专利名称：用于估计转矩的方法以及用于估计踏板曲柄驱动装置的转矩的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及踏板曲柄驱动装置、尤其是作为电动自行车的一部分的踏板曲柄驱动装置的功率检测的领域。踏板曲柄驱动装置除用于向前运动以外也用于检测踏板功率，以便根据踏板功率调节电驱动装置的功率。在所述领域中已知了借助于扭转传感器以机械方式检测施加到踏板曲柄上的转矩的装置，所述扭转传感器直接设置在踏板曲柄上。这种传感器昂贵且同时易出故障，因为其必须设置在踏板曲柄上或者曲柄轴上并且因此严重遭受外部影响。
背景技术：
由自行车训练设备已知了用于检测功率的其他方案，其中检测用于行驶环境仿真的摩擦力。但在此必然使踏板曲柄驱动装置剧烈地制动，使得所述方案不适于自行车。在文献DE 196 01 194A1中描述了一种调节方法，其中检测电动自行车的前进速度。由速度的变化曲线推断出骑车人所贡献的功率，以便在骑车人功率的高度上设置电动机的功率。然而，自行车的速度变化曲线在仅仅一些情况下具有显著的特征，由所述显著特征可以推断出踏板驱动装置的实际功率。
发明内容
因此，本发明的任务是给出一种操作方法，借助所述操作方法可以通过精确的方式来确定转矩，而不必采取需暴露安置的、昂贵的转矩传感器。所述任务通过独立权利要求的主题来解决。本发明所基于的方案是由可以通过简单的方式精确地检测的转速的波动的观察推断出施加到踏板曲柄上的转矩。本发明所基于的知识是骑车人在小负荷时比在大负荷时更规律地进行踩踏。因此，基于肌肉组织、腿部和臀部的人体结构以及基于人体结构与踏板驱动装置之间的相互作用得到转速中的波动(作为规律性的反面)与操作踏板的转矩之间的可靠的相关性。波动强度(即，不规律性)与转矩(最大转矩或平均转矩)之间的相关性因此是严格单调上升的函数。转速的波动与骑车人贡献的踏板驱动功率之间存在相同的相关性。所述相关性可以容易地在不同的骑车人之间传递，而在精度方面没有显著损失。根据本发明，角速度的时间变化曲线的交变部分视为转速的波动或者不规律性的度量。角速度是踏板曲柄的角度变化曲线的时间导数并且相应于转速(除比例因数以外)。连续地或周期地以明显位于转速以上的时间分辨率来检测角速度或者转速，即连续地或者以f>5Hz、20Hz或50Hz的采样频率。采样频率原则上在两倍的转速之上，仅仅以便满足奈奎斯特准则，其中踏板驱动装置的典型最大常用的转速假定为转速，例如21/s (即，2Hz)。优选地，采样频率是典型最大常用的转速的多倍，其中N ^ 2、5、10、20或50。相应地，以角度传感器(例如，磁地、感应地或光学地)或以角速度传感器(例如，基于发电机原理)来检测角速度，其中以小于30°、10°、5°、2。或小于1°的角度分辨率来执行角度检测或者角速度检测。相应的角度传感器(角速度传感器或者角度传感器)具有所述角度分辨率。因此，角速度的波动涉及瞬时转速或者瞬时角速度的波动，其中时间分辨率或者角度相关的分辨率视为充分时间离散的，以便将这些量称作瞬时量。根据本发明，所检测的角速度的交变部分或角速度的变化曲线形状相对于正弦变化曲线的失真或两者用作反映角速度波动的信号特征，其又视为(平均或最大)转矩的量度。交变部分的功率相关的量视为角速度的信号特征。尤其是通过例如借助交变部分的振幅、峰值、信号强度(即，功率)或峰峰值(即，角速度的相对最大值与相邻的相对最小值之间的差)检测交变部分的功率来观察与交变部分的功率有关的信号特征。此外，说明角速度的信号形状(即，其交变部分)与正弦形状的偏差的量用作角速度的信号特征。在此，信号特征是最大梯度(即，其数值)或最大变化率(或者其数值)或者角速度(或者角速度的交变部分)的低频部分与高频部分之间的比例或者角速度的变化曲线与正弦信号之间的差(或者其功率)，所述正弦信号具有与角速度(或者其交变部分)相同的频率。