本发明涉及骑行控制技术领域，具体涉及一种基于速度闭环的踏板负荷控制方法。
背景技术
普通电动自行车或电助力自行车包括用于旋转车轮的电动机和为电动机提供动力的电池，借助于电动机的车轮旋转而行驶。普通电动自行车没有安装踏板，通过旋转调速把手设置不同的固定档位来控制车辆行进速度；电助力自行车安装有力矩传感器和电机控制器，通过检测用户脚踏力矩的大小判断驾驶员是否需要电机助力以及所需助力大小。
这些电动自行车不支持用户自主调节踏板的踏板负荷。当用户为节省体力降低踏板负荷，或为锻炼身体提高踏板负荷时，无法满足其实际需求。
传统自行车采用链条结构，将踩踏力传递至车轮来实现行驶。具有变速功能的自行车安装复杂的齿盘等部件，可以通过调整前、后齿盘的大小来调整踏板的负荷，但是这种链条和齿轮结构较为复杂，维护维修不便，容易产生污染等问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于速度闭环的踏板负荷控制方法，用以解决现有踏板速度突变使驾驶员产生仿佛“踏空”的感觉，进而影响骑行或健身的实际体验的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于速度闭环的踏板负荷控制方法，所述基于速度闭环的踏板负荷控制方法用于踏板负荷控制系统中，包括以下步骤：
s10：输入初始固定占空比的脉冲宽度调制控制作为踏板的基准负荷，设置速度波动系数，定义连续蹬踏模式，在该模式下踏板速度维持在所述波动系数设定的范围；
s20：通过速度检测单元检测踏板的当前速度，并将该当前速度作为目标速度；
s30：通过速度检测单元检测踏板下一时刻转动的实时速度；
s40：判断踏板下一时刻转动的实时速度是否为零；
s50：根据判断结果，如果实时速度为零，则结束连续蹬踏模式；如果实时速度不为零，则计算实时速度与目标速度的差值，判断所述差值是否在波动系数设定的范围；
s60：根据比较结果调整脉冲宽度调制控制的占空比或重设目标速度。
当所述差值超出所述波动系数设定范围时，维持脉冲宽度调制控制不变，并将该实时速度作为下一周期的目标速度，退出当前的连续蹬踏模式。
当所述差值在所述波动系数设定范围内时，若实时速度大于目标速度，则增大脉冲宽度调制控制占空比提高踏板负荷；若实时速度小于目标速度，则减小脉冲宽度调制控制占空比降低踏板负荷。
所述踏板负荷控制系统包括：蓄电池；发电机，所述发动机与踏板相连，通过踏板的驱动产生交流电压；以及踏板负荷调节部，所述踏板负荷调节部通过所述发动机产生的交流电压充电至所述蓄电池中的电量来调节所述踏板的踏板负荷。
所述所述踏板负荷调节部包括：整流单元，所述整流单元将所述发电机产生的交流电压整流成为直流电压，所述整流单元的输入侧与所述发电机连接；boost电路，所述boost电路包括电感l、开关s以及二极管d，所述整流单元的输出侧连接于所述电感l的输入侧与接地侧之间；所述电感l连接于所述整流单元的输出侧与所述二极管d的输入侧；所述二极管d连接于所述电感l的输入侧与蓄电池的输入侧之间；所述开关s连接于所述电感l的输出侧和二极管d输入侧的汇接点与接地侧之间。
所述踏板负荷控制系统还包括主控单元，所述主控单元对所述踏板负荷调节部进行脉冲宽度调制控制，调节所述发电机产生的电压充电至所述蓄电池中的电量，从而调节所述踏板的踏板负荷。
所述骑行踏板负荷控制系统还包括位置检测单元，所述位置检测单元用于对所述踏板的踏板位置进行检测，其中，所述踏板位置是指发电机内部转子的位置。
所述踏板负荷控制系统还包括速度检测单元，所述速度检测单元用于对所述踏板的踏板速度进行检测；所述踏板速度是指连接到踏板的驱动轴的转速。
所述踏板负荷控制系统还包括功率检测单元，所述功率检测单元用于对充电至蓄电池的电量和充电功率进行实时检测，即检测驾驶员的发电功率和发电量。
