一种多级自动调速的电动三轮车控制系统和方法

技术领域

本申请涉及控制或调节电动机技术领域，特别涉及一种多级自动调速的电动三轮车控制系统和方法。

背景技术

无刷直流电动机结构简单、寿命长、低维护成本，因而广泛应用于电动三轮车之中。

目前，无刷直流电动机直接连接到电动三轮车转轴上，通过调节无刷直流电动机的转速控制电动三轮车的行驶速度。在基速以下，无刷直流电动机通常工作于恒转矩模式，在负载转矩不超过电磁转矩的情况下，可以根据操作人员需求进行自由速度切换。在路况较好，负载转矩较轻时，可以使无刷直流电动机工作于恒功率模式，通过弱磁控制提高转速，从而提高电动三轮车的行驶速度。但当路况较差，尤其是上坡的坡度较大时，往往负载转矩超过无刷直流电机能提供的最大转矩，造成无法爬坡，甚至烧毁无刷直流电动机。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种多级自动调速的电动三轮车控制系统和方法，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供了一种多级自动调速的电动三轮车控制系统，包括：驱动电机、调档电机、中央控制器、变速箱、离合器；

所述驱动电机通过所述离合器与所述变速箱连接，所述变速箱与所述电动三轮车的驱动轮连接，用于将所述驱动电机的驱动转矩输出到所述电动三轮车的驱动轮上；

所述调档电机通过切换装置与所述变速箱连接，用于档程调节；

所述中央控制器分别与所述驱动电机、所述调档电机通过驱动模块和检测电路连接，用于对所述驱动电机以及所述调档电机的运行状态进行检测，以根据所述运行状态通过驱动模块对所述电动三轮车的速度进行调节，其中，所述驱动电机、所述调档电机均为无刷直流电动机。

优选地，所述系统还包括转把；

所述转把用于输入操作指令，所述操作指令用于指示所述驱动电机和所述电机进行相应的操作以改变所述电动三轮车的运行速度；

其中，所述驱动电机的运行模式包括空档、低速、中速、高速、倒档和刹车6个模式，所述变速箱的档程分为空档和1～5档，对应于所述调档电机的6个位置。

优选地，所述中央控制器包括指令输入模块，所述指令输入模块用于对所述转把的转动角度进行检测，以根据所述转把的转动角度确定所述操作指令，并结合档位开关确定所述电动三轮车的运行模式；所述驱动模块包括所述驱动电机的驱动电路以及所述调档电机的驱动电路；

所述中央控制器根据所述电动三轮车的运行模式、驱动电机定子电流以及所述调档电机的档位状态分别向所述驱动电机的驱动电路以及所述调档电机的驱动电路发送驱动信号，进而控制所述驱动电机、所述调档电机确定所述电动三轮车的运行模式。

优选地，所述中央控制器还包括电流检测模块，所述电流检测模块用于实时检测所述驱动电机的定子绕组电流，以由所述中央控制器根据所述定子绕组电流向所述调档电机的驱动电路发送驱动信号，控制所述调档电机进行所述变速箱的档位选择，从而实现对所述电动三轮车的速度进行自动调节。

优选地，当运行模式处于高速前行模式时，所述中央控制器具体用于判断所述定子绕组电流是否大于所述驱动电机的最大电流，若是，则向所述调档电机的驱动电路发送驱动信号，以驱动所述调档电机将变速箱自动降一档程，如果降一档程后所述定子绕组电流仍大于所述驱动电机的最大电流，则驱动所述调档电机继续将变速箱自动降一档程，直至所述定子绕组电流满足电机的最大电流要求或者切换到1档。

如果所述变速箱的档程降到1档后，所述驱动电机的定子绕组电流仍大于所述驱动电机的最大电流，则通过降低所述驱动电机的驱动电路的驱动信号的占空比进行所述驱动电机的驱动电压调节，直至所述驱动电压为零，所述驱动电机停转。

优选地，当运行模式处于中速前行模式时，所述中央控制器具体用于向所述调档电机的驱动电路发送驱动信号，使变速箱的档程调整至5档，并向所述驱动电机的驱动电路发送驱动信号，以驱动所述驱动电机以一半基速运行；

所述电流检测模块实时检测所述驱动电机的定子绕组电流，并根据所述定子绕组电流驱动所述调档电机自动进行变速箱的档程切换，直至所述运行模式发生变化。

优选地，当运行模式处于低速前行模式时，所述中央控制器具体用于向所述调档电机的驱动电路发送驱动信号，使变速箱的档程调整至5档，并向所述驱动电机发送驱动信号，以驱动所述驱动电机以四分之一基速运行；

