CN2256849Y - 智能型电助动自行车 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电助动自行车的结构设计领域，本实用新型包括车把、车座、车架、中轴及脚蹬、前、后两个车轮以及车链，其特征在于所说的两个车轮中的一个为装有电动轮毂的动力轮，还包括测力、测速装置及对电动力大小进行自动控制的微机控制单元。本实用新型传动效率高、节能，重量轻、结构简洁，能根据人的脚蹬力大小，骑行速度对电力进行自动调整，达到既锻炼身体又保证安全之目的。

Description

智能型电助动自行车

本实用新型涉及电助动自行车的结构设计领域，特别涉及采用微型计算机对电力大小进行自动控制的自行车。

电助动自行车以其省力、节能、无污染、轻便的显著优点受到使用者的好评，同时又进一步促进了产品不断改良、完善。本申请人于90年向中国专利局提出一种“双驱动动力轮毂式电助自行车”的发明专利(90109892.2)，并于93，3，12获得专利权，该专利公布了一种用带齿轮传动电动轮毂的电动车轮，代替普通自行车车轮，具有电机效率高、重量轻、可因路面、风向等条件的不同自由选择单轮或双轮驱动等等但这种电动自行车只能人工切换，采用单轮或双轮电驱动或是完全人力驱动。不能根据人力的大小对电力进行调整、控制。因此不能使骑车者始终保持用力适度，并控制电力使车速保持在安全标准范围之内。

本实用新型的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种智能型的电助动自行车的技术方案，不但保持了采用电动轮毂自行车的传动效率高、节能，重量轻、结构简洁的优点，而且进一步能根据人的脚蹬力大小，骑行速度对电力进行自动调整，使骑车者不但能始终保持用力适度，也可在车速高时加大人力，减少电力，达到既锻炼身体又保证安全之目的。

本实用新型提出一种智能型电助动自行车，包括车把、车座、车架、中轴及脚蹬、前、后两个车轮以及车链，其特征在于所说的两个车轮中的一个为装有电动轮毂的动力轮，还包括测力、测速装置及对电动力大小进行自动控制的微机控制单元。

本实用新型测速装置包括偏心轴套筒及与之连为一体的摆杆，靠近该摆杆端部的位移传感器，与所说套筒同轴安装的速度盘及测速传感器。所说的微机控制单元包括单片机和与其相连的速度信号检测单元，人力信号检测单元，电力信号检测单元以及所说单片机输出的控制信号进行放大后去控制轮毂电机功率的功率放大电路。

本实用新型上述的的测力、测速单元可安装在中轴上，电动轮毂可安装在前轮或后轮上。测力、测速单元也可安装在后轮轮轴上，在这种方案中电动轮毂则安装在前轮上。

本实用新型的工作过程如下：骑行自行车时，当脚蹬受力后，脚蹬和链条张紧力的合力通过中轴或后轮轴作用于偏心轴套筒，该偏心套筒由于偏心作用而产生微小转动，与偏心套联接在一起的摆杆将产生一个放大的位移，此位移与脚蹬力成比例，位移传感器测量出该位移的大小，从而测出人力的大小，此信号由人力信号检测单元接收输入计算机；另外当骑行自行车时，与偏心轴套筒安装一起的速度盘也随中轴或后轮轴转动而转动，速度传感器可接收到速度盘的转动信号，并送速度信号检测单元，根据自行车传动关系就可测量出车速，此信号也输入计算机；电力信号检测单元是根据永磁直流电机的特性，电机输出电力的大小可以通过电枢电流的大小来反映，通过检测电机电枢电流来探测输出电力的大小，单片机根据人力信号速度信号电力信号以及预先设定的电力支持的大小，输出一控制信号，经功率放大电路放大后控制电机电力的输出。从而实现了根据人力、车速的大小，电力进行自动补偿。

为了进一步节能，本实用新型的微机控制单元还包括一工作状态切换控制电路，即微机控制单元设置了一种非工作状态即“休眠状态”，“休眠状态”与“工作状态”之间可以自动切换。骑行自行车时，进入工作状态，微机工作，不骑行时自动进入“休眠状态”使微机控制单元的工作电流降至最小。

