一种动力辅助系统及控制方法与流程

本发明涉及电动助力装置的控制领域，更具体地说，本发明涉及一种动力辅助系统及控制方法。

背景技术

电动助力自行车于80年代末90年代初发源于日本，它只允许以助力模式运行，必须是“人力+电力”的混合动力输出方式，没有纯电动模式。之所以只允许使用助力模式，是因为助力驱动模式有效保证了骑行的安全性和可靠性，并且大大增加了一次骑行的续航里程，同时有效避免了整车重量的增加，还起到代步和健身的双重效果，让人们在保留骑行体验的同时骑得轻松，骑得更远。

在电动助力自行车行业中，“动力辅助系统”的优劣一直是衡量电动助力自行车水平高低的标准，也是各企业间竞争最为激烈的领域。

“动力辅助系统”的核心技术在控制方案，既要合理分配好电力和人力，使之具有高续航性，还要让骑行者有舒适感，具体表现为：

一、在骑行者乏力或骑行费劲的时候，提供大小合适的助力；

二、在骑行者体力充沛或有踏空感的时候精确地减少助力保证运动的高效率；

三、保证骑行运动不对身体造成负面效果。

不论在骑行运动还是其他的运动中，不论是有氧运动还是无氧运动，心率维持在合理的期望心率才会获得最大的运动效果和减脂效率。如果心率过高，对人体健康不利，如果心率过低，运动的效果不好。

对于自行车运动员，心率的控制更为重要。现有技术中设定了六区间系统：

区间一(60％-65％的最大心率)：热身和恢复区；

区间二(65％-75％的最大心率)：基础训练区；

区间三(75％-82％的最大心率)：提高有氧能力和耐力区；

区间四(82％-89％的最大心率)：适应比赛节奏和强度区；

区间五(89％-94％的最大心率)：提高乳酸阈值区；

区间六(94％-100％的最大心率)：提高最大速度和输出功率区。

最大心率估算公式：210减去年龄的一半，然后减掉你的体重(pounds)的5％，最后男子+4，女子+0。

因此，在电动助力自行车的控制系统中，心率的利用和控制具有很高的实用价值。

正常体力运动下，心率的高低与骑行者对外做功的大小呈线性关系。心率值上升，输出的功率上升，心率值降低，输出的功也就降低。

由此可见，心率可以作为一个优秀的参数利用在电动自行车助力系统中，同时，如果把骑行者的输出力矩控制在一个理想值左右，骑行者不仅会有更舒适骑行效果，还能有最佳的锻炼效果。并且，人力和电力充分利用，能源利用率高。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的目的是提供一种动力辅助系统及控制方法，以解决骑行时电力与人力不易有效分配的技术问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种动力辅助系统，包括：

驱动电机，其设置在自行车上，所述驱动电机通过一分级控制器进行驱动控制；

第一比较器，其第一输入端连接一心率传感器的输出端，所述心率传感器采集骑行者的心率，所述第一比较器的第二输入端输入所述骑行者的期望心率信号；

第二比较器，其第一输入端连接一力矩传感器的输出端，所述力矩传感器采集所述骑行者的输出力矩信号，所述第二比较器的第二输入端输入理想力矩信号；

其中，所述第一比较器和第二比较器的输出端分别与所述分级控制器的输入端连接。

一种动力辅助系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、设置骑行时所要保持的期望心率值hd，实时采集骑行者的输出力矩t和心率h；