所述电流检测模块实时检测所述驱动电机的定子绕组电流，并根据所述定子绕组电流是否超过驱动电机的最大电流驱动所述调档电机自动进行变速箱的档程切换，直至所述运行模式发生变化。

优选地，所述中央控制器还包括转速检测模块；所述转速检测模块用于检测所述驱动电机的转速。

优选地，所述调档电机为功率不大于50W的永磁无刷直流电机。

本申请实施例提供一种多级自动调速的电动三轮车控制方法，包括：

步骤S101、检测所述电动三轮车的转把状态，以确定所述电动三轮车的运行模式；

步骤S102、响应于所述运行模式处于高速前行模式，判断驱动电机的定子绕组电流是否大于所述驱动电机的最大电流，若是，则向调档电机的驱动电路发送驱动信号，以驱动所述调档电机将变速箱自动降一档程，如果降一档程后所述定子绕组电流仍大于所述驱动电机的最大电流，则驱动所述调档电机将变速箱继续自动降一档程，直至所述定子绕组电流满足不超过所述驱动电机的最大电流的要求；

步骤S103、响应于所述运行模式处于中速前行模式，向所述调档电机的驱动电路发送驱动信号，使变速箱档程调整至5档，并向所述驱动电机的驱动电路发送驱动信号，以驱动所述驱动电机以一半基速运行；实时检测所述驱动电机的定子绕组电流，并根据所述定子绕组电流判断是否超出所述驱动电机的最大电流驱动所述调档电机自动进行变速箱的档程切换，直至所述运行模式发生变化；

步骤S104、响应于所述运行模式处于低速前行模式，向所述调档电机的驱动电路发送驱动信号，使变速箱档程调整至5档，并向所述驱动电机的驱动电路发送驱动信号，以驱动所述驱动电机以四分之一基速运行；实时检测所述驱动电机的定子绕组电流，并根据所述定子绕组电流是否超出所述驱动电机的最大电流，以驱动所述调档电机自动进行变速箱的档程切换，直至所述运行模式发生变化。

有益效果：

本申请中，将离合器、变速箱和驱动无刷直流电动机结合起来，额外使用小功率无刷直流电机进行档程调节，达到低速时提升驱动转矩的目的。当电动三轮车遭遇较差路况，需要提供较大负载转矩时，系统实时检测无刷直流的定子绕组电流，在保证不超过无刷直流电机最大电流的情况下，选择最优档程，保证电动三轮车向前行驶和系统安全运行。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：

图1为根据本申请的一些实施例提供的多级自动调速的电动三轮车控制系统的结构示意图；

图2为根据本申请的一些实施例提供的档位开关、转把与变速箱的档程示意图；

图3为根据本申请的一些实施例提供的档程配合和切换流程示意图；

图4为根据本申请的一些实施例提供的自动变档流程示意图；

图5为根据本申请的一些实施例提供的意外处理模式流程示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

示例性系统

本申请实施例提供一种多级自动调速的电动三轮车控制系统，如图1、图2所示，该系统包括：驱动电机、调档电机、中央控制器、变速箱、离合器。

其中，驱动电机通过离合器与变速箱连接，变速箱与电动三轮车的驱动轮连接，用于将驱动电机的驱动转矩输出到电动三轮车的驱动轮上；调档电机通过切换装置与变速箱连接，用于档程调节；中央控制器分别与驱动电机、调档电机通过驱动模块和检测电路连接，用于对驱动电机以及调档电机的运行状态进行检测，以根据运行状态通过驱动模块对电动三轮车的速度进行调节，其中，驱动电机、调档电机均为无刷直流电动机。

图1为本申请的多级自动调速的电动三轮车控制系统的结构示意图，如图1所示，驱动电动三轮车的无刷直流电机(即驱动电机)通过离合器和变速箱连接，再进一步输出驱动转矩到电动三轮车的驱动轮上。调速用的小功率无刷直流电动机(即调档电机)，通过切换装置连接到变速箱上，用于进行档程调节。

其中，调档电机的控制对象是变速箱，它有6个霍尔元件指示档程。驱动电机是电动三轮车的动力来源，通过变速箱将扭矩输出到三轮车的驱动轮上。中央控制器向调档电机和驱动电机的驱动电路发送驱动信号控制二者的动作。仅检测驱动电机的定子电流，避免电流超限。

