CN100491147C - 用于电动自行车的控制单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于电动自行车的控制单元。公开一种电动车辆如自行车的控制单元，它在初始蹬踏板或在上坡起步阶段或在加速时，向电动自行车有效地提供一种辅助驱动力。在车速等于或低于预定车速时，输出一个第一检测信号。当根据车速的变化量，加速度等于或大于预定值时，输出一个第二检测信号。根据实际行驶阻力与平路行驶阻力之间的比值，由一个图形确定路面斜度。从对应于第一检测信号或第二检测信号的图形查找系数K，以根据车速由该图形增加辅助动力。系数K被输入到辅助动力计算部分，并计算所需要的辅助驱动力。

Description

用于电动自行车的控制单元
相关申请的交叉参考
这个非临时申请根据35U.S.C§119(a)要求2001年2月28日在日本提出的专利申请No.2001-055399；2001年2月28日在日本提出的专利申请No.2001-055400；2001年2月28日在日本提出的专利申请No.2001-055401；和2001年2月28日在日本提出的专利申请No.2001-055402的优先权，其每个申请全部结合在本文中作为参考。
技术领域
本发明涉及一种电动自行车的控制单元，而尤其涉及一种用于驱动具有与没有电动单元的自行车(下文称作“普通自行车”)同样行驶感觉的电动自行车的控制单元。
背景技术
一种电动自行车包括用于传动由人力作用于踏板的力的一个人力驱动***，例如，由操作者的腿和根据操作者腿施加的驱动力向人力驱动***增加辅助动力的一个马达驱动***的驱动力来拖动后轮。这种电动自行车具有根据腿的动力和踏板的旋转速度二者用马达输出助力的形式。在腿动力增加时，马达输出增加以减少必要的人力和操作者消耗的体能。因此，马达输出与腿动力(人力)成正比。
在背景技术中电动自行车的马达输出也已考虑到要在比如操作者正使自行车行走时补偿自行车的重量并减少动力消耗。例如，在日本专利公开号特开平8-127386中提出一种电动自行车，其中在电动自行车和普通自行车重量上的差由一个马达来补偿/辅助，以减少驾驶者使自行车行走时所需要的人力。
如上所述，在背景技术的电动自行车中，由于马达输出与人力，比如腿动力成正比，因此提供一种辅助动力以根据自行车踏板的旋转加强在腿动力上的周期性变化。因此，尽管可以减少人力，车速呈现周期性改变。
车速的上述外部变化在不考虑人力的辅助动力抵消了电动自行车与普通自行车之间重量差的情况下不会发生。然而，这种电动自行车只在操作者使自行车行走时提供不考虑人力的辅助动力。因此，背景技术中的电动自行车不会在车辆行驶期间提供不考虑人力的辅助动力。
此外，背景技术的电动自行车在象陡坡路这样的倾斜表面上行驶的情况下还需另一种如斜坡传感器这样的辅助控制装置。背景技术中后面所述的电动自行车可能通常不能适当地产生辅助动力，因为辅助动力只依据在其上驾驶者使车行走的路面的斜度而被校正。
发明内容
本发明克服了背景技术的有关缺点并获取了背景技术没有获得的其它优点。
本发明的一个目的是要提供一种用于电动车辆，使该车既使在倾斜路面和/或平坦路面上行驶时，用与普通自行车获得的同样行驶感觉被驾驶的控制单元。
本发明的一个目的是要提供一种电动车辆的控制单元，它允许行驶并且不会加强人力的外部变化。
本发明的另一个目的是要提供一种电动车辆的控制单元，它能根据该车各种行驶状态中任何一种状态进行辅助动力的调节。
这些和其它一些目的由电动车的控制单元实现，电动车包括一个向后轮传动人工驱动力的人力驱动***和一个由马达向后轮传动马达驱动力的马达驱动***，控制单元包括用于检测车实际行驶阻力的装置；和用于控制和产生对应于马达驱动***实际行驶阻力的辅助驱动力的装置。
这些和其它一些目的由电动车的控制单元实现，电动车包括一个用于向后轮传动人工驱动力的人力驱动***和一个由马达向后轮传动马达驱动力的马达驱动***，该控制单元包括用于检测车实际行驶阻力的装置；用于产生对应于实际行驶阻力的辅助驱动力的装置；和用于计算和检测车的加速度的装置；其中用于产生辅助驱动动力的装置根据在预定时间值之后的加速度，增加由马达驱动***所产生的辅助驱动力。
这些目的和其它一些目的进一步由包括一个向后轮传动人工驱动力的人力驱动***和一个由马达向后轮传动马达驱动力的马达驱动***的电动车控制单元所实现，该控制单元包括用于检测车实际行驶阻力的装置；和用于控制和产生对应于马达驱动***的实际行驶阻力的辅助驱动力的装置；及用于确定车的行驶状态的装置。
从下文给出的详细说明本发明的应用范围还将变得更加清楚。然而，应该明白，表明本发明的最佳实施例的详细的说明和具体的实例只通过图示的方式给出，因为在本发明的实质和范围内的各种变化和变型对于熟练的技术人员将从这个详细的说明变得更清楚。
附图说明
从下文给出的详细说明和仅通过图示的方式给出的附图，本发明将变得更明白，并且不会限制本发明，而其中：