所述踏板负荷控制系统还包括界面装置，所述界面装置用于根据用户输入值设置所述踏板负荷调节部的脉冲宽度调制占空比，并显示所述踏板的实时速度曲线以及所述功率检测单元输出的发电功率和发电量。
本发明具有如下优点：本发明的踏板负荷控制系统，其支持用户自主调节脚踏板的负荷，可应用在电动自行车上，也可应用于功率骑行台上，简化现有机械结构，大幅提升用户骑行和健身的体验；通过控制连接至发电机的脚踏板的脚踏板负荷，使驾驶员踩脚踏板时能够感觉到宛如链条存在时的脚踏板感觉，同时可以由驾驶员根据自身体力和意愿自主调整脚踏板负荷的大小；同时，基于本发明的骑行脚踏负荷控制系统，开发出无链条电传动自行车；能够通过控制boost电路升压比例调节发电机充电到蓄电池中的电量来控制脚踏板负荷，使驾驶员蹬踏时感受到宛如链条存在般的骑行脚踏板的感觉；同时，本发明的基于速度闭环的踏板负荷控制方法，是根据踏板的实时速度进行反馈调节。通过这种方法可实现对踏板负荷的补偿，阻止踏板速度突变，使驾驶员在蹬踏踏板360度旋转的过程中感受到均匀的踏板负荷和平滑的踏板速度，从而提供更好地骑行和健身体验。
附图说明
图1为本发明实施例提供的踏板负荷控制系统应用于电动自行车上的立体结构示意图。
图2为本发明实施例提供的踏板负荷控制系统的总体框图。
图3为本发明实施例提供的踏板负荷控制系统的踏板负荷调节部的原理框图。
图4和图5为本发明实施例提供的踏板负荷控制系统的踏板负荷调节部的充放电过程图。
图6为本发明实施例提供的踏板负荷控制系统的踏板负荷调节部的开关的时序图。
图7为本发明实施例提供的踏板负荷控制系统在固定踏板负荷时的踏板速度变化的参考示意图。
图8为本发明实施例提供的基于速度闭环的踏板负荷控制方法的流程图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1至图8所述，本发明实施例提供的一种踏板负荷控制系统，本发明的踏板负荷控制系统可应用在电动自行车上，如图1所示，电动自行车包括前车架19、后车架18、蓄电池13、发电机10、踏板21、主控单元22和界面装置20。
在前车架19中设置发电机10，在该发电机10的两侧可旋转地安装踏板21。当驾驶员旋转踏板21时，在发电机10中该踏板21的旋转力转换成电能，这种发电机10的电能可储蓄在蓄电池13中。
在前车架19中可安置储蓄通过发电机10转换的电能的蓄电池13和主控单元22。界面装置20向驾驶员显示电动自行车的行驶状态和骑行数据，并可以通过按键或触摸屏等输入方式将踏板负荷等等参数传递到主控单元22。这种界面装置20与主控单元22之间进行有线电连接或无线连接。
如图2所示，本发明实施例提供的一种踏板负荷控制系统包括：蓄电池13；发电机10，所述发动机10与踏板21相连，通过踏板21的驱动产生交流电压；以及踏板负荷调节部15，所述踏板负荷调节部15通过所述发动机10产生的交流电压充电至所述蓄电池13中的电量来调节所述踏板21的踏板负荷，所述踏板负荷调节部15包括：整流单元11，所述整流单元11将所述发电机10产生的交流电压整流成为直流电压，所述整流单元11的输入侧与所述发电机10连接；boost电路12，所述boost电路12包括电感l、开关s以及二极管d，所述整流单元11的输出侧连接于所述电感l的输入侧与接地侧之间；所述电感l连接于所述整流单元11的输出侧与所述二极管d的输入侧；所述二极管d连接于所述电感l的输入侧与蓄电池13的输入侧之间；所述开关s连接于所述电感l的输出侧和二极管d输入侧的汇接点p与接地侧之间。
当所述开关s接通时，电压从所述整流单元11提供至所述电感l而对其进行充电，当所述开关s断开时，由于电感l的电流保持特性，流经电感l的电流不会跳变，且电感l通过二极管d对蓄电池13进行充电，蓄电池13端电压升高。
