CN102826173A - 在壳体内多磁块均匀分布的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明在壳体内多磁块均匀分布的传感器属于磁感应提供信号的技术领域，特别是涉及在一个转动部件上，进行多点位磁感应提供控制信号的技术。包括依次连接的传感元件、助力模型处理器、数模转换器、运算放大器，传感元件包括转动盘和固定盘嵌的内空中设有永磁块和霍尔，转动盘上固定设置有圆环形分布的多个永磁块，相邻永磁块的磁极性相反，即分布方式是N极、S极、N极…；固定盘上的霍尔设在接近永磁块的位置。优点：利用相邻永磁块磁极性成NS的相反分布方式，使霍尔可获得矩形波信号，便于可对信号进行加入为设定助力模型的数字处理，永磁块与霍尔的相对位置固定，信号输出可靠。

Description

在壳体内多磁块均匀分布的传感器

技术领域

本发明属于磁感应提供信号的技术领域，特别是涉及在一个转动部件上，进行多点位磁感应提供控制信号的技术。

背景技术

野宝车料工业（昆山）有限公司申请的中国专利201020295192.0《勾爪式力矩传感装置》公开了一种助力自行车用传感装置，传感装置包括磁性件和弹性件配合，感受力矩的传感装置。使用时间长后，弹性件的弹性系数变化就会导致传感信号与被控电机的控制效果发生变化，助力效果变得与人的助力需要不配合。而且用弹性件的设计结构复杂，制造成本高。

北京科技大学申请的中国专利01201843.0《电动助力自行车自动检测装置》公开了一种电动助力自行车自动检测装置，无接触检测蹬力、速度和转向，该装置在相对运动的内、外轮盘上分别设磁片，内轮盘上有弹簧，内、外轮盘之间用弹簧复位，用支架上的两个霍尔测内、外轮盘上相对运动的磁片产生的电信号表示蹬力、速度和转向。

缺点（1）用弹性件不耐久：使用时间长后，弹性件的弹性系数变化就会导致传感信号与被控电机的控制效果发生变化，助力效果变得与人的助力需要不配合，结构复杂，成本高。

缺点（2）输出正弦波使磁片组边缘距离不能小于4厘米，一般以5厘米为佳，而使可设磁片组数太少，人机配合不理想：各磁片组相同，则霍尔输出的是正弦波作为控制信号，作为控制信号正弦波必需有一定峰谷差值，由于该专利的磁片组需要一定长度表示正反向运动，在直径为20厘米的环形凹槽转动盘圆形轨迹上最多设8个磁片组，一般以5个为佳，霍尔才能有控制功能的正弦波信号。也就是说，01201843.0专利的这种技术方案，用于助力自行车，磁片组数量受限止在8个以内，控制信号太少，人机配合不理想。但如果多于8个磁片组，在人踏车较快时，霍尔输出的信号图形接近为一条水平线，该信号没有控制功能，不能控制电动机，使其特别需要助力时，失去助力功能。

缺点（3）信号盲区达45度角，启动时需要助力的时候确得不到助力：众所周知，人踩自行车脚踏板在顶点力矩最小，从离开顶点10-45度角是最需要助力的区域，但该专利各磁片组之间的夹角为45度，在脚踏板离开顶点10-45度角区域没有一个磁片组，也就没有一个控制信号，其结果是最需要助力的时候，但助力自行车的电机确不能助力。

总之，除用弹性件不耐久又结构复杂外，因霍尔与磁片组的配合结构特点，转盘大小直径为20厘米以内，限止了磁片组数量为8组，磁片组数不能随意增加，使人机配合不理想，而且启动时得不到助力，助力需求与提供助力不匹配，骑车人的舒适性差；如强行增加磁片组数量，其传感信号又失去助力控制功能。

 王乃康申请的中国专利03264387.X《时间型电动助力自行车传感器》公开了不用弹性件，只用动、定两个转盘，动盘上面镶嵌两个永磁磁钢，定盘上面镶嵌三个霍尔元件，自行车踏板转一周，每个霍尔产生两个脉冲，则三个霍尔元件产生六个脉冲。分折可得三个特点，四个缺点如下：

特点（1）为获得六个脉冲信号，只能是各永磁磁钢相同磁极在一面：每个霍尔要产生两个脉冲，则只能是两个永磁磁钢的相同磁极设在动盘的同一面，即在动盘的某一面，两个永磁磁钢都是北极或都是南极。假如在动盘的同一面，一个永磁磁钢为北极，另一个为南极，则踏板转一周，每个霍尔就只能产生一个脉冲，三个霍尔就只有三个脉冲，这就不合乎该专利说明书记载了。为了增加脉冲数，提高控制效果，只能是各永磁磁钢相同磁极在一面。

特点（2）永磁磁钢用于表示踏板固定位置，三个霍尔表示踏板运动位置：由于踏板与动盘是同步转动，所以在与两个踏板对应的动盘上两个位置分别固定一个永磁磁钢，某一个踏板转在什么位置，则对应的永磁磁钢也转在什么位置；但只有转在有霍尔的位置，才能通过霍尔发出控制信号，指挥助力自行车的电机产生需要的助力转动。

特点（3）因为一个霍尔不能表示转一周中不同时段踏板运动的位置，则就不能只用一个霍尔：踏板在转一周中的不同时段，对助力需求是有很大差别的，要体现这种助力需求的变化，该专利用三个霍尔分别设在180度角以内的三个位置，两个永磁磁钢分别设在两个踏板位置，踏板转在有霍尔的位置，该霍尔就输出信号表示踏板到达了该霍元的位置。但用多个霍尔又存在下面的缺点。

