专利名称：电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种信号采集控制系统，特别是一种应用到电动助力自行车上精确助力的信号采集和控制系统。
背景技术：
现今流行的电动助力自行车的助力传感系统采用中轴脚踏力检测助力或后轴滑环式技术感应人力信号，将人力蹬踏的力转化为电压信号传送给控制器。其中，中轴助力存在安全隐患，即在推车行走时，脚蹬会随着行进而转动，此时中轴助力传感器会提供助力信号使车加速行驶而发生危险。后轴滑环式技术重的滑环设置在链条附近，在人蹬踏自行车时容易产生磨损，另外，还有一些其他类型的助力装置，如开关型，即设定几个速度档，在达到某一速度时，电机就提供一定的助力，没有精确的助力可言，而且不能对助力比进行精确调节，使电动助力自行车在运行的过程中容易产生偶尔助力增加过大而带来的运行不稳定的问题，有的装置并未对速度进行进一步的限定，在人们使用电动助力的自行车时，容易使车速过快而造成危险。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种无磨损、助力比可调并且精确、运行流畅稳定、安全的电动助力自行车的助力信号采集控制系统。可与目前常见的多种电机控制器配合使用，适用范围广。
一种电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，包括应变片、霍尔传感器、安装在电动助力自行车车把处的助力比调节按钮、安装在电动助力自行车上的无刷电机上的PCB
电路板，所述应变片粘贴在电动助力自行车后轴即无刷电机的轴上，所述霍尔传感器粘贴在
所述无刷电机的电机外壳的周向上，所述PCB电路板粘贴在无刷电机的电机外壳的径向上，所述PCB电路板上包括信号控制器和无刷电机控制器以及第一插座和第二插座，所述信号控制器包括集成在PCB电路板上的信号放大电路、脉冲整形电路、电压源、积分电路和单片机，所述信号放大电路、脉冲整形电路、电压源、积分电路通过相应的管脚与单片机相连；所述电压源为所述信号放大电路、脉冲整形电路、积分电路和单片机进行供电；所述应变片通过导线连接第一插座，所述第一插座与所述信号控制器中的信号放大电路相连，将应变片提供的形变信号进行放大并送入单片机中进行处理；所述霍尔传感器通过导线连接第二插座，所述第二插座与所述信号控制器中的脉冲整形电路相连，将霍尔传感器提供的霍尔信号进行整形并送入单片机中进行处理；所述第二插座还通过导线与助力比调节按钮相连，用于通过对助力比调节按钮的使用来改变系统提供的助力大小；
所述单片机通过将霍尔传感器提供的霍尔信号经过计算得到当前速度V，通过将当前速度V与预先设定的速度值进行比较，大于预先设定的速度值时，不予提供助力；将应变片提供的形变信号转换为当前电压值U，通过将当前的电压值与预先设定的最大电压值进行比较，大于预先设定的最大电压值时，不予提供助力，将不大于预先设定的最大电压值和速度值进行相应的计算，得到相应的脉冲调宽PWM作为控制信号，并通过积分电路进行积分，得到平稳的控制信号以对无刷电机控制器进行控制。
本发明的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其中所述应变片安装在后轴靠近链条一端的三分之一处。
本发明的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其中所述霍尔传感器为三个，分别安装在电机外壳的周向上，其角度为120度。
本发明的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其中所述PCB电路板安装在无刷电机轴套下部，呈圆形，套在无刷电机的轴上。
本发明的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其中所述预先设定的速度值为20km/h。
本发明的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其中所述预先设定的最大电压值为5V。
本发明的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其中所述脉冲调宽PWM=aX
U十bXV。
本发明的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其中所述a和b为预先设定的参数，其中，a和b分别为O到l间的任意值，并且a与b的和为l。
本发明的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其中所述第一插座有三针，所述第二插座有四针。