可以通过产生 具有与角速度的变化曲线相同的拐点或具有相同的相对极值的正弦信号来确定正弦信号或者其频率。尤其是，角速度的谱变化曲线对于操作曲柄驱动装置的转矩而言是典型的，其中当转矩小时角速度的谱类似于正弦谱，而当转矩升高时所述谱首先在高频部分方面增加(与在低转矩时的谱相比)。因此可以良好地在角速度的时间变化曲线的频谱上看到与转矩有关的失真。因此，本发明提出一种用于估计施加到电动自行车的踏板曲柄上的转矩的方法。根据本发明的方法提出，根据时间来检测驱动踏板曲柄的角速度。为此，可以使用(例如基于发电机原理)直接检测角速度的角度传感器，或者可以使用检测踏板曲柄的角度位置的变化曲线的角度传感器，其中相对时间求导角度位置，以便提供角速度。此外，根据本发明的方法提出，确定角速度的至少一个信号特征。所述信号特征是角速度的交变部分的功率的度量，角速度的交变部分的信号形状与正弦曲线的偏差的度量，所述正弦曲线具有与角速度的交变部分相同的频率，或可以是两个度量的组合。两个信号特征类型也可以共同用于其他方法。所述其他方法提出，通过将转矩与至少一个所确定的信号特征相对应来确定待估计的转矩。为此，使用至少一个信号特征与相关的转矩之间的预先确定的相关性。所述相关性反映了转矩或者踏板功率与转速波动或者角速度波动之间的以上描述的关系。例如根据转速的按经验提高和相关的信号特征建立所述关系并且将其可调用地存储(通过离散的值对比或通过逼近公式)，而方法的所述步骤提出，使用以前确定的关系由已知的或者所检测的信号特征推断出相关的转矩。如此估计的转矩等同于时间上平均的转矩或骑车人操作踏板的平均功率。时间上平均的转矩或平均功率相应于消除了由于踏板踩踏引起的波动的平均转矩或平均功率，即在时间窗上平均的功率或平均的转矩，其中所述时间窗覆盖踏板圆形运动的一个或多个周期。本发明的一个预备实施方式提出，对于多个转矩，通过测量转矩和相关的角速度来设置预先确定的相关性。多个不同的转矩和相关的角速度的至少一个信号特征作为查找表存储。替代地，其反映为逼近公式或将信号特征映射到转矩上的其他经验对应性。在实施根据本发明的用于估计转矩的方法时，即在将转矩与所确定的至少一个信号特征相对应时，以查找表、逼近公式或经验对应性的形式使用所述相关性，所述至少一个信号特征已经借助所检测的角速度提供。一种实施方式提出，在考虑相应于平均角速度的转速的情况下来对应转矩。在此，对于不同转速，预先确定的相关性将转矩与至少一个信号特征相对应。因此，对于转速以及对于至少一个信号特征，由预先确定的相关性来对应转矩，以便估计当前的转矩。本发明的一个特定实施方式提出，通过连续地或周期地检测踏板曲柄的转动角度来确定至少一个信号特征。在检测时所使用的时间分辨率或角度有关的分辨率优选提供踏板曲柄的每转至少8个测量点，优选多于20个测量点。角速度设置为由角度传感器检测的转动角度的时间导数，所述角度传感器与踏板曲柄连接。此外提出，通过检测角速度的最大振幅和/或最小振幅来确定角速度的交变部分的功率。最大振幅相应于角速度的相对最大值，而最小振幅相应于角速度的相对最小值。此夕卜，借助角速度的峰峰值来检测交变部分的功率。具体的信号参数相应于交变部分的功率的量度，当信号特征相应于交变部分的功率时使用所述具体的信号参数。 此外，根据本发明检测角速度的最大梯度或最大变化率。此外，可以检测角速度的低频功率部分与高频功率部分之间的比例(例如商)。相应于交变部分的基频的部分称作低频部分，所述基频又相应于转速。高频部分是以安全距离位于相应于当前转速或所假定的最大转速(例如21/s)的频率之上的部分。最后，可以检测尤其是在其频率方面逼近角速度的变化曲线的正弦曲线与角速度的交变部分之间的振幅差的功率(或功率的量度)。当这些量相应于交变部分的信号形状与正弦的偏差的量度(即相对于踏板的圆形连续操作的失真)时，这些量是信号特征的实施方式。低频功率部分和高频功率部分的检测相应于在频域中角速度的交变部分的观察，而角速度与逼近的正弦变化曲线之间的差的观察相应于在时域中交变部分的观察。