CN103675337B - 非接触式转向感测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种非接触式转向感测装置，于一转轴上设有二相异极对数量的磁铁环，由二感磁元件分别感测各磁铁环的磁场信号，以及由一控制器记录转轴旋转时的磁场信号，控制器计算其中一磁场信号可得该转轴旋转的角度，当转轴受力产生扭转，使另一磁铁环的磁场信号相较未受力时的磁场信号而产生相位差，控制器经计算转换该相位差可得转轴所受力矩值；利用所述磁铁环的磁场信号，经控制器计算以分别得到转轴的力矩与角度，具有结构简单与低成本的优点，解决现有力矩与角度检测装置存在复杂、成本高与信号易受干扰的问题。

Description

非接触式转向感测方法与装置

技术领域

本发明是一种非接触式转向感测装置，尤指一种感测设于一转轴上二相异极对数磁铁环的磁场信号的相位差，经由运算可同时得到转轴力矩与旋转角度的非接触式转向感测装置，其可实现于汽车或自行车上。

背景技术

因应环保意识与运动养生的概念风行，越来越多人以自行车作为日常休闲运动或是每天的通勤工具，尤以欧美地区而言，许多上班族已将自行车作为每天使用的交通工具，但受限于骑乘距离与地形变化，并非所有人都有足够的体力负荷，因此利用电动电机辅助带动的电动辅助自行车便开始蕴育而生。

而现有的电动辅助自行车其辅助力皆需透过手把上的油门开关调整，其缺点是会增加骑乘者操作上的复杂度，需要一边注意前方路况，同时一边注意油门开关的调整，且电动辅助自行车电机产生的力矩并非即刻提供辅助，而是需要骑乘者踩踏踏板半圈以上才会提供辅助功能，如在上坡起步时，骑乘者必须先以自身踩踏力驱动电动辅助自行车而后其电机才会提供踏力辅助，如此会造成骑乘者使用上的不便。

因此现有可检测转轴的力矩与角度以提供辅助的技术，如美国发明专利权第7339370号「位置与力矩感测器(Positionandtorquesensor)」，请参阅图17所示，于一输入轴81与一输出轴82之间夹设有一耦合器83，该输入轴81与输出轴82上分设有两组相对的磁铁环811、821以及一磁场感测元件84，所述磁铁环811、821分别具有多数个相接的磁极(N、S)，且所述磁铁环811、821具有相同的极对数，又磁场感测元件84是设在所述磁铁环811、821之间，当输入轴81受力旋转时，会使耦合器83产生扭转且带动输出轴82旋转，而使两组磁铁环811、821的磁极产生极性偏移，由原N、N或S、S相对极性改变为N、S或S、N交互极性，该磁场感测元件84能检测此极性偏移的变化，而达到感测力矩变化的目的；请参阅图18所示，为了感测转轴85旋转的的角度，则是利用两平行相对的磁铁环851、852为不相等的极对数目的方式排列，如图所示，所述磁铁环851、852的极对数分别为N极对与N+1极对，当转轴85旋转不同角度位置时，设于所述磁铁环851、852之间的一感测器86会检测到不同极性的磁场，意即由相同极性渐次转换至相异极性再渐次转换至相同极性，藉由比对两磁铁环851、852的磁场极性差异而可得到转轴85转动的角度。

请参阅图19所示，结合前述的力矩与角度检测结构后，该专利案欲同时检测力矩与角度则至少需要设置三组并排的磁铁环811、821与852才可同时检测输入轴81与输出轴82的力矩与旋转角度，且各磁铁环811、821与852需要具有多数个极对数，意即需要多数个磁极，造成制作成本增加且使用多数个磁铁环易造成相互间的磁场干扰而造成信号不佳的问题。

而如美国发明专利权第4874053号「力矩检测装置(Torquedetectingapparatus)」，是利用磁铁组搭配霍尔感测器进行力矩检测，如图20所示，其是在一扭力杆的上、下套筒91、92分设有一圆盘911、921，各圆盘911、921上设有多组固定排列方式而呈环状的磁极(N、S)，且上、下套筒91、92的磁极配置方式相同，透过对应于上、下套筒91、92的两个霍尔感测器931、932来量测上、下套筒91、92各自的磁场变化波形，藉由波形的相位差而可得到扭力杆的力矩变化值，不过霍尔感测器931、932仅能检测转轴的上、下套筒91、92的力矩而无法同时检测扭力杆的角度，因此，仍有无法同时检测到上、下套筒91、92的力矩与旋转角度的问题。