一种电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制方法，包括以下步骤-
1) 系统进行初始化；
2) 单片机判断内部定时器是否启动，如果结果为是则转4);
3) 单片机启动定时器；4) 单片机等待中断；
5) 霍尔传感器感应霍尔信号；
6) 霍尔传感器感应到的霍尔信号通过脉冲整形电路，进行整形
7) 单片机读取整形后的信号；
8) 单片机判断是否有整形后的霍尔脉冲，如果结果为否则转l);
9) 单片机进入中断程序；
10) 单片机判断内部定时器的时间是否到，如果结果为否则转l);
11) 单片机计算当前的速度V;
12) 单片机对计算出来的当前速度V是否大于预先设定的速度值，如果结果为是，则转步骤11);
13) 应变片感应电动助力自行车后轴的形变；
14) 信号放大电路对应变片采集到的形变信号进行放大；
15) 放大后的形变信号进入单片机进行A/D转换；
16) 单片机读取A/D转换后的采样值；
17) 单片机令A/D转换后的采样值与前一次读取的采样值进行加权平滑处理；
18) 单片机判断采样的次数是否大于预先设定的次数K，如果结果为否则转16);
19) 单片机引入滑动平均；
20) 单片机输出处理后的电压值U;
21) 单片机读取输出处理后的当前电压值U
22) 单片机判断当前的电压值U是否大于预先设定的最大电压值，如果结果为是则转11);
23) 单片机计算脉冲调宽PWM;
24) 计算出的P丽的控制信号通过积分电路进行积分；
25) 控制信号对无刷电机控制器进行控制，以提供相应的助力。
本发明的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统和方法，由于将应变片安装在电动助力自行车后轴上，从而避免了对信号检测及输出装置的磨损，应变片提供的信号通过去噪声处理措施，从而使信号更加稳定可靠；又由于通过按键可调节助力比，单片机通过对应变片提供的信号计算出人施加的力的大小，即计算出相应的电压值，因此可以使助力比更加精确；同时单片机利用对速度的测量通过积分电路对无刷电机控制器提供的控制电压进行了修正，不会出现不踩踏电动助力自行车就断电的情况，也不会出现推车行走也有助力的现象，从而使电动助力自行车的运行更加流畅和稳定；又由于加入了限速程序对电动助力自行车助力提供的限制，当速度超过20km/h时不提供助力，保证了行驶的安全。
图1是本发明电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统的电路图2是本发明电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统的应变片安装位置示意
图3是本发明电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统的霍尔传感器安装位置示意图4是本发明电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统的PCB电路板插座示意图；图5是本发明电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统的PCB电路板位置示意图。图6是本发明电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统的系统图；图7是本发明电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统工作流程图。
具体实施例方式
下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式
。
参见图l、图2、图3、图6，本发明的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，包括安装在助力自行车后轴上的应变片1，所述应变片1安装在助力自行车后轴靠近链条一端的三分之一处，其范围不超过土lcm，是通过胶粘在自行车后轴上，所述后轴即为无刷电机的轴，在轴一端的三分之一位置为最佳位置，可获得最强的信号；安装在电机上的霍尔传感器2，所述霍尔传感器2有三个，分别用胶粘在电机壳体ll的周向上，其角度为120度；置于无刷电机中的信号控制器3，所述信号控制器3集成在PCB电路板13上，包括信号放大电路6、脉冲整形电路7、电压源9、积分电路8和单片机10，所述单片机为PIC16F684单片机，其l、 4、 6、 7管脚分别接VCC， 14管脚接地，2管脚接与非门74LS00的3管脚，8、 9管脚分别接opl和op2的6管脚，12、 13管脚接J1的1、 