CN101279629B

CN101279629B - 一种非接触供电力矩测量的电动自行车轮盘

Info

Publication number: CN101279629B
Application number: CN2008100532690A
Authority: CN
Inventors: 谢炎民
Original assignee: Individual
Current assignee: Xie Yanmin
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2028-05-27
Also published as: CN101279629A

Abstract

本发明公开了一种非接触供电力矩测量的电动自行车轮盘。本发明通过下述技术方案予以实现，轮盘与五通之间设置测量装置，所述测量装置包括固定环形体和回转环形体；所述固定环形体由回转变压器固定环、回转变压器固定线圈和固定环组成；所述回转环形体由回转变压器旋转环、回转变压器旋转线圈和旋转环组成；回转变压器旋转环内相邻设置测量电路；轮盘周面设置四个电阻应变片，四个电阻应变片构成应变桥并与测量电路连接。本发明在满足高精度测量的前提下，降低非接触扭矩测量的成本和不改变自行车工业体系中的通用标准件。

Description

一种非接触供电力矩测量的电动自行车轮盘

技术领域

本发明涉及电动自行车产品领域，更具体地说，是涉及一种非接触供电力矩测量的电动自行车轮盘。

背景技术

目前电动自行车产品越来越得到国际社会的认可了，但是有的国家对电动自行车脚蹬力和电力驱动力，有严格的比例要求。这就要求电动自行车的脚踏传动系统有测量力矩的机构。目前日本有好几个公司在电动自行车脚踏力矩测量方面有成熟的技术，其技术和产品在国际上处于垄断地位。

从我们目前能查到的资料和能收集到的实物样品来看，国内外的测量方法很多，大致分类如下：

1.利用机械弹性元件位移测量脚蹬力矩的方法。脚蹬力通过机械弹性元件传递到另一个受力部件，通过测量宏观位移的变化能分析出脚蹬扭矩的大小。测量宏观位移的方法一般有光敏元件检测角度位移法、电感测量线性位移法，电位器测量角度位移法，霍尔元件测量线性位移法，霍尔元件测量角度位移法等。

2.利用力敏磁性材料，测量脚蹬力矩的方法。在电动车的中轴或者传递扭矩的轴上贴装这种材料，一旦轴受到力发生微观变形后，这种材料的导磁率会发生明显的变化，通过线圈测量材料的导磁率能分析出机械轴受到多大的扭矩。

3.利用电阻应变测量受力轴的应力变化。在电动自行车的受力轴上贴电阻应变片，通过测量受力轴的应变，把应变信号通过机械接触的导电装置把信号传递给控制器。

以上测量方法的评述如下：

第一种方法电路供电引线和信号传递引线相对简单、防水性能好、电路成本相对最低。但是存在以下缺点：测量精度较差；弹性元件会产生疲劳；批量一致性较差；机械部件比较复杂，成本较高；机械部件容易磨损。与测量部件配合的自行车部件要做相应的改变。

第二种方法测量精度较高、电路信号传递引线相对简单、防水性能好。但是存在以下缺点：力敏磁性材料的温度漂移比较大，需要温度补偿；力敏磁性材料的工艺成本高；机械部件成本较高。与测量部件配合的自行车部件要做相应的改变。

第三种方法虽然测量精度高，但是存在以下缺点：机械部件成本较高；电信号传递机械部件复杂；与测量部件配合的自行车部件要做相应的改变。防水性能差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种非接触供电力矩测量的电动自行车轮盘。

本发明一种非接触供电力矩测量的电动自行车轮盘，通过下述技术方案予以实现，所述轮盘与五通之间设置测量装置，所述测量装置包括固定环形体和回转环形体；所述固定环形体由回转变压器固定环、回转变压器固定线圈和固定环组成，回转变压器固定环内嵌回转变压器固定线圈，固定环内相邻设置回转变压器固定环，固定环外相邻设置挡圈；所述回转环形体由回转变压器旋转环、回转变压器旋转线圈和旋转环组成，回转变压器旋转环内嵌回转变压器旋转线圈，旋转环内相邻设置回转变压器旋转环；回转变压器旋转环内相邻设置测量电路；轮盘周面设置四个电阻应变片，四个电阻应变片构成应变桥并与测量电路连接。