本实用新型车体为普通自行车，电池可以选用铅酸免维护电池，也可采用镍镉电池和其他种类电池。

本实用新型具有以下特点：

第一、可以人力和电力同时驱动、骑行省力。人力通过脚蹬和链传动方式驱动自行车。骑行过程中，传感***检测到脚蹬上蹬踏力的大小和速度两个信号，输入微型计算机，微型计算机根据输入的信号控制电动轮毂内电机输出驱动力，以支持人力驱动。

第二、电力输出与人力成比例。速度在0-15km/h范围内，电力与人力始终保持一定比例车速在15-24km/h范围内，随车速的增加，  电力在驱动力中所占比例由逐渐减小至0，符合自行车的安全要求。

第三、结构简洁、轻便。

第四、传动效率高，节约能源。

第五、无污染。

附图简要说明：

图1为本实用新型实施例总体结构示意图。

图2为本实施例电动轮毂结构示意图。

图3为本实施例测力测速装置示意图。

图4为本实施例微机控制单元电路原理图。

图5为本实施例微机控制程序框图。

本实用新型设计出一种智能型电助动自行车实施例，如图1-图5所示，结合各附图详细描述如下。本实施例的总体结构如图1所示，包括车把1，车座2，车架3，中轴4，脚蹬5，前轮6及车链7，上述各部分均与普通自行车的构造一样，可采用已有自行车的各种式样，其特点是后车轮8轮轴安装一电动轮毂81，中轴上安装有测力、测速装置9，车座下的后车架上安装有微机控制单10和电池11。

本实施例的电动轮毂采用本申请人的专利(90109892.2)，其结构如图2所示。

轮毂内盘状电机21，通过齿轮22、23、24、25降速后传动到轮毂29，带动车轮转动、电机、齿轮等传动部件安装在左、右半壳体27、28内，左右壳体27、28则通过左、右半轴210、211，固定在车架前叉或后叉上。图中的26是单向离合器，212是轴承、213是飞轮。当有电力驱动时，电机通过齿轮传动(齿轮25与其内部的单向离合器26锁合)，由离合器26的芯座带动轮毂29转动。当只有人力驱动时，电机无转动，脚蹬经链传动通过飞轮13带动轮毂29转动，从而驱动车轮，此时离合器26使电机及齿轮传动***与轮毂29完全脱开，以免电机和齿轮的转动引起阻力。当人力和电力同时驱动时，电机的转动使齿轮25与离合器26锁合，运动和动力可传至轮毂29上，它们将共同作为动力驱动车轮。

本实施例的测力测速装置结构如图3所示。

当脚蹬受力后，脚蹬和链条张紧力的合力通过中轴31作用于偏心套筒32，偏心套32将由于偏心作用而产生微小转动，与偏心套32联接在一起的摆杆33将产生一个放大了的位移，此位移与脚蹬力成比例，利用安装在摆杆33附近的位移传感器34测量该位移的大小，从而测出人力。图中弹簧37的作用是脚蹬不受力时，使摆杆33恢复至最低位置。位移传感器34可选用线性霍尔传感器如UGN3501、UGN3503等，这样可简化信号处理的硬件电路。

脚蹬受力时，摆杆33的右端部产生位移，位移的大小影响传感器34输出电压的大小，微型计算机测量传感器34上的电就可探测出人力的大小。

在图3中，速度盘36可随中轴一起转动，其上装有数个磁性物质，骑行自行车时，速度盘随中轴转动，其上的各个磁性物质相继地接近和离开测速传感器35，传感器35就相应地产生成串的脉冲信号，该脉冲系列送给微型计算机，计算机根据脉冲周期及自行车传动关系就可测算出车速。本实施例测速传感器可选用干簧管、开关霍尔传感器，也可采用光电方式及其它方式测速。

