CN1569553A - 辅助动力车辆的辅助控制 - Google Patents

Abstract

一种辅助动力、人力操作车辆，其中辅助装置所需的能量的大小减少了，并且由于在人力依然在作用而由于传动系统的几何构造问题而使没有人力传送到其中时，仍可以提供持续的动力，从而使辅助力的周期变化和振幅均减小了，所以驾驶者的感觉更好。

Description

辅助动力车辆的辅助控制

背景技术

本发明涉及一种辅助动力、人力操作的车辆，尤其是一种在车辆操作中给操作者更好感觉的对辅助动力的控制。

很多普通的人力人力操作车辆被提供了原动机助力器。助力器的力的大小最好与人力输入的力的大小有关，以使使用者仍可以从车辆的操作受到训练。这样助力的车辆类型可以有很多种形式包括，但并不限于，陆地车辆如自行车和轮椅一样有轮子的车辆。但是这种实施不必限于陆地车辆，而且也可以用于轻型飞机或水上运输工具。

助力器也可以由各种原动机如电动机或内燃机来提供。人力输入可以是由操作者的腿部或是手臂进行的，并且通常通过一种支撑用于绕一轴运动的一装置如踏板或手轮来实现的。这样，即使使用者施加的力是或者想要为一个常量，但是实际输入的力也将循环变化。这些变化是在上部死点和底部死点的零推力之间进行的，而且在其间基本上是正弦变化的，以放大助力器的改变。

同时，由于现有技术类型的装置的辅助力的大小通常与所测量的输入力是成比例的，所以在一个单独的力应用周期中的动力辅助力的改变是较大的。这就会使辅助装置的动力消耗效率下降并且会使操作者或使用者会感到有些不适。当在详细描述部分的图5所述的情况下，其会变得更明显。

公开号为11-171081、公开日为1999年6月21日的日本专利公开了一种典型的该类型的现有装置。除上述讨论的操作和已经注意到的缺点外，这种结构允许根据如使用者的年龄、力气，行驶的距离和训练所需的强度这些因素来决定辅助比例。但是，象所述现有技术一样，在踏板操作的每个循环中辅助力都是改变的，因此前面提到的问题仍然存在。

因此，本发明的一个主要目的就是要提供一种改进的辅助动车车辆，其助力器与所感觉到的人力输入有关，但是在输入变化的整个循环内其是不变的。

发明内容

本发明的第一个特征是，其适用于一种辅助动力、人力操作的车辆。该车辆包括一用于使所述车辆沿一地形移动的一推进装置，一人力操作器，其可以从操作者那里接收到人力输入力，从所述人力操作器的力来操作所述推进装置的一传动机构，与所述推进装置成驱动关系的一原动机，一个力传感器，其可以感受到由上述人力操作者传到所述传动系统的力，一算法运算器，其用来测量由力传感器测得的力的变化并且决定在操作所述原动机时的一辅助力的大小。

本发明的另一个特征是，其适用于一种—决定如前述部分的辅助动力、人力操作的车辆的动力辅助力的大小的方法。根据本发明的这个特征，在力传感器所测得力的所测力的变化和操作原动机的辅助力可以由该运算器根据该变化决定。

附图说明

图1是根据本发明和传统技术在爬山期间的连续周期中力和辅助力的变化的图示。

图2是根据本发明的一个实施例的实际力和处理过的输出的视图。

图3是根据另一个实施例的与图2部分相似的力的图示。

图4是本发明的一个实施例的方框图。

图5是根据本发明的一种变化情况(图5A-5E)和根据传统技术的变化情况(图5F和5G)的一系列图示。

图6是根据本发明的控制程序的方框图。

详细说明

在描述本发明的一个结构实施例之前，首先用一些图表来描述一下所用的理论和策略。这些视图中的一部分包括了与现有技术的比较，其可以使叙述更加清晰。

首先参见图1以及如上所述，这是描述根据本发明的一辅助动力自行车的扭矩和辅助力的波形图。这些是当自行车爬山情况下的波形。应当注意，所述构造和操作方法可以由任一种辅助动力人力车实现，不管车和辅助装置的类型。但是，在这里用一个电力辅助自行车做为一个例子来解释。