两个观察方式是彼此互补的并且涉及交变部分的相同的品质，即相对于正弦变化曲线的失真的程度。替代正弦变化曲线，也可以使用在以低转矩操作踏板时得出且按经验确定的变化曲线。所述变化曲线可以在时域中或在频域中用作标准，将当前的交变部分与所述标准进行比较，以便借助差别的强度来推断出转矩。差别的强度与待估计的转矩具有严格单调的相关性。具有值离散的对应性的方法的另一实施方式提出，借助于预先确定的相关性来执行对应性，其中相关性作为离散的转矩值或转矩值间隔与相关的离散信号特征或信号特征间隔的多个预先确定的对应性而存在。首先将实际检测的信号特征与至少一个所存储的信号特征值相对应，优选一个或多个最接近的信号特征值。通过调用至少一个转矩值提供转矩的对应，所述至少一个转矩值与所确定的信号特征附近的一个信号特征值相对应或者与一个信号特征值间隔相对应，所确定的信号特征位于所述信号特征值间隔中。可以直接输出相关的转矩值。优选地，根据信号特征值与所确定的信号特征之间的偏差或者替代地根据所确定的信号特征在信号特征值间隔中的位置来内插或修正所述转矩值。由此，可以存储并且在转速对应时使用可数的多个单个对应性。此外，本发明通过一种用于估计施加到电动自行车的踏板曲柄上的转矩的装置来实现。所述装置包括角速度传感器，其设置用于与转动曲柄传递转动运动地连接。角速度传感器根据转动曲柄的转动运动输出角速度信号。此外，所述装置具有信号转换器，所述信号转换器设置用于将角速度信号转换成至少一个信号特征。至少一个信号特征选自角速度的交变部分的功率和角速度的交变部分的信号形状与正弦曲线的偏差，所述正弦曲线具有与角速度的交变部分相同的频率。此外，所述装置还配备有计算单元，所述计算单元与信号转换器连接，以便接收至少一个经转换的信号特征。计算单元具有存储在计算单元中的对应性，所述对应性将转矩值和至少一个信号特征彼此对应。计算单元设置用于根据对应性将经转换的信号特征与待估计的转矩相对应并且在所述装置的输出端上输出待估计的转矩。根据本发明的装置的一种实施方式提出，计算单元实现逼近公式，所述逼近公式反映至少一个信号特征与转矩之间的关系。借助于所实施的逼近公式，计算单元设置用于将至少一个信号特征与相关的转矩相对应并且输出相关的转矩。替代地，计算单元具有查找表，在所述查找表中存储多个不同的转矩以及相应存储相关的角速度的至少一个信号特征并且它们彼此对应。计算单元设置用于将由信号转换器提供的信号特征与存储在查找表中的转矩相对应。此外，计算单元还设置用于输出在查找表中相对应的转矩。所述装置的另一实施方式提出，对于不同的转速，存储在计算单元中的对应性将 转矩值和至少一个信号特征彼此对应，所述转速相应于平均角速度。此外，所述装置包括平均求取装置，其设置用于在时间上求取角速度信号的平均。所述平均求取装置为了将时间上平均的角速度信号输入到查找表中与所述查找表连接。根据本发明的装置的一个特定实施方式提出，信号转换器包括高通滤波器，所述高通滤波器设置用于将角速度的稳定部分分量从角速度信号中去除。此外，所述装置还具有连接在后面的信号检测单元，所述信号检测单元设置用于检测角速度信号的剩余的交变分量的功率作为信号特征。所述信号特征可以作为交变分量的有效值、峰值、振幅或峰谷值来检测。替代地，信号转换器配备有微分器以及连接在后面的最大值或最小值检测单元，以便将信号特征设置为角速度信号的最大正负梯度或最小负梯度。此外，信号转换器可以包括频谱检测单元，其设置用于检测失真的程度。所述单元设置用于例如借助角速度信号中的高频部分的功率来检测失真的程度，所述高频部分的频率在角速度波动的基频之上。失真的程度相应于信号形状与正弦曲线的偏差。最后，本发明给出可通过电子方式调用的存储器，其存储根据本发明的对应性，利用所述对应性由信号特征推断出转矩。在存储器中存储了角速度信号的至少一个信号特征的多个信号特征值与相应的相关的转矩的对应性。