專利名稱：健身電動(dòng)自行車控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電動(dòng)自行車類，具體是一種健身電動(dòng)自行車控制器裝置。
背景技術(shù)：
目前電動(dòng)自行車只是作為交通工具使用，沒(méi)有健身功能。發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是充分利用電動(dòng)自行車現(xiàn)有資源，使電動(dòng)自行車即可以作為交通工具也可以作為健身工具。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下-
一種電動(dòng)自行車控制器裝置，由電機(jī)l輸出線、電池4電源線、剎車輸入5、調(diào)速手柄輸入6、單片機(jī)7、騎行和健身功能選擇輸入8、工作狀態(tài)輸出9、外部信號(hào)輸入10、驅(qū)動(dòng)電路11、電流反饋電路12、功率開(kāi)關(guān)電路13、電源管理電路14和電機(jī)Hall輸入15構(gòu)成。單片機(jī)7通過(guò)端口分別與電機(jī)Hall輸入15、剎車輸入5、調(diào)速手柄輸入6、騎行和健身功能選擇8、工作狀態(tài)輸出9、外部信號(hào)輸入10、驅(qū)動(dòng)電路11和電流反饋電路12順序相連接，電源管理電路14直接和電池4電源線連接，分別向電機(jī)Hall輸入15、調(diào)速手柄輸入6、單片機(jī)7、驅(qū)動(dòng)電路11和電流反饋電路12提供穩(wěn)壓電源，功率開(kāi)關(guān)電路13分別與電池4電源線、電機(jī)l三相線、電流反饋電路12和驅(qū)動(dòng)電路11順序相連接，外部信號(hào)輸入10分別包括1:1助力輸入、三檔變速輸入、EABS輸入、巡航入電路。其特征在于單片機(jī)7在上電時(shí)通過(guò)騎行和健身功能選擇輸入8，決定控制器工作在騎行或者健身狀態(tài)，如果為騎行狀態(tài)控制器使用圖5邏輯驅(qū)動(dòng)使電機(jī)行駛，如果控制器工作在健身狀態(tài)使用圖6或者圖7的邏輯驅(qū)動(dòng)使電機(jī)進(jìn)入阻力發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)單片機(jī)7的端口輸入電機(jī)1的負(fù)載控制信號(hào)和輸出控制器的顯示信息，單片機(jī)7輸出三相控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路11到功率開(kāi)關(guān)電路13控制電機(jī)1的負(fù)載力矩，電機(jī)1的負(fù)載通過(guò)電動(dòng)車的鏈條傳動(dòng)到踏板2轉(zhuǎn)換為阻力力矩，使用戶在架起電動(dòng)車輪后腳踏踏板2即可健身。
控制器在健身狀態(tài)時(shí)，控制電機(jī)1為阻力發(fā)電狀態(tài)，單片機(jī)7通過(guò)端口控制功率開(kāi)關(guān)電路13使電機(jī)1所發(fā)電能泵升壓后向電池4充電，且踏板2的阻力力矩可以通過(guò)電機(jī)1的三相下橋PWM的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)，包括下述步驟
(1) 單片機(jī)7通過(guò)剎車和手柄或者串口通訊輸入電機(jī)1的負(fù)載信息，單片機(jī)7將該信息轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的PWM比較值，該值即為圖6和圖7的"PWM";
(2) 單片機(jī)7通過(guò)端口輸出三相控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路11到功率開(kāi)關(guān)電路13控制所有上半橋功率管Q1、 Q3、 Q5關(guān)閉、下半橋按照?qǐng)D6或者圖7的邏輯驅(qū)動(dòng)Q0、 Q2、 Q4導(dǎo)通和
關(guān)閉；
(3) 電機(jī)1在外力踏板2的傳動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)1的三相繞組線圈將產(chǎn)生三相感應(yīng)電壓，該電壓在下半橋QO、 Q2、 Q4的PWM導(dǎo)通時(shí)間里轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的三相電流，在下半橋QO、 Q2、Q4的PWM關(guān)閉時(shí)，由于電機(jī)l三相繞組線圈的電流不能突變將產(chǎn)生泵升電壓，此電壓在高于電池4電壓時(shí)形成充電電流，對(duì)電池4充電；
(4) 電機(jī)1在某一固定轉(zhuǎn)速時(shí)三相下半橋Q0、 Q2、 Q4的PWM導(dǎo)通時(shí)間決定短路電流的絕對(duì)值，該短路電流絕對(duì)值決定電機(jī)1的負(fù)載力矩，電機(jī)1的負(fù)載通過(guò)電動(dòng)車的鏈條傳動(dòng)到踏板2轉(zhuǎn)換為阻力力矩；