作为助力自行车传感器的这些特点会有三个缺点：

缺点（1）用两个没有差异性的永磁磁钢分别表示两个踏板的固定位置，就只能用多个霍尔来表示踏板的转动位置：两个永磁磁钢没有差异性，优点是可以不分左右脚的分别表示两个踏板的固定位置，使其左右脚发生助力需求，可产生相同的电机助力效果；但缺点是永磁磁钢本身就不能表示踏板的转动位置，而只能用多个霍尔设在不同的转角位置来表示踏板的转动位置，所以不能只用一个霍尔，而必需用多个霍尔。

缺点（2）不能只用一个霍尔，而三个霍尔必然造成三个控制信号有原始分段误差，使助力需求模型失真，自然产生助力输出与助力需求不一致：助力自行车不论是一个或两个电机，其控制电机的传感信号只能用一个传感信号输入电机控制器才能达到控制电机的目的；而该专利用三个霍尔控制电机，则必需把三个霍尔的三个控制信号合并为一个合并控制信号后才能输入电机控制器。三个霍尔的传感参数不可能一样，特别是由于环境温度变化、使用时间长后，三个霍尔的传感参数可能差异很大，其结果造成相同的助力需求时，不同霍尔的输出的是不同电压，导致电机产生不同的助力输出，助力输出与助力需求不一致；同理相同的助力需求时，不同霍尔的输出的又可能是相同电压，导致电机产生同一种助力输出，也产生助力输出与助力需求不一致的问题。

缺点（3）合并控制信号易产生信号漂移，使合并控制信号与电机控制器不匹配，助力需求模型失真：由于环境温度变化、使用时间长后，三个霍尔的传感参数可能差异很大，三个霍尔的三个控制信号连接点必然变化，则相同的助力需求产生的合并控制信号就会产生分段性的信号漂移，合并控制信号作为一整体产生信号失真，即助力需求模型失真，造成电机控制器选用三个控制信号的任何一个作为基准都会产生助力输出与助力需求不一致的问题。

缺点（4）传感位点不能随意增加，传感位点太少，电机运行就不平稳，使骑车的人感觉很不舒服：由于有缺点（1）和缺点（2）都最因为霍尔数量大于一个造成的，很明显霍尔数量越量越多，缺点（1）和缺点（2）表现越严重。所以，该专利提供的助力自行车只能是使骑车的人感觉舒适性很不好的助力自行车。

缺点（5）信号盲区达42度角，启动时需要助力的时候确得不到助力：众所周知，人踩自行车脚踏板在顶点力矩最小，从离开顶点10-45度角是最需要助力的区域，但该专利各霍尔之间的夹角为42.5-43.5度，在脚踏板离开顶点10-42度角区域没有一个霍尔，也就没有一个控制信号，其结果是最需要助力的时候，但助力自行车的电机确不能助力。

总之，该专利是用多个霍尔控制助力模式的技术方案，因为只能用多个霍尔来表示踏板的转动位置，多个霍尔的多个控制信号必然有原始误差，其合并控制信号又易产生信号漂移，都可造成助力需求模型失真，即不同时间的相同助力需求，但获得不同的助力效果；霍尔数量越量越多，助力需求模型失真越严重，限止了霍尔了数量，霍尔少数量了又产生电机运行就不平稳，使骑车的人感觉很不舒服，而且启动时得不到助力。使其要助力需求模型不失真，和要电机运行平稳这两个问题上总是顾此失彼，不可兼得。

发明内容

本发明的目的是提供只用一个霍尔和环形凹槽转动盘上各个永磁块获得速度和加速度信号、并对信号进行数字化处理成为以最佳助力模型信号输出的传感器，是一种在可感应区域内，能尽量增加永磁块数量，最大限度利用环形凹槽转动盘位移信息，输出信息多，霍尔和多个永磁块用一个组合件固定相对位置的传感器。使用在助力自行车上，不用弹性件和其它机械测定力矩，电机运行平稳的助力自行车传感器。

本发明的构思是：在一个霍尔可感受范围内，一个环形凹槽转动盘上用相同的多个永磁块向霍尔的那一面进行南、北磁极性交替变化，使霍尔产生的信号为矩形波，使信号的控制功能更强、数量更多。对于助力自行车，表达脚踏板运动状态的信息量更多。

用一个机械结构的组合件固定传感元件霍尔和多个永磁块的相对位置，使其传感信号稳定可靠。

把霍尔输出的矩形波信号变为数字信号，方使对霍尔的数字信号进行数字化处理，在数字化处理过程中可加入使人机能配合的助力数学模型，助力数学模型是可按人机配合进行随意调整的。可以克服现有技术霍尔输出的正弦波信号难以进行数字化处理，只能进行模拟化信号处理而不能加入可随意调整的助力模型、克服了只能提取受速度信号条件限止的助力模型、克服了使人机不能配合的问题。

本发明的结构是： 

在壳体内多磁块均匀分布的传感器，包括依次连接的传感元件、助力模型处理器21、数模转换器27和运算放大器28；其特征在于：

［1］传感元件是把环形凹槽转动盘1的转动运动变为矩形波信号输出的元件；

传感元件包括一块环形凹槽转动盘1、环形凹槽固定盘40、一个霍尔3和多枚永磁块2，多枚永磁块2的大小相同、形状相同、磁通量相同，环形凹槽转动盘1和环形凹槽固定盘40两者的凹面相对，环形凹槽固定盘40嵌合在环形凹槽转动盘1的环形凹槽之中，成两个盘能相对转动的嵌合内空外壳，两个盘的凹面夹成一个空心环41；在空心环41位置的环形凹槽转动盘1上固定设置有多枚永磁块2，该多枚永磁块2均匀地呈圆形轨迹分布，即每枚永磁块2到圆形轨迹线5所在圆中心的距离相同、相邻两枚永磁块2之间的距离相同；每枚永磁块2磁极性的N极和S极分别在环形凹槽转动盘1的两面，相邻两枚永磁块2的磁极性相反，一块环形凹槽转动盘1上全部永磁块2的磁极性分布方式是N极、S极、 N极、S极、 N极、S极……；