角速度信号表示的角速度相应于由骑车人操作的电动自行车踩踏驱动装置的关于时间的转动速度，其中转矩相应于骑车人操作电动自行车踩踏驱动装置的转矩。信号特征选自角速度的交变部分的功率和角速度的交变部分的信号形状与正弦曲线的偏差，所述正弦曲线具有与角速度的交变部分相同的频率。存储器装配为查找表，其具有反映转矩的项的访问通道。查找表设置用于由在访问通道上输入的信号特征值来进行寻址。替代地，所述存储器存储逼近公式的系数，其中系数反映信号特征值与相关的转矩值之间所逼近的关系。存储器的系数如此设置，使得所述关系(即相关性)可以由逼近公式、例如多项式来实现。本发明尤其通过微处理器来实现，在微处理器上运行实现根据本发明的方法或根据本发明的装置的特征的程序，必要时与固定布线的逻辑单元组合。
在附图中示出并且在以下说明中更详细地描述本发明的实施例。
附图示出图la :在时间上变化的转矩变化曲线；图Ib :角速度的相关变化曲线；
图2 :根据本发明的装置实施例的一个实施方式。
具体实施例方式在图Ia中示出了转矩M的转矩变化曲线，其沿着时间轴t变化。相关的图Ib针对所述转矩变化曲线示出相关的角速度的交变部分do/dt。在通过垂直延伸的线表示的各个时刻，提高档位以及操作踏板驱动装置的功率。图Ia在X轴的高度上示出转矩0，而图Ib在X轴的高度上示出偏移角速度n_offset。在图Ib中示出的角速度区段(在最上面的水平线与最下面的水平线之间的差距)相应于偏移角速度n_offset的大约1/30。角速度的交变部分的振幅因此相应于偏移角速度的大约
0.4%-2%。偏移角速度相应于角速度的稳定部分。然而，交变部分的振幅与稳定部分的比例在较高负荷时明显更高，例如直至10%、30%或50%。图Ia和Ib涉及相同驱动系统的相同时间段。根据图Ia可以看到，机械功率(即相应于平均转矩M)随着时间分级地增加，因为对于每一个垂直的线负荷会提高。此外，功率可以相应于转矩变化曲线M的最大值。根据图Ib可以看到，角速度的振幅(因此角速度的交变部分的功率)同样随着负荷而增加。作为相关性，对于相应的级可以对比转矩M的包络的高度和角速度的交变部分的包络的高度(在不考虑瞬态振荡周期的情况下)。交变部分的包络的高度相应于峰谷值，其是交变部分的(信号)功率的量度。对于所示出的八个级，得到各个峰值的相应的相关性或者关联。以信号形状10示出了角速度的交变部分的信号形状，在小负荷时一即以小的(平均)转矩M实现所述信号形状；信号形状20示出角速度的交变部分的信号形状，在高的(平均)转矩时出现所述信号形状。可以看到，信号形状10类似于正弦，而信号形状20具有跳跃式的升高和下降。信号形状20的升高或者下降与位于信号形状的基频之上的更高频信号部分相关联以及与明显大于信号形状20的(最大)梯度(数值)的(最大)梯度(数值)相关联。不仅信号部分而且梯度是信号形状与正弦的偏差的量度或者曲柄操作的不规律性的量度，其中不规律性随着机械负荷(即时间平均转矩M)增加。本发明使用所述关系来根据转速的变化曲线推断出转矩。如此估计的转矩可以用作电动自行车的电动机驱动装置的调节的输入量。本发明尤其是适于电动自行车，然而可以用于任何通过手或通过脚操作的曲柄驱动装置，尤其是常见的自行车，其为了训练目的而配备有转矩显示或功率显示。在图2中示出的根据本发明的装置的实施方式包括角速度传感器(即转速传感器)100，其与信号转换器110连接。转速传感器设置在踏板曲柄112上，所述踏板曲柄112不一定是所述装置的一部分。更确切地说，所述传感器100原则上设置成与曲柄连接，从而曲柄仅仅通过虚线示出。信号转换器110设置用于求得由传感器100提供的信号的振幅高度，即峰谷值。所述值被传输给与其连接的计算单元120。计算单元120包括对应性122，其将由信号转换器110输出的振幅高度与转矩相对应。对应性122包括多个振幅高度值，其中对应性122对于振幅高度值中的每一个还设有一个转矩值。对应性122在计算单元120的输出端130上输出通过对应性122估计的转矩值。可选的连接140将角速度、即转速输送给对应性122或者计算单元120，其中对应性122优选设置用于使不同转速(转速间隔)的不同的振幅高度值与一个转矩值相对应。在对应性122中，不同的振幅高度值和不同的转速的每一个组合与一个转矩值相对应。对应性122实现为可通过电子方式调用的存储器，例如以查找表的形式。在图2中示出了本发明的组件，包括在虚线内的可选组件，其中虚线表示的曲柄不一定是本发明的一部分。
