一種混合動(dòng)力自行車牙盤(pán)式力矩傳感器及傳感檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于自行車技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種混合動(dòng)力自行車牙盤(pán)式力矩傳感器及傳感檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前國(guó)內(nèi)的電動(dòng)車主要以純電動(dòng)車為主，騎行者不需要用力，這種車在國(guó)外有嚴(yán)格上路限制，在日本、歐盟等國(guó)家將純電動(dòng)自行車歸類為機(jī)動(dòng)車管理，只是在我國(guó)較為流行。電動(dòng)助力自行車俗稱混合動(dòng)力自行車，既是一種綠色環(huán)保型交通工具，又是一種十分方便的健身器材，在國(guó)外較為流行?；旌蟿?dòng)力自行車的原理是通過(guò)一個(gè)力矩傳感器將人腳踏力的大小傳給控制器，控制器控制電機(jī)輸出相應(yīng)大小的力矩助力，輸出的力矩與腳踏力成正比，腳踏力越大，助力越大，不加腳踏力則電機(jī)不轉(zhuǎn)。因此能及時(shí)準(zhǔn)確地感知腳踏力大小的力矩傳感器是人們研究的重點(diǎn)。
[0003]為此國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了各種各樣的力矩傳感器來(lái)感知判斷是否需要提供助力及輸出助力的大小，比如判斷騎行時(shí)腳踏力的大小、踏頻等條件。目前主要的方式有以下幾類:
[0004]一、簡(jiǎn)易應(yīng)變片傳感器:該傳感器使用應(yīng)變片或彈簧來(lái)感知騎行者騎行時(shí)腳踏力的大小，但受自然環(huán)境因素(溫度、泥水、灰塵等)影響較大，特別是道路顛簸引起的誤動(dòng)作難于克服，同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)部件加工復(fù)雜，加工成本高，容易產(chǎn)生金屬疲勞與磨損，壽命短。
[0005]二、力矩傳感器:這種方式得到的腳踏力矩?cái)?shù)據(jù)較為精確，目前德國(guó)的FAG公司、THUN公司、國(guó)內(nèi)蘇州捷誠(chéng)科技都推出了中軸式的力矩傳感器，但是力矩傳感器非常復(fù)雜、昂貴，且增加維修難度，難以大規(guī)模使用。
[0006]三、霍爾速度傳感器:該方案使用永久性光鐵與霍爾傳感器，霍爾傳感器輸出給控制器脈沖信號(hào)的頻率與騎行者腳踏的速度成正比，由于腳踏速度的變化與腳踏力矩的變化是具有相關(guān)性的，能一定程度反映腳踏力矩的變化，但傳統(tǒng)使用時(shí)一般設(shè)置5?6個(gè)光極，間隔幅度較大，只有當(dāng)位于光鋼盤(pán)上的永久性光鐵通過(guò)霍爾感應(yīng)器時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)才能被霍爾感應(yīng)器捕獲，這樣就致使霍爾感應(yīng)器不能在腳踏的瞬間感應(yīng)到光鐵，因此現(xiàn)有的感應(yīng)方式在時(shí)間上具有一定的延遲，不能及時(shí)感應(yīng)變化。
[0007]四、光電速度傳感器:巧妙設(shè)計(jì)的環(huán)形光柵可以做到非常密集，模擬力矩及輸出相應(yīng)助力的效果相比霍爾速度傳感器要自然很多，雖然成本低，功耗電流小，無(wú)吸收鐵雜質(zhì)效應(yīng)，但其作為分立式產(chǎn)品，使用時(shí)需要配合控制器一起安裝在車身上，體積較大；另外光電開(kāi)關(guān)管由于遮光罩需要專門(mén)開(kāi)模，增加開(kāi)發(fā)成本。
[0008]五、內(nèi)置力矩傳感器電機(jī):通過(guò)在電機(jī)中嵌入傳感器感知力矩變化，使電機(jī)直接反饋腳踏力矩的大小，此方式電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，電機(jī)維修難度大。
[0009]因此，現(xiàn)有的傳感器存在的問(wèn)題不是實(shí)現(xiàn)的助力體驗(yàn)差，就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝體積大，或者開(kāi)發(fā)成本高，價(jià)格昂貴，工作可靠性差，難以大規(guī)模使用。
[0010]此外，現(xiàn)有電動(dòng)車控制器及傳感器一般為分立的兩個(gè)部件，普遍存在體積大的問(wèn)題，安裝在車上非常丑陋，且暴露在外需要定期維護(hù)，難以達(dá)到簡(jiǎn)約美觀的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種能簡(jiǎn)單可靠且相對(duì)廉價(jià)地將腳踏力準(zhǔn)確地反饋給電機(jī)的混合動(dòng)力自行車牙盤(pán)式力矩傳感器及傳感檢測(cè)方法。
[0012]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種混合動(dòng)力自行車牙盤(pán)式力矩傳感器，包括固定盤(pán)和轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)，所述混合動(dòng)力自行車牙盤(pán)式力矩傳感器還包括電機(jī)控制電路板和光電開(kāi)關(guān)對(duì)管，所述光電開(kāi)關(guān)對(duì)管與所述電機(jī)控制電路板電連接；