在空心环41的环形凹槽固定盘40上固定设置有一个霍尔3，霍尔3设在接近永磁块2并能感受每个永磁块2磁通量的位置，霍尔3与永磁块2之间有间距；霍尔3是对相反磁极性产生矩形波输出信号的霍尔；

［2］助力模型处理器21是把转动盘1转动的数字信号变为助力模型数字信号的信号形式转换器；

助力模型处理器21包括模数转换和速度计算器24、助力模型存储器25和助力模型计算器26；

模数转换和速度计算器24与传感元件的霍尔3连接；模数转换和速度计算器24把霍尔3输入的矩形波信号计算出各矩形波之间的变化速度表示转动盘1的转速；

模数转换和速度计算器24与助力模型计算器26连接，助力模型存储器25也与助力模型计算器26连接；助力模型计算器26用模数转换和速度计算器24的转动盘1转速选择助力模型存储器25中的某一种助力模型函数，并将转动盘1转速条件代入助力模型函数，计算出适合的助力模型数字信号，即助力模型计算器26输出助力模型数字信号；

［3］数模转换器27是把助力模型数字信号转换成助力模型的模拟信号；

助力模型计算器26与数模转换器27连接，数模转换器27把助力模型计算器26的助力模型数字信号转换成助力模型模拟信号；

［4］运算放大器28是把数模转换器27的助力模型模拟信号转换成额定电压范围的助力模型模拟信号。

［一］对传感元件的说明：

环形凹槽转动盘1与环形凹槽固定盘40即嵌合，又能相对转动，保证了在环形凹槽转动盘1转动状态，霍尔3与全部永磁块2的感应位置不变化，使霍尔3的输出信号只与全部永磁块2的转动有关，而与环形凹槽转动盘1与环形凹槽固定盘40以下的物件无关；如果环形凹槽转动盘1与环形凹槽固定盘40用金属材料，又可有屏蔽作用，所以，用环形凹槽转动盘1与环形凹槽固定盘40将霍尔3与全部永磁块2置于空心环41进行感应，提高了霍尔3信号的可靠性、真实性。

当把环形凹槽固定盘40固定在某一物件上，转动环形凹槽转动盘1，环形凹槽转动盘1上的各个永磁块2扫过环形凹槽固定盘40上的霍尔3时，每个永磁块2都能使霍尔3产生电信号。由于相邻两枚永磁块2的磁极性相反，即全部永磁块2的磁极性南、北交替的面对霍尔3，则霍尔3产生电信号为矩形波信号，矩形波信号方便进行数字化处理信号，用于实现数字化控制。现有技术是全部永磁块2的用同一个磁极性面向霍尔3，霍尔3就只能产生正弦波信号，所以只能用于模拟控制；一但霍尔3的感应参数变化，模拟控制就可能失真。而本发明用矩形波信号实现数字化控制，不会产生控制失真的问题。

环形凹槽转动盘1可以是塑料板、高强度绝板、铜板、铝板等不易变形的材料板。使用传感元件时，环形凹槽转动盘1要转动，转动的中心就是多个永磁块2成圆环形分布所在圆的中心。

多个永磁块2在圆环形范围内，成圆环形分布的目的在于可以只用一个霍尔3感受环形凹槽转动盘上全部永磁块2的运动状态，即感受环形凹槽转动盘上全部永磁块2的运动速度，以及速度的变化，或称加速度，这一个霍尔3就能把永磁块2的运动状态用一个连续的电信号来表达，又因为全部永磁块2是分别固定在环形凹槽转动盘即环形凹槽转动盘1上的，则霍尔3产生的连续电信号就能表达环形凹槽转动盘的运动状态。如果把这个连续电信号用于控制其它物体，这个连续电信号就是控制信号。如果用于控制助力自行车的电机，还需要用单片机或其它电子元件作为传感信号处理器，把控制信号中的位置、速度、加速度要索转换成需要助力多少的助力信号，换算的函数就是助力需求模型，或称助力模型。

霍尔3设在接近永磁块2并能感受永磁块2磁通量的位置，目的在于用霍尔3感受永磁块2的运动状态，从而感受环形凹槽转动盘1的运动状态，即运动位置、速度、加速度。

相邻永磁块2的磁极性相反是很重要的技术特征，全部永磁块2的磁极性分布方式是N极、S极、 N极、S极、 N极、S极……，使霍尔3输出高、低相间的矩形波信号，因为作为大小受限止的环形凹槽转动盘，转动一周要获得尽量多的精确变化信号，当然应是选用矩形波。矩形波信号的峰谷值变化的时间短，可在一定的时间内，产生尽量多的有控制意义的信号。相邻永磁块2的磁极性相反的结构产生矩形波，而相邻永磁块2的磁极性相同的结构产生正弦波，特别是用于助力自行车时，作为传感部件的环形凹槽转动盘一般限止在直径为10-15厘米，在这种限范围要获得有控制功能的信号，转动一周，产生矩形波比产生正弦波可提供的脉冲个数多7-9倍。自然，相邻永磁块2的磁极性相反的结构对助力自行车的控制效果更的，人与车配合更好，乘骑人感觉更舒服。

［二］助力模型处理器21的说明：助力模型处理器21是把转动盘1转动的数字信号变为助力模型数字信号的信号形式转换器；

助力模型处理器21包括模数转换和速度计算器24、助力模型存储器25和助力模型计算器26；把传感元件中霍尔3的矩形波信号，用模数转换和速度计算器24变为表示转动盘1转动速度的数字信号，再用转速数字信号从助力模型存储器25中选择适合某种转速的助力数学模型；最后把转速数字信号代入助力模型计算器26，计算出适合这种速度的助力模型数字信号。即助力模型计算器26就能输出助力模型数字信号。