本发明所述测量电路由固定于车体上的传输输出电路和固定于轮盘的应变测量电路组成；传输输出电路的传输输出单片机提供高频脉冲信号给回转变压器的原边线圈，原边线圈将感应的信号经低通滤波后传给传输输出单片机后输出；应变测量电路的回转变压器的副边线圈感应电压整流、滤波、后，给应变测量单片机、模拟信号放大器和应变桥供电，应变桥信号被放大后经过应变测量单片机A/D转换，输出频率相对较低的数字信号于回转变压器的副边线圈上。

本发明所述回转变压器铁芯由高分子复合材料参杂导磁铁粉压制而成。

本发明是通过电阻应变片测量轮盘的应变获得力矩信号，通过绕中轴转动的回转变压器实现非接触供电和非接触信号传递。本发明测量精度高；不需要做温度补偿；不改变自行车其它配件；防水性能好。本发明在满足高精度测量的前提下，降低非接触扭矩测量的成本和不改变自行车工业体系中的通用标准件。

从通用性上讲：国外公司的非接触扭矩测量都是针对某一款特定的电动车车型，设计专用的扭矩测量装置，以适配特定的车型，这样做的缺点是通用性差，材料成本和工艺成本高。

从测量信号非接触传递方面讲：成熟的非接触信号传递方式很多，最常用是高频无线载波传输。但是在连续信号测量方面，要保证信号的不间断传输和抗干扰要求，一般都采用跳频技术，就是当某一频点收到干扰时，射频模块自动跳转到另外一个设定好的频点继续完成信号的无线传输。这种传输方法用在交通工具上的缺点是不能在某一有限的范围内有很多辆车同时工作，不然会出现信号相互干扰而引起通讯信号阻塞。还有就是，连续信号跳频传输技术的电路成本高。

要完成电动自行车旋转脚踏力矩的测量，比较完美的方案是：测量精度高，温度漂移小，防水性能好，综合成本低，自行车通用部件互换性好。

要达到测量高和温度漂移小还要兼顾传感器材料成本，目前测量技术行业普遍采用的是电阻应变片做测量传感器。由于电动自行车的使用环境比较复杂，因此对测量机构的防水有很高的要求。所有接触传递能量和接触传递测量信号的装置，要在可靠的防水处理上花费很高的成本。

本发明采用电阻应变片作为测量元件，安装在轮盘上，达到了测量精度高、成本低、通用部件互换性好的要求。

采用回转变压器实现了能量和测量信号的非接触传递，满足了防水要求。只需要把线圈和电路元件灌胶就可以。没有复杂的导电装置需要密封防水。

由于自行车轮盘距离中轴五通端面的距离有限，空间很小。本发明是采用一个回转变压器实现了能量的传输和测量信号的回传，也就是说用一个变压器实现了对测量电路的供电和对测量信号A/D值的反向传递。正向的能量电磁信号和反向的A/D信号只在变压器内部传递，没有电磁辐射，也不会受到外来信号的干扰。

电动自行车使用场合属于振动场合，通用高频铁氧体材料属于陶瓷材料，不适合用于振动场合(易碎)。硅钢片类铁芯属于低频变压器铁芯材料，高频铁损太大，不能在高速电信号电路中使用。因此本发明使用高分子复合材料(胶水)参杂导磁铁粉压制变压器铁芯，使得变压器铁芯强度和韧性都大大增加。同时大幅度降低成本。

附图说明

图1是本发明结构剖视图；

图2是本发明轮盘主视图；

图3是本发明测量电路原理框图；

图4是本发明测量电路连接图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，轮盘7与五通1之间设置测量装置，测量装置通过五件套固定碗2固定；测量装置包括固定环形体和回转环形体；固定环形体由回转变压器固定环3、回转变压器固定线圈4和固定环5组成，回转变压器固定环3内嵌回转变压器固定线圈4，固定环5内相邻设置回转变压器固定环，固定环5外相邻设置挡圈6；回转环形体由回转变压器旋转环9、回转变压器旋转线圈10和旋转环8组成，回转变压器旋转环9内嵌回转变压器旋转线圈10，旋转环8内相邻设置回转变压器旋转环9；回转变压器旋转环9内相邻设置测量电路11。如图2所示，轮盘周面设置四个电阻应变片14。四个电阻应变片构成应变桥并与测量电路连接。

本发明使用高分子复合材料(胶水)参杂导磁铁粉压制变压器铁芯，使得变压器铁芯强度和韧性都大大增加。

如图3所示，本发明测量电路原理如下：

1.传输输出单片机提供高频PWM(脉冲宽度调制)信号给开关管，开关管产生功率波形，功率波形加在回转变压器的原边线圈上；回转变压器的副边线圈产生出感应电压。

2.感应电压整流、滤波、稳压后，给应变测量电路供电。

3.应变信号被放大后经过应变测量单片机A/D转换，输出频率相对较低的数字信号，加在回转变压器的副边线圈上。

4.此时回转变压器的原边线圈上有两组信号，一组是传递能量和功率的高频信号，一组是测量出来的数字低频信号。两组信号经过滤波器，分离出有用的低频数字信号，给传输输出单片机。

