CN204821978U - 一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器装置与控制器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于传感器技术领域，提供了一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器装置及控制器系统，所述传感器装置包括：转动盘、固定盘；所述转动盘包括主动部件和从动部件，所述主动部件包括曲柄、弹簧；所述从动部件包括第一磁栅环、第二磁栅环；所述第一磁栅环镶嵌于从动部件，所述第二磁栅环与主动部件固定；所述固定盘包括第一霍尔传感器、第二霍尔传感器；所述曲柄通过弹簧驱动从动部件转动，主动部件与从动部件相对转动一个角度，所述第一磁栅环与第二磁栅环也发生相对转动，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器产生存在相位差的两个脉冲序列，实现力矩的便捷测量。本实用新型提供的传感器装置所需元器件少、产品成本低、功耗小、反应灵敏。

Description

一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器装置与控制器系统

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，尤其涉及一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器装置与控制器系统。

背景技术

目前国内的电动车主要以纯电动车为主，骑行者不需要用力。这种车在国外有严格上路限制，在日本、欧盟等国家将纯电动自行车归类为机动车管理，只是在我国较为流行。而电动助力自行车既是一种绿色环保型交通工具，又是一种十分方便的健身器材，在国外较为流行。其原理是通过一力矩传感器将人脚踏力的大小传给控制器，控制器控制电机输出相应大小的力矩助力，输出的力矩与人力成正比，人力越大，助力越大，不加人力则电机不转。因此能及时感知脚踏力大小的助力传感器是人们研究的重点。

为此国内外开发了各种各样的力矩传感器来感知判断是否需要提供助力及输出助力的大小，比如判断骑行时脚踏力的大小、踏频等条件。目前主要的方式有以下几类：

1、简易应变片传感器：该传感器使用应变片或弹簧等来感知骑行者骑行时脚踏力的大小，但受自然环境因素(温度、泥水、灰尘等)影响较大，特别是道路颠簸引起的误动作难于克服，同时机械结构部件加工复杂，加工成本高，容易产生金属疲劳与磨损，寿命短。

2、力矩传感器：这种方式得到的脚踏力矩数据较为精确，目前德国的FAG公司、THUN公司、国内苏州捷诚科技都推出了中轴式的力矩传感器，但是力矩传感器非常复杂及昂贵，且增加维修难度，难以大规模使用。

3、霍尔速度传感器：该方案使用永久性磁铁与霍尔传感器，霍尔传感器输出给控制器脉冲信号的频率与骑行者脚踏的速度成正比，由于脚踏速度的变化与脚踏力矩的变化是具有相关性的，能一定程度反映脚踏力矩的变化，但传统使用时一般设置5-6个磁极，间隔幅度较大，只有当位于磁钢盘上的永久性磁铁通过霍尔感应器时，转动信号才能被霍尔感应器捕获，这样就致使霍尔感应器不能在脚踏的瞬间感应到磁铁，因此现有的感应方式在时间上具有一定的延迟，不能及时感应变化。

4、光电速度传感器：巧妙设计的环形光栅可以做到非常密集，模拟力矩及输出相应助力的效果相比霍尔速度传感器要自然很多，虽然成本低，功耗电流小，无吸收铁杂质效应，但其作为分立式产品，使用时需要配合控制器一起安装在车身，体积较大。

5、内置力矩传感器电机：通过在电机中嵌入传感器感知力矩变化，使电机直接反馈脚踏力矩的大小，此方式电机结构复杂，价格昂贵，电机维修难度大。

因此，现有的传感器存在的问题不是实现的助力体验差，就是结构复杂，安装体积大，价格昂贵，工作可靠性差，难以大规模使用；另外，现有电动车控制器及传感器一般为分开的两个部件，普遍存在体积大的问题，安装在车上非常丑陋，且暴露在外需要定期维护，难以达到简约美观的效果。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器装置与控制器系统，旨在提供一种元器件少、产品成本低、功耗小、反应灵敏的自行车力矩传感器装置及相应的控制器系统。

本实用新型提供了一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器装置，所述传感器装置包括：转动盘、固定盘；

所述转动盘包括主动部件和从动部件，所述主动部件包括曲柄、弹簧；所述从动部件包括第一磁栅环、第二磁栅环，所述第一磁栅环和第二磁栅环圆心相同；所述第一磁栅环镶嵌于从动部件，所述第二磁栅环与主动部件固定；