［三］对数模转换器27的说明：数模转换器27是把助力模型数字信号转换成助力模型的模拟信号。

助力模型计算器26与数模转换器27连接，数模转换器27把助力模型计算器26的助力模型数字信号转换成助力模型模拟信号。以便向只能处理模拟信号的电机控制器29输出助力模型的模拟信号。

［四］对运算放大器28的说明：运算放大器28是把数模转换器27的助力模型模拟信号转换成额定电压范围的助力模型模拟信号。

数模转换器27与运算放大器28连接，数模转换器27的助力模型模拟信号虽然解决了助力模型问题，但助力模型信号的电压还不能满足电机控制器29的需要，所以还要用运算放大器28把助力模型模拟信号转换成额定电压范围需要的助力模型模拟信号，才能传输给电机控制器29。

本发明传感器中各信号处理部件输出的信号为：

霍尔3输出矩形波信号；

助力模型处理器21输出助力模型数字信号；

磁块转速计算器24计算并输出环形凹槽转动盘1的转速数字信号；

助力模型存储器25存有多种助力模型函数备用，输出已选定的助力模型函数的数字信号；

助力模型计算器26计算并输出将用于控制功能的助力模型数字信号；

数模转换器27输出把助力模型数字信号转换成的助力模型模拟信号；

运算放大器28输出把助力模型模拟信号转换成额定电压范围的助力模型模拟信号；

热敏电阻R6保证运算放大器28输出的是额定电压范围的助力模型模拟信号，即标准助力模型模拟信号。

为解决助力模型模拟信号漂移问题设有热敏电阻R6，热敏电阻R6连接在运算放大器28的输入端和输出端之间。

霍尔3、数模转换器27和运算放大器28都是半导体器件，又有处理模拟信号功能，很易随温度变化而使信号参数产生漂移，特别是夏天和冬天，助力自行车又都在室外，温度变化产生信号参数漂移的效果明显，所以，最好对运算放大器28输出的信号进行信号漂移修正，获得不受温度变化影响的标准助力模型模拟信号，将标准助力模型模拟信号通过电机控制器29控制电机30运行，骑助力自行车的人就不会感到夏天和冬天助力效果不同的问题。

助力模型处理器21是单片机31，单片机31上连接有时钟电路32。用单片机31完成模数转换和速度计算器24、助力模型存储器25和助力模型计算器26的功能。时钟电路32的时钟信号是用于对霍尔3输入的矩形波信号进行区分的作用，优选每个时钟信号的长度为0.001秒。

传感器的机械部件与传感部件结构关系：传感器的机械部件包括环形凹槽转动盘1和相嵌合的环形凹槽固定盘40，传感器的传感部件包括多个永磁块2、霍尔3、单片机31、数模转换器27和运算放大器28；传感部件中依次相连的霍尔3、单片机31、数模转换器27和运算放大器28四个电子元件设在一块电路板59上；在空心环41的环形凹槽转动盘1内壁固定多个永磁块2，在空心环41的环形凹槽固定盘40内壁固定电路板59，电路板59上的霍尔3设在能感受永磁块2的磁通量，并且霍尔3能根据磁通量变化输出变化电信号的位置。传感部件是传感器的传感功能部件；机械部件是有两个功能，第一是固定传感部件中的各个元件的相对位置，使各个元件能组成一个传感功能性整体，第二是把这一个传感功能性整体固定在电动自行车上，并使这个传感功能性整体能传感电动自行车的运动状态。把依次相连的霍尔3、单片机31、数模转换器27和运算放大器28四个电子元件设在一块电路板59上，有利这四个电子元件集成化、模块化、小型化，方便把这四个电子元件整体统一固定在空心环41的环形凹槽固定盘40内壁，使生产制造传感器的工艺简化。

本发明的传感器各部件的优选型号和具体连接方式为：霍尔3是UGN3075，助力模型处理器21是AT89S52单片机31，数模转换器27是ADC-C8E；运算放大器28是OF-17F，OF-17F运算放大器28的输入端2脚与输出端6脚之间连接有热敏电阻R6；各部件连接关系如下：

霍尔3的信号输出端3脚连接单片机31的12脚INTO［P32］；

单片机31的39脚P00连接数模转换器27的12脚B8；

单片机31的38脚P01连接数模转换器27的11脚B7；

单片机31的37脚P02连接数模转换器27的10脚B6；

单片机31的36脚P03连接数模转换器27的9脚B5；

单片机31的35脚P04连接数模转换器27的8脚B4；

单片机31的34脚P05连接数模转换器27的7脚B3；

单片机31的33脚P06连接数模转换器27的6脚B2；

单片机31的32脚P07连接数模转换器27的5脚B1；

数模转换器27的4脚连接运算放大器28的2脚；

数模转换器27的2脚连接运算放大器28的3脚；

运算放大器28的6脚为模拟信号输出端。

OF-17F运算放大器28的输入端2脚与输出端6脚之间连接有热敏电阻R6，而且热敏电阻R6两端还并联有电容C6。优选热敏电阻R6为5K，电容C6为8P，数模转换器27的4脚与运算放大器28的2脚之间用1.25k的R5接地。使其可用热敏电阻R6调节运算放大器286脚输出的模拟信号电压范围稳定在0.8--4.2V之间。