5.传输输出单片机把低频数字信号通过射极跟随器，把信号增强，传递给电机控制器。此信号可以是模拟量，也可以是数字量。

本发明采用电阻应变片作为测量元件，安装在轮盘上，采用一个回转变压器实现了能量的传输和测量信号的回传，也就是说用一个变压器实现了对测量电路的供电和对测量信号A/D值的反向传递。正向的能量电磁信号和反向的A/D信号只在变压器内部传递，没有电磁辐射，也不会受到外来信号的干扰。

本发明测量电路布图如图4所示，简述如下：

回转变压器原边线圈中间抽头接电动车电池正极。

MCU1的PWM1和PWM2信号提供Q2、Q3相位相反的PWM信号(频率大于10KHz)。回转变压器构成推挽变压器电路，向副边线圈提供相同频率的交流电。

D1、D2、C1是整流滤波元件，U1稳压提供测量电路稳定的5V直流电。

RY1、RY2、RY3、RY4是应变电阻，组成惠斯通电桥，测量轮盘的受力情况，把测量值Y1和Y2通过U3A运算放大器，把信号放大后，传出给MCU2连续的模拟信号。此模拟信号能很好的跟随脚蹬力矩的变化，模拟信号由MCU2进行模数转换后，输出相应的数字信号给Q1，Q1通过R1下拉变压器的副边线圈，使副边线圈电流随着数字量信号的变化而出现有规律的变化。此信号的频率是5K以下，是由MCU2的TX端口提供的标准TX通讯协议。

R19(相对于GND1)采集变压器原边线圈的电流，构成的电压波形是由两部分组成的，一部分是高频的PWM波形，一部分是相对频率较低的TX协议的数据波形。

U4A电路是一个低通滤波器，把PWM信号过滤掉，并把TX信号进行放大。R26、R27、C12、U4C是一个直流2.5V基准电路。

TX信号的整幅在1-4V之间变化，TX信号和2.5V信号经过U4D锁相环电路整形，通过R16提供给MCU1。

MCU1通过RX端口，就能接收到来自MCU2的TX信号。

MCU1把接收到的信号，通过变换，输出数字量或者模拟量给控制器，由控制器控制电机的PWM供电情况。

本电路的点画线框图部分是装配在电动车车体上的，是不随轮盘转动的。虚线部分的电路，是装配在轮盘上的，是跟随轮盘转动的。

上述两部分电路对脚蹬轮盘力矩进行非接触式连续测量。

上面所述的实施例仅仅是对本发明优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1. 一种非接触供电力矩测量的电动自行车轮盘，其特征是，所述轮盘与五通之间设置测量装置，所述测量装置包括固定环形体和回转环形体；所述固定环形体由回转变压器固定环、回转变压器固定线圈和固定环组成，回转变压器固定环内嵌回转变压器固定线圈，固定环内相邻设置回转变压器固定环，固定环外相邻设置挡圈；所述回转环形体由回转变压器旋转环、回转变压器旋转线圈和旋转环组成，回转变压器旋转环内嵌回转变压器旋转线圈，旋转环内相邻设置回转变压器旋转环；回转变压器旋转环内相邻设置测量电路；轮盘周面设置四个电阻应变片，四个电阻应变片构成应变桥并与测量电路连接。

2. 根据权利要求1所述的非接触供电力矩测量的电动自行车轮盘，其特征是，所述测量电路由固定于车体上的传输输出电路和固定于轮盘的应变测量电路组成；传输输出电路的传输输出单片机提供高频脉冲信号给回转变压器的原边线圈，原边线圈将感应的信号经低通滤波后传给传输输出单片机后输出；应变测量电路的回转变压器的副边线圈感应电压整流、滤波、后，给应变测量单片机、模拟信号放大器和应变桥供电，应变桥信号被放大后经过应变测量单片机A/D转换，输出频率相对较低的数字信号于回转变压器的副边线圈上。

3. 根据权利要求1所述的非接触供电力矩测量的电动自行车轮盘，其特征是，所述回转变压器铁芯由高分子复合材料参杂导磁铁粉压制而成。