原则上，基于不同信号特征的不同确定方式也可以进行彼此组合，例如通过内插，其中实施具有不同信号特征的方法。
权利要求
1.一种用于估计施加到电动自行车的踏板曲柄上的转矩的方法，所述方法具有如下步骤 根据时间检测驱动所述踏板曲柄的角速度； 确定所述角速度的至少一个信号特征，其中，所述信号特征选自所述角速度的交变部分的功率，所述角速度的交变部分的信号形状与正弦曲线的偏差，其中，所述正弦曲线具有与所述角速度的交变部分相同的频率； 借助于所述至少一个信号特征与相关的转矩之间的预先确定的相关性将所述转矩与所确定的至少一个信号特征相对应。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述方法还包括对于多个转矩，通过测量所述转矩和所述相关的角速度来提供所述预先确定的相关性，以及将多个不同的转矩和所述相关的角速度的至少一个信号特征存储为查找表、逼近公式或将所述信号特征映射到所述转矩的其他经验对应性。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中，通过考虑相应于平均角速度的转速来提供所述转矩的对应，其方式是，对于不同的转速，所述预先给定的相关性将转矩与所述至少一个信号特征相对应。
4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，通过连续地或周期地检测所述踏板曲柄的转动角度来确定所述至少一个信号特征，其中，所述角速度设置为所述转动角度的时间导数，当所述信号特征相应于所述交变部分的功率时，通过检测所述角速度的最大振幅和/或最小振幅或角速度的峰峰值来确定所述角速度的交变部分的功率，以及通过检测所述角速度的最大梯度或最大变化率或所述角速度的低频功率部分与高频功率部分之间的比例或当所述信号形状相应于所述交变部分的信号形状与正弦的偏差时尤其是在其频率方面逼近所述角速度的变化曲线的正弦曲线与所述角速度的交变部分之间的振幅差来确定所述角速度的交变部分的功率。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，借助于所述预先确定的相关性来进行所述对应，所述相关性作为离散的转矩值或转矩值间隔与相关的离散信号特征值或信号特征间隔的多个预先确定的对应性而存在，所述对应还包括调用至少一个转矩值，其与所确定的信号特征附近的信号特征值相对应或与如下信号特征间隔相对应所确定的信号特征位于所述信号特征间隔中；以及根据信号特征值与所确定的信号特征之间的偏差或根据所确定的信号特征在所述信号特征值间隔中的位置来内插或修正所述转矩值。
6.一种用于估计施加到电动自行车的踏板曲柄(112)上的转矩的装置，所述装置具有角速度传感器(100)，所述角速度传感器设置成与所述踏板曲柄传递转动运动地连接，并且所述角速度传感器根据所述踏板曲柄的转动运动输出角速度信号， 其中，所述装置还具有信号转换器(110)，所述信号转换器设置用于将所述角速度信号转换成至少一个信号特征，其中，所述至少一个信号特征选自所述角速度的交变部分的功率，所述角速度的交变部分的信号形状与正弦曲线的偏差，其中，所述正弦曲线具有与所述角速度的交变部分相同的频率； 所述装置还配备有计算单元(120 )，所述计算单元与所述信号转换器(110 )连接，以便接收所述至少一个经转换的信号特征，其中，所述计算单元具有存储在计算单元(120)中的对应性(122)，所述对应性将所述转矩值与所述至少一个信号特征彼此对应，其中，所述计算单元设置用于将所述经转换过的信号特征根据所述对应性与待估计的转矩相对应，并且在所述装置的输出端(130)上输出待估计的转矩。