环形凹槽固定盘40内圈的外表面与环形凹槽转动盘1内圈的内表面之间设有轴承42。轴承42使环形凹槽固定盘40与环形凹槽转动盘1之间能长时间保持良好的相对转动。

霍尔3设在正对多枚永磁块2的圆形轨迹线5的位置。因为霍尔3是能有间距感受永磁块2磁通量而输出电信号的部件，又为了尽量减小永磁块2的体积，使其在环形凹槽转动盘1上尽量多的设置永磁块2，使尽量减小的永磁块2都能被霍尔3感应；霍尔3应设在正对圆形轨迹线5的位置，而且最好设在接近能贯穿全部永磁块2的圆形轨迹线的位置。

环形凹槽转动盘1在多枚永磁块2的圆形轨迹线5所在圆范围内设有中心孔。如果环形凹槽转动盘1要穿套在一个转动轴上使用，环形凹槽转动盘1上就要设一个穿套转动轴的孔；为保证环形凹槽转动盘1在随转动轴转动时，霍尔3能感受环形凹槽转动盘1上每个永磁块2的运动信号，则环形凹槽转动盘1上的穿套孔应设在多个永磁块2的圆形轨迹线5所在圆范围的中心，成为中心孔。也就是说，中心孔不一定是圆形，可以是方形、三角形等形状，以便可以与方形、三角形等形状的转动轴相套，但中心孔的内空一定包括圆形轨迹线5所在圆的中心，才能使用一个霍尔3感受环形凹槽转动盘1环形凹槽转动盘上全部永磁块2的运动信号。

环形凹槽转动盘1是不导磁材料的塑料板、铝材板、铜材板的某一种。由于本发明是相邻永磁块2的磁极性相反的结构，能使相邻永磁块2的边缘几乎可相贴也能使霍尔3输出有控制功能的电信号。

本发明的优点：结构简单、成本低、永磁块环上的永磁块数量不受限止、输出标准的脉冲信号、没有信号盲区、只用一个霍尔的一组输出信号就能完全表示动盘的全部运动状态、输出信号不会失真不漂移，用于助力自行车，使助力输出与助力需求能高度配合而使骑车人感觉很舒服。

（1）结构简单，不用弹性件，无机械故障：用霍尔感受多个永磁块转动输出信号，用中国专利01201843.0提供的速度可推算力矩的原理，可用多种数学模型推算助力自行车的力矩参数，用于控制助力自行车的电机，实现助力。不用弹性件、结构简单、成本低于用弹性件和机械受力的传感器。避免了长时间使用后，各机械部件变形、无机械故障、配合不佳的问题。

（2）磁极性相反，输出矩形波信号，具有精确控制功能：由于相邻两枚永磁块的磁极性相反，并且霍尔选用对相反磁极性产生矩形波输出信号的霍尔，则相邻两枚永磁块无论间距多少，即使相邻两枚永磁块之间没有间隙，霍尔也同样能输出矩形波信号。如用于助力自行车，用矩形波的输出信号来控制助力自行车的电机优于用正弦波，因为矩形波能作到信号在任何时间点，表示运动速度的信号含义精确，从而可精确表示助力自行车踏板的运动速度，以便用踏板精确的速度推算出该运动状态正确的助力需求。

（3）相邻永磁块的磁极性相反，永磁块数量不受限止，可尽量增加传感点位：由于磁极性相反，输出矩形波信号，相邻永磁块即使无间隙，其输出的信号仍然是有个数、可区分的矩形波信号，仍然具有控制功能，也就是说不会输出没有控制功能的无变化直线形信号。如用于助力自行车，由于与踏板联动的环形凹槽转动盘直径大小受限止，就可在规定大小的环形凹槽转动盘上，尽量增加永磁块数量、尽量增加传感点位、用尽量多的传感信号表示自行车踏板运动速度，精确表示运动状态。

（4）相邻永磁块的磁极性相反，可设置永磁块多、传感点位多，对环形凹槽转动盘的运动状态表示精确：对用于助力自行车，固定永磁块的环形凹槽转动盘大小受到严格限止，一般环形凹槽转动盘直径只能在10-15厘米以内，为了使霍尔在有间距的条件下获得永磁块的磁极信号，其永磁块的直径至少为Ф0.6-0.8厘米，则直径10-15厘米的环形凹槽转动盘的周边无间隙的可设置35-73个永磁块［（10-1）*3.14/0.8=35；（15-1）*3.14/0.6=73］，即脚踏板转一周，霍尔可获得35-73个信号用于控制助力自行车的电机。但如果是相邻永磁块磁极性相同的现有技术，相邻永磁块按5厘米间距，则在直径10-15厘米环形凹槽转动盘上，最多只能设置5-8个永磁块［（10-1）*3.14/5.8=5；（15-1）*3.14/5.6=8］。可见，本专利技术比现有技术可以多设置永磁块7-9倍［35/5=6；73/8=9］，多设置30-65个永磁块［35-5=30；73-8=65］。所以，环形凹槽转动盘转一周，本专利技术比现有技术增加了7-9倍的环形凹槽转动盘转动位点信号。对助力自行车的电机控制精确度自然提高了7-9倍，使骑车人对助力需求精确度也提高了7-9倍，车与人的配合程度大大提高，骑车人的舒适感大大增加，不再是现有技术的助力车那种一快一慢不舒服的感觉。本发明请人根据实际的体验，当环形凹槽转动盘上大致均匀的设置15个永磁块时，基本消除了现有技术只设5-8个永磁块使助力车那种一快一慢不舒服的感觉；当环形凹槽转动盘上大致均匀的设置20个永磁块时，车与人的配合己能满足人的需要，乘骑助力车的感觉已很舒服。

（5）没有信号盲区，任何时候的助力需求都会获得相匹配的助力：本专利在直径10-15厘米的环形凹槽转动盘周边最多可设置35-73个永磁块，各永磁块之间平均夹角为5-10度。用于助力自行车，在启动或运行时，脚踏板从离开顶点10-45度角的35度区域内，有4-7个永磁块（在离开顶点10度角的位置就有一个信号了），则霍尔可输出4-7个控制信号反应助力需求，能实现任何位置、任何时间有助力就能获得相应助力的优良技术效果，使车与人的配合良好，骑车人感到省力又舒适。