步骤二、根据期望心率hd与骑行者加设备的重量w调整所述理想力矩td的值；

步骤三、分级控制器根据采集的力矩误差e1和心率误差e2，对驱动电机进行分级控制，其中，力矩误差e1＝t-td，心率误差e2＝h-hd。

优选的，所述步骤一中，对采集的输出力矩t和心率h通过指数权重移动平均模型进行滤波处理，该模型为：

yk＝sk，k＝0；

yk＝sk，k＝1；

yk＝ask+bsk-1+(1-a-b)sk-2，k＞1；

其中，系数a与b为介于0-1之间的实数，且a与b之和小于1，sk为第k次采样值，yk为滤波后的第k次采样值。

优选的，所述步骤二中，所述理想力矩td值的调整方法如式(1)所示：

其中q为权值，w为骑行者加设备重量。

优选的，所述步骤三中，分级控制的方法包括以下步骤：

步骤a、根据力矩误差e1和心率误差e2的大小划分若干级别的助力区，每个级别的助力区对应不同的pid控制参数；

步骤b、实时判断采集到的力矩误差e1和心率误差e2落入到哪个助力区，通过该助力区对应的pid控制参数对驱动电机进行驱动控制。

优选的，根据力矩误差e1和心率误差e2的大小，将以力矩误差e1为纵坐标、心率误差e2为横坐标的坐标区域划分为三个级别助力区，划分过程为：

第一步、设置心率误差分级常量a、b，a＝-(hd×10％)，b＝hd×20％；

第二步、设置力矩误差分级常量c、d，c＝-(td×10％)；d＝td×80％；

其中，力矩误差e1＜c、力矩误差c≤e1≤d且心率误差e2≤a的区域为零级助力区z0；力矩误差e1＞d、力矩误差c≤e1≤d且心率误差a＜e2≤b的区域为一级助力区z1；力矩误差c≤e1≤d且心率误差b＜e2的区域为二级助力区z2。

优选的，当采集到的力矩误差e1和心率误差e2落入到零级助力区z0时，分级控制器不开启助力；当采集到的力矩误差e1和心率误差e２落入到一级助力区z1时，分级控制器开启助力驱动控制，一级助力区z1对应的pid控制参数为：kp＝8，ki＝0.2，kd＝1；当采集到的力矩误差e1和心率误差e2落入到二级助力区z2时，分级控制器开启助力驱动控制，二级助力区z2对应的pid控制参数为：kp＝13，ki＝0.8，kd＝3。

与现有技术相比，本发明包含的有益效果在于：

1、助力的大小由双误差——力矩误差e1和心率误差e2同时参与控制，并且所控制的理想力矩td由期望心率hd进行调节，更加全面的考虑了骑行者的骑行体验；

2、心率误差e2的分级设计提升了骑行者的骑行体验，本发明方法充分考虑了对心率与力矩的控制，进一步实现人力与电力的高度配合，进而保持骑行者的心率大小，实现了高效率性，高续航性和高舒适性的人性化设计。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1：本发明的控制原理框图；

图2：分级控制示意图；

图3：本发明方法的控制流程图；

图4：起步状态工作示意图；

图5：平路状态工作示意图；

图6：上坡状态工作示意图；

图7：下坡状态工作示意图；

其中e1——力矩误差，e2——心率误差，a、b、c、d——分级常量，td——理想力矩，t——采样力矩，tm——助力转矩，hd——期望心率，h——采样心率，q——权值，w——骑行者加设备重量，z0——零级助力区，z1——一级助力区，z2——二级助力区。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了提供了一种动力辅助系统，包括：第一比较器2、第二比较器3、分级控制器4、心率传感器5、力矩传感器6和驱动电机7。

驱动电机7设置在自行车9上，用于为自行车9提供一辅助动力，所述驱动电机7通过一分级控制器4进行驱动控制；第一比较器2的第一输入端连接一心率传感器5的输出端，所述心率传感器5采集骑行者8的心率，所述第一比较器2的第二输入端输入所述骑行者8的期望心率信号，期望心率是自主设定的。

第二比较器3第一输入端连接一力矩传感器6的输出端，所述力矩传感器6采集所述骑行者8的输出力矩信号，也就是骑行者8的输出力矩信号，所述第二比较器3的第二输入端输入理想力矩信号，理想力矩由一力矩调整器1输出，力矩调整器1的输入端输入期望心率信号；其中，所述第一比较器2和第二比较器3的输出端分别与所述分级控制器4的输入端连接，第一比较器2根据输入的采样心率和期望心率，输出心率误差，第二比较器3根据输入的采样力矩和理想力矩，输出力矩误差，分级控制器4输入变量为力矩误差和心率误差，分级控制器4输出变量u控制驱动电机7助力转矩tm的大小，而为骑行者提供一动力辅助，其中，输出变量u与输入的力矩误差和心率误差相关。