通过上述系统，将离合器、变速箱和驱动无刷直流电动机结合起来，额外使用小功率无刷直流电机作为调档电机以进行档程调节，达到低速时提升驱动转矩的目的，当电动三轮车遭遇较差路况，比如上坡的坡度较大，需要提供较大负载转矩时，系统的中央控制器实时检测驱动电机的定子绕组电流，在保证不超过驱动电机最大电流的情况下，选择最优档程，保证电动三轮车向前行驶和系统安全运行。

在上述方案的基础上，系统还包括转把，转把用于输入操作指令，操作指令用于指示驱动电机和电机进行相应的操作以改变电动三轮车的运行速度，其中，驱动电机的运行模式包括空档、低速、中速、高速、倒档和刹车5个模式，变速箱的档程分为空档和1～5档，对应于调档电机的6个位置。

示例性地，图2为根据本申请的一些实施例提供的档位开关、转把与变速箱的档程示意图。如图2所示，电动三轮车的档位由档位开关控制，档位开关设为空档、倒档和前进三个模式。结合刹车模式，则电动三轮车的共有四种运行模式。驱动电机的运行模式分为空档、低速、中速、高速、倒档和刹车6个模式。转把设有低、中、高三个模式，分别对应于驱动电机的低速、中速、高速。同时，根据变速箱结构将变速箱档程分为1～5档和空档，分别对应调档电机的6个位置。

基于图2所示的系统，影响系统运行模式的输入包括：档位开关、转把、刹车信号、驱动电机的定子电流。其中，电动三轮车不运行时，系统处于空档模式。

当操作者将档位开关位于倒档模式时，变速箱必须处于1档，驱动电机反向基速运行，直至完成倒档操作，操作者切换模式。

当档位开关位于前进模式时，操作者控制转把命令电动三轮车以低速、中速、高速前行。

为了使电动三轮车的速度调节更加智能化，一些实施例中，中央控制器包括指令输入模块，指令输入模块用于对转把的转动角度进行检测，以根据转把的转动角度确定操作指令，并结合档位开关确定驱动电机的运行模式；驱动模块包括驱动电机的驱动电路以及调档电机的驱动电路，中央控制器还用于根据驱动电机的运行模式、驱动电机定子电流以及调档电机的档位状态向驱动电机的驱动电路、调档电机的驱动电路发送驱动信号。

本申请实施中，当档位开关位于前进模式时，操作人员通过扭动转把使其角度发生变化，以向系统输入不同的电压信号。指令输入模块利用霍尔效应检测操作人员输入的电压信号，并根据该电压信号确定转把状态，即判断转把处于低、中、高三个模式中哪个模式下，将其作为输入指令以确定驱动电动机的运行模式。

由前述说明可知，驱动电机的运行模式分为低速、中速、高速，也就是说，驱动电机的速度分为低速、中速、高速三段速度，变速箱分为1～5档，将驱动电机与变速箱相配合，可得到3×5＝15种速度。通过转把状态可确定操作指令，进而确定电动三轮车的运行模式。此时，驱动模块根据电动三轮车的运行模式、驱动电机定子电流以及调档电机的档位状态向驱动电机的驱动电路、调档电机的驱动电路发送驱动信号，以驱动电动三轮车安全行驶。

进一步地，一些实施例中，中央控制器还包括电流检测模块，电流检测模块用于实时检测驱动电机的定子绕组电流，以由中央控制器根据定子绕组电流是否超出驱动电机的最大电流向调档电机发送驱动信号进行变速箱的档位选择，从而实现对电动三轮车的速度进行自动调节。

在前述方案的基础上，若档位开关处于前进模式，电动三轮车包括：高速前行、中速前行、低速前行三种运行模式。

当电动三轮车的运行模式处于高速前行模式时，中央控制器具体用于判断定子绕组电流是否大于驱动电机的最大电流，若是，则向调档电机的驱动电路发送驱动信号，以驱动调档电机将变速箱自动降一档程，如果降一档程后定子绕组电流仍大于驱动电机的最大电流，则驱动调档电机继续将变速箱自动降一档程，直至定子绕组电流满足电机的最大电流要求或者切换到1档。

如果变速箱降到1档后，驱动电机的定子电流仍超限，则通过降低驱动电路驱动信号的占空比进行驱动电机的驱动电压调节，直至驱动电压为零，驱动电机停转。

实际中，操作人员扭动转把向电动三轮车发送输入指令，以命令电动三轮车以最高速度前行时，即当运行模式处于高速前行模式时，调档电机将变速箱置于最大档程，中央控制器在实时检测驱动电机的定子绕组电流的基础上，以驱动电机能提供的最大转矩快速达到额定转速，即达到基速。如果此时驱动电机的定子绕组电流超过最大电流，则变速箱自动降一档程。如果驱动电机的定子绕组电流仍超过最大电流，则变速箱继续降档，直至驱动电机的定子绕组电流满足最大电流要求或者变速箱降到1档。