2管脚；opl和op2为运算放大器，其7管脚接VCC， 4管脚接地，叩l的2管脚和6管脚接R17的两端，叩2的2管脚和6管脚接R2的两端，4管脚接R11和R14的公共点，其他管脚悬空；74LS00为与非门，其1、 2管脚连在一起接端子J3， 3管脚接单片机的2管脚，14管脚接VCC， 7管脚接地，信号控制器3用于将应变片1和霍尔传感器2传递来的信号进行处理和运算，发送相应命令到无刷电机控制器4;以及无刷电机控制器4，所述无刷电机控制器用于控制无刷电机转动的速度，以及安装在车把处的助力比调节按钮5，助力比调节按钮5用于调节信号控制器提供的助力比，所述助力比调节按钮调节后，将速度分为5个等级，分别为0-5km/h、 5-10km/h、 10-15km/h、15-20km/h和大于20km/h。
8参见图3、图4、图5，无刷电机内部的轴套12下部装有PCB电路板13，所述电路板13为圆形，套在轴上，并且粘贴在无刷电机的电机外壳11的径向上，所述PCB电路板13还装有与外界连接用的四针第二插座J2 14，三针第一插座J1 15。所述四针插座14的四针分别连接霍尔传感器2及电源7、地线和外部助力比调节按按钮，所述三针插座15连接电动助力自行车后轴上的应变片1、电源7以及地线。
参见图6，三个霍尔传感器2通过第二插座14与信号控制器3中的脉冲整形电路7相连，脉冲整形电路7与单片机10相连，通过电压源9为各部分供电，在电动助力自行车行进时，霍尔传感器2在无刷电机转动时，提供相应的霍尔脉冲信号，所述霍尔脉冲信号通过脉冲整形电路消除干扰、去掉脉冲信号上的毛刺后，通过单片机IO判断单片机10内部定时器是否启动，如果没有启动，则启动定时器，等待中断，如果定时器启动，则直接等待中断，当霍尔脉冲信号到来，则进入中断，判断是否有霍尔脉冲，当没有霍尔脉冲进入时，即电动助力自行车没有启动，则使系统重新初始化，当有霍尔脉冲进入时，则进入中断服务状态，判断定时器时间是否到，如果定时器的时间没有到，则系统初始化，如果定吋器的时间到了，则通过单片机10对电动助力自行车的速度V进行讣算；当计算出当前电动助力自行车的速度V后，单片机10将当前的速度V与预先设定的速度值进行比较，该预先设定的速度值为20km/h，当计算出的当前的速度V大于预先设定的速度值20km/h时，单片机令脉冲调宽PWM=0，即不予电机提供电流，使电动助力自行车的电机不提供相应的助力，只用人力来使电动助力自行车进行运行；当计算出的当前速度V不大于20km/h时，应变片1通过连接第一插座15与信号放大电路15相连，信号放大电路15与单片机10相连，通过电压源9为各部分供电，应变片1感应电动助力自行车后轴的形变来提供形变信号，该信号通过信号放大电路6进行放大，传输到单片机10中，单片机10内部的A/D转换部分对通过信号放大电路放大的形变信号进行A/D转换，得到相应的采样值，当单片机10读取的A/D采样值与前次读入的值做加权平滑处理，其中加权值的系数为0.3 0.7，或者根据具体硬件电路调整，同时单片机10判断采样的次数是否大于预先设定的次数K，其中K的选择可以根据不同的噪声电平情况具体确定，如果采样次数大于预先设定的次数K，则重新读入A/D采样值，如果采样次数不大于预先设定的此时K,则引入滑动平均，输出处理后的值，达到去噪声的目的，当形变信号通过去噪声的处理后，将输出处理后的值转化为当前的电压值U，同时单片机10判断当前电压值U是否大于预先设定的最大电压值，该预先设定的最大电压值为5V，如果当前的电压值U大于预先设定的最大电压值时，单片机令脉冲调宽P謂:250，即不予电机提供电流，使电动助力自行车的电机不提供相应的助力，只用人力来使电动助力自行车进行运行；如果当前的电压值U不大于预先设定的电压最大值，则单片机通过相应的计算，公式为PWM=aXU+bXV，计算出相应的脉冲调宽P丽值，通过积分电路8将信号传输到无刷电机控制器4中，通过无刷电机控制器4对无刷电机进行控制，此时通过积分电路对无刷电机控制器提供的控制电压进行了修正，从而达到了平稳的控制助力的目的；其中a禾P b为设定的参数，a和b分别为0到1间的任意值，并且a与b的和为l,该参数通过助力比调节按钮5来进行调节，通过对参数值的改变，将速度分为5个等级，分别为0-5km/h、 5-10km/h、 10-15km/h、 15-20km/h和大于20km/h，即可以提供不同的助力，令人们在使用电动助力自行车时可以产生相应的速度。当速度大于20km/h fl寸，不予以提供助力，可以保证人们在使用电动助力自行车时不超速，保证了安全。
参见图7， 一种电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制方法，包括以下步骤步骤IOI，系统进行初始化；