本发明的控制原理在于：一方面，控制骑行者8输出力矩保持在理想力矩td，首先利用力矩传感器6采样出骑行者8的力矩t，使之减去理想力矩td，取其力矩误差e1进行控制，并且理想力矩td的大小根据期望心率hd调整；另一方面，采用分级的控制策略，具体为采样出骑行者8心率h减去期望心率hd得到心率误差e2，以误差e1和e2的大小来选择助力级别。

具体的，如图2-7所示，本发明提供一种动力辅助系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、设置骑行时所要保持的期望心率值hd，实时采集骑行者8的输出力矩t和心率h，具体的，采用力矩传感器6采集骑行者8的输出力矩信号，采用心率传感器5采集骑行者8的心率；

在采样过程中，采样滤波算法对采集数据进行滤波处理，滤波起削峰填谷的作用，本实施例中，对采集的输出力矩t和心率h通过指数权重移动平均模型进行滤波处理，该模型为：

yk＝sk，k＝0；

yk＝sk，k＝1；

yk＝ask+bsk-1+(1-a-b)sk-2，k＞1；

其中，系数a与b为介于0-1之间的实数，且a与b之和小于1，sk为第k次采样值，yk为滤波后的第k次采样值。

步骤二、理想力矩td与期望心率hd、骑行者8及设备的总重量w相关，根据期望心率hd与骑行者加设备的重量w调整所述理想力矩td的值，具体的，所述理想力矩td值的调整方法如式(1)所示：

其中q为权值，w为骑行者加设备重量。

步骤三、分级控制器4根据采集的力矩误差e1和心率误差e2，对驱动电机7进行分级控制，当采样骑行者8实时心率h后，减去期望心率hd可以得到心率误差e2，通过第二比较器3得到力矩误差e1＝t-td，通过第一比较器2得到心率误差e2＝h-hd，二者的大小用于助力级别选择。

分级控制的方法包括以下步骤：

步骤a、根据力矩误差e1和心率误差e2的大小划分若干级别的助力区，每个级别的助力区对应不同的pid控制参数；

本实施例中，根据力矩误差e1和心率误差e2的大小，将以力矩误差e1为纵坐标、心率误差e2为横坐标的坐标区域划分为三个级别助力区，划分过程为：

第一步、设置心率误差分级常量a、b，a＝-(hd×10％)，b＝hd×20％；

第二步、设置力矩误差分级常量c、d，c＝-(td×10％)，d＝td×80％；

其中，力矩误差e1＜c、力矩误差c≤e1≤d且心率误差e2≤a的区域为零级助力区z0；力矩误差e1＞d、力矩误差c≤e1≤d且心率误差a＜e2≤b的区域为一级助力区z1；力矩误差c≤e1≤d且心率误差b＜e2的区域为二级助力区z2。

步骤b、实时判断采集到的力矩误差e1和心率误差e2落入到哪个助力区，通过该助力区对应的pid控制参数对驱动电机7进行驱动控制；

判断过程为：

第一步：判断力矩误差e1与分级常量c、d关系：

当力矩误差e1＜c，直接进入零级助力区z0；

当力矩误差c≤e1≤d，进入第二步，判断心率误差e2与分级常量a、b关系；

当力矩误差e1＞d，直接进入一级助力区z1；

第二步：判断心率误差e2与分级常量a、b关系：

当心率误差e2≤a则进入零级助力区z0；

当心率误差a＜e2≤b则进入一级助力区z1；

当心率误差b＜e2则进入二级助力区z2。

其中，当采集到的力矩误差e1和心率误差e2落入到零级助力区z0时，分级控制器4不开启助力，用于平路骑行状态和下坡骑行状态。

当采集到的力矩误差e1和心率误差e2落入到一级助力区z1时，分级控制器4开启助力驱动控制，一级助力区z1对应的pid控制参数为：kp＝8，k1＝0.2，kd＝1；当采集到的力矩误差e1和心率误差e2落入到二级助力区z2时，分级控制器4开启助力驱动控制，二级助力区z2对应的pid控制参数为：kp＝13，ki＝0.8，kd＝3。一级助力区z1和二级助力区z2则利用分级控制器4输入的力矩误差e1，在各自对应的pid参数下对驱动电机的助力大小进行控制，一级助力区z1用于平路骑行状态、起步状态、上坡骑行状态。二级助力区z2用于上坡骑行状态。