如果变速箱降到1档后，驱动电机的定子电流仍超限，则通过降低驱动电路驱动信号的占空比进行驱动电机的驱动电压调节，直至驱动电压为零，驱动电机停转。

当运行模式处于中速前行模式时，中央控制器具体用于向调档电机的驱动电路发送驱动信号，使其档程调整至5档，并向驱动电机的驱动电路发送驱动信号，以使驱动电机以一半基速运行；电流检测模块实时检测驱动电机的定子绕组电流，并根据定子绕组电流是否超过驱动电机的最大电流驱动调档电机自动进行档程切换，直至运行模式发生变化。

具体地，当操作者扭动转把，命令电动三轮车以中速前行时，中央控制器向调档电机的驱动电路发送驱动信号，使其旋转至5档的位置，对应地，变速箱的档程也处于5档。此时，驱动电机以一半基速运行，同时实时检测驱动电机的定子绕组电流，如果驱动电机的定子绕组电流超过最大电流，则继续降档，直至驱动电机的定子绕组电流满足最大电流要求或者降到1档。

如果变速箱降到1档后，驱动电机的定子电流仍超限，则通过降低驱动电路驱动信号的占空比进行驱动电机的驱动电压调节，直至驱动电压为零，驱动电机停转。

当运行模式处于低速前行模式时，中央控制器具体用于向调档电机的驱动电路发送驱动信号，使变速箱档程调整至5档，并向驱动电机的驱动电路发送驱动信号，以使驱动电机以四分之一基速运行；电流检测模块实时检测驱动电机的定子绕组电流，并根据定子绕组电流是否超过驱动电机的最大电流驱动调档电机自动进行档程切换，直至运行模式发生变化。

具体地，当操作人员扭动转把，命令电动三轮车以低速前行时，中央控制器具体用于向调档电机的驱动电路发送驱动信号，使其旋转至5档的位置，对应地，变速箱的档程也处于5档。此时，驱动电机以四分之一基速运行，同时实时检测驱动电机的定子绕组电流，如果驱动电机的定子绕组电流超过最大电流，则继续降档，直至驱动电机的定子绕组电流满足最大电流要求或者降到1档。

如果变速箱降到1档后，驱动电机的定子电流仍超限，则通过降低驱动电路驱动信号的占空比进行驱动电机的驱动电压调节，直至驱动电压为零，驱动电机停转。

应当理解，车辆在前行时还有减速的需求，行车过程中，操作者刹车时，进入刹车模式，此时，中央控制器判断驱动电机的运行模式，如果变速箱处于2～5档，中央控制器将驱动电机的驱动电压占空比设为30％，同时调档电机进行变速箱的降档操作。如果刹车信号一直存在，则继续重复以上动作，直至调档电机将变速箱降到1档。如果变速箱降到1档，驱动电机的定子电流仍超限，则通过降低驱动电路驱动信号的占空比进行驱动电机的驱动电压调节，直至驱动电压为零，驱动电机停转。

进一步地，中央控制器还包括转速检测模块和位置检测模块，其中，转速检测模块用于检测驱动电机的转速，作为驱动电机控制的反馈信号。位置检测模块利用霍尔元件检测驱动电机的转子位置和调档电机的档位位置。

具体地，转速检测模块将检测到的驱动电机的转速反馈到中央控制器，作为驱动电机速度控制的反馈信号。位置检测模块包括调档电机的位置检测和转把的位置检测两个部分，其中，调档电机的位置检测用于检测调档电机中的霍尔元件，以确定调档电机的档位位置，进而确定变速箱当前的档程，转把的位置检测用于确定转把的位置以判断操作人员的控制意图，中央控制器根据转速检测模块和位置检测模块的检测结果进行驱动电机高速、中速、低速的控制。

本申请的一些实施例还提供电平保护功能。具体地，电平电压范围分为三档：大于52.5V，满电；50V～52.5V，中电；小于50V，亏电。启动时，首先检测电平电压，当处于亏电的状态时，则禁止启动，并报警；只有处于中电或满电状态时，才能启动。