发明内容

如前揭所述，欲同时检测转轴的力矩与角度需要设置多组且复杂的感应元件，造成制造成本增加与信号干扰的问题，因此本发明主要目的在提供一种非接触式转向感测方法与装置，主要是分别取得转轴于未受力与受力时的其中磁场信号的相位差，再经转换可得转轴所受的力矩值，计算另一磁场信号则可得转轴旋转的角度值，解决现有欲同时检测力矩与角度时，需要设置多组且复杂的感应元件，而有结构复杂、成本增加以及信号易受干扰的问题。

为达成前述目的所采取的主要技术手段是令前述非接触式转向感测方法包含有：

取得当下转轴分设于其两端的磁铁环的磁场信号，其中一所述磁铁环是一单数极对磁铁环，另一所述磁铁环是一复数极对磁铁环；

藉由所述单数极对磁铁环的磁场信号，计算转轴旋转的角度值，同时取得未受力的另一磁铁环的磁场信号；

计算转轴当下与未受力的另一磁铁环磁场信号产生的相位差，该相位差经计算得一电压的差异值，该差异值经一对照表转换以得到转轴受力扭转的力矩值。

为达成前述目的采取的主要技术手段是提供一非接触式转向感测装置包含有：

一单数极对磁铁环，其设于一转轴的一端，该单数极对磁铁环包含有一组N极与S极磁铁；

一复数极对磁铁环，其设于转轴的另端且相对于单数极对磁铁环，该复数极对磁铁环包含有多组N极与S极磁铁，各N极磁铁与各S极磁铁是依序排列；

二感磁元件，其分别对应单数极对磁铁环与复数极对磁铁环，以分别感测单、复数极对磁铁环的磁场信号；

一控制器，其包含有一信号解析模块，该控制器是与所述感磁元件连接以接收其感测的磁场信号，该信号解析模块计算复数极对磁铁环的磁场信号的相位差，该相位差经转换以得到转轴所受的力矩值，信号解析模块计算单数极对磁铁环的磁场信号以得到转轴旋转的角度值。

利用前述元件组成的非接触式转向感测装置，转轴旋转时，所述感磁元件分别取得单数极对磁铁环与复数极对磁铁环呈正弦波的磁场信号，由于复数极对磁铁环的磁铁数量较多，其产生的正弦波的数量会较单数极对磁铁环多，控制器分别记录当下的单数极对磁铁环与复数极对磁铁环的磁场信号，当转轴旋转且一端受力时即会产生扭转，对应于复数极对磁铁环的感磁元件取得的磁场信号相较其未受力的磁场信号即会产生相位差，其中，转轴旋转的角度值由单数极对磁铁环的磁场信号直接转换即可得到；控制器的信号解析模块经由计算该相位差与转换后，即可得到转轴所受的力矩值，藉由所述感磁元件分别取得单、复数极对磁铁环旋转时的磁场信号，由单数极对磁铁环得到转轴角度值，再由控制器进行复数极对磁铁环的相位差运算可得到转轴的力矩值，具有结构简单与成本低的优点且两磁铁环不需紧靠以减少磁场信号干扰，解决现有同时检测力矩与角度的检测装置具有结构复杂、成本高与信号易受干扰的问题。