所述固定盘包括第一霍尔传感器、第二霍尔传感器；

所述第一磁栅环和第二磁栅环相间均匀分布有凸齿和凹槽；在所述第一磁栅环和第二磁栅环转动时，第一磁栅环的凸齿或凹槽经过第一霍尔传感器时，第一霍尔传感器导通或关闭，形成一个脉冲序列；第二磁栅环的凸齿或凹槽经过第二霍尔传感器时，第二霍尔传感器导通或关闭，形成一个脉冲序列；

所述曲柄通过弹簧驱动从动部件转动，主动部件与从动部件相对转动一个角度，所述第一磁栅环与第二磁栅环也相对转动一个角度，使得第一霍尔传感器和第二霍尔传感器产生的两个脉冲序列存在相位差。

进一步地，所述曲柄的一端包括主动轮，所述主动轮由均匀分布的凸齿构成；所述从动部件的一端包括从动轮，所述从动轮由均匀分布的凸齿组成，所述主动轮的凸齿与所述从动轮的凸齿之间通过弹簧抵顶。

进一步地，所述从动部件和所述第二磁栅环内环上对应有三个孔，所述第二磁栅环利用螺栓穿过从动部件的三个孔固定在曲柄上，所述从动部件的三个孔的孔径大于螺栓直径。

进一步地，所述传感器装置还包括中轴、止动片，所述转动盘与中轴固定，牙盘通过螺丝固定于所述转动盘的外壳上；所述固定盘通过止动片固定于五通处；所述转动盘与所述固定盘可相对自由转动。

进一步地，所述第一磁栅环用于感应所述第一霍尔传感器；所述第二磁栅环用于感应所述第二霍尔传感器。

本实用新型还提供了一种混合动力自行车牙盘式控制器系统，所述控制器系统包括上述传感器装置，还包括CPU、电机驱动模块，所述CPU、电机驱动模块安装于上述固定盘中；

所述CPU用于将所述传感器装置传来的两个脉冲序列处理为对应于骑行者脚蹬力量大小的PWM动力信号，并将所述PWM动力信号发送给所述电机驱动模块；

所述电机驱动模块用于根据所述PWM动力信号驱动电机的加速/减速。

进一步地，所述CPU包括一个主控逻辑程序CPU、一个霍尔信号处理逻辑程序CPU；所述霍尔信号处理逻辑程序CPU将霍尔传感器获得的两列脉冲序列处理为对应于骑行者脚蹬力量大小的一个PWM脉冲信号，主控逻辑程序CPU根据PWM脉冲信号的占空比输出相应的PWM动力信号。

进一步地，所述控制器系统还包括电路状态监测与保护模块，所述电路状态监测与保护模块与CPU连接，所述电路状态监测与保护模块安装于固定盘中；所述电路状态监测与保护模块的功能包括过压保护、欠压保护、过流保护、智能骑行保护、防倒车保护；

所述智能骑行保护功能为只识别人的骑行脚踏方式；

所述防倒车保护功能为在车辆倒推时电机停止工作。

进一步地，所述控制器系统还包括外部通信模块，所述外部通信模块安装于固定盘中；所述外部通信模块一端与CPU连接，另一端与显示屏、按键控制板、码表通过有线方式或无线射频方式、蓝牙方式连接，用以接收控制命令，发送命令反馈或状态信息。

进一步地，所述控制器系统还包括电机检测模块、电源管理模块，所述电机检测模块、电源管理模块与CPU连接，所述电机检测模块、电源管理模块安装于固定盘中；所述电机检测模块用于检测电机的运行状态；所述电源管理模块用于为上述各模块提供电源。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器装置与控制器系统，一方面，以一种简单可靠并相对廉价的实现方式实现了力矩传感器，将获取到的脉冲序列转换为对应于骑行者脚蹬力量大小的动力信号，助力效果优于传统的霍尔传感器方式；传感器所需元器件少，产品成本低，功耗小，反应灵敏；另一方面，将传感器与控制器系统整体隐藏集成于牙盘中，从外表看跟普通的牙盘无异，在保证自行车牙盘正常使用的情况下，将技术元素隐藏，外观美观简约，结构简单易安装维护，适用于电动助力自行车、电动脚踏独轮车、电动助力三轮车等轻型电动车辆。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的转动盘的结构示意图；