图1是表示根据本发明一个实施例的控制单元的各部分功能的一个框图；
图2是根据本发明的一个实施例，具有控制单元的电动自行车的侧视图；
图3是根据本发明的一个实施例，一个马达的剖视图；
图4是表示在路面状况变化和驱动力变化之间关系的曲线图；
图5是表示自行车在倾斜路面开始起步时用于控制辅助动力的功能的框图；
图6是表示辅助动力由于车速和人力确定的时序图；
图7是根据本发明的一个实施例，一个马达的控制电路图；
图8是根据本发明的一个实施例，表示一个马达控制时间的时序图；
图9是根据本发明的一个实施例，表示按照实际的行驶阻力产生辅助动力的程序步骤的详细流程图；
图10是表示按照图9所示的实际行驶阻力产生辅助动力的连续程序步骤的一个详细流程图；
图11是表示车速和平坦路面行驶阻力之间关系的曲线图；
图12是表示其中根据车速变量和驱动力查找实际行驶阻力的一个实例的曲线图；
图13是表示根据本发明的一个实施例，程序步骤S29的一个变型的流程图；
图14是根据本发明的一个实施例，表示程序步骤S29的另一个变型的流程图；
图15(a)和图15(b)各表示在辅助动力的修正系数和自行车速之间关系的曲线图(部分1)；
图16表示在辅助动力的修正系数和车速之间关系的曲线图；
图17是表示有选择地采用与腿动力成正比的辅助动力和/或对应于实际行驶阻力的辅助动力的功能的方框图；
图18是根据本发明的一个实施例，表示控制再生输出功能的框图；
图19是根据本发明的一个实施例，表示按照路面的坡度增加辅助动力功能的框图；
图20是其中装配有腿动力检测单元的一部分人力驱动单元的剖视图；
图21是沿图20A-A线剖开的剖视图；及
图22是根据本发明的一个实施例的腿动力检测单元放大的剖视图。
具体实施方式
本发明下面将根据附图来说明。图2是根据本发明的一个实施例，具有控制单元的电动自行车的侧视图。电动自行车的车身框架1包括位于车身前侧头管2、从头管2向后并向下延伸的下管3、连接于下管3并从其向后延伸的后叉4，和从下管3的最下端竖起的座位支柱5。
前叉6可旋转地受头管2的支撑。前轮7可旋转地受前叉6的下端支撑。转向操纵柄(车把)8装在前叉6的上端。制动杆9装于转向操纵柄(车把)8上。从制动杆9延伸的缆绳10连接于固定在前叉6的前轮制动器11上。同样，虽然未表示，延伸到后轮制动器制动杆被装在转向操纵柄(车把)8上。用于探测制动杆9操作的制动传感器(未表示)被装于制动杆9上。
连接于座位支柱5上端的一对右和左支撑12向后和向下延伸，并被联接于接近后叉4下端部分。后轮13受后叉4和支撑12构成的连接部件支撑。提供辅助动力源的马达14也以与后轮13的轮毂同轴这样一种方式受连接部件的支撑。马达14最好具有高扭矩和低摩擦三相无刷电机的形式。下文将提供马达14结构和控制方式的更详细的说明。
在其上端具有座位15的支撑杠16，以可以调节座位15高度的状态***座位支柱5中。用于向马达14供电的电池17被装在座位15的下方位于座位支柱5和后轮13之间的一个位置。电池17受固定于座位支柱5的支架18支撑。动力供给部分19被装于支架18上。动力供给部分19经由一条电线(未表示)连接于马达14并且也被连接于电池17的电极。电池17的上部通过一个夹紧装置，例如在最佳实施例中的卡箍20和扣环21的形式，受座位支柱5的支撑。
在车身的宽度方向上延伸的曲轴22受下管3和座位支柱5之间的横向部分支撑。踏板24通过曲柄23连接于曲轴22。驱动链轮25通过腿动力传感器(未表示)连接于曲轴22。作用于踏板24的腿动力通过腿动力传感器被传动到驱动链轮25上。
链条27围绕着驱动链轮25和装在后轮13轮毂上的从动链轮26。链条27和驱动链轮25的外侧用链盒28覆盖。用于检测曲轴22旋转的旋转传感器(未表示)装在曲轴22上。一种比如用于检测机动车发动机曲轴旋转的传感器类型的旋转传感器可以被用于最佳实施例。
一种装于曲轴22的腿动力检测单元将在下文叙述。图20是其中装配腿动力检测单元的一部分人力驱动单元的剖视图。图21是沿图20的A-A线剖开的剖视图。端盖101L和101R螺旋安装于固定在下管3上的支撑管100的两端。滚珠轴承102L和102R被分别放在端盖101L和101R与在曲轴22上形成的直径变化部分之间，因此可旋转地支撑曲轴22。
曲柄23通过拧紧在螺栓103B周围的螺母103C(图20中只表示了右侧)固定于曲轴22的左右端。单向离合器104的内环105固定在右侧曲柄23和支撑管100之间。驱动链轮25通过衬套105A可旋转地支撑在内环105的***。由螺母106A和挡板106B在推力方向上限制驱动链轮25的位置。
一个盖107被整体地装在驱动链轮25上，并且传动板108被配置在由驱动链轮25和盖107所围成的空间内。以在围绕曲轴22旋转的方向上容许在传动板108和驱动链轮25之间存在预定偏差这样的方式，与驱动链轮25同轴地支撑传动板108。