本实施例的微机控制单组成及电路原理如图4所示。

本单元由单片机I、人力信号接口电路II、电力信号接口电路III、速度信号接口电路IV、功率放大电路V、保护电路VI、电源电路VII和工作状态控制电路VIII八部分组成。如图中虚线框所示，各部分组成及功能分别描述如下：

微型计算机单I

此单元仅由一片集成电路一单片微型计算机和极少的***电路(复位电路R1、D1、C1和振荡电路的石英晶体XTAL，电容C2、C3)组成，单片机可以采用Motorola的MC68HC05P6或MC68HC05P9，Microchip的PIC16C71，PIC16C73及日本Hitachi的HD404394等型号，它们都具有不需为扩存储器，不需外扩A/D转换电路，体积小、功耗低等特点。

人力信号接口电路II

如前所述，人力信号的检测是通过中轴机构，把脚蹬上蹬踏力的大小转化为位移，再由传感器将该位移转化为电压。它的功能是：计算出传感器在人力作用下输出电压的变化量，经放大后送给微型计算机。骑车人施加给自行车的作用力通过中轴传感***转化为位移的大小，利用线性霍尔传感器—人力传感器检测位移的变化，将位移的变化转化为电压的变化。由电阻R5-R13，电容C6，运算放大器A1、A2、A3、A4组成的电路接收霍尔传感器的输出电压，计算出变化量，并放大到适当的值后，送给微型计算机的A/D通道AN0。图中的运算放大器A1-A4为通用运算放大器，可采用LM324，LM358及其它可代换型号的芯片。

电力信号接口电路III

电机输出电力的大小可通过枢电流的大小反映，串联在电枢回路中的电阻R14可将电流的大小转化为电压大小。R15-R21，C7，A5，A6组成的接口电路将该电压滤波放大后送至微型计算机的A/D通道AN2。运算放大器A5、A6可选用LM358及其代换型号的芯片。

速度信号接口电路IV速度传感器采用的是磁控开关，当磁性物质接近开关时，磁场加强，开关接通，磁性物质离开时，磁场变弱，开关断开，连续地接通和断开，就形成了脉冲系列。由集电极开路输出的比较器CMP3把反映速度信号的脉冲系列调整到合适的幅值后，送给微型计算机。速度信号的接口电路由R4、R29、R30及比较器CMP3组成，速度传感器(干簧管)安装在自行车中轴上。当骑行者蹬踏自行车时，速度传感器一干簧管将产生闭合、断开的连续动作，R30上的电压也将不停地变化，比较器CMP3将R30上的电压转化为幅值为5V的规则脉冲信号送给微型计算机的PC1。比较器CMP3可选LM339，LM393及其相应代换型号的芯片。

功率放大电路V

由R26、T2、T3、R27、DW、T4及C8、D2、D3组成。微型计算机从TCMP端口输出脉冲控制信号，控制脉冲经T2、T3、R26组成的推换放大电路放大后，驱动大功率的VDMOS晶体管快速地开通或截止，从而控制电机电力的输出；D2是T4截止时电机的泄流通路；R28、D3、C8组成吸收网络，吸收T4截止时电机线圈产生的反电势，可有效的保护VDMOS的漏极不被击穿：R27和DW限制VDMOS控制极上的电压并防止电荷积累，可有效地防止VDMOS控制极击穿。电机驱动电路一功率放大器的效率也是影响助动自行车用电效率的一个重要因素。功率放大器有如下特点：

(1)采用PWM控制方式

在这种工作方式下，功率晶体管工作在开关状态。当功率晶体管全导通时，尽管其中流过的电流会很大，但其上压降很小，这时晶体管的功耗不大；当晶体管截止时，其中漏电流极小，尽管会有很高的压降，但功耗P＝UI仍是极小的。

(2)选用导道电阻极小的低压大电流型VDMOS功率晶体管

这种晶体管截止时漏电流极小，功耗也就极小；当电完全导通时，由于导通电阻非常小，其上的压降也就很小。例如导通电阻为Rd＝0.018Ω，在24V电源下工作，工作电流I＝10A，此时功率放大器的效率约为99.25％。