[0013]所述固定盤(pán)包括固定盤(pán)端蓋，所述電機(jī)控制電路板和所述光電開(kāi)關(guān)對(duì)管固設(shè)于所述固定盤(pán)端蓋的內(nèi)側(cè)；
[0014]所述轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)包括主動(dòng)機(jī)構(gòu)和從動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述主動(dòng)機(jī)構(gòu)包括曲柄，所述曲柄的一端上均勻分布有凹槽；
[0015]所述從動(dòng)機(jī)構(gòu)包括若干彈簧、光柵環(huán)結(jié)構(gòu)、中軸和轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)外環(huán)，所述光柵環(huán)結(jié)構(gòu)固設(shè)于所述轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)外環(huán)上，所述中軸的一端固設(shè)于所述曲柄上并傳動(dòng)連接所述轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)外環(huán)；所述轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)外環(huán)的一側(cè)開(kāi)設(shè)有若干凹槽，所述曲柄上有凹槽的一端壓設(shè)于所述轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)外環(huán)上有凹槽的一側(cè)，所述曲柄上的凹槽和所述轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)外環(huán)上的凹槽相對(duì)接形成彈簧槽，所述彈簧置于所述彈簧槽內(nèi)，所述轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)外環(huán)嵌設(shè)于所述固定盤(pán)端蓋上；
[0016]所述曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)壓縮彈簧，所述光柵環(huán)結(jié)構(gòu)在所述彈簧的作用下旋轉(zhuǎn)，所述光電開(kāi)關(guān)對(duì)管將感應(yīng)到所述光柵環(huán)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為占空比與彈簧形變量相對(duì)應(yīng)的脈沖序列，并將所述占空比與彈簧形變量相對(duì)應(yīng)的脈沖序列發(fā)送給所述電機(jī)控制電路板。
[0017]進(jìn)一步地，所述光柵環(huán)結(jié)構(gòu)包括外環(huán)光柵和內(nèi)環(huán)光柵，所述外環(huán)光柵固設(shè)于所述轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)外環(huán)的內(nèi)側(cè)，所述內(nèi)環(huán)光柵上開(kāi)設(shè)有凸伸結(jié)構(gòu)的第一通孔，所述轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)外環(huán)上開(kāi)設(shè)有第二通孔，所述凸伸結(jié)構(gòu)的第一通孔穿設(shè)于所述第二通孔上并通過(guò)螺栓固設(shè)于所述曲柄上。
[0018]進(jìn)一步地，所述第二通孔的孔徑大于所述第一通孔的孔徑。
[0019]進(jìn)一步地，所述外環(huán)光柵和所述內(nèi)環(huán)光柵均具有均勻分布且相鄰設(shè)置的凸齒和凹槽，外環(huán)光柵的凸齒和內(nèi)環(huán)光柵的凸齒沿徑向?qū)R。
[0020]進(jìn)一步地，所述從動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括牙盤(pán)結(jié)構(gòu)，所述牙盤(pán)結(jié)構(gòu)固設(shè)于轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)外環(huán)的外沿上。
[0021]進(jìn)一步地，所述電機(jī)控制電路板包括電源管理模塊、電路狀態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)模塊、主控邏輯模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)檢測(cè)模塊、外部通信模塊和傳感器模塊；
[0022]所述電路狀態(tài)監(jiān)測(cè)與保護(hù)模塊與所述主控邏輯模塊相連接，用于對(duì)電路板的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流保護(hù)；
[0023]所述主控邏輯模塊分別與所述電源管理模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)檢測(cè)模塊、外部通信模塊相連接，用于處理主控邏輯程序，并根據(jù)所述光電開(kāi)關(guān)對(duì)管獲得的占空比與彈簧形變量相對(duì)應(yīng)的脈沖序列結(jié)合主控邏輯程序輸出用于控制電機(jī)進(jìn)行加速和減速的PffM動(dòng)力信號(hào)。