(5) 單片機(jī)7通過(guò)端口輸出控制器的顯示信息到工作狀態(tài)輸出9。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是-按照踏板電動(dòng)自行車的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出具有踏板2負(fù)載力矩可以調(diào)節(jié)，又可以向電池4充電的健身電動(dòng)車控制器，使最小的投入得到最大的收益。

圖1為健身電動(dòng)車的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為健身電動(dòng)車控制器的功能示意圖
圖3為電機(jī)1的原理示意圖
圖4為功率開(kāi)關(guān)電路13的原理示意圖。
圖5為控制器在行駛狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)7的電機(jī)Hall輸入15與三相控制輸出邏輯表。
圖6為控制器工作在健身狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)7的電機(jī)Hall輸入15與三相控制輸出邏輯表，
其中三相下橋全為同步PWM導(dǎo)通和關(guān)閉。
圖7為控制器工作在健身狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)7的電機(jī)Hall輸入15與三相控制輸出邏輯表，
其中三相下橋中有兩相為同步PWM導(dǎo)通和關(guān)閉，另一相為常通。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步詳述。
圖3為電動(dòng)車電機(jī)1的原理示意圖，電機(jī)1為三相永磁同歩電機(jī)，在輸入三相電源時(shí)可為電機(jī)使用，也可在外力驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)作為發(fā)電機(jī)使用，檢測(cè)電機(jī)相位的三個(gè)Hall元件安裝在電機(jī)內(nèi)，單片機(jī)7通過(guò)端口輸入三個(gè)Hall的邏輯組合和輸出二相信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路11到功率開(kāi)關(guān)管13控制電機(jī)1運(yùn)行。圖5為控制器行駛狀態(tài)時(shí)單片機(jī)7的電機(jī)Hall輸入15與三相控制輸出的對(duì)照表，根據(jù)電機(jī)Hall輸入15的組合狀態(tài)可分為60度相位和120度相位驅(qū)動(dòng)，圖5中電機(jī)HalI輸入15由HA、 HB、 HC三位邏輯組成，'1，和'0'分別代表邏輯高和低；三相上橋控制輸出Ql、 Q3、 Q5對(duì)應(yīng)的'l'和'0'分別代表單片機(jī)7的端口輸出控制相應(yīng)功率管的導(dǎo)通和關(guān)閉；三相下橋控制輸出Q0、 Q2、 Q4對(duì)應(yīng)的'1'和'0'分別代表單片機(jī)7的端口輸出控制相應(yīng)功率管的導(dǎo)通和關(guān)閉。控制器工作在健身狀態(tài)時(shí)使用圖6或者圖7的驅(qū)動(dòng)邏輯，圖6和圖7表屮的"PWM"代表同步PWM脈沖控制對(duì)應(yīng)的Q0、 Q2、 Q4導(dǎo)通和關(guān)閉，'0'代表對(duì)應(yīng)的Q1、 Q3、 Q5的常閉，'l，代表對(duì)應(yīng)的Q0、 Q2、 Q4常通；
如圖2所示，本電動(dòng)車控制器由電機(jī)1輸出線、電池4電源線、剎車輸入5、調(diào)速手柄輸入6、單片機(jī)7、騎行和健身功能選擇輸入8、工作狀態(tài)輸出9、外部信號(hào)輸入IO、驅(qū)動(dòng)電路11、電流反饋電路12、功率開(kāi)關(guān)電路13、電源管理電路14和電機(jī)Hall輸入15構(gòu)成。單片機(jī)7通過(guò)端口分別與電機(jī)Hall輸入15、剎車輸入5、調(diào)速手柄輸入6、騎行和健身功能選擇8、工作狀態(tài)輸出9、外部信號(hào)輸入10、驅(qū)動(dòng)電路11和電流反饋電路12順序相連接，電源管理電路14直接和電池4電源線連接，分別向電機(jī)Hall輸入15、調(diào)速手柄輸入6、單片機(jī)7、驅(qū)動(dòng)電路ll和電流反饋電路12提供穩(wěn)壓屯源，功率開(kāi)關(guān)電路13分別與電池4電源線、電機(jī)l三相線、電流反饋電路12和驅(qū)動(dòng)電路11順序相連接，外部信號(hào)輸入IO分別包括1:1助力輸入、三檔變速輸入、EABS輸入、巡航入電路。在本實(shí)施例中使用CY8C24423A單片機(jī)，在該芯片上電時(shí)檢測(cè)騎行和健身功能選擇8端口為高電平時(shí)，控制器使用圖5所示驅(qū)動(dòng)邏輯表，電動(dòng)車進(jìn)入正常行駛狀態(tài)。調(diào)速手柄輸入6為電機(jī)速度控制、剎車輸入5有效時(shí)控制器停lh輸出。在本實(shí)施例中工作狀態(tài)輸出9為單片機(jī)7端口直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED指示燈，在健身狀態(tài)時(shí)該LED指示燈點(diǎn)亮，在正常行駛狀態(tài)時(shí)該LED指示燈熄滅。