在驱动链轮25和传动板108二者中形成多个窗(在这个实施例中是六个)。一个压缩螺旋弹簧110被装于各个窗109中。当驱动链轮25和传动板108在旋转方向上产生偏差时，压缩螺旋弹簧110起作用，产生抵抗其间偏差的反作用力。
作为单向离合器104外环的棘轮齿111在传动板108轮毂的内缘形成。同时棘爪113由单向离合器104的内环105以由弹簧112径向偏移这样的方式所支撑。棘轮齿111与棘爪113啮合。单向离合器104装有防尘盖114。
在传动板108中设置有锁孔116，固定于腿动力传动环124用于腿力传动的突起部分115嵌在锁孔116内。在驱动链轮25中设置了使突起部分115被锁于锁孔116的窗117。突起部分115通过窗117被固定于锁孔116内。
在驱动链孔25和传动板108二者上形成区别于上述窗109的多个小窗(在本实施例中是三个)。在各个小窗中设置压缩螺旋弹簧118。压缩螺旋弹簧118以使传动板108在旋转方向119，如在消除驱动链轮25和传动板108之间连接部分松动的方向上，偏置的方式被配置。具体地，压缩螺旋弹簧118能响应传动板108对驱动链轮25的位移传动。
腿力检测单元的传感器部分(腿力传感器)47被安装在本体或下管3旁边一部分驱动链轮上。腿力传感器47具有固定于驱动链轮25的外环120和可旋转地装在外环120上用于形成磁性回路的传感器主体121。外环120由电绝缘材料制成并用螺栓(未表示)固定于驱动链轮25。在一部分外环120上，如在驱动链轮的侧面，设置盖122。盖122用一个定位螺钉123固定于外环120上。
图22是根据本发明的一个实施例，腿力检测单元的放大剖视图。图22是传感器主体121的放大剖视图。线圈125与曲轴22同心安装，并且在轴线方向上以在线圈125的***方向上伸出这样的方式在线圈125两侧设置一对铁心126A和126B。腿力检测单元也包括传感器主体121的支撑部件130、131，一个轴承132和从线圈125伸出的导线133。其每个以环形构成的第一电感器127和第二电感器128被装在铁芯126A和126B之间。
根据从腿力传动环124传动的腿力，第一电感器127和第二电感器128可以在环形方向上移动。在铁芯126A和126B之间第一和第二电感器127和128的重叠是由第一和第二电感器127和128的位移所改变。因此，当电流作用于线圈125时，流入由铁芯126A和126B、铁芯环129和第一及第二电感器127及128构成的磁路的磁通量因作用的腿力而改变。因此，作用的腿力可以通过测量在磁通量的作用下线圈125电感的变化而检测。
上述腿力检测单元已在由本申请人提出的更早的申请(日本专利申请No.Hei11-251870(参考No.A99-1026))的说明书中全面地描述，其整体作为参考结合于本文。然而，腿力检测单元不限于上文所叙述的而可以从相关技术中通常可利用的其它类型的单元中进行适当地选择。
图3是根据本发明的一个实施例的马达14的剖视图。板29从由后叉4的后端和支撑12的下端构成的连接部件向后伸出。其中装配有变速齿轮的圆筒30通过轴31受板29的支撑。轮毂32被固定在圆筒30的***。轮毂32被制成具有一个内筒和一个外筒的环形体形状。
内筒的内周表面与圆筒30的外周接触。从圆筒30伸出的连接板33用螺栓34固定在轮毂32的侧面上。构成马达14转子侧磁极的钕磁体35以某一间隔彼此间隔的方式在轮毂32的外筒内周上配置。轮毂32的外筒构成固定磁体35的转子铁芯。
轴承36被固定在轮毂32内筒的外周上，而定子支撑板37被固定在轴承36的外周。定子38被配置在定子支撑板37的外周并用螺栓40安装其上。定子38被安置使得在转子铁芯如在轮毂32的外筒和定子38之间有特别小的间隙。三相线圈39被绕在定子38的周围。
在定子支撑板37的侧面设置由霍尔元件组成的磁极传感器41。磁极传感器41在从轮毂32伸出的磁体42经过磁极传感器41时，探测磁通量的变化并输出表示轮毂32位置的信号。磁极传感器41根据在最佳实施例中马达14的三相，位于三个位置。
在定子支撑板37的侧面设置控制板43。控制板43适于根据来自磁极传感器41的位置信号控制对三相线圈39的电流供给。控制元件如CPU和FET被装在控制板43上。要注意到，控制板43可以与用于安装磁极传感器41的一个板集成。
要连接于后轮轮圈(未表示)的辐条44被固定于轮毂32的外周。链轮46，最好在与其上安装控制板43和类似部件的侧面相对的侧面上，用螺栓45固定于定子支撑板37的侧面上。链轮46用螺栓(未表示)连接于本体框架板29上。
三相无刷马达14因此包括与后轮13的轴31同轴安装的定子和转子。马达14产生经由链17和从动链轮26传动的施加于人力的辅助动力。
对马达14电流供给的控制，例如马达14输出的控制将在下文描述。图4是表示在路面状态变化和驱动力变化之间关系的曲线图。图4表示在假想行驶路面上辅助动力的产生状态。在该图中，横坐标表示时间。假定车在具有平路、上坡、下坡和平路的行驶公路上行驶。在假设的行驶公路上车的行驶模式被设置为这样，使得车在平路逐渐加速，而在到达上坡时车匀速行驶。
