CN113147994A - 一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法 - Google Patents

一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，包括转把、脚踏、控制器、永磁同步变频电机，控制器包括转把感应模块、车辆姿态传感模块、脚踏速度频率模块、自适应电机力矩计算模块、FOC电机控制模块，控制方法包括以下步骤：S1.获取转把的转动角度γ；S2.判断转动角度γ；S3.控制永磁同步变频电机输出；S4.获取脚踏的转速rpm、转速变化率a、助力电动自行车的前后倾斜角度β；S5.自适应电机力矩计算模块计算；S6.控制永磁同步变频电机输出。本发明通过上述设计，实现了电子结构力矩型控制模式，从而避免了机械结构力矩型控制模式易产生误差、易损坏等缺陷，提高了助力电动自行车的骑行体验。

Description

一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法
技术领域
本发明涉及车辆控制技术领域，尤其涉及一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法。
背景技术
目前市场上的高端助力电动自行车的控制模式以力矩型控制模式为主，该模式比速度型控制模式更加符合用户的骑行习惯。现有的力矩传感器是机械结构，需要承受用户踩踏，一旦超出应变力量范围就会损坏。另一方面，机械结构在使用中会产生机械形变，从而产生误差，影响力矩采集，而且机械结构的成本较高，不利于大规模推广。故需要对此做出改进。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的机械结构力矩型控制模式易产生误差、易损坏等缺陷，提供了新的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，包括转把、脚踏、控制器、永磁同步变频电机，所述控制器包括转把感应模块、车辆姿态传感模块、脚踏速度频率模块、自适应电机力矩计算模块、FOC电机控制模块，控制方法包括以下步骤：
S1.所述转把感应模块获取所述转把的转动角度γ；
S2.所述转把感应模块判断所述转动角度γ，若所述转动角度γ大于0°，则进入转把电驱模式跳转到步骤S3，若所述转动角度γ等于0°，则进入助力模式跳转到步骤S4；
S3.所述FOC电机控制模块根据所述转动角度γ的大小控制所述永磁同步变频电机输出，然后跳转到步骤S1；
S4.所述脚踏速度频率模块获取所述脚踏的转速rpm、转速变化率a，所述车辆姿态传感模块获取所述助力电动自行车的前后倾斜角度β，所述脚踏使所述助力电动自行车前进的转向的转速rpm取正值，所述脚踏反向转向的转速rpm取零值，所述助力电动自行车前倾时所述倾斜角度β取负值，所述助力电动自行车后倾时所述倾斜角度β取正值；
S5.所述自适应电机力矩计算模块计算sin(倾斜角度β)×助力电动自行车重量×重力系数+转速rpm×脚踏车速系数×车速阻力系数+转速变化率a×转速车速加速度系数×助力电动自行车重量，所述倾斜角度β的单位为°，所述助力电动自行车重量的单位为kg，所述重力系数的单位为N/kg，所述转速rpm的单位为r/min，所述脚踏车速系数的单位为(m×min)/(s×r)，所述车速阻力系数的单位为(s×N)/m，所述转速变化率a的单位为r/min2，所述转速车速加速度系数的单位为(m×min2)/(s2×r)；
S6.所述FOC电机控制模块根据所述自适应电机力矩计算模块的计算结果控制所述永磁同步变频电机输出，然后跳转到步骤S1。
转把用于控制永磁同步变频电机的输出，使电驱模式的操控更简便。脚踏用于人力踩踏传递动力，使助力电动自行车的人力骑行更简便，也为本发明提供了基础参数。控制器具备获取基础参数、计算助力大小、控制永磁同步变频电机的功能，使本发明通过电子结构实现力矩型控制模式，从而避免了机械结构力矩型控制模式的缺陷。永磁同步变频电机用于输出动力，使助力电动自行车提供助力更稳定。转把感应模块用于获取转把的转动角度γ。车辆姿态传感模块用于获取助力电动自行车的前后倾斜角度β。脚踏速度频率模块用于获取脚踏的转速rpm和转速变化率a。自适应电机力矩计算模块用于计算助力大小。FOC电机控制模块用于直接控制永磁同步变频电机的输出。步骤S1使转把感应模块获取转把的转动角度γ，为后续步骤中的模式判断提供基础参数。步骤S2用于模式判断，使用户转动转把就是电驱模式，不动转把就是助力模式，从而使助力电动自行车的骑行体验更佳，自动助力和手动电驱无缝衔接。步骤S3使转把控制永磁同步变频电机的输出，从而使电驱模式的操控更简便。步骤S4用于获取脚踏的转速rpm、转速变化率a和助力电动自行车的前后倾斜角度β，为后续步骤中的助力计算提供基础参数。步骤S5用于计算助力大小，使助力大小更合理，从而兼顾节能和助力输出，使助力电动自行车的骑行体验更佳。步骤S5中“sin(倾斜角度β)×助力电动自行车重量×重力系数”为助力电动自行车前后倾斜时重力在助力电动自行车前进或后退方向的分力，助力电动自行车前倾时为下坡，算式值为负值，即相应减小助力，助力电动自行车后倾时为上坡，算式值为正值，即相应增加助力。步骤S5中“转速rpm×脚踏车速系数×车速阻力系数”为助力电动自行车仅仅人力骑行时所受的阻力，即相对应的是消除该阻力的助力。步骤S5中“转速变化率a×转速车速加速度系数×助力电动自行车重量”为人力踩踏时间接作用于助力电动自行车且方向是前进方向的力，即相对应是用助力抵消人力踩踏所需的力，其中“转速变化率a×转速车速加速度系数”得到车速加速度，转速变化率a为正值，相应增加助力，转速变化率a为负值，相应减小助力。步骤S6使FOC电机控制模块控制永磁同步变频电机的输出，从而更高效提供助力，使助力电动自行车的骑行体验更佳。