在本實(shí)施例中控制器進(jìn)入健身狀態(tài)后，使用圖6所示驅(qū)動(dòng)邏輯表，剎車輸入5和調(diào)速手柄輸入6作為單片機(jī)7的輸入端口，輸入電機(jī)1的負(fù)載控制信息。在本實(shí)施例中單片機(jī)7使用8位的PWM模塊，周期值為0XFF對(duì)應(yīng)的周期時(shí)間為64uS， PWM最小導(dǎo)通時(shí)間為48uS、關(guān)斷時(shí)間為16uS，對(duì)應(yīng)的PWM比較值為OXBF，此時(shí)電機(jī)1的負(fù)載力矩最??；最大導(dǎo)通時(shí)間為64uS、關(guān)斷時(shí)間為OuS對(duì)應(yīng)的PWM比較值為0XFF，此吋電機(jī)1的負(fù)載力矩最大，電機(jī)1的施例中調(diào)速手柄輸入6經(jīng)單片機(jī) 7的數(shù)模轉(zhuǎn)換再運(yùn)算后的取值為手柄自然歸零時(shí)OXOO、旋轉(zhuǎn)到最大時(shí)OXFF。在本實(shí)施例中 控制器在健身狀態(tài)下的實(shí)施步驟如下-
(1) 剎車輸入5作為單片機(jī)7的電機(jī)1負(fù)載輸入觸發(fā)信號(hào)，在大于50mS的穩(wěn)定低電平 后的上升沿有效。單片機(jī)7在檢測(cè)到該端口有效低電平后狀態(tài)工作輸出指示LED燈熄滅、再 檢測(cè)到高電平時(shí)點(diǎn)亮，用以指示剎車信號(hào)已輸入；
(2) 在剎車輸入5有效上升沿時(shí)單片機(jī)7同時(shí)讀取調(diào)速手柄輸入6的數(shù)模轉(zhuǎn)換值，該 值經(jīng)單片機(jī)7運(yùn)算后大于0X30時(shí)電機(jī)1三相負(fù)載PWM比較值加一，該值小于或者等于0X30 時(shí)電機(jī)1三相負(fù)載PWM比較值減一，同時(shí)當(dāng)PWM的比較值減到0XBF時(shí)不在減一、當(dāng)PWM 的比較值加到0XFF時(shí)不在加一；
(3)單片機(jī)7在進(jìn)入健身狀態(tài)后使用默認(rèn)中間PWM比較值0XDF，當(dāng)有最新的PWM 比較值輸入時(shí)再刷新該值經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路11到功率開(kāi)關(guān)管13控制下橋功率開(kāi)關(guān)管Q0、 Q2、 Q4 的導(dǎo)通和關(guān)閉，改變Q0、 Q2、 Q4的PWM導(dǎo)通時(shí)間就可以調(diào)整電機(jī)1的負(fù)載力矩，最終改變 踏板2的阻力力矩。
下面就本實(shí)施例對(duì)電機(jī)1的負(fù)載調(diào)整原理簡(jiǎn)要說(shuō)明如下
直流電機(jī)的基本方程式為-
端電壓 U=E+IaRa 反電勢(shì) E=KiNCp
轉(zhuǎn)矩M = K2IaO) 磁通 cp=K3If
總的機(jī)械功率 P=MN=EIa
式中Ia、 If分別為電樞和磁場(chǎng)電流； Ra為電樞電阻；
N為電樞與電機(jī)轉(zhuǎn)子的相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度(md/s); Ki、 K3為比例常數(shù)。
如圖3所示，電機(jī)1的三個(gè)線圈A、 B、 C是三個(gè)結(jié)構(gòu)上完全相同，排列在圓周上的位置 彼此差2n/3的角度。在外力驅(qū)動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)下變?yōu)槿嘟涣靼l(fā)電機(jī)三相電壓分別為如下-V = E x7i
Ga (t) = VCOSwt
Gb (t) = VCOS Ot-2n/3)
Gc (t) = VCOS (wt + 2n/3)
從以上三相電壓公式可以看出電機(jī)1的三相電壓與電機(jī)1的轉(zhuǎn)速成正比。
已知電機(jī)1的三個(gè)繞組電壓，則三個(gè)繞組線圈電流分別如下式中R為電機(jī)l繞組線圈的內(nèi)阻值 L為電機(jī)l繞組線圈的電感量 t為下橋PWM的導(dǎo)通時(shí)間