在该图中，曲线a用点线来表示由踏板力产生并由任一所需类型的扭矩传感器的检得扭矩值。曲线b用实线来表示通过驱动一电动机所产生的辅助力，该电动机是基于执行根据本发明的扭矩控制方法的算法处理而得出的经处理的扭矩值工作的。曲线c用虚线来表示由传统的扭矩控制方法所施加的辅助力。

如该图所示，当检测到的由踏板力产生的扭矩(曲线a)在底部死点为零或很小时，传统的辅助力(曲线c)也差不多是零然而根据本发明的辅助力(曲线b)不是零，因为辅助力是继续施加的。

这就意味着由于电动机的驱动电流的变化减少，所以驱动能量效率可以得到提高，能耗减少。随着能量效率的改善，电池的消耗也将减少。这就提高了电池的服务寿命，并能使自行车在少量动力的情况下行驶一个长的距离。另外，由于辅助力即使在踏板力为零或是很小的情况下也保持施加，所以骑行者的感觉是平稳的并且有一个好的行驶感觉。

这种所用的方法在图2中已经示出，该图是根据本发明的处理过的扭矩值的图示。曲线d用点线表示在算法处理前的检得扭矩值，基本上与图1的曲线a相同。曲线e表示由算法处理过得到的扭矩值。

该检得扭矩值(曲线d)与踏板力同步地周期性改变。当检得扭矩值开始从相应的顶峰下降到检测到的扭矩曲线的上部死点时，开始对检测到的扭矩进行算法处理。在应用该方法的一个实施例中，降低扭矩比率，降低一单位时间内的扭矩取决于检得扭矩值预先确定的检得扭矩值。该下降率表示了曲线的递减梯度。

该扭矩值以一个减少率不断减少，该减少率是由在预定时间间隔(ms)内从扭矩传感器得到的检得输出(V)的大小决定的。例如，当检得扭矩值高了，该减速少率(递减梯度)就保持小的值。当检得扭矩值变化时，该减少率就会上升。对应于检得扭矩值的一张图是预先制好的，算法处理就根据该图执行。

因此，处理过的或最终的输出扭矩曲线(曲线e)从检得扭矩值以平缓的梯度逐渐下降。当踏板经过底部死点时，检得扭矩值(曲线d)上升，当检得扭矩值超过处理过的扭矩值时，算法处理暂停(处理数据为零)并且将检得扭矩值做为处理过的扭矩值。因此，就可以得到由实线所表示的处理过的辅助力扭矩曲线(曲线e)。因而，可以获得更平稳的操作性能并且实际上可以获得比图1所示小一点的最大扭矩输出。这样实际上减少了电能的消耗。

以该处理过的扭矩值为基础，向该处理过的扭矩提供的特定辅助比率的该驱动电流是可以计算出来的，并且该电流驱动电动机以获得辅助力，由于当踏板力在底部死点时处理过的扭矩值是高的，所以即使在踏板力处于底部死点时也可以获得辅助力。

图3是根据本发明的另一个实施例的得出的处理过的扭矩的图示。在这个实施例中，执行算法处理还考虑了车辆的速度。在该图中，曲线f表示车速。曲线g表示检得扭矩值。曲线h表示处理的扭矩值。

从图中可以清楚地看出，当车速高时，减少率将下降以减小处理过的扭矩值。当低速时，减少率将上升以增大处理过的扭矩值。这样，当自行车低速行驶如当爬山或刚开始起步时其能产生高的辅助力而高速时辅助力将减少以避免辅助能量的额外消耗。

这样，在已描述过的两个实施例中，从力传感器得到处理过的扭矩输出以修改辅助扭矩的大小，本发明一个实际的实施例将在图4中进行描述。此外，本领域的熟练人员将能从这些描述中明白本发明能用于很多种辅助动力人力车。在这一观点的基础上，图4是根据本发明的用于一辅助动力自行车的一扭矩控制装置的方框图。