在图4中，用小的和大的曲线所表示的驱动力由控制马达输出的现有技术方法获得，以产生与腿力成正比的辅助力。较小的曲线表示腿力Ta的驱动力(人力)Ph，而具有与小曲线相同相位的大曲线表示马达的辅助动力Pm。从该图看得很明显根据控制马达输出的现有技术方法使产生人力Ph和辅助动力之间比率保持为1:1的辅助动力，尽管辅助动力Pm在上坡时增加，人力Ph也在上坡时保持较高水平。
相反，根据该实施例，马达输出被控制这样使得在平路、上坡和下坡任何一种情况下，驾驶者只产生抵抗电动自行车行驶阻力的特殊驱动力，其相当于舒适的自行车在平路上的行驶阻力。仅由电动自行车的行驶所产生的行驶阻力Ra相当于由通常称为“舒适的自行车”力的相对较轻的普通自行车在平路上行驶所产生的行驶阻力，该情况仅由人力输入建立。剩余的阻力由马达14的输出帮助克服。
用这种形式，驾驶者能用由舒适的自行车在平路上行驶所获得同样感觉在任何路面驱动电动自行车。如图4所示，马达扭矩被产生，以便产生抵抗在电动自行车行驶时实际产生的阻力Ra的辅助动力Pm。在这时，确定马达扭矩，这样使得值(Ra-Pm)变成具体值。换句话说，驾驶者能用特定的腿力Ta抵抗相当于舒适自行车平路行驶阻力的行驶阻力驱动电动自行车。
上述输出控制将在下文更完整地被叙述。要注意到，上述输出控制的内容只提供了对该实施例基本概念的说明。因此，控制马达输出的方法包含上述输出控制基本概念的各种变型。
图1是根据本发明的某一实施例表示控制单元各部分功能的框图。图1是表示根据实际的行驶阻力用于控制马达14输出的控制单元必要部分功能的框图。控制单元的计算和存储操作可以通过使控制单元具有微型计算机形式而实现。腿力检测部分51根据来自腿力传感器47的检测信号检测腿力Ta。曲柄转数检测部分52根据曲柄旋转传感器48的检测信号检测曲柄转数NCR。人力计算部分53通过使用下列公式计算与从踏板24输入的腿力成正比的驱动力Ph：
Ph＝Ta×NCR×k1；其中k1是系数。         (公式1)
总驱动力计算部分54通过向基于马达扭矩T和马达转数Nm的马达输出增加由人力所获得的驱动力Ph计算总驱动力Pw。在这里使用的马达扭矩T是先前值，例如存储于先前值存储器61中的值(T-1)。
马达转数检测部分56根据来自马达旋转传感器49的检测信号检测马达转数Nm。车速检测部分57根据来自车速传感器50的检测信号检测车速V。上述磁极传感器41可以被用于各马达旋转传感器49和车速传感器50。
车速存储器58存储车速V先前的检测值(V-1)。车速变量计算部分59计算车速的先前值(V-1)和当前值V之间的差ΔV。标准行驶阻力计算部分60根据车速V通过从图形检索来计算普通自行车平路行驶阻力Rr。
行驶阻力计算部分62根据总的驱动力Pw和车速变量ΔV，通过从为各车速V预备的图形中查找来计算实际行驶阻力Ra。用于计算实际行驶阻力Ra的图形将在下文叙述。在由行驶阻力计算部分62执行的计算中，总驱动力Pw的累计值可以被用来代替总驱动力Pw。在这种情况下，提供了总驱动力累计部分55。其输出可以被用作总驱动力Pw的累计值。特别地，总驱动力累计部分55累计各具体时间或在各具体时段内的总驱动力Pw，以获得累计值P·h，如获得在曲轴22旋转一周期间总驱动力Pw的累计值P·h。
辅助动力计算部分63从实际行驶阻力Ra减去普通自行车的平路行驶阻力Rr，以计算要由马达14提供的辅助动力Pm。马达扭矩计算部分64根据马达转数Nm和辅助动力Pm计算要由马达14产生的马达扭矩T。根据马达转数Nm和辅助动力Pm通过从预定的图形查找来获得马达扭矩T。计算的马达扭矩T向马达14的控制器输出并被存储于先前值存储器61。
如上所述，根据这个实施例中的控制单元，按照对应于踏板24转动一周期间输入能量的车速变化，获得实际行驶阻力Ra。通过从实际行驶阻力Ra减去普通自行车的平路行驶阻力Rr所获得的抵抗阻力的驱动力，从马达14输出并被增加到人力输入。
图5是表示在一个倾斜表面上在自行车开始启动时用于控制辅助动力功能的框图(是图1所示框图的延续)。控制单元包括根据路面的倾斜情况调节辅助动力Pm的增加量或减少量的路面倾斜确定部分。在图5中，助力自行车平路行驶阻力计算部分65根据车速V通过从预定的图形查找来计算助力自行车(电动自行车)的平路行驶阻力R1。
根据由行驶阻力计算部分62计算的实际行驶阻力Ra和助力自行车平路行驶阻力R1，路面倾斜确定部分66借助确定实际行驶阻力Ra是否大于平路行驶阻力R1一个具体值确定自行车是否行驶在上坡路上。路面倾斜确定部分66也借助确定实际行驶阻力Ra是否小于平路行驶阻力R1一个具体值确定自行车是否在下坡路上行驶。自行车在上坡路上起步行驶时，计时器67开始计时并且辅助力增加部分68行驶，直到计时器67计数结束。在另一方面，在自行车在下坡路上开始行驶时，计时器69开始计时，并且辅助动力减少部分70行驶直到计时器69计数结束。