（6）只用一个霍尔，一个控制信号表示环形凹槽转动盘的全部运动状态，控制信号与环形凹槽转动盘的运动状态完全一致，控制信号与人的需求完全一致：多个永磁块是固定在环形凹槽转动盘上的，永磁块与环形凹槽转动盘同步转动，用一个霍尔感受全部的永磁块运动信号，则霍尔输出的控制信号与环形凹槽转动盘的运动状态完全一致，与人的需求也就完全一致，控制信号不会有原始分段误差和信号漂移问题。即使霍尔传感参数发生变化，也是整个控制信号平行移动，只要接收霍尔控制信号的电机控制器的接收范围较宽，变化了的霍尔控制信号的控制效果成系统性改变。如用于助力自行车，助力需求模型不会失真，助力输出与助力需求仍然保持原来模型的匹配关系，骑车人很容易掌握这种助力性能的系统性改变。

（7）用能相对转动的环形凹槽转动盘环形凹槽固定盘合成壳体，固定了霍尔与全部永磁块的相对位置，避免了壳体外的环境干扰，提高了霍尔信号的可靠性、真实性，还方便了安装、调试、维修等。

（8）可以对霍尔信号进行数字化处理，把数字信号转换成带有转动盘转速要素的助力模型数字信号，再把助力模型数字信号转换成助力模型模拟信号，最后把助力模型模拟信号变为稳定电压范围的、具有额定功率的电机控制器可用的控制信号。总之，就是把磁块转动的信号进行数字化处理，在数字化处理处理过程中，加入数学的助力模型，使传感器最后输出的控制信号中，含有加入的助力模型。因为数学的助力模型是人为设定的，所以，总可以把数学的助力模型设定成尽量适合人机配合的模型，则本发明的传感器可输出能实现人机配合的控制信号。而现有助力自行车传感器的磁块相同磁极在同一面，霍尔不能获得矩形波信号，也就无法对霍尔信号进行数字化处理，其控制模型只能是对霍尔信号进行局部修改，所以不能实现输出人机最佳配合的控制信号。

（9）最后输出的控制信号不会有信号漂移：用热敏电阻R6对运算放大器的输出信号进行反馈调节，可以解决霍尔、数模转换器和运算放大器等半导体器件使助力模型模拟信号漂移的问题，使传感器最后输出的是不受环境温度变化的标准助力模型模拟信号。

附图说明

图1是环形凹槽转动盘多个N-S交替永磁块的传感元件结构示意图；

图2是环形凹槽转动盘上高密度多个N-S交替永磁块的传感元件结构示意图；

图3是传感器的剖面结构示意图；

图4是霍尔、助力模型处理器、数模转换器、运算放大器的信号流向方框图；

图5是霍尔、单片机、数模转换器、运算放大器的电路图。

图中1是环形凹槽转动盘、2是永磁块、3是霍尔、5是圆形轨迹线、21是助力模型处理器、24是模数转换和速度计算器、25是助力模型存储器、26是助力模型计算器、27是数模转换器、28是运算放大器、29是电机控制器、30是电机、31是单片机、32是时钟电路、40是环形凹槽固定盘、41是空心环、42是轴承、59是电路板。

具体实施方式

实施例1、在壳体内多磁块均匀分布的传感器

如图1、3、4，本实施例传感器包括依次连接的传感元件、助力模型处理器21、数模转换器27和运算放大器28；

［1］传感元件是把转动盘1的转动运动变为矩形波信号输出的元件；

用一个环形凹槽转动盘1和一个环形凹槽固定盘40两者的凹面相对，环形凹槽转动盘1和环形凹槽固定盘40的大小正好使环形凹槽固定盘40能嵌合在环形凹槽转动盘1的环形凹槽之中，合成两个盘能相对转动的嵌合内空外壳，两个盘的凹面夹成一个空心环41；在空心环41位置的环形凹槽转动盘1上固定设置有20个永磁块2。环形凹槽转动盘1和环形凹槽固定盘40用高强度塑料注塑成形。

空心环41内的环形凹槽转动盘1面直径10.0厘米，在环形凹槽转动盘1设20个永磁块2，20个永磁块2的直径分别为0.8厘米的，磁通量为146---279(B·H)max/KJ·m^-3中的某一个值。环形凹槽转动盘1、永磁块2、霍尔3的结构如下：

全部永磁块2均匀地呈圆形轨迹分布，每个永磁块2固定在直径9.0厘米圆形轨迹线5上，即每个永磁块2到圆形轨迹线5所在圆中心的距离相同、相邻永磁块2之间的距离相同。

在转动盘1一个面设置的全部永磁块2成相邻永磁块2的磁极性相反的方式排列，即转动盘1一个面上全部永磁块2的磁极性分布方式是N极、S极、 N极、S极、 N极、S极……。

在空心环41内的环形凹槽固定盘40上固定设置有一个霍尔3，霍尔3的信号输出线从环形凹槽固定盘40穿出，霍尔3设在接近永磁块2的位置，即霍尔3设在每个永磁块2所在圆形轨迹线5范围内，霍尔3与转动状态的每个永磁块2保持0.3厘米的间隔距离，使转动的每个永磁块2在经过霍尔3时，霍尔3能产生一个对应的矩形波电信号输出。