在一些实施例中，调档电机为功率不大于50W的永磁无刷直流电机。使用小功率永磁无刷直流电机作为调档电机，可以节约功耗。

综上所述，本申请实施例的多级自动调速的电动三轮车控制系统包括驱动电机、调档电机、中央控制器、变速箱、离合器；驱动电机通过离合器与变速箱连接，变速箱与电动三轮车的驱动轮连接，用于将驱动电机的驱动转矩输出到电动三轮车的驱动轮上；调档电机通过切换装置与变速箱连接，用于档程调节；中央控制器分别与驱动电机、调档电机通过驱动模块和检测电路进行连接，对驱动电机以及调档电机的运行状态进行检测，以根据运行状态对电动三轮车的速度进行调节，其中，驱动电机、调档电机均为无刷直流电动机。由此，能够在保证不超过驱动电机的最大电流情况下，选择最优档程，保证电动三轮车安全向前行驶，同时又保证其安全运行。

示例性方法

本申请实施例还提供一种多级自动调速的电动三轮车控制方法，如图3、图4、图5所示，该方法包括：

步骤S101、检测电动三轮车的转把状态，以确定电动三轮车的运行模式；

步骤S102、响应于运行模式处于高速前行模式，判断驱动电机的定子绕组电流是否大于驱动电机的最大电流，若是，则向调档电机的驱动电路发送驱动信号，以驱动调档电机将变速箱自动降一档程，如果变速箱降一档程后定子绕组电流仍大于驱动电机的最大电流，则驱动调档电机继续自动降一档程或者降低驱动电压的占空比，直至定子绕组电流满足安全行使要求；

步骤S103、响应于运行模式处于中速前行模式，向调档电机的驱动电路发送驱动信号，使变速箱的档程调整至5档，并向驱动电机的驱动电路发送驱动信号，以使驱动电机以一半基速运行；实时检测驱动电机的定子绕组电流，并根据定子绕组电流是否超出驱动电机的最大电流驱动调档电机自动进行档程切换，直至运行模式发生变化；

步骤S104、响应于运行模式处于低速前行模式，向调档电机的驱动电路发送驱动信号，使其档程调整至5档，并向驱动电机的驱动电路发送驱动信号，以使驱动电机以四分之一基速运行；实时检测驱动电机的定子绕组电流，并根据定子绕组电流是否超出驱动电机的最大电流驱动调档电机自动进行档程切换，直至运行模式发生变化。

电动三轮车不运行时，系统处于空档模式。如图3所示，电动三轮车开始行驶时，首先判断电动三轮车是否出现异常，即电机三轮车是否处于出错或故障状态，如果处于出错或故障状态，则进入故障处理子流程，否则，进一步检测电动三轮车的电池状态，若电池状态不正常，则进入故障处理子流程，若电池状态正常，则判断电压和转把状态以确定电动三轮车的档位，进而确定电动三轮车的运行模式。

若档位开关位于空档，则返回，等待操作者将档位切换到其他模式。

若档位开关位于倒档，则变速箱必须处于1档，驱动电机反向基速运行，直至完成倒档操作，操作者切换模式。

若档位开关位于前进档程，则根据转把状态判断转把处于低、中、高三个模式中哪个模式下，进而判断电动三轮车的运行模式，并根据电动三轮车的运行模式通过调档电机自动调节变速箱的档程。

若接收到刹车信号，则由调档电机将变速箱调节到1档，驱动电机降速到30％后，逐渐停止。

若无法判断电动三轮车的运行模式，则进入意外处理模式。

进一步地，当档位开关位于前进档程，需要根据电动三轮车的运行模式通过调档电机自动调节变速箱的档程，详细步骤如图4所示：首先检测驱动电机的当前速度和定子绕组电流，确定该定子绕组电流是否超过最大电流，若没有超过最大电流，则调档电机将变速箱下调一档，并判断变速箱的下调后档程是否超过档程极限，即判断档程是否低于1档，若是，则将变速箱置于空档，并发送出错报警，若下调后档程没有超过档程极限，则返回，再次执行检测驱动电机的当前速度和定子绕组电流及其以后的步骤，直到驱动电机的定子绕组电流满足最大电流要求或者降到1档。

如果变速箱降到1档，驱动电机的定子电流仍超限，则通过降低驱动电路驱动信号的占空比进行驱动电机的驱动电压调节，直至驱动电压为零，驱动电机停转。

进一步地，上述步骤中，进入意外处理模式后，该处理模式包括如图5所示的步骤：在预设时间间隔内(即延时一段时间)，检测意外是否仍存在，若是，则查找意外代码，如果找到意外代码，则存储意外故障信息，并作出报警提示；如果未找到意外代码，则作出未知意外故障的报警提示，若在预设时间间隔内，意外故障消失，则正常启动电动三轮车。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。