辅助动力增加部分68校正用于计算辅助动力的系数，以增加辅助动力Pm，而辅助动力减少部分70校正用于计算辅助动力的系数，以减少辅助动力Pm。根据由辅助动力增加部分68和辅助动力减少部分70提供的修正系数，辅助动力计算部分63根据确定的路面倾斜情况输出修正的辅助动力Pm。
图6是表示由于车速和人力确定辅助动力计时的时序图。图6是一个表示确定辅助动力计时的图。车速V，腿力Ta和马达的辅助动力Pm与其检测和计算计时一起在图6中被表示。在检测腿力Ta最小值的时间点和检测腿力Ta的下一个最小值的时间点之间的时段内，读出各个传感器的检测输出。
每当腿力Ta等于最小值，下一个辅助动力Pm的计算根据当时各个传感器的检测值开始。车速V也被检测并且先前车速和上述车速之间的差ΔV被计算。例如在各计时t1、t2和t3上，辅助动力Pm被计算并且车速差(V-(V-1))被计算。此外，用于获得其计算已在各时间t1、t2和t3开始的辅助动力Pm的通电占空比在各时间t′1、t′2和t′3被设置。
图7是根据本发明的一个实施例表示马达14的输出控制的控制电路图。图8是根据本发明的一个实施例表示马达控制时间的时序图，其中表示了通电计时和通电占空比。在图7中，全波整流器71具有连接于三相定子线圈39的FETS(通常，是独立开关元件)71a、71b、71c、71d、71e和71f。对于FET 71a至71f的通电受驱动器72的控制。通电占空比根据由马达扭矩计算部分64提供的指令由占空比设置部分73设置并在驱动器72中被输入。
在给出辅助动力Pm的驱动计时上，通电占空比从占空比设置部分73向驱动器72提供。根据通电占空比，驱动器72激励FET 71a至71f，以便由电池17供给电流。在产生再生输出的情况下，在偏离驱动时刻180°电角度的再生时刻，通电占空比从占空比设置部分73提供给驱动器72。根据通电占空比，驱动器72激励FET 71a至71f。当FET 71a至71f在再生时刻被激励时，在定子线圈39中产生的电流由FET 71a至71f整流以向电池17供电。
根据由马达扭矩计算部分64提供的所需马达扭矩T来确定通电时刻是否是驱动时刻还是再生时刻。如果马达扭矩的需要值T是正值，通电时刻被设置为驱动时刻，而如果马达扭矩的需要值T为负值，通电时刻被设置为再生时刻。
在图8中，各个FET 71a至71f以设置为120°电角度的电通角被激励。图8表示作为驱动时刻的通电时刻。在再生时刻，各个FET 71a、71c和71e在“高”侧偏离驱动时刻180°电角度。
图9是根据本发明的一个实施例，表示按照实际的行驶阻力产生辅助动力程序步骤的详细流程图。图10是表示按照图9所示的实际行驶阻力产生辅助动力程序连续步骤的详细流程图。在步骤S1中，车速V根据马达旋转传感器49的检测输出被计算。在步骤S2中，电动自行车(下文称作“助力自行车”)的平路行驶阻力R1和普通自行车(舒适的自行车)的平路行驶阻力Rr根据车速V被计算。
例如，由具有55kg重的驾驶者驱动的12kg重的舒适自行车的平路行驶阻力被看作普通自行车的平路行驶阻力Rr，而由具有65kg重的驾驶者所驱动的26kg重的助力自行车的平路行驶阻力被看作助力自行车的平路行驶阻力R1。这些平路行驶阻力R1和Rr可以从预定的图形中检索。
图11是表示车速和平路行驶阻力之间关系的曲线图。图11是指示车速V和平路行驶阻力R1及Rr之间关系的一个预定图形的实例。在这个图中，助力自行车的平路行驶阻力R1和普通自行车的平路行驶阻力Rr中每个均根据车速V被表示。助力自行车的平路行驶阻力R1和普通自行车的平路行驶阻力Rr每个均可以根据给定的车速V从图11所示的图形查找而获得。
再参照图9，在步骤S3中，计算车速的先前检测值(V-1)和当前检测值V之间的差(V-(V-1))以获取车速变量ΔV(如果该值为负值，车减速)。在步骤S4中，由腿力传感器47和曲柄旋转传感器48的检测输出分别检测腿力Ta和曲柄转数NCR。在步骤S5中，与腿力成正比，是腿力Ta和曲柄转数NCR函数的马达输出，如马达扭矩To，根据下列公式被计算：
To＝f(Ta，NCR)               (公式2)
在步骤S6中，检测马达旋转传感器49的输出，如马达14的转数Nm。在步骤S7中，先前马达扭矩(T-1)由先前值存储器61所读取。在步骤S8中，总驱动力Pw，如总的人力Ph和辅助动力Pm-1根据下列公式被计算：
Pw＝(Ta×NCR×k1)+((T-1)×Nm×k2)         (公式3)
其中k1和k2是系数。
在步骤S9中，是总驱动力Pw，车速变量ΔV和车速V函数的实际行驶阻力Ra根据下列公式被计算：
Ra＝f(Pw，ΔV，V)                          (公式4)
实际行驶阻力Ra通过准备一个表示驱动力Pw，车速变量ΔV和各车速(如，每5kg/hr的速度)实际行驶阻力Ra之间关系的图形并从该图查找实际行驶阻力Ra而获得。