步骤102，单片机判断内部定时器是否启动，如果结果为否，则到步骤103，如果结果为是，则转步骤104;
步骤103，单片机启动定时器；步骤104，单片机等待中断；
步骤105，霍尔传感器感应霍尔信号；
步骤106，霍尔传感器感应到的霍尔信号通过脉冲整形电路，进行整形；步骤107，单片机读取整形后的信号；
步骤108，单片机判断是否有整形后的霍尔脉冲，如果结果为是，则转步骤109，如果结果为否，则转步骤IOI，令系统重新初始化；步骤109，单片机进入中断程序；
步骤IIO，单片机判断内部定时器的吋间是否到，如果结果为是，则转步骤lll，如果结果为否，则转歩骤IOI，令系统重新初始化；步骤111，单片机计算当前的速度V;
步骤112，单片机对计算出来的当前速度V是否大于预先设定的速度值20km/h，如果结果为是，则转步骤lll，如果结果为否，则转步骤113;步骤113，应变片感应电动助力自行车后轴的形变；步骤114，信号放大电路对应变片采集到的形变信号进行放大；步骤115，放大后的形变信号进入单片机进行A/D转换；步骤116，单片机读取A/D转换后的采样值；步骤117，单片机令A/D转换后的采样值与前一次读取的采样值进行加权平滑处理；步骤118，单片机判断采样的次数是否火于预先设定的次数K，如果结果为否，则转步骤116，如果结果为是，则转步骤119;步骤119，单片机引入滑动平均；步骤120，单片机输出处理后的电压值U;步骤121，单片机读取输出处理后的当前电压值U
步骤122，单片机判断当前的电压值U是否大于预先设定的最大电压值5V，如果结果为是，则转步骤lll，如果结果为否，则转步骤123;
步骤123,单片机计算脉冲调宽PWM，通过公式P謂二aXU+bXV来计算；步骤124,计算出的P觀的控制信号通过积分电路进行积分；步骤125，控制信号对无刷电机控制器进行控制，以提供相应的助力。本发明的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，由于将应变片安装在电动助力自行车后轴上，从而避免了对信号检测及输出装置的磨损，应变片提供的信号通过去噪声处理措施，从而使信号更加稳定可靠；又由于通过按键可调节助力比，单片机通过对应变片提供的信号计算出人施加的力的大小，即计算出相应的电压值，因此可以使助力比更加精确；同时单片机利用对速度的测量通过积分电路对无刷电机控制器提供的控制电压进行了修正，不会出现不踩踏电动助力自行车就断电的情况，也不会出现推车行走也有助力的现象，从而使电动助力自行车的运行更加流畅和稳定；又由于加入了限速程序对电动助力自行车助力提供的限制，当速度超过20km/h时不提供助力，保证了行驶的安全。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
权利要求
1. 一种电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其特征在于，包括应变片(1)、霍尔传感器(2)、安装在电动助力自行车车把处的助力比调节按钮(5)、安装在电动助力自行车上的无刷电机上的PCB电路板(13)，所述应变片(1)粘贴在电动助力自行车后轴即无刷电机的轴上，所述霍尔传感器(2)粘贴在所述无刷电机的电机外壳(11)的周向上，所述PCB电路板(13)粘贴在无刷电机的电机外壳(11)的径向上，所述PCB电路板(13)上包括信号控制器(3)和无刷电机控制器(4)以及第一插座(15)和第二插座(14)，所述信号控制器(3)包括集成在PCB电路板上的信号放大电路(6)、脉冲整形电路(7)、电压源(9)、积分电路(8)和单片机(10)，所述信号放大电路(6)、脉冲整形电路(7)、电压源(9)、积分电路(8)通过相应的管脚与单片机(10)相连；所述电压源(9)为所述信号放大电路(6)、脉冲整形电路(7)、积分电路(8)和单片机(10)进行供电；所述应变片(1)通过导线连接第一插座(15)，所述第一插座(15)与所述信号控制器(3)中的信号放大电路(6)相连，将应变片(1)提供的形变信号进行放大并送入单片机(10)中进行处理；所述霍尔传感器(2)通过导线连接第二插座(14)，所述第二插座(14)与所述信号控制器(3)中的脉冲整形电路相连，将霍尔传感器(2)提供的霍尔信号进行整形并送入单片机(10)中进行处理；所述第二插座(14)还通过导线与助力比调节按钮(5)相连，用于通过对助力比调节按钮(5)的使用来改变系统提供的助力大小；所述单片机(10)通过将霍尔传感器(2)提供的霍尔信号经过计算得到当前速度V，通过将当前速度V与预先设定的速度值进行比较，大于预先设定的速度值时，不予提供助力；将应变片(1)提供的形变信号转换为当前电压值U，通过将当前的电压值与预先设定的最大电压值进行比较，大于预先设定的最大电压值时，不予提供助力，将不大于预先设定的最大电压值和速度值进行相应的计算，得到相应的脉冲调宽PWM作为控制信号，并通过积分电路(8)进行积分，得到平稳的控制信号以对无刷电机控制器(4)进行控制。
