背光控制成功流程:电源关闭时,背光熄灭;替代流程:电源成功开启时,背光先闪烁三次,频率为1Hz,然后常亮;xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0电源故障发生时,背光闪烁十次,闪烁周期为750ms;xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0xa0母卡学习成功时,背光闪烁二次,闪烁频率为1Hz;子卡学习成功时,背光闪烁一次,闪烁频率为1Hz;副子卡学习成功时,背光闪烁一次,闪烁频率为1Hz;电源输出:成功流程:xa0xa0初始状态、母卡学习状态、子卡学习状态、副子卡学习状态、关机状态下,电源关闭;替代流程:xa0xa0工作状态、档位选择状态、速度单位选择状态、里程单位选择状态、车型配置状态下,电源开启。根据上述说明,结合本领域技术可实现本发明的方案。