本发明通过上述设计，实现了电子结构力矩型控制模式，从而避免了机械结构力矩型控制模式易产生误差、易损坏等缺陷，提高了助力电动自行车的骑行体验。
作为优选，上述所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，所述重力系数为9.8N/kg，所述脚踏车速系数为1.36(m×min)/(s×r)，所述转速车速加速度系数为0.56(m×min2)/(s2×r)。
通过上述设计，进一步提高了本发明的助力效果，使助力电动自行车的骑行体验更佳。
作为优选，上述所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，所述自适应电机力矩计算模块内设置有车速传感模块，所述车速传感模块获取所述助力电动自行车的车速v，当0km/h＜v≤10km/h时所述车速阻力系数为0.1(s×N)/m，当10km/h＜v≤25km/h时所述车速阻力系数为0.3(s×N)/m，当v＞25km/h时所述车速阻力系数为0.5(s×N)/m。
通过上述设计，进一步提高了本发明的助力效果，使助力电动自行车的骑行体验更佳。
作为优选，上述所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，所述车辆姿态传感模块为陀螺仪。
车辆姿态传感模块采用陀螺仪，兼顾了成本与传感精度，使助力电动自行车的适用性更好。
作为优选，上述所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，所述车辆姿态传感模块通过四元数算法获取所述助力电动自行车的前后倾斜角度β。
车辆姿态传感模块采用四元数算法，使前后倾斜角度β的获取速度更快、误差更低。
作为优选，上述所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，所述车辆姿态传感模块通过旋转矢量计算和姿态矩阵计算获取所述助力电动自行车的前后倾斜角度β。
车辆姿态传感模块采用旋转矢量计算和姿态矩阵计算，使前后倾斜角度β的获取速度更快、误差更低。
作为优选，上述所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，所述脚踏的中轴上设置有磁体，所述脚踏速度频率模块为霍尔元件。
通过上述设计，使助力电动自行车人力骑行时脚踏的中轴具备磁极变化，从而与霍尔元件适配，兼顾了成本与传感精度，使助力电动自行车的适用性更好。
作为优选，上述所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，所述脚踏速度频率模块通过采集磁极变化信号获取所述脚踏的转速rpm、转速变化率a。
通过上述设计，使脚踏速度频率模块通过霍尔元件采集磁极变化信号来获取脚踏的转速rpm和转速变化率a，兼顾了成本与传感精度，使助力电动自行车的适用性更好。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的模块图。
具体实施方式
下面结合附图1-2和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，但它们不是对本发明的限制：
实施例1
一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，包括转把1、脚踏4、控制器2、永磁同步变频电机3，所述控制器2包括转把感应模块21、车辆姿态传感模块22、脚踏速度频率模块23、自适应电机力矩计算模块24、FOC电机控制模块25，控制方法包括以下步骤：
S1.所述转把感应模块21获取所述转把1的转动角度γ；
S2.所述转把感应模块21判断所述转动角度γ，若所述转动角度γ大于0°，则进入转把电驱模式跳转到步骤S3，若所述转动角度γ等于0°，则进入助力模式跳转到步骤S4；
S3.所述FOC电机控制模块25根据所述转动角度γ的大小控制所述永磁同步变频电机3输出，然后跳转到步骤S1；
S4.所述脚踏速度频率模块23获取所述脚踏4的转速rpm、转速变化率a，所述车辆姿态传感模块22获取所述助力电动自行车的前后倾斜角度β，所述脚踏4使所述助力电动自行车前进的转向的转速rpm取正值，所述脚踏4反向转向的转速rpm取零值，所述助力电动自行车前倾时所述倾斜角度β取负值，所述助力电动自行车后倾时所述倾斜角度β取正值；
S5.所述自适应电机力矩计算模块24计算sin(倾斜角度β)×助力电动自行车重量×重力系数+转速rpm×脚踏车速系数×车速阻力系数+转速变化率a×转速车速加速度系数×助力电动自行车重量，所述倾斜角度β的单位为°，所述助力电动自行车重量的单位为kg，所述重力系数的单位为N/kg，所述转速rpm的单位为r/min，所述脚踏车速系数的单位为(m×min)/(s×r)，所述车速阻力系数的单位为(s×N)/m，所述转速变化率a的单位为r/min2，所述转速车速加速度系数的单位为(m×min2)/(s2×r)；