该辅助扭矩控制装置包括一个扭矩传感器11，可以是任一想要的形式，其用来检测人力输入的踏板力，一控制器12，其用来计算驱动辅助电动机13的驱动电流，也可以是任一想要的形式如一个基于由扭矩传感器11测得的扭矩的脉宽调制电动机。一电动机驱动电路14，其可以根据来自控制器12的驱动信号来激励电动机13。电路14包括一电流检测电路(安培表)15，以检测电动机13的电流，一译码器16来检测电动机13的旋转速度。

控制器12包括一CPU，如本例所示，并且有一个电动机转速计算装置17，其有一个预设的软件程序或已编程的硬件电路。CPU也有一个车速计算电路18，扭矩传感器值处理电路19，一扭矩电流计算电路21和一个负载计算电路22。

在行驶中，由扭矩传感器11检测到的踏板力在该扭矩传感器值处理滤波器19中得到算法处理，其是以该检得扭矩为基础相应于前述的方法以之一和该车速进行的。该车速由电动机转速计算装置17和该车速计算装置18以从译码器16传来的脉冲信号为基础计算的，并输入到控制器12中的处理滤波装置19中。

处理过的扭矩值输入到扭矩电流计算装置21中，其根据已处理的扭矩计算一电流的指令值。根据该电流指令值，负载计算装置22计算出一驱动脉冲的负荷比。驱动脉冲输入到电动机驱动电路14中做为一PWM输出以驱动电动机13。该电动机13的驱动电流由电流检测电路15来检测并且被提供给负载计算电路22以形成反馈控制。

如在附图说明中所提到的，图5(A)到图5(E)描述了波形信号，其是由图4中的位置A到E分别确定的。同时如附图说明中所提到的，图5(F)和图5(G)描述了传统的波形信号，其是为了相关目的由图4中的位置F″和G分别决定的。特别地，图5(A)描述了与踏板的转动同步周期性改变的所观测的踏板力的波形。图5(B)描述了由踏板力产生并由扭矩传感器11检测的已检得扭矩值的波形。如图5(A)所示，检得扭矩与踏板力同步周期性地大幅度改变。

图5(D)描述了在处理滤波装置22中通过算法处理而得到的已处理的扭矩的波形。点线表示处理前的扭矩，其与图5(B)中曲线的波形相同。通过处理，曲线，包括底部死点的值，向高扭矩的一侧移动，而没有改变上部死点处的扭矩，并且变化变小了。因此，使用者的感觉就会更好并且同时能耗也会降低。

图5(C)描述了电动机13的驱动电流的波形。相应于处理过的扭矩值的驱动电流与如图5(F)所示的传统曲线相比其变化小了。图5(E)描述了电动机扭矩的波形。该曲线的低扭矩侧的部分移向相应于图5(C)所示的电流波形的高扭矩的部分，并且整体与图5(G)所示的传统曲线相比，其变化更小了。

如图4所示的系统中的控制器12通过该控制程序提供如图5(C)所示的处理过的扭矩值，该控制程序可参见图6进行。该程序以预定的时间间隔(如几毫秒)由如图4所示的控制器12中的CPU重复运行。操作如下。

在步骤S1的“开始”后，判断检测到的扭矩电压是否是峰值电压。这是为了在扭矩电压从其峰值平缓下降时通过算法处理得到一个梯度以提高扭矩值。该判断例如是由分析从扭矩传感器11得到的输出电压数据的波形而做出的。如果检测到的扭矩电压是峰值电压，则转到步骤S2。否则，转到步骤S3。

如果当电压被测为下降时该进程进入步骤S2来设置峰值电压。那么在步骤S2中，峰值前的最后一个电压将被设为峰值电压。

如果在步骤S1中，电压与在步骤S2中所设的峰值电压不相等，则当检得扭矩电压从峰值下降时该程序转到步骤S3(处理程序在预定的几毫秒的时间间隔内重复)。在步骤S3中，判断是否检得扭矩超过了先前处理的扭矩。如果检得扭矩超过处理过的扭矩(在图2中K点的时刻)，该进程操作中止，程序中止。