參考圖4和上面的三相電壓、電流和電機(jī)基本公式列舉電機(jī)1繞組線圈的電流流動(dòng)方向， 僅歹U舉"=180度時(shí)如下(其它角度與此分析原理相同)
Ca = —V; Cb = 0.5V; Cc= 0.5V;
電流由a今A今Y今B今b+GND+a和a今A》Y+C今c+GND今a兩個(gè)電流回路組成，三相 電流方向與三相電壓同相，在QO、 Q2、 Q4的同步PWM導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，三相電流大小與三相電 壓成正比，三相電壓與電機(jī)1轉(zhuǎn)速成正比。在相同的電機(jī)1轉(zhuǎn)速下，三相電流的值由QO、 Q2、 Q4的PWM導(dǎo)通時(shí)間t決定，t的時(shí)間長(zhǎng)電機(jī)1繞組線圈電流Ia大、電機(jī)1的力矩M大；反 之t的時(shí)間短電機(jī)1繞組線圈電流Ia小、電機(jī)1的力矩M小，在本實(shí)施例中t等于單片機(jī)7 的PWM比較值，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM的比較值即達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)1的負(fù)載力矩，從而達(dá)到控制與電 機(jī)1聯(lián)動(dòng)的踏板2的阻力力矩的目的。
在下橋QO、 Q2、 Q4的PWM關(guān)閉時(shí)，電機(jī)l的三個(gè)繞組線圈的電流不能突然歸零，將自 動(dòng)產(chǎn)生泵升電壓，電壓達(dá)到電池的充電電壓后，將三個(gè)繞組線圈存儲(chǔ)的能量向電池4充電。在 泵升電壓的過(guò)程中三個(gè)繞組線圈電流方向與QO、 Q2、 Q4的PWM導(dǎo)通時(shí)的電流方向相同，下
面僅列舉"=180度時(shí)的兩路電流如下〔其它角度與此分析原理相同)
A》a+Ql的寄生二極管》電池的正極^GND(地)^Q2的寄生二極管^b^B+Y今A A》a+Ql的寄生二極管^電池的iH極^GND(地)^Q4的寄生二極管+c^C+Y+A
將電機(jī)1的三相繞組線圈所存儲(chǔ)的能量泵升后向電池4充電。
通過(guò)上述步驟即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)7的電機(jī)1負(fù)載信號(hào)輸入、電機(jī)1負(fù)載力矩控制、踏板2的 阻力力矩控制、對(duì)電池4充電和顯示控制器的工作狀態(tài)的H的。
需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說(shuō)明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明并不限于具體實(shí)施方式
所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案得出的其他實(shí)施方 式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求1、一種健身電動(dòng)自行車控制器，其特征在于由電機(jī)(1)輸出線、電池(4)電源線、剎車輸入(5)、調(diào)速手柄輸入(6)、單片機(jī)(7)、騎行和健身功能選擇輸入(8)、工作狀態(tài)輸出(9)、外部信號(hào)輸入(10)、驅(qū)動(dòng)電路(11)、電流反饋電路(12)、功率開(kāi)關(guān)電路(13)、電源管理電路(14)和電機(jī)Hall輸入(15)構(gòu)成；單片機(jī)(7)通過(guò)端口分別與電機(jī)Hall輸入(15)、剎車輸入(5)、調(diào)速手柄輸入(6)、騎行和健身功能選擇(8)、工作狀態(tài)輸出(9)、外部信號(hào)輸入(10)、驅(qū)動(dòng)電路(11)和電流反饋電路(12)順序相連接，電源管理電路(14)直接和電池(4)電源線連接，分別向電機(jī)Hall輸入(15)、調(diào)速手柄輸入(6)、單片機(jī)(7)、驅(qū)動(dòng)電路(11)和電流反饋電路(12)提供穩(wěn)壓電源，功率開(kāi)關(guān)電路(13)分別與電池(4)電源線、電機(jī)(1)三相線、電流反饋電路(12)和驅(qū)動(dòng)電路(11)順序相連接，外部信號(hào)輸入(10)分別包括1:1助力輸入、三檔變速輸入、EABS輸入、巡航入電路；單片機(jī)通過(guò)騎行和健身功能選擇(8)決定控制器工作在騎行或者健身狀態(tài)，通過(guò)單片機(jī)(7)的輸入端口輸入電機(jī)(1)的控制信號(hào)、輸出端口輸出控制器的顯示信息和三相電機(jī)(1)控制信號(hào)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的健身電動(dòng)自行車控制器，其特征在于所述的單片機(jī)(7)的 輸入端口為串行通信接口或單片機(jī)(7)的一個(gè)I/0端口或單片機(jī)(7)的兩個(gè)I/0端口。