所述开关s为晶体三极管或场效应管mosfet。
本发明实施例提供的踏板负荷控制系统还包括主控单元22，所述主控单元22对所述踏板负荷调节部15进行脉冲宽度调制控制(pulsewidthmodulation，pwm)，调节所述发电机10产生的电压充电至所述蓄电池13中的电量，从而调节所述踏板21的踏板负荷。
所述主控单元22对所述开关s进行脉冲宽度调制控制(pwm)，当增大开关s的占空比时，使所述踏板21的踏板负荷相应增加；当减小开关s的占空比时，使所述踏板21的踏板负荷相应降低。
本发明实施例提供的骑行踏板负荷控制系统还包括位置检测单元24，所述位置检测单元24用于对所述踏板21的踏板位置进行检测，其中，所述踏板位置是指发电机内部转子的位置。
本发明实施例提供的踏板负荷控制系统还包括速度检测单元23，所述速度检测单元23用于对所述踏板21的踏板速度进行检测；所述踏板速度是指连接到踏板的驱动轴的转速。速度检测单元可为内置发电机中的霍尔传感器。
本发明实施例提供的踏板负荷控制系统还包括功率检测单元，所述功率检测单元用于对充电至蓄电池的电量和充电功率进行实时检测，即检测驾驶员的发电功率和发电量。
所述功率检测单元为功率计、电阻采样器或电流传感器中的一种。
本发明实施例提供的踏板负荷控制系统还包括界面装置20，所述界面装置20用于根据用户输入值设置所述踏板负荷调节部的脉冲宽度调制占空比，并显示所述踏板的实时速度曲线以及所述功率检测单元输出的发电功率和发电量。
踏板负荷调节部15调节踏板21的负荷，根据需要，使驾驶员踩踏板时感觉到不同负荷的踏板感觉。踏板负荷调节部可调节从踏板21的驱动产生的电力的发电机10充电至蓄电池13中的电量来调节踏板21的踏板负荷。若踏板负荷调节部对踏板21施加踏板负荷，则驾驶员必须使劲踩踏板21才能旋转，感觉到踏板的感觉。并且，踏板负荷调节部可以通过脉冲宽度调制(pwm)对占空比进行控制从而施加不同的踏板负荷。当pwm占空比为0时，即设置踏板负荷调节部15的升压比例为0，从而解除供给踏板21的踏板负荷；当pwm占空比为1时，即发电机的三相进行短接，从而达到最大程度的踏板负荷。
如图3所示，踏板负荷调节部包括通过与之相连的踏板驱动产生交流电压的发电机10，将在该发电机10中产生的交流电压整流成为直流电压的整流部11，对整流后的直流电压进行升压的boost电路12(包括电感l、二极管d和开关s)，以及用于限制boost电路12输出电压并进行充电的蓄电池13。开关s连接于电感l的输出侧与二极管d的输入侧之间。通过对开关s进行接通时间和断开时间进行可变控制的占空比控制，调节boost电路12输出的对蓄电池13进行充电的电压，将驾驶员踩踏板时发电机10产生电力充至蓄电池13，以提供驾驶员踩踏板时的踏板负荷感觉。根据boost电路升压原理，当pwm占空比d从小到大进行变化时，输出电压将逐渐升高，踏板负荷感觉逐渐增强。
上述开关s可为场效应晶体管(fieldeffecttransistor；fet)、晶体管(transistor)等电子切换元件。电感l设置于整流单元11的输出侧与开关s的输入侧之间。二极管d设置于开关s的输出侧与蓄电池13的输入侧之间。当开关s接通时，电感l由整流单元11的输出电压进行充电。由于二极管d的反向截止特性，蓄电池13不会放电对电感l进行充电。当开关s断开时，储藏在电感l中的电量经过二极管d传递至蓄电池13，对蓄电池13进行充电。
图4至图5是本发明实施例的踏板负荷控制系统的踏板负荷调节部的开关动作图；参照图4和图5，当驾驶员踩踏板时，通过设置控制开关s的占空比d即对其进行脉冲宽度调制，从而调节控制踏板的踏板负荷。