但是，在步骤S3中如果该检得扭矩比处理过的扭矩低，如果这是峰值后的第一次处理程序，则程序转到步骤S4。在步骤S4中，判断从处理开始是否已经超过了一预定的时间间隔。该预定的时间间隔存储在一非变存储器22中。当预定的时间段已经过去时，处理操作将中断，程序中止。这是为了消除一种状况，其中甚至在踏板已经停止并且扭矩变为零的短时间内，由处理算法得到的一处理过的扭矩值仍然继续并且电动机仍供给辅助力。用这种方法从电动机得到的辅助力能被切断，自行车能在踏板停止扭矩变为零后立即恢复到正常的行驶状态。这样，由于能防止用来使自行车停止的刹车力随辅助力增加并且能用一合适的制动力使自行车停下来，所以，驾驶者能有一个稳定和舒服的自行车驾驶状态。

但是，如果在步骤S4中预定的时间段还没有完，则处理操作将继续并转到步骤S5，在该步骤根据当前的检得扭矩值计算出减少率。在该例的情况下，检得扭矩值和减少率之间的功能等式以一一维图预先存储在该非变存储器23中。从一RAM 24中读出当前的扭矩传感器值，RAM 24中已经写入了从扭矩传感器输出的数据。如图4所示，非变存储器23和RAM 24可以置入控制器具12中的处理滤波装置19中。

然后程序转到步骤S6，在该步骤中根据步骤S5中的图对检得扭矩传感器值进行算法处理。算法处理由图4所示的处理滤波装置19来执行。

然后，如果根据如图3所示的也采用车速的方法，那么该程序转到步骤S7。在这一步，如图4所示的处理滤波装置22以当前车速计算出一减少率。车速和减少率之间的相关表述是由一比的图来决定的，该图表达了基于在步骤S6中计算出的扭矩值和处理前的检得扭矩的比。因此处理的数值可以根据车速进行调整。该图从该非变存储器23中读出，且该当前车速从该RAM 24中读出。

然后，程序转入步骤S8，在其中算法处理将基于步骤S7中的图来处理在步骤S6中已处理过的检得扭矩值以得到一个处理过的扭矩值。然后重复运行该程序。

这样，从前述可以很清楚地看出，在已描述过的方法和装置中，检测到的扭矩曲线的梯度是根据扭矩改变的，并且扭矩曲线在形状上变为已处理的扭矩曲线。由于电动机的驱动电流是基于处理过的扭矩曲线计算出来的，所以在底部死点的扭矩可以在不减少上部死点处的检测到的扭矩的情况下得到增加。由于检测到的扭矩的周期性变化因此而减小并且电动机的驱动电流的变化也减小，所以驱动能量效率能得到提高并且能耗会减少。随着能量效率的提高，电池的消耗会减少。这就提高了电池的使用寿命，使车使可以用少量的电能行驶长的距离。另外，由于即使在踏板力变为零或很小的情况下仍有辅助力，所以驾驶者在骑行中经常能感觉到平稳和有力的辅助力，有良好的驾驶感觉。另外，减少率能根据车速改变。当低速时，减少率会减少以使处理过的扭矩曲线在高扭矩一侧，当高速时，减少率会上升以减少辅助力。这样，当自行车低速行驶如当爬山或刚开时起步时其能产生大的辅助力而车速高时辅助力将减少以避免辅助能量的额外消耗。

当然，本领域的技术人员能理解，所述的实施方式仅作为本发明可以采取的形式的举例已，在不偏离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内可以有很多变化和修正。

Claims (20)

1、一种辅助动力、人力操作的车辆，包括用于使所述车辆沿一地形移动的一推进装置，一人力操作器，其可以从操作者那里接收到人力输入力，从所述人力操作器的力来操作所述推进装置的一传动机构，与所述推进装置成驱动关系的一原动机，一个力传感器，其可以感受到由上述人力操作者传到所述传动系统的力，一算法运算器，其用来测量由力传感器测得的力的变化并且决定在操作所述原动机时的一辅助力的大小。