图12是表示其中实际行驶阻力根据车速变量和驱动力被查找的一个实例的曲线图。图12表示在总驱动力Pw、车速变量ΔV和实际行驶阻力Ra之间关系的一个图形的实例，车速变量ΔV作为参数。助力自行车的平路行驶阻力R1和普通自行车的平路行驶阻力Rr各根据车速V被表示。这样的图形为各车速V而准备。如上所述，一个循环即曲轴22一转期间的累计量P·h可以被用于代替驱动力Pw。
在步骤S10中，确定路面是否倾斜，如公路是上坡还是下坡。这样一个确定可以根据在实际行驶阻力Ra和助力自行车的平路行驶阻力R1之间的比值被执行。例如，如果比值(Ra/R1)是“5”或更多，确定公路为上坡。如果比值(Ra/R1)是“-1”，确定公路为下坡。如果比值(Ra/R1)在5至-1范围内，确定路是平路。
如果确定路是上坡，程序进行到步骤S11，其中表示下坡的标志F1被清除。在步骤S12中，确定表示上坡的标志F0是否被设置。如果是，程序进行到步骤S23(见图10)，而如果否，程序进行到步骤S13，其中系数K被设置为“1.2”。如后面将要叙述的，通过增加系数K，辅助力Pm被减少，因此通知驾驶者车已到上坡。
在步骤S14中，计数值“n”被增加。在步骤S15中，确定计数器值“n”是否变成“5”。如果是，程序进行到步骤S16，其中计数器值“n”被清除及标志F0被清除，并且随后程序进行到步骤S23(见图10)。在步骤S23中，斜坡修正值被计算(它将在后面根据图15和16被叙述)。如果步骤S15的答案是负值，例如在步骤S15中确定计数器值“n”不变成“5”，程序进行到步骤S24(见图10)。
如果在步骤S10中确定路是下坡，程序进行到步骤S17，其中表示上坡的标志F0被清除。在步骤S18中，确定表示下坡的标志F1是否被设置。如果是，程序进行到步骤S23(见图10)，而如果否，系数K被设置为“0.8”。如下文所述，通过减少系数K，辅助动力Pm被增加，由此通知驾驶者车已到下坡。
在步骤S20中，计数器值“m”被增加。在步骤S21中，确定计数器值“m”是否变成“3”。如果是，程序进行到步骤S22，其中计数器值“m”和标志F1被清除，并且随后程序进行到步骤S23。如果否，程序进行到步骤S24(见图10)。如果在步骤S10中确定路是平路，用于系数K和计数器值“n”及“m”的程序不被执行，而程序进行到步骤S24。
参照图10，在步骤S24中，确定制动开关是否接通。如果是，程序进行到步骤S25，其中系数K乘以常数值“1.2”，而随后程序进行到步骤S26。如下文将要叙述的，通过使系数K乘以常数值，再生输出被增加。如果步骤S24的答案是负值，如在步骤S24中确定制动开关未被接通，程序进行到步骤S26而跳过步骤S25。在步骤S26中，普通自行车的平路行驶阻力Rr乘以系数K。在步骤S27中，辅助动力Pm根据下列公式被计算：
Pm＝Ra-Rr                   (公式5)
由公式5显而易见，当普通自行车的平路行驶阻力Rr较大时，辅助动力Pm变小，而当普通自行车的平路行驶阻力较小时，辅助动力Pm变大。由于在步骤S26中普通自行车的平路行驶阻力Rr被乘以系数K，辅助动力Pm因系数K而改变。因此，如果确定路是上坡而系数K被设置为“1.2”(步骤S13)，辅助动力Pm在一段时间内变小直到计数器值“n”变成预定值“5”，结果是驾驶者感到踏板负载增加。在另一方面，如果确定路是下坡而系数K被设置为“0.8”(步骤S19)，辅助动力Pm在一段时间内变大直到计数器值“n”变成预定值“3”，其结果是驾驶者感到踏板负载减少。
在步骤S25中增加系数K的情况下，再生输出因下列原因被增加。在需要制动的驱动状态下，总驱动力Pw较小而实际行驶阻力Ra为负值。因此，如果行驶阻力Rr通过增加系数K被增加时，实际行驶阻力Ra的负值通过在步骤S27中的处理变得更大，其结果是再生输出被增加。在需要制动的驱动状态下，伴随马达14再生的制动操作可以有效地被执行。
在步骤S28中，是辅助动力Pm和马达转数Nm函数的马达扭矩T根据下列公式被计算：
T＝f(Pm，Nm)                         (公式6)
此外，马达扭矩T可以被改变如下。在步骤S29中，与腿力成正比的马达扭矩T0被加到马达扭矩T上。驾驶者可以用这种马达扭矩T的变化驾驶车经过整个车的行驶区域。
在步骤S30中，可以控制马达14的通电时刻。如果计算的马达扭矩T是正的，用于控制马达14的全波整流器71的控制元件(FETS)在驱动时刻被激励。如果计算的马达扭矩T是负的，用于控制马达14的控制元件(FETS)在再生时刻，即偏离驱动时间180°电角度的时刻上被激励。在步骤S31，根据马达扭矩T的绝对值，确定通电占空比。
在步骤S32中，如果已确定路是下坡，确定车速V是否是预定的低速(例如，5km/hr)或更低。如果否，程序进行到步骤S33，其中已在步骤S27中利用在步骤S26计算的平路行驶阻力Rr计算的辅助动力Pm被输出到马达14。如果是，程序结束。在已确定路是下坡时，如果确定车速处于低速状态，例如在其中驾驶者使他的或她的自行车行走的状态下，不执行马达14的通电控制以便不产生再生控制输出。