转动盘1在该全部永磁块2所在圆形轨迹线5中心设有中心孔，中心孔用于套在助力自行车的踏板中轴或转轮转轴上用。

［2］助力模型处理器21是把转动盘1转动的数字信号变为助力模型数字信号的信号形式的转换器；

助力模型处理器21包括模数转换和速度计算器24、助力模型存储器25和助力模型计算器26；

模数转换和速度计算器24与传感元件的霍尔3连接；模数转换和速度计算器24把霍尔3输入的矩形波信号计算出各矩形波之间的变化速度表示转动盘1的转速；

模数转换和速度计算器24与助力模型计算器26连接，助力模型存储器25也与助力模型计算器26连接；助力模型计算器26用模数转换和速度计算器24的转动盘1转动速度的数字信号选择助力模型存储器25中的某一种助力模型函数，最后把转速数字信号代入助力模型计算器26，计算出适合这种转动盘1转速的助力模型数字信号。即助力模型计算器26就能输出助力模型数字信号。

［3］数模转换器27是把助力模型数字信号转换成助力模型的模拟信号。

助力模型计算器26与数模转换器27连接，数模转换器27把助力模型计算器26的助力模型数字信号转换成助力模型模拟信号。以便向只能处理模拟信号的电机控制器29输出助力模型的模拟信。

［4］运算放大器28是把数模转换器27的助力模型模拟信号转换成额定电压范围的助力模型模拟信号。

数模转换器27与运算放大器28连接，数模转换器27的助力模型模拟信号虽然解决了助力模型问题，但助力模型信号的电压还不能满足电机控制器29的需要，所以还要用运算放大器28把助力模型模拟信号转换成额定电压范围需要的助力模型模拟信号，才能传输给电机控制器29，达到电机控制器29控制电机30进行助力为目的的运行。

实施例2、高密度在壳体内多磁块均匀分布的传感器

如图2、3、4，空心环41内的环形凹槽转动盘1面直径10.0厘米，在环形凹槽转动盘1设40个永磁块2，40个永磁块2的直径分别为0.6厘米的，磁通量为146---279(B·H)max/KJ·m^-3中的某一个值。霍尔3与转动状态的每个永磁块2保持0.2厘米的间隔距离，使转动的每个永磁块2在经过霍尔3时，霍尔3能产生一个对应的矩形波电信号输出。其它转动盘1、永磁块2、霍尔3的结构同于实施例1。

实施例3、有具体电路的在壳体内多磁块均匀分布的传感器

如图1、3、5，本实施例传感器包括依次连接的传感元件、助力模型处理器21、数模转换器27和运算放大器28；

［1］传感元件中的霍尔3选用UGN3075；传感元件中其它的元件和元件的结构同于实施例1；

［2］助力模型处理器21选用单片机31完成全部功能，单片机31选用AT89S52。即AT89S52单片机31完成模数转换和速度计算器24、助力模型存储器25和助力模型计算器26的全部功能。

［3］数模转换器27选用ADC-C8E。

［4］运算放大器28选用OF-17F，OF-17F运算放大器28的输入端2脚与输出端6脚之间连接有5k的热敏电阻R6；而且热敏电阻R6两端还并联有8P电容C6。数模转换器27的4脚与运算放大器28的2脚之间用1.25k的R5接地。使其可用热敏电阻R6调节运算放大器286脚输出的模拟信号电压范围稳定在0.8--4.2V之间。

各电子部件连接关系如下：

霍尔3的信号输出端3脚连接单片机31的12脚INTO［P32］；

单片机31的39脚P00连接数模转换器27的12脚B8；

单片机31的38脚P01连接数模转换器27的11脚B7；

单片机31的37脚P02连接数模转换器27的10脚B6；

单片机31的36脚P03连接数模转换器27的9脚B5；

单片机31的35脚P04连接数模转换器27的8脚B4；

单片机31的34脚P05连接数模转换器27的7脚B3；

单片机31的33脚P06连接数模转换器27的6脚B2；

单片机31的32脚P07连接数模转换器27的5脚B1；

数模转换器27的4脚连接运算放大器28的2脚；

数模转换器27的2脚连接运算放大器28的3脚；

运算放大器28的6脚为模拟信号输出端。

［5］传感器的机械部件与传感部件结构关系：传感器的机械部件包括环形凹槽转动盘1和相嵌合的环形凹槽固定盘40，传感器的传感部件包括多个永磁块2、霍尔3、单片机31、数模转换器27和运算放大器28；传感部件中依次相连的霍尔3、单片机31、数模转换器27和运算放大器28四个电子元件设在一块电路板59上；在空心环41的环形凹槽转动盘1内壁固定多个永磁块2，在空心环41的环形凹槽固定盘40内壁固定电路板59，电路板59上的霍尔3设在能感受永磁块2的磁通量，并且霍尔3能根据磁通量变化输出变化电信号的位置。传感部件是传感器的传感功能部件；机械部件是有两个功能，第一是固定传感部件中的各个元件的相对位置，使各个元件能组成一个传感功能性整体，第二是把这一个传感功能性整体固定在电动自行车上，并使这个传感功能性整体能传感电动自行车的运动状态。把依次相连的霍尔3、单片机31、数模转换器27和运算放大器28四个电子元件设在一块电路板59上，有利这四个电子元件集成化、模块化、小型化，方便把这四个电子元件整体统一固定在空心环41的环形凹槽固定盘40内壁，使生产制造传感器的工艺简化。

Claims (8)