2、如权利要求1所述的辅助动力、人力操作车辆，其中原动机包括一电动机和一用来决定供给上述电动机电能大小的算法运算器。

3、如权利要求1所述的辅助动力、人力操作车辆，其中人力操作器被支撑且绕一轴运动。

4、如权利要求3所述的辅助动力、人力操作车辆，其中人力操作器包括一踏板。

5、如权利要求1所述的辅助动力、人力操作车辆，其中由于人力操作器的性质，人力操作器在其一个操作循环期间提供一个响应于一常量的使用者施加的力的周期性改变的能量输出，且算法运算器提供了一种振幅比人力操作器要小的周期性改变的辅助力。

6、如权利要求5所述的辅助动力、人力操作车辆，其中算法运算器提供一个在人力施加时不会为零的辅助力。

7、如权利要求6所述的辅助动力、人力操作车辆，其中算法运算器提供一也与车速有关的辅助力。

8、如权利要求1所述的辅助动力、人力操作车辆，人力操作器在其一个操作循环期间提供一个响应于常量使用力的周期性改变的能量输出，由于人力操作器的性质，且即使辅助力在使用循环中一部分的动力输出是零以及该算法运算器提供一种振幅比人力操作器要小的周期性改变且在人力施加时不会为零的辅助力。

9、如权利要求8所述的辅助动力、人力操作车辆，其中根据在预定时间间隔检得扭矩值来确定预定的减少率，对检测到的扭矩连续进行算法处理，以从检得扭矩值从预定的扭矩峰值开始下降时得到处理过的扭矩值。

10、如权利要求8所述的辅助动力、人力操作车辆，其中从当上述检得扭矩值开始上升到超过处理过的扭矩值时到检测到的扭矩的下一个峰值，算法处理中止以使对检得扭矩值的处理量为零。

11、如权利要求10所述的辅助动力、人力操作车辆，其中原动机包括一电动机和一个决定供给上述电机电能大小的算法运算器。

12、如权利要求11所述的辅助动力、人力操作车辆，其中人力操作器被支撑且绕一轴运动。

13、如权利要求12所述的辅助动力、人力操作车辆，其中人力操作器包括一踏板。

14、一种控制一辅助动力、人力操作的车辆的动力辅助力的大小的方法，用于使所述车辆沿一地形移动的一推进装置，一人力操作器，其可以从操作者那里接收到人力输入力，从所述人力操作器的力来操作所述推进装置的一传动机构，与所述推进装置成驱动关系的一原动机，一个力传感器，其可以感受到由上述人力操作者传到所述传动系统的力，所述方法包括测定由上述力传感器检测到的力的变化的步骤，通过对依据检测到的力而以特定的变化率进行变化的上述力的值进行处理而决定辅助力的步骤，并施加基于该处理的来自该原动机的一力。

15、如权利要求14所述的控制一辅助动力、人力操作的车辆的动力辅助力的大小的方法，其中由于人力操作器的性质，人力操作器在其一个操作循环期间提供一个响应于一常量的使用者施加的力的周期性改变的能量输出，且辅助力也周期性改变但其振幅比人力操作器要小。

16、如权利要求15所述的控制一辅助动力、人力操作的车辆的动力辅助力的大小的方法，其中在人力施加时辅助力不会为零。

17、如权利要求16所述的控制一辅助动力、人力操作的车辆的动力辅助力的大小的方法，其中辅助力也与车速有关。

18、如权利要求17所述的控制一辅助动力、人力操作的车辆的动力辅助力的大小的方法，其中根据在预定时间间隔检得扭矩值来确定预定的减少率，对检测到的扭矩进行算法处理，以从检得扭矩值从预定的扭矩峰值开始下降时得到处理过的扭矩值。

19、如权利要求18所述的控制一辅助动力、人力操作的车辆的动力辅助力的大小的方法，其中从当上述检得扭矩值开始上升到超过处理过的扭矩值时到检测到的扭矩的下一个峰值，算法处理中止以对检得扭矩值的处理量为零。

20、如权利要求19所述的控制一辅助动力、人力操作的车辆的动力辅助力的大小的方法，其中原动机包括一电动机和一个决定供给电机电能大小的算法运算器。

Images