具体而言，如图4所示，当开关s接通时，整流单元11的输出电流如箭头方向所示经过电感l和开关s向接地侧导通。此时，与发电机10连接的电路形成闭合电路，将能量储存至电感l中，并在发电机10中产生反电动势，从而产生踏板负荷。
如图5所示，当开关s断开时，电感l中储存的能量如箭头方向所示流动至蓄电池13中，对蓄电池13进行充电，并在二极管两端产生电压差，该电压差会导致二极管d产生热损失。
当开关s交替进行接通和断开时，驾驶员持续踩踏板使之旋转，便一直可以感觉到踏板感觉。
图6是本发明实施例的踏板负荷控制系统的踏板负荷调节部的开关的时序图。利用主控单元22对所述踏板负荷调节部15的开关s进行脉冲宽度调制来控制占空比d(0<d<1)，控制开关s的接通时间和断开时间交替变化。在pwm占空比固定时，踏板的踏板负荷将维持不变。
当提高踏板的踏板负荷时，则增大开关s的占空比d。此时，开关s的接通时间相应增大，发电机10在一个开关周期t内存储至电感l中的能量增加，可以提供更大的反电动势。
当减低踏板的踏板负荷时，则减小开关s的占空比d。此时，开关s的接通时间相应减少，发电机10在一个开关周期t内存储至电感l中的能量变少，产生的反电动势相应变小。
图7是本发明实施例的踏板负荷控制系统在固定踏板负荷时的踏板速度变化的参考示意图。参照图7，当踏板负荷调节部的升压比例即pwm占空比固定时，踏板负荷将维持不变。
在踏板进行360°旋转的过程中，当踏板处于脚部便于发力的位置时，踏板速度会呈现图中所示的波峰和波谷的交替变化，即踏板速度会产生突变。
当连接至发电机的踏板在驾驶员的驱动下正向旋转时，用户输入不同的升压比例，利用作为升压器的踏板负荷调节部可以调节发电机充电至电池中的电量来调节踏板的踏板负荷。当踏板负荷调节部的升压比例固定时，在踏板处于脚部便于发力的位置会导致踏板的旋转速度突变，使驾驶员产生仿佛“踏空”的感觉，影响骑行或健身的实际体验。
针对这一问题，本发明实施例提出了一种基于速度闭环进行踏板负荷调整的控制方法，其包括以下步骤：
s10：输入初始固定占空比的pwm作为踏板的基准负荷，设置速度波动系数，定义连续蹬踏模式，在该模式下踏板速度维持在所述波动系数设定的范围；
s20：通过速度检测单元检测踏板的当前速度vt，并将该当前速度vt作为目标速度v0；
s30：通过速度检测单元检测踏板下一时刻的实时速度vt+1；
s40：判断踏板下一时刻转动的实时速度是否为零；
s50：根据判断结果，如果实时速度为零，则结束连续蹬踏模式，即骑行者不再需要蹬踏踏板；如果实时速度不为零，则计算实时速度与目标速度的差值，判断所述差值是否在波动系数设定的范围内；
s60：根据比较结果采用比例或比例-积分或比例-积分-微分方式调整pwm的占空比，或重设目标速度v0＝vt+1。
当所述差值超出所述波动系数设定范围时，维持pwm不变，并将该实时速度作为下一周期的目标速度，退出当前的连续蹬踏模式；当所述差值在所述波动系数设定范围内时，若实时速度大于目标速度，则增大pwm占空比提高踏板负荷，反之，则减小pwm占空比降低踏板负荷。
本发明实施例提供的基于速度闭环的负荷控制方法是根据踏板的实时速度进行反馈调节。通过这种方法可实现对踏板负荷的补偿，阻止踏板速度突变，使驾驶员在蹬踏踏板360度旋转的过程中感受到均匀的踏板负荷和平滑的踏板速度，从而提供更好地骑行和健身体验。
本发明提供的脚踏板控制系统和基于速度闭环负荷控制方法，能够通过调节踏板负荷调节部的pwm占空比来控制踏板负荷，并采用基于速度闭环的方法对踏板负荷进行调节，具有结构简单、控制方便和转化效率高等优点。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。