具体的，如图4所示，在起步状态：骑行者的心率较低，心率传感器5的值较低，采样心率h较小，所以心率误差e2≤a，由于起步时骑行者输出力矩的比较大，所以力矩传感器6的值较大。如图2所示，如果有：

一、采样力矩t＞180％×td，即力矩误差e1＞d，则通过第一步判断会直接进入一级助力区z1，此时分级控制器4输入变量力矩误差e1为正值且较大，故助力也不会很小，帮助骑行者起步；

二、采样力矩90％×td≤t≤180％×td，即力矩误差c≤e1≤d，分级控制器4会进行第二步判断心率误差e2的大小，从而进入零级助力区z0；

三、采样力矩t＜90％×td当力矩误差e1＜c则跳过第二步心率判断也是直接进入零级助力区z0，不会帮助骑行者起步。

具体的，如图5所示，当处于平路状态：起步结束后，随着骑行者速度的提升和骑行时间的增加，骑行者的心率慢慢上升，采样力矩t也慢慢增大进而接近理想力矩td，有力矩误差c≤e1≤d。同时采样心率h慢慢地接近期望心率值hd，进而有心率误差e2慢慢增大且接近a。如果有：

一、骑行者8的心率hd×90％＜h≤hd×120％，即心率误差a＜e2≤b。通过第一步和第二步判断会进入一级助力区z1，此时力矩误差e1的绝对值较小，在此状态下会进行一个以力矩误差e1为输入的一级助力区z1的pid控制运算，随后进行相应大小的助力，此时采样力矩t会被控制在理想力矩td的一个误差范围之内，力矩误差e1会控制在c、d之间，此时心率误差e2值会控制在a、b之间，在0值处波动，使得骑行者8的心率会在期望心率hd处小幅波动。

二、骑行者8的心率h≤hd×90％，即心率误差e2≤a，则会进入零级助力区z0关闭助力，提升心率，充分保证骑行的锻炼效果。

具体的，如图6所示，在下坡状态：此时骑行者8的输出力矩接近甚至等于零，力矩传感器6的值t＜90％×td，即力矩误差e1＜c，于是经过第一步误差判断后直接进入零级助力区z0，助力停止，下坡时骑行者8得到休息，心率慢慢下降。下坡完成之后，骑行者8的输出力矩增加，采样力矩t慢慢增大到大于90％×td，回到了平路骑行的状态。

具体的，如图7所示，在上坡状态：骑行者8的输出力矩开始增大，引起心率上升，心率误差e2为正且慢慢增大，同时，力矩传感器6的值开始增加，采样力矩t增大从而有输入变量e1为正且慢慢增大。此时力矩误差c≤e1≤d。如果有：

一、坡度较小，有hd×90％＜h≤hd×120％，即心率误差a＜e2≤b，经过误差判断后分级控制器4进入一级助力区，在pid的控制下助力效果会随着输入变量e1增大而慢慢增强，进而减少骑行者8的输出力矩让骑行者8上坡不费劲。

二、坡度较大，骑行者8爬坡困难，心率上升，相应会引起采样心率h＞hd×120％即心率误差e2＞b值，经过判断分级控制器4进入二级助力区z2，进一步助力。随着助力的强度增加，骑行者8的输出力矩减小，于是控制了骑行者8的输出力矩在理想力矩td左右。

由上所述，本发明的动力辅助系统，在骑行过程中，辅助力的大小由双误差——力矩误差e1和心率误差e2同时参与控制，并且所控制的理想力矩td由期望心率hd进行调节，更加全面的考虑了骑行者的骑行体验；同时，心率误差e2的分级设计提升了骑行者的骑行体验，本发明方法充分考虑了对心率与力矩的控制，进一步实现人力与电力的高度配合，进而保持骑行者的心率大小，实现了高效率性，高续航性和高舒适性的人性化设计。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易的实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。