图2是图1提供的转动盘的主动轮和从动轮组装后的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的固定盘的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的控制器系统的各模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供的混合动力自行车牙盘式控制器系统的工作原理为：首先通过内置助力传感器的弹簧变形反映助力大小；然后通过霍尔传感器与磁栅环结构来将弹簧变形量转化为固定盘与转动盘产生的具有相位差的两个脉冲序列，实现力矩的便捷测量；再将获取到的脉冲序列处理成对应于骑行者脚蹬力量大小的动力信号来控制电机，助力效果明显优于传统的霍尔速度传感器方式。

下面具体介绍控制器系统中传感器装置A的结构，请一并参照图1至图3，所述传感器装置A包括：转动盘1、固定盘2。

如图1所示，所述转动盘1包括主动部件11和从动部件12，所述主动部件11包括曲柄111，所述曲柄111的一端包括主动轮113，主动轮113上设有弹簧112，所述主动轮113由均匀分布的凸齿构成；所述从动部件12的一端包括从动轮121，所述从动轮121由均匀分布的凸齿组成，所述主动轮113的凸齿与所述从动轮121的凸齿之间通过均匀分布的弹簧112抵顶，具体如图2所示；即主动部件11和从动部件12之间由弹簧112组成的弹簧组传递扭力，随脚踏绕中轴一起转动。

所述从动部件12包括第一磁栅环122、第二磁栅环123，第一磁栅环122、第二磁栅环123的环周上均相间均匀分布有凸齿和凹槽，各个凸齿被磁化形成磁栅齿，本实用新型中第一磁栅环122、第二磁栅环123都使用36个磁栅齿；所述第一磁栅环122和第二磁栅环123圆心相同，并且与中轴为同心圆；所述第一磁栅环122直接与从动部件做成一个整体；所述第二磁栅环123内环上对应有三个孔，所述第二磁栅环123利用螺栓穿过从动部件12的三个孔固定在曲柄111上，所述从动部件12的三个孔的孔径大于螺栓直径。

如图3所示，固定盘2包括固定盘端盖23、圆形控制器模块24与嵌于其上的第一霍尔传感器21、第二霍尔传感器22；固定盘2用止动片固定在五通处；固定盘端盖23为盘状空腔体；控制器安装在固定盘端盖23中的环形区域中，并灌胶密封，引出线可以用扎带固定于车身。

在所述第一磁栅环122和第二磁栅环123转动时，第一磁栅环122的凸齿或凹槽经过第一霍尔传感器21时，第一霍尔传感器21的开关导通或关闭，形成一个脉冲序列；第二磁栅环123的凸齿或凹槽经过第二霍尔传感器22时，第二霍尔传感器22的开关导通或关闭，形成一个脉冲序列；即转动盘绕中轴转动时，第一磁栅环122和第二磁栅环123分别对应感应固定盘上的第一霍尔传感器21、第二霍尔传感器22，实现霍尔开关的脉冲式开与关。

所述曲柄111通过弹簧112驱动从动部件12转动，主动部件11与从动部件12相对转动一个角度使第一霍尔传感器21产生的脉冲序列和第二霍尔传感器22产生的脉冲序列存在相位差，所述第一霍尔传感器21和第二霍尔传感器22将产生的脉冲序列传入CPU。

所述传感器装置A还包括止动片，所述固定盘通过止动片固定于五通处；牙盘通过螺丝固定于所述转动盘的外壳上；所述转动盘与所述固定盘可相对自由转动。从外表看这种结构跟普通的牙盘无异，在保证自行车牙盘正常使用的情况下，将技术元素隐藏，外观美观简约，结构简单易安装维护，适用于电动助力自行车、电动脚踏独轮车、电动助力三轮车等轻型电动车辆。

事实上，传感器装置A的目的是获取到一个跟脚踏力矩相关的变量供CPU用以相应调节输出的助力，本实用新型使用的是弹簧及霍尔开关元件组成力矩传感器组件，也可以使用弹簧跟光断续器组成力矩传感器装置，两种传感器方式获得的骑行脉冲序列是一致的，对主控逻辑程序改动不大。