图13是根据本发明的一个实施例，表示程序步骤S29的一个变型的流程图。在步骤S29中的处理可以被修改成图13所示的程序。参照图13，在步骤S34中，确定路是否是平路。如果是，程序进行到步骤S35，其中与腿力成正比的马达扭矩T0被加到马达扭矩T上。在步骤S35中的处理可以用在步骤S36中的处理来代替，其中马达扭矩T用与腿力成正比的马达扭矩T0来代替。用这种配置，驾驶者可以用与腿力成正比的辅助动力Pm驱动自行车。
图14是根据本发明的一个实施例，表示程序步骤S29另一个变型的流程图。步骤S29中的处理可以进一步修改成图14所示的程序。在步骤S37中，确定车速V是否是预定的低速(如，5km/hr)或更低。如果是，程序进行到步骤S38，其中与腿力成正比的马达扭矩T0被加到马达扭矩T上。在步骤S38中的处理可以用在步骤S39中的处理来代替，其中马达扭矩T用与腿力成正比的马达扭矩T0来代替。用这种配置，如在开始蹬踏板时，驾驶者用由与腿力成正比的马达扭矩T所获得的辅助动力Pm驱动自行车。
图17是表示有选择地采用与腿力成正比的助动力和/或对应于实际行驶阻力的助动力的功能框图。图17是表示进行在步骤S29中和其变型程序各部分功能的框图。类似于图1所示计算部分64的马达扭矩计算部分64A根据马达14的助动力和马达转数Nm计算马达扭矩T。马达扭矩计算部分64A还根据与由人力计算部分53检测的与腿力成正比的驱动力Ph和曲柄转数NCR，计算马达扭矩T0。
操作状态确定部分75根据实际行驶阻力Ra、助力自行车平路行驶阻力R1、车速V和类似的参数确定自行车的操作状态。根据车的操作状态，操作状态确定部分75向马达14提供表示马达扭矩T、马达扭矩T0被加于其上的马达扭矩T的信号或马达扭矩T0。
在上述步骤S23中处理的实例将在下文叙述。在步骤S23中，系数K被修正以便与行驶公路的斜度相匹配。首先叙述在上坡行驶的情况下修正系数K的例子。图15(a)和图15(b)是分别表示助动力的修正系数与车速之间关系曲线图(部分1)。图15(a)和15(b)表示在上坡行驶的情况下对应于车速V的系数值K。图15(a)表示一秒内车速变量低于3km/hr的情况，而图15(b)表示车速变量为3km/hr以上的情况。此外，系数K的初始值被设置为“1.0”。
在图15(a)所示的情况下，其中车速V是低的(如5km/hr或更低)，例如在开始蹬踏板时，系数K被设置为低值以增加助动力Pm，而随后在车速V被增加后，返回到初始值。在图15(b)所示的情况下，其中车速是低的(如5km/hr或10km/hr)，系数K被设置为较低值以增加助动力Pm，而随后随着车速V的增加逐步返回到初始值。此外，在加速时，助动力Pm未被迅速减少而是保持在一个较大值直到车速被增加到某一值(例如，20km/hr)。在上坡行驶的情况下修正系数K的例子可以被应用于在平路行驶情况下系数K的修正。
图19是根据本发明的一个实施例表示按照路面的斜度增加助动力的功能框图。图19是表示在步骤S23中在上坡和平路上增加助动力部分功能的框图。参照图19，在车速V等于或低于预定的低车速时，用于确定蹬踏板开始的确定部分85输出一个检测信号Sc。在加速度等于或大于预定值时(在曲柄一转期间速度的变化是3km/hr)，加速度确定部分86根据车速V的变量输出一个检测信号Sd。
当根据如上所述的实际行驶阻力Ra和平路行驶阻力R1之间的比值确定路是平路还是上坡时，路面斜度确定部分66使斜度修正部分87选择对应于开始蹬踏板检测信号Sc或加速度检测信号Sd的一个图形(如图15所示的图形)。
根据车速V从该图形查找已设置以增助动力的系数K。系数K被输入到助动力计算部分63，并计算助动力以根据系数K由助动力计算部分63增加助动力。下文将叙述在下坡行驶的情况下修正系数K的例子。
图16是表示在助动力的修正系数和车速之间关系的曲线图。图16表示在下坡行驶的情况下，对应于车速V的系数值K。系数K的初始值被设置为“1.0”。
如在图16中所见到的，在车速较低时(如15km/hr或更低)，例如在下坡开始蹬踏板时，系数K被设置为较小值以减少再生输出。在车速值V被增加时，如在从15km/hr时间点到20km/hr时间点期间，系数K与车速V的增加成比例的被增加以逐步增加再生输出。当车速V被进一步增加到，例如某一值如25km/hr时，系数K被迅速增加(如，沿一条二次曲线)以迅速增加再生输出并迅速限制车速V。
图18是根据本发明的一个实施例，表示控制再生输出功能的框图。图18是表示需要执行再生控制的基本部分功能的框图。参照该图，行驶阻力确定部分76确定由行驶阻力计算部分62输入的实际行驶阻力Ra是正还是负的。如果实际行驶阻力Ra是负的，行驶阻力确定部分76使再生指示部分77确定自行车的操作状态。根据这个确定输出再生的指令被提供给马达14的驱动器72。此外，根据是否执行制动操作或车速V是否是预定值，确定操作状态。