1.在壳体内多磁块均匀分布的传感器，包括依次连接的传感元件、助力模型处理器（21）、数模转换器（27）和运算放大器（28）；其特征在于：

［1］传感元件是把环形凹槽转动盘（1）的转动运动变为矩形波信号输出的元件；

传感元件包括一块环形凹槽转动盘（1）、环形凹槽固定盘（40）、一个霍尔（3）和多枚永磁块（2），多枚永磁块（2）的大小相同、形状相同、磁通量相同，环形凹槽转动盘（1）和环形凹槽固定盘（40）两者的凹面相对，环形凹槽固定盘（40）嵌合在环形凹槽转动盘（1）的环形凹槽之中，成两个盘能相对转动的嵌合内空外壳，两个盘的凹面夹成一个空心环（41）；在空心环（41）位置的环形凹槽转动盘（1）上固定设置有多枚永磁块（2），该多枚永磁块（2）均匀地呈圆形轨迹分布，即每枚永磁块（2）到圆形轨迹线（5）所在圆中心的距离相同、相邻两枚永磁块（2）之间的距离相同；每枚永磁块（2）磁极性的N极和S极分别在环形凹槽转动盘（1）的两面，相邻两枚永磁块（2）的磁极性相反，一块环形凹槽转动盘（1）上全部永磁块（2）的磁极性分布方式是N极、S极、 N极、S极、 N极、S极……；

在空心环（41）的环形凹槽固定盘（40）上固定设置有一个霍尔（3），霍尔（3）设在接近永磁块（2）并能感受每个永磁块（2）磁通量的位置，霍尔（3）与永磁块（2）之间有间距；霍尔（3）是对相反磁极性产生矩形波输出信号的霍尔；

［2］助力模型处理器（21）是把转动盘（1）转动的数字信号变为助力模型数字信号的信号形式转换器；

助力模型处理器（21）包括模数转换和速度计算器（24）、助力模型存储器（25）和助力模型计算器（26）；

模数转换和速度计算器（24）与传感元件的霍尔（3）连接；模数转换和速度计算器（24）把霍尔（3）输入的矩形波信号计算出各矩形波之间的变化速度表示转动盘（1）的转速；

模数转换和速度计算器（24）与助力模型计算器（26）连接，助力模型存储器（25）也与助力模型计算器（26）连接；助力模型计算器（26）用模数转换和速度计算器（24）的转动盘（1）转速选择助力模型存储器（25）中的某一种助力模型函数，并将转动盘（1）转速条件代入助力模型函数，计算出适合的助力模型数字信号，即助力模型计算器（26）输出助力模型数字信号；

［3］数模转换器（27）是把助力模型数字信号转换成助力模型的模拟信号；

助力模型计算器（26）与数模转换器（27）连接，数模转换器（27）把助力模型计算器（26）的助力模型数字信号转换成助力模型模拟信号；

［4］运算放大器（28）是把数模转换器（27）的助力模型模拟信号转换成额定电压范围的助力模型模拟信号。

2.根据权利要求1所述的在壳体内多磁块均匀分布的传感器，其特征在于：还包括热敏电阻R6，热敏电阻R6连接在运算放大器（28）的输入端和输出端之间。

3.根据权利要求2所述的在壳体内多磁块均匀分布的传感器，其特征在于：助力模型处理器（21）是单片机（31），单片机（31）上连接有时钟电路（32）；

传感器的机械部件与传感部件结构关系：传感器的机械部件包括环形凹槽转动盘（1）和相嵌合的环形凹槽固定盘（40），传感器的传感部件包括多个永磁块（2）、霍尔（3）、单片机（31）、数模转换器（27）和运算放大器（28）；传感部件中依次相连的霍尔（3）、单片机（31）、数模转换器（27）和运算放大器（28）四个电子元件设在一块电路板（59）上；在空心环（41）的环形凹槽转动盘（1）内壁固定多个永磁块（2），在空心环（41）的环形凹槽固定盘（40）内壁固定电路板（59），电路板（59）上的霍尔（3）设在能感受永磁块（2）的磁通量，并且霍尔（3）能根据磁通量变化输出变化电信号的位置。

4.根据权利要求3所述的在壳体内多磁块均匀分布的传感器，其特征在于：霍尔（3）是UGN3075，助力模型处理器（21）是AT89S52单片机（31），数模转换器（27）是ADC-C8E；运算放大器（28）是OF-17F，OF-17F运算放大器（28）的输入端2脚与输出端6脚之间连接有热敏电阻R6；各部件连接关系如下：

霍尔（3）的信号输出端3脚连接单片机（31）的12脚INTO［P32］；

单片机（31）的39脚P00连接数模转换器（27）的12脚B8；

单片机（31）的38脚P01连接数模转换器（27）的11脚B7；

单片机（31）的37脚P02连接数模转换器（27）的10脚B6；

单片机（31）的36脚P03连接数模转换器（27）的9脚B5；

单片机（31）的35脚P04连接数模转换器（27）的8脚B4；

单片机（31）的34脚P05连接数模转换器（27）的7脚B3；

单片机（31）的33脚P06连接数模转换器（27）的6脚B2；

单片机（31）的32脚P07连接数模转换器（27）的5脚B1；

数模转换器（27）的4脚连接运算放大器（28）的2脚；

数模转换器（27）的2脚连接运算放大器（28）的3脚；

运算放大器（28）的6脚为模拟信号输出端。

5.根据权利要求1-4任何一项所述的在壳体内多磁块均匀分布的传感器，其特征在于：环形凹槽固定盘（40）内圈的外表面与环形凹槽转动盘（1）内圈的内表面之间设有轴承（42）。

6.根据权利要求5所述的在壳体内多磁块均匀分布的传感器，其特征在于：霍尔（3）设在正对多枚永磁块（2）的圆形轨迹线（5）的位置。

7.根据权利要求5所述的在壳体内多磁块均匀分布的传感器，其特征在于：环形凹槽转动盘（1）在多枚永磁块（2）的圆形轨迹线（5）所在圆范围内设有中心孔。

8.根据权利要求5所述的在壳体内多磁块均匀分布的传感器，其特征在于：环形凹槽转动盘（1）是不导磁材料的塑料板、铝材板、铜材板的某一种。

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