本实用新型还提供了一种混合动力自行车牙盘式控制器系统，如图4所示，所述控制器系统包括上述的传感器装置A，还包括CPUB、电机驱动模块C，所述CPUB、电机驱动模块C安装于所述固定盘2中；

所述CPUB用于将所述传感器装置传来的两个脉冲序列处理为对应于骑行者脚蹬力量大小来改变占空比的一个PWM脉冲信号，并据此脉冲信号的占空比输出相应的PWM动力信号，并将所述PWM动力信号发送给所述电机驱动模块；

CPUB可用单芯片方式：由一个CPU处理所有的主控逻辑程序与霍尔传感器信号处理逻辑程序；或者多芯片方式：一个CPU处理主控逻辑程序，另一个CPU处理霍尔信号处理逻辑程序，霍尔信号处理逻辑程序将霍尔传感器获得的两列脉冲序列处理为对应于骑行者脚蹬力量大小来改变占空比的一个PWM脉冲信号，主控逻辑程序根据此脉冲信号的占空比输出相应的PWM动力信号；

所述电机驱动模块C用于根据输出的所述PWM动力信号控制MOS管来驱动电机的加速/减速。

所述控制器系统还包括电路状态监测与保护模块D，所述电路状态监测与保护模块D与CPU连接，电路状态监测与保护模块D功能包括过压保护、欠压保护、过流保护等常见的控制器系统保护功能；特别的，所述电路状态监测与保护模块D还包括一个智能骑行保护功能，只识别人骑行脚踏的方式，手摇脚踏板时电机不会转动，人骑行时才会控制电机输出助力，防止误操作带来的危险；另外，所述电路状态监测与保护模块D还包括一个防倒车保护，在车辆倒推时电机停止工作，增加安全性。

所述控制器系统还包括外部通信模块E，所述外部通信模块E安装于固定盘2中；所述外部通信模块E一端与CPUB连接，另一端与显示屏、按键控制板、码表、传感器装置等用有线方式连接，或者使用蓝牙、无线射频等无线方式连接，用以接收控制命令，发送命令反馈或状态信息等，比如打开助力、关闭助力、获取速度信息、获取电池电量信息等。

所述控制器系统还包括电机检测模块F、电源管理模块G，所述电机检测模块F、电源管理模块G与CPUB连接，所述电机检测模块E、电源管理模块G安装于固定盘2中；所述电机检测模块F用于检测电机的运行状态；所述电源管理模块G用于为上述各模块提供电源。

本实用新型提供的控制器系统可以安装在电动助力自行车上，将牙盘用螺丝固定在转动盘上，中轴固定在转动盘中，使用紧固螺丝将固定盘结构压在转动盘上，两者可以彼此自由转动。将轴套装在自行车五通处，将此结构插入轴套，装好另一端的曲柄，装好两个脚踏，连接电机线及车把控制屏线，此时即安装好。在骑行者骑行时，脚踏带动转动盘主动部件转动了一定角度，此时由于惯性，弹簧产生形变，转动盘主动部件与从动部件之间相对转动一个角度，则在两个脉冲序列之间产生相位差；CPU对此两个脉冲序列做处理，结合两个霍尔传感器导通时序对电机正反转的分析判断，转换为对应于骑行者脚蹬力量大小的PWM动力信号，输出控制MOS管来驱动电机运转，达到助力效果。

上述控制器系统，一方面以一种简单可靠但相对廉价的实现方式实现了力矩传感器，并将获取到的脉冲序列转换为对应于骑行者脚蹬力量大小的动力信号，助力效果优于传统的霍尔传感器方式，还做到了只识别人骑行脚踏方式，手摇脚踏板时电机不会转动，同时在车辆倒推时停止工作，使用安全，非常人性化；

另一方面，将传感器与控制器系统整体隐藏集成于牙盘中，从外表看跟普通的牙盘无异，做成一种电动助力自行车牙盘式控制器系统，同时用胶完全密封住，具有很好的防水效果，不怕水、泥和灰尘等恶劣环境的影响，在自然环境中工作稳定可靠；

再一方面，本发明所需元器件少，产品成本低，功耗小，反应灵敏；并且外观美观简约，结构简单易安装维护，适用于电动助力自行车、电动脚踏独轮车、电动助力三轮车等轻型电动车辆。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器装置，其特征在于，所述传感器装置包括：转动盘、固定盘；