[0024]本發(fā)明還提供一種混合動(dòng)力自行車牙盤(pán)式力矩傳感器的傳感檢測(cè)方法，包括如上所述的任意一種混合動(dòng)力自行車牙盤(pán)式力矩傳感器，該傳感檢測(cè)方法包括以下步驟:
[0025]步驟A、轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)繞中軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)對(duì)管感應(yīng)光柵環(huán)結(jié)構(gòu)得到光電開(kāi)關(guān)對(duì)管的脈沖式開(kāi)與關(guān)，并根據(jù)所述脈沖式開(kāi)與關(guān)產(chǎn)生占空比與彈簧形變量相對(duì)應(yīng)的脈沖序列；
[0026]步驟B、所述電機(jī)控制電路板接收所述占空比與彈簧形變量相對(duì)應(yīng)的脈沖序列，將所述占空比與彈簧形變量相對(duì)應(yīng)的脈沖序列處理為對(duì)應(yīng)于騎行者腳踏力量大小的動(dòng)力控制信號(hào)來(lái)控制電機(jī)輸出功率及速度。
[0027]進(jìn)一步地，所述步驟A前還包括步驟C、如初始時(shí)刻產(chǎn)生的脈沖序列占空比小于50 %，緊接著后一時(shí)刻的脈沖序列占空比小于初始時(shí)刻的脈沖序列占空比，則將初始時(shí)刻的脈沖序列占空比修正為50%。
[0028]進(jìn)一步地，所述光柵環(huán)結(jié)構(gòu)包括內(nèi)環(huán)光柵和外環(huán)光柵，所述內(nèi)環(huán)光柵和外環(huán)光柵均具有相鄰設(shè)置的若干凸齒和凹槽，所述步驟A包括以下步驟:
[0029]步驟A01、當(dāng)沒(méi)有腳踏力作用于曲柄或輕搖曲柄時(shí)，主動(dòng)機(jī)構(gòu)與從動(dòng)機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，沒(méi)有作用力作用于彈簧，所述內(nèi)環(huán)光柵的凸齒與所述外環(huán)光柵的凸齒同步通過(guò)所述光電開(kāi)關(guān)對(duì)管，形成的脈沖序列占空比為50% ;
[0030]步驟A02、當(dāng)有腳踏力施加在所述曲柄上時(shí)，彈簧產(chǎn)生形變使主動(dòng)機(jī)構(gòu)和從動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，從而使內(nèi)環(huán)光柵的凸齒與外環(huán)光柵的凸齒錯(cuò)開(kāi)一個(gè)位置，兩凸齒一起通過(guò)光電開(kāi)關(guān)對(duì)管的時(shí)間變長(zhǎng)，形成的脈沖序列占空比變小；
[0031]當(dāng)腳踏力繼續(xù)施加在曲柄上時(shí)，彈簧產(chǎn)生的形變隨著腳踏力的增大而變大，主動(dòng)機(jī)構(gòu)和從動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度同時(shí)也在變大，從而使內(nèi)環(huán)光柵的凸齒與外環(huán)光柵的凸齒錯(cuò)開(kāi)的位置繼續(xù)變大，兩凸齒一起通過(guò)光電開(kāi)關(guān)對(duì)管的時(shí)間繼續(xù)變長(zhǎng)，形成的脈沖序列占空比繼續(xù)變小。
[0032]進(jìn)一步地，所述步驟A02具體包括以下步驟:
[0033]步驟A021、當(dāng)腳踏力較小時(shí)，彈簧產(chǎn)生形變較小，使內(nèi)環(huán)光柵的凸齒與外環(huán)光柵的凸齒錯(cuò)開(kāi)25%的位置時(shí)，形成的脈沖序列占空比為37.5%。
[0034]步驟A022、當(dāng)腳踏力慢慢變大時(shí)，彈簧產(chǎn)生的形變變大，使內(nèi)環(huán)光柵的凸齒與外環(huán)光柵的凸齒錯(cuò)開(kāi)50%的位置時(shí)，形成的脈沖序列占空比為25% ;
[0035]步驟A023、當(dāng)腳踏力繼續(xù)變大時(shí)，彈簧產(chǎn)生的形變繼續(xù)變大，使內(nèi)環(huán)光柵的凸齒與外環(huán)光柵的凸齒錯(cuò)開(kāi)75%的位置時(shí)，形成的脈沖序列占空比為12.5%。
[0036]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于:所述的混合動(dòng)力自行車牙盤(pán)式力矩傳感器通過(guò)光電開(kāi)關(guān)對(duì)管與光柵環(huán)結(jié)構(gòu)將腳踏力對(duì)彈簧作用產(chǎn)生的彈簧形變量轉(zhuǎn)化為一個(gè)占空比與彈簧形變量相對(duì)應(yīng)的脈沖序列，電機(jī)控制電路板再將占空比與彈簧形變量相對(duì)應(yīng)的脈沖序列轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)于腳踏力量大小的動(dòng)力控制信號(hào)去控制電機(jī)輸出相應(yīng)的功率及速度，不僅能簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)力矩的傳感，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，力矩傳感效果明顯優(yōu)于霍爾速度傳感器的傳感方式。
【附圖說(shuō)明】
[0037]圖1是本發(fā)明混合動(dòng)力自行車牙盤(pán)式力矩傳感器中固