(3)高效率驱动电路

功率晶体管在PWM工作方式下，全导通和完全截止时功耗很小，但在其开通过程或关断过程中会有较大功耗，因此，驱动电路使功率晶体管快速地开通和快速地截止，也是保证功率放大电路高效率的重要措施。

保护电路VI

由R22-R25及比较器CMP1、CMP2组成。当电池电压过低时，CMP1输出低电平，关断功放电路的控制脉冲，禁止电池继续放电起到保护电池的作用；当电机电流超过设定值时，CMP2输出低电压，关断VDMOS晶体管T4，达到过载保护的目的。

电源电路VII

由两个LM317及R01-R04，L1，C01，C02组成，输出+5V和+12V稳定电压，作为计算机电路电源和功率放电电路的电源。

工作状态控制电路VIII

由于选用前述的单片微型计算机，可使微型计算机控制***的工作电流在30mA以内，但是，当助动自行车不工作时，这20-30mA的电流长时间给电池放电，不但浪费电能，而且还会对电池造成极大的损害。因此，微型计算机控制***还设置了一种非工作状态-“休眠状态”、“休眠状态”与“工作状态”之间可以自动切换。骑行自行车时，进入工作状态，微机工作；不再骑行时，自动进入”休眠状态“，使微型机控制***的工作电流降至最小。

在工作状态下，整个控制电路都有电源供应，当不骑自行车时，进入休眠状态，切断功率放大电路和计算机电路的电源，进一步节约电能和保护电池。切换电路由速度传感器一干簧管与R29-R37，CMP4-CMP7和T1组成。当人不断地蹬踏自行车时，R30上电压不停地变化，C9上的电压将保持在VA与VB之间，使得CMP4，CMP5输出高电平，CMP6输出低电压，T1导通，为控制电路提供电源；否则，R30上电压不再变化，C9上电压大于VA或小于VB，使CMP4或CMP5输出低电平，CMP6输出高电平，关断T1，切断控制电路电源。

本实施例设定：车速小于15km/h时，电力与人力的比例为1∶1；车速在15-24km/h区间，随车速增加，电力在总驱动力中所占比例将由50％逐渐降至0；车速高于24km/h时，不允许有电力驱动。要实现这种配合关系，可以测出人力的驱动力，并根据车速进行调整(修正)，送给微型计算机，作为给定量，计算机输出电机驱动信号，并测量电力输出的大小，由计算机软件进行电力的反馈控制，实现电力与人力关系的配合关系。微机控制程序流程如图5所示。由于人力与电力的配合是控功率匹配进行控制的，故需进行功率计算，而电功率由改变脉冲占空比来进行控制，车速在15km/h＜V＜24km/h区间，驱动力中电力所占比例将随车速增高而减小，故在此区间给人力驱动功率乘了一个系数β，且 $\mathrm{\β}=\frac{24-V}{9}.$ 在反馈控制过程中，人力驱动功率作为给定量，电驱动功率Pt是输出量。这是一个输出反馈控制的过程。

Claims (4)

1、一种智能型电助动自行车，包括车把、车座、车架、中轴及脚蹬、前、后两个车轮以及车链，其特征在于所说的两个车轮中的一个为装有电动轮毂的动力轮，还包括测力、测速装置及对电动力大小进行自动控制的微机控制单元。

2、如权利要求1所述的电助动自行车，其特征在于所说的测力、测速单元包括偏心轴套筒及与之连为一体的摆杆，靠近该摆杆端部的位移传感器，与所说套筒同轴安装的速度盘及测速传感器。

3、如权利要求1所述的电助动自行车，其特征在于所说的微机控制单元包括单片机和与其相连的速度信号检测单元，人力信号检测单示，电力信号检测单元以及所说单片机输出的控制信号进行放大后去控制轮毂电机功率的功率放大电路。

4、如权利要求1所述的电助动自行车，其特征在于所说的微机控制单元还包括微机工作状态自动切换单元。

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