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述计算单元(120)实现反映所述至少一个信号特征与所述转矩之间的关系的逼近公式，以及所述计算单元(120)借助于所述逼近公式设置用于将所述至少一个信号特征与相关的转矩相对应并且输出所述相关的转矩，或者所述计算单元具有查找表(122)，在所述查找表中存储有多个不同的转矩并且相应地存储有相关的角速度的至少一个信号特征并且它们彼此相对应，其中，所述计算单元设置用于将由所述信号转换器(110)提供的信号特征与存储在所述查找表(122)中的转矩相对应，以及输出由所述查找表相对应的转矩。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，对于相应于平均角速度的不同转速，存储在所述计算单元(120)中的对应性将所述转矩值和所述至少一个信号特彼此相对应，其中，所述装置还包括平均求取装置，所述平均求取装置设置用于在时间上求取所述角速度的平均，所述平均求取装置为了将时间上平均的角速度信号输入所述查找表(122)中与所述查找表连接。
9.根据权利要求6、7或8所述的装置，其中，所述信号转换器(110)包括高通滤波器，所述高通滤波器设置用于将所述角速度的稳定部分分量从所述角速度信号中去除，所述信号转换器(110)包括连接在后面的信号功率检测单元，所述信号功率检测单元用于检测所述角速度信号的剩余的交变分量的功率作为所述信号特征，尤其是作为交变分量的有效值、峰值、振幅或峰谷值，或者所述信号转换器包括微分器以及连接在后面的最大值或最小值检测单元，以便作为所述交变速度信号的最大正梯度或者最小负梯度来提供所述信号特征，或者，所述信号转换器包括频谱检测单元，所述频谱检测单元设置用于例如根据所述角速度信号中的高频部分的功率来检测失真的程度，所述高频部分的频率在角速度波动的基频之上。
10.能够通过电子形式调用的存储器(122)，在所述存储器中存储有角速度信号的至少一个信号特征的多个信号特征值与相应的相关的转矩的对应性，其中，所述角速度信号表示的角速度反映由骑车人操作的电动自行车踩踏驱动装置关于时间的转速，所述转矩相应于所述骑车人操作所述电动自行车踩踏驱动装置的转矩，所述信号特征选自所述角速度的交变部分的功率以及所述角速度的交变部分的信号形状与正弦曲线的偏差，所述正弦曲线具有与所述角速度的交变部分相同的频率，其中，所述存储器被构造为查找表，所述查找表具有反映所述转矩的项的访问通道，并且所述查找表由在所述访问通道上输入的信号特征值进行编址，或者，所述存储器存储逼近公式的系数，其中，所述系数反映信号特征值与相关的转矩值之间所逼近的关系，其中，所述存储器的系数设置成所述关系能够由逼近公式、例如多项式实现。
全文摘要
本发明涉及一种用于估计施加到电动自行车的踏板曲柄上的转矩的方法。所述方法提出根据时间检测驱动所述踏板曲柄的角速度。确定所述角速度的至少一个信号特征。所述信号特征选自所述角速度的交变部分的功率，所述角速度的交变部分的信号形状与正弦曲线的偏差，其中，所述正弦曲线具有与所述角速度的交变部分相同的频率。最后，借助于所述至少一个信号特征与相关的转矩之间的预先确定的相关性将所述转矩与所确定的至少一个信号特征相对应。此外，本发明还涉及一种相关的装置以及一种能够通过电子方式调用的存储器，其存储有基于根据本发明的对应性的关联。
文档编号B62M6/50GK102869564SQ201180022214
公开日2013年1月9日 申请日期2011年4月19日 优先权日2010年5月6日
发明者M·科尔韦尔 申请人:罗伯特·博世有限公司