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的健身電動(dòng)自行車控制器，其特征在于所述的輸入電機(jī)(1) 的控制信號(hào)為輸入到單片機(jī)(7)的A/D模擬信號(hào)或者I/0高低數(shù)字信號(hào)或奢串行通信信號(hào)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的健身電動(dòng)自行車控制器，其特征在于所述的輸入電機(jī)(1) 的控制信號(hào)為輸入到單片機(jī)(7)的A/D模擬和I/0數(shù)字混合輸入信號(hào)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的健身電動(dòng)自行車控制器，其特征在于所述的顯示輸出端口 為單片機(jī)(7)的串行通信接口或單片機(jī)(7)的一個(gè)I/0端口或單片機(jī)(7)的兩個(gè)I/0端口。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)車控制器，其特征在于所述的輸出顯示信號(hào)為直 接驅(qū)動(dòng)LED或者數(shù)碼LED或者LCD。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的健身電動(dòng)自行車控制器，其特征在于所述的輸出顯示信號(hào) 包括控制器的運(yùn)行時(shí)間、電機(jī)(1)負(fù)載力矩、電池(4)電壓和控制器的溫度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的健身電動(dòng)自行車控制器，其特征在于所述的電動(dòng)車控制器 在健身狀態(tài)時(shí)可以控制轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)(1)發(fā)電并泵升壓后向電池(4)充電，三相下橋在PWM 導(dǎo)通時(shí)使電機(jī)(1)內(nèi)的繞組線圈蓄能，在PWM關(guān)閉時(shí)釋放存儲(chǔ)在電機(jī)(1)繞組線圈內(nèi)的 能量并向電池(4)進(jìn)行充電，單片機(jī)(7)通過(guò)調(diào)節(jié)PWM控制信號(hào)可以控制電機(jī)(1)的轉(zhuǎn) 動(dòng)阻力力矩，從而實(shí)現(xiàn)控制踏板(2)的阻力力矩，單片機(jī)(7)通過(guò)騎行和健身功能選擇輸 入(8)進(jìn)入健身控制狀態(tài)；單片機(jī)(7)通過(guò)輸入端口輸入對(duì)電機(jī)(1)的負(fù)載控制信號(hào)；單 片機(jī)(7)通過(guò)端口輸出三相控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路(11)到功率開(kāi)關(guān)電路(13)控制電機(jī)(1) 的負(fù)載阻力力矩；單片機(jī)(7)通過(guò)端口輸出控制器的顯示信息。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的健身電動(dòng)自行車控制器，其特征在于所述的PWM控制信 號(hào)在控制器控制功率開(kāi)關(guān)電路(13)的三相下橋?qū)ê完P(guān)閉。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的健身電動(dòng)自行車控制器，其特征在于所述的單片機(jī)(7) 連設(shè)有在控制器健身狀態(tài)和在電池電壓超過(guò)電池的最高充電電壓時(shí)提示用戶電池已經(jīng)充電超 壓的顯示狀態(tài)輸出(9)。
專利摘要本實(shí)用新型屬于一種電動(dòng)自行車類，具體是一種電動(dòng)自行控制器，本實(shí)用新型的特點(diǎn)在于通過(guò)行駛和健身功能選擇輸入，控制器可以控制電動(dòng)自行車電機(jī)1工作在提供動(dòng)力行駛狀態(tài)，也可工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，使帶有踏板2的電動(dòng)自行車都能成為健身器材。控制器的單片機(jī)7在健身狀態(tài)下通過(guò)手柄和剎車輸入電機(jī)1的阻力信息，再輸出控制電機(jī)1的發(fā)電負(fù)載力矩并向電池4充電，電機(jī)1的負(fù)載通過(guò)電動(dòng)車的鏈條傳動(dòng)到踏板2轉(zhuǎn)換為阻力力矩，使用戶在架起電動(dòng)車輪后腳踏踏板2即可健身。
文檔編號(hào)B60L15/20GK201410893SQ200920129028
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月12日
發(fā)明者軍 劉 申請(qǐng)人:軍 劉