车速确定部分78确定车速是否是一个预定值(通常设置为大约是自行车行走速度)。如果车速V低于预定值，车速确定部分78输出检测信号Sa。平路行驶阻力计算部分79保持对应于以图形形式(如图11所示的图形)的车速V的助力自行车平路行驶阻力R1的数据。平路行驶阻力R1根据输入的车速V从该图形查找。在路面斜度确定部分80中输出平路行驶阻力R1。
路面斜度确定部分80根据实际行驶阻力Ra和平路行驶阻力R1，确定路面的倾斜是否是向下倾斜。如果路面是向下倾斜，路面斜度确定部分80输出检测信号Sb。如果检测信号Sa和Sb都被输出，一个与门被开启以向再生指示部分77输出表示再生指令无效的信号。
用于计算对应于车速范围的系数K的计算部分82保持图形形式(如，图16所示的图形)的系数K的数据。根据输入的车速V从图形查找系数K，而由此查找的系数K被输出到再生指示部分78。在制动开关***作时，制动检测部分83输出检测信号。在来自制动检测部分83的检测信号向其提供时，用于根据制动修正系数K的修正部分84使系数K乘以预定值。修正的系数K随后被输出到再生指示部分77。
再生指示部分77通过利用由上述修正部分84修正的系数K计算马达扭矩。计算部分82确定再生输出并向驱动器72提供再生指令。如果指令是表示再生指令无效的信号，再生指示部分77不向驱动器72给出再生指令。
此外，当实际行驶阻力Ra是负值时，马达14行驶以产生再生输出。在另一方面，在根据路面的倾斜结果确定路是下坡且车速V是等于或低于预定值的低速时，禁止再生输出。
如上所述，根据本发明，由于助动力在起步时(如开始蹬踏板)或加速时根据车的操作状态被增加，既使在较低实际行驶阻力范围内，也可能有效地产生助动力。尤其，蹬踏板起步可以根据车速任意设置，由于助动力在操作状态下，如在开始蹬踏板或在平路或上坡路加速期间，被增加，有可能向电动自行车更有效地提供助动力。
由于助动力可以无关于在腿力驱动的人工驱动源中的周期性变化而产生，车速明显地变稳并且可以根据路面的斜度提供合适的助动力。此外，有可能以与车在平路上行驶期间所获得的同样的行驶感觉驱动电动自行车。
在感到路面的斜度变化时，驾驶者可以驱动电动自行车。尤其，有可能用与普通自行车所获得的同样行驶感觉驱动电动自行车。也有可能通过实际行驶阻力检测装置确定路面的斜度而不提供斜坡传感器。
由此描述本发明，很明显上述内容可以以很多种方式被改变。这样的改变不会被认为是脱离本发明的实质和范围，并且对于熟练的技术人员是明显的所有这样的变型都包含于下列权利要求的范围之内。

Claims (7)

1.一种用于电动助力车的控制单元，该电动助力车包括向后轮传动人工驱动力的人力驱动***和由马达向所述后轮传动马达驱动力的马达驱动***，所述控制单元包括：
检测车实际行驶阻力的装置；和
控制和产生所述马达驱动***的对应于所述车实际行驶阻力的辅助驱动力的装置，其中所述的用于控制和产生辅助驱动力的装置在开始所述车蹬踏板操作时，增加由所述马达驱动***所产生的驱动力；
用于检测在预定时间段内车速变量的装置；及
用于检测在预定时间段内通过将所述马达的辅助驱动力加到人工驱动力上所获得的总驱动力的装置；其中对总驱动力根据车速变量计算实际行驶阻力。
2.如权利要求1所述的电动助力车控制单元，还包括用于检测所述车速度的装置，其中表示开始蹬踏板操作的状态在车速处于预定车速范围内时被识别。
3.如权利要求1所述的电动助力车控制单元，还包括：
设置普通自行车预定行驶阻力的装置；
根据实际行驶阻力与普通自行车行驶阻力之间的差确定由所述马达驱动***所产生的辅助驱动力的装置；及
根据实际行驶阻力确定路面斜度的装置；其中所述辅助驱动力在路面是平路或上坡时被增加；而所述辅助驱动力的增加操作通过减少普通自行车的行驶阻力来执行的。
4.如权利要求1所述的电动助力车控制单元，还包括：
检测在预定时间段内车速变量的装置；及
检测在预定时间段内通过将所述马达的辅助驱动力加到人工驱动力上所获得的总驱动力的装置；其中对总驱动力根据车速变量计算实际行驶阻力。
5.如权利要求1所述的电动助力车的控制单元，其中控制由所述马达驱动***产生的辅助驱动力，以使所述车的实际行驶阻力实际上对应于所述车平路行驶阻力。
6.如权利要求3所述的电动助力车控制单元，其中如果行驶路面的斜度变成向上倾斜，由所述马达驱动***产生的辅助驱动力在预定的时间段内被减少，而如果行驶路面的斜度变成向下倾斜时，由所述马达驱动***所产生的驱动力在预定时间段内被增加。
7.如权利要求6所述的电动助力车控制单元，其中用于确定路面斜度的所述装置比较实际行驶阻力与预定的平路行驶阻力的比值，如果所述比值大于一个预定值，行驶路面被确定为上坡而如果所述比值小于预定值，行驶路面被确定为下坡。
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