S6.所述FOC电机控制模块25根据所述自适应电机力矩计算模块24的计算结果控制所述永磁同步变频电机3输出，然后跳转到步骤S1。
作为优选，所述重力系数为9.8N/kg，所述脚踏车速系数为1.36(m×min)/(s×r)，所述转速车速加速度系数为0.56(m×min2)/(s2×r)。
作为优选，所述自适应电机力矩计算模块24内设置有车速传感模块，所述车速传感模块获取所述助力电动自行车的车速v，当0km/h＜v≤10km/h时所述车速阻力系数为0.1(s×N)/m，当10km/h＜v≤25km/h时所述车速阻力系数为0.3(s×N)/m，当v＞25km/h时所述车速阻力系数为0.5(s×N)/m。
作为优选，所述车辆姿态传感模块22为陀螺仪。
作为优选，所述车辆姿态传感模块22通过四元数算法获取所述助力电动自行车的前后倾斜角度β。
作为优选，所述车辆姿态传感模块22通过旋转矢量计算和姿态矩阵计算获取所述助力电动自行车的前后倾斜角度β。
作为优选，所述脚踏4的中轴上设置有磁体，所述脚踏速度频率模块23为霍尔元件。
作为优选，所述脚踏速度频率模块23通过采集磁极变化信号获取所述脚踏4的转速rpm、转速变化率a。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利的范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，包括转把(1)、脚踏(4)、控制器(2)、永磁同步变频电机(3)，其特征在于：所述控制器(2)包括转把感应模块(21)、车辆姿态传感模块(22)、脚踏速度频率模块(23)、自适应电机力矩计算模块(24)、FOC电机控制模块(25)，控制方法包括以下步骤：
S1.所述转把感应模块(21)获取所述转把(1)的转动角度γ；
S2.所述转把感应模块(21)判断所述转动角度γ，若所述转动角度γ大于0°，则进入转把电驱模式跳转到步骤S3，若所述转动角度γ等于0°，则进入助力模式跳转到步骤S4；
S3.所述FOC电机控制模块(25)根据所述转动角度γ的大小控制所述永磁同步变频电机(3)输出，然后跳转到步骤S1；
S4.所述脚踏速度频率模块(23)获取所述脚踏(4)的转速rpm、转速变化率a，所述车辆姿态传感模块(22)获取所述助力电动自行车的前后倾斜角度β，所述脚踏(4)使所述助力电动自行车前进的转向的转速rpm取正值，所述脚踏(4)反向转向的转速rpm取零值，所述助力电动自行车前倾时所述倾斜角度β取负值，所述助力电动自行车后倾时所述倾斜角度β取正值；
S5.所述自适应电机力矩计算模块(24)计算sin(倾斜角度β)×助力电动自行车重量×重力系数+转速rpm×脚踏车速系数×车速阻力系数+转速变化率a×转速车速加速度系数×助力电动自行车重量，所述倾斜角度β的单位为°，所述助力电动自行车重量的单位为kg，所述重力系数的单位为N/kg，所述转速rpm的单位为r/min，所述脚踏车速系数的单位为(m×min)/(s×r)，所述车速阻力系数的单位为(s×N)/m，所述转速变化率a的单位为r/min2，所述转速车速加速度系数的单位为(m×min2)/(s2×r)；
S6.所述FOC电机控制模块(25)根据所述自适应电机力矩计算模块(24)的计算结果控制所述永磁同步变频电机(3)输出，然后跳转到步骤S1。
2.根据权利要求1所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，其特征在于：所述重力系数为9.8N/kg，所述脚踏车速系数为1.36(m×min)/(s×r)，所述转速车速加速度系数为0.56(m×min2)/(s2×r)。
3.根据权利要求1所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，其特征在于：所述自适应电机力矩计算模块(24)内设置有车速传感模块，所述车速传感模块获取所述助力电动自行车的车速v，当0km/h＜v≤10km/h时所述车速阻力系数为0.1(s×N)/m，当10km/h＜v≤25km/h时所述车速阻力系数为0.3(s×N)/m，当v＞25km/h时所述车速阻力系数为0.5(s×N)/m。
4.根据权利要求1所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，其特征在于：所述车辆姿态传感模块(22)为陀螺仪。
5.根据权利要求4所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，其特征在于：所述车辆姿态传感模块(22)通过四元数算法获取所述助力电动自行车的前后倾斜角度β。
6.根据权利要求4所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，其特征在于：所述车辆姿态传感模块(22)通过旋转矢量计算和姿态矩阵计算获取所述助力电动自行车的前后倾斜角度β。
7.根据权利要求1所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，其特征在于：所述脚踏(4)的中轴上设置有磁体，所述脚踏速度频率模块(23)为霍尔元件。
8.根据权利要求7所述的一种助力电动自行车姿态速度力矩控制方法，其特征在于：所述脚踏速度频率模块(23)通过采集磁极变化信号获取所述脚踏(4)的转速rpm、转速变化率a。
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