2. 根据权利要求1所述的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其特征在 于，所述应变片(1)安装在后轴靠近链条一端的三分之一处。
3. 根据权利要求2所述的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其特征在 于，所述霍尔传感器(2)为三个，分别安装在电机外壳(11)的周向上，其角度为120度。
4. 根据权利要求3所述的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其特征在 于，所述PCB电路板(13)安装在无刷电机轴套(12)下部，呈圆形，套在无刷电机的轴上。
5. 根据权利要求4所述的电动助力自行车后轴精确助力信号釆集控制系统，其特征在 于，所述预先设定的速度值为20km/h。
6. 根据权利要求5所述的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其特征在 于，所述预先设定的最大电压值为5V。
7. 根据权利要求6所述的电动助力自行车后轴精确助力信号釆集控制系统，其特征在 于，所述脉冲调宽P丽二aXU+bXV。
8. 根据权利要求7所述的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其特征在 于，所述a和b为预先设定的参数，其中，a和b分别为0到1间的任意值，并且a与b的 和为1。
9. 根据权利要求8所述的电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，其特征在 于，所述第一插座(15)有三针，所述第二插座(14)有四针。
10. —种电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制方法，其特征在于，包括以下步骤1) 系统进行初始化；2) 单片机判断内部定时器是否启动，如果结果为是则转4);3) 单片机启动定时器；4) 单片机等待中断；5) 霍尔传感器感应霍尔信号；6) 霍尔传感器感应到的霍尔信号通过脉冲整形电路，进行整形7) 单片机读取整形后的信号；8) 单片机判断是否有整形后的霍尔脉冲，如果结果为否则转l);9) 单片机进入中断程序；10) 单片机判断内部定时器的时间是否到，如果结果为否则转l);11) 单片机计算当前的速度V;12) 单片机对计算出来的当前速度V是否大于预先设定的速度值，如果结果为是，则转 步骤11);13) 应变片感应电动助力自行车后轴的形变；14) 信号放大电路对应变片采集到的形变信号进行放大；15) 放大后的形变信号进入单片机进行A/D转换；16) 单片机读取A/D转换后的采样值；17) 单片机令A/D转换后的采样值与前一次读取的采样值进行加权平滑处理；18) 单片机判断采样的次数是否大于预先设定的次数K，如果结果为否则转16);19) 单片机引入滑动平均；20) 单片机输出处理后的电压值U;21) 单片机读取输出处理后的当前电压值U22) 单片机判断当前的电压值U是否大于预先设定的最大电压值，如果结果为是则转11);23) 单片机计算脉冲调宽PWM;24) 计算出的P丽的控制信号通过积分电路进行积分；25) 控制信号对无刷电机控制器进行控制，以提供相应的助力。
全文摘要
一种电动助力自行车后轴精确助力信号采集控制系统，包括应变片、霍尔传感器、安装在电动助力自行车车把处的助力比调节按钮、安装在电动助力自行车上的无刷电机上的PCB电路板，应变片粘贴在电动助力自行车后轴即无刷电机的轴上，霍尔传感器粘贴在所述无刷电机的电机外壳的周向上，PCB电路板粘贴在无刷电机的电机外壳的径向上，PCB电路板上包括信号控制器和无刷电机控制器以及第一插座和第二插座，信号控制器包括集成在PCB电路板上的信号放大电路、脉冲整形电路、电压源、积分电路和单片机，从而提供一种无磨损、助力比可调并且精确、运行流畅稳定、安全的电动助力自行车的助力信号采集控制系统。
文档编号B60L15/28GK101462500SQ20091007604
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月6日 优先权日2009年1月6日
发明者宏 丁, 张道永, 王艳红 申请人:宏 丁