所述转动盘包括主动部件和从动部件，所述主动部件包括曲柄、弹簧；所述从动部件包括第一磁栅环、第二磁栅环，所述第一磁栅环和第二磁栅环圆心相同；所述第一磁栅环镶嵌于从动部件，所述第二磁栅环与主动部件固定；

所述固定盘包括第一霍尔传感器、第二霍尔传感器；

所述第一磁栅环和第二磁栅环相间均匀分布有凸齿和凹槽；在所述第一磁栅环和第二磁栅环转动时，第一磁栅环的凸齿或凹槽经过第一霍尔传感器时，第一霍尔传感器导通或关闭，形成一个脉冲序列；第二磁栅环的凸齿或凹槽经过第二霍尔传感器时，第二霍尔传感器导通或关闭，形成一个脉冲序列；

所述曲柄通过弹簧驱动从动部件转动，主动部件与从动部件相对转动一个角度，所述第一磁栅环与第二磁栅环也相对转动一个角度，使得第一霍尔传感器和第二霍尔传感器产生的两个脉冲序列存在相位差。

2.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述曲柄的一端包括主动轮，所述主动轮由均匀分布的凸齿构成；所述从动部件的一端包括从动轮，所述从动轮由均匀分布的凸齿组成，所述主动轮的凸齿与所述从动轮的凸齿之间通过弹簧抵顶。

3.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述从动部件和所述第二磁栅环内环上对应有三个孔，所述第二磁栅环利用螺栓穿过从动部件的三个孔固定在曲柄上，所述从动部件的三个孔的孔径大于螺栓直径。

4.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器装置还包括中轴、止动片，所述转动盘与中轴固定，牙盘通过螺丝固定于所述转动盘的外壳上；所述固定盘通过止动片固定于五通处；所述转动盘与所述固定盘可相对自由转动。

5.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述第一磁栅环用于感应所述第一霍尔传感器；所述第二磁栅环用于感应所述第二霍尔传感器。

6.一种混合动力自行车牙盘式控制器系统，其特征在于，所述控制器系统包括如权利要求1-5任一项所述的传感器装置，还包括CPU、电机驱动模块，所述CPU、电机驱动模块安装于如权利要求1所述的固定盘中；

所述CPU用于将所述传感器装置传来的两个脉冲序列处理为对应于骑行者脚蹬力量大小的PWM动力信号，并将所述PWM动力信号发送给所述电机驱动模块；

所述电机驱动模块用于根据所述PWM动力信号驱动电机的加速/减速。

7.如权利要求6所述的控制器系统，其特征在于，所述CPU包括一个主控逻辑程序CPU、一个霍尔信号处理逻辑程序CPU；所述霍尔信号处理逻辑程序CPU将霍尔传感器获得的两列脉冲序列处理为对应于骑行者脚蹬力量大小的一个PWM脉冲信号，主控逻辑程序CPU根据PWM脉冲信号的占空比输出相应的PWM动力信号。

8.如权利要求6所述的控制器系统，其特征在于，所述控制器系统还包括电路状态监测与保护模块，所述电路状态监测与保护模块与CPU连接，所述电路状态监测与保护模块安装于固定盘中；所述电路状态监测与保护模块的功能包括过压保护、欠压保护、过流保护、智能骑行保护、防倒车保护；

所述智能骑行保护功能为只识别人的骑行脚踏方式；

所述防倒车保护功能为在车辆倒推时电机停止工作。

9.如权利要求6所述的控制器系统，其特征在于，所述控制器系统还包括外部通信模块，所述外部通信模块安装于固定盘中；所述外部通信模块一端与CPU连接，另一端与显示屏、按键控制板、码表通过有线方式或无线射频方式、蓝牙方式连接，用以接收控制命令，发送命令反馈或状态信息。

10.如权利要求6所述的控制器系统，其特征在于，所述控制器系统还包括电机检测模块、电源管理模块，所述电机检测模块、电源管理模块与CPU连接，所述电机检测模块、电源管理模块安装于固定盘中；所述电机检测模块用于检测电机的运行状态；所述电源管理模块用于为权利要求6-9任一项所述的各模块提供电源。