附图说明

图1是现有转轴的受力示意图。

图2是本发明第一较佳实施例的基本原理图。

图3是本发明第一较佳实施例的单数极对磁铁环磁场信号的波形图。

图4是本发明第一较佳实施例的复数极对磁铁环磁场信号的波形图。

图5是本发明第一较佳实施例的架构示意图。

图6是本发明第一较佳实施例的磁场信号的波形图。

图7是本发明第一较佳实施例的电压对照表的波形图。

图8是本发明第一较佳实施例的四极对磁铁环具相位差磁场信号的波形图。

图9是本发明第一较佳实施例的控制器运算转轴扭转角度的示意图。

图10是本发明第一较佳实施例的计算转轴扭转角度的流程图。

图11是本发明第一较佳实施例的控制器计算电机辅助力矩的方块图。

图12是本发明第一较佳实施例的控制器计算电机辅助力矩的流程图。

图13是本发明第二较佳实施例的立体图。

图14是本发明第二较佳实施例的分解图。

图15是本发明第二较佳实施例的剖面图。

图16是本发明第二较佳实施例的右套筒与中间套筒卡合间隙图。

图17～图19是现有位置与力矩感测器的示意图。

图20是现有力矩检测装置的示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，为现有一转轴11的受力示意图，该转轴11可以是一扭力杆或是一可受力扭转的传动轴，其受到一正向力(Fz)而于转轴11上产生一正向力矩(Tz)带动旋转，而旋转过程中会因转轴11另端存在一负载而形成的一相反于正向力(Fz)的反向力(Fc)，而对转轴11产生一反向力矩(Tc)，由正、反向力矩(Tz、Tc)相互作用而使转轴11产生一相对角度差(Δψ)，该相对角度差(Δψ)经由计算即可得到转轴11所受的力矩值；如以自行车为例(图中未示)，该正向力(Fz)可视为骑乘者施加的踩踏力，该反向力(Fc)可视为链条施加的拉力，踩踏力与拉力产生的相反方向的力矩，会使转轴11的一端产生扭转。

关于本发明的第一较佳实施例，请参阅图2至图4所示，为本发明的基本原理说明，其不限于自行车亦可用于汽车上，主要是于一转轴20的一第一端21与一第二端22上分设有二相异极对数量的磁铁环23，该转轴20可以是一扭力杆或是一可受力产生扭转的传动轴，转轴20的两端分别受前述相反方向的正向力矩(Tz)与反向力矩(Tc)而产生扭转，所述磁铁环23分别为一具有单数极对的磁铁环231与一具有复数极对的磁铁环232，于本较佳实施例中，该复数极对磁铁环232是以四组N极磁铁与S极磁铁组成，但不局限于四组，该单数极对磁铁环231是由一组分别呈半圆形的N极磁铁与S极磁铁对接而呈环状，该复数极对磁铁环232是设于转轴20的另端且与单数极对磁铁环231相对，该复数极对磁铁环232的各N极磁铁与各S极磁铁是同心且依序并排于转轴20的外周缘处而呈环状，单、复数极对磁铁环231、232的相对外侧分设有一感磁元件24，所述感磁元件24呈直线排列且平行于转轴20的轴线，用以感测单、复数极对磁铁环231、232的磁场信号，如图3、图4所示，当转轴20旋转一圈360度时，所述感磁元件24感测的磁场信号分别对应单、复数极对磁铁环231、232的极对数而产生一个正弦波形与四个正弦波形，而当前述的正向力矩(Tz)增加时，转轴20的一端会产生扭转而使该端具有四极对的复数极对磁铁环232的磁场信号超前原有未受力的磁场信号而产生相位差。

请参阅图5所示，为一提供电动自行车判断的辅助力矩大小的架构示意图，所述感磁元件24感测的磁场信号分别送至与其连接的一控制器30，由控制器30分析与计算转轴20旋转的角度与力矩值，以对外部的一电机40进行控制，使其提供骑乘电动自行车时所需的力矩辅助调变，减轻骑乘者的负担，其中，该控制器30内建有一信号解析模块31，其用以解析与运算该转轴20的角度与力矩值；如图6所示，是为所述感磁元件24输出的磁场信号，当转轴20旋转一圈时，单、复数极对磁铁环231、232分别产生一个正弦波形与四个正弦波形的磁场信号，信号解析模块31选择单数极对磁铁环231的磁场信号为基准以进行信号解析，如图所示，该单数极对磁铁环231的磁场信号的电压值约为1.0V，其对应基准点角度值为270度，此时复数极对磁铁环232的磁场信号的电压值约为2.3V，而转轴20旋转一圈于各角度产生的所述磁场信号的各个电压值可对应得到一电压对照表(MappingTable,如图7所示)，该电压对照表为单、复数极对磁铁环231、232的磁场信号的各个电压值所结合的一封闭曲线，欲检知转轴20的旋转角度时，仅需取得该单数极对磁铁环231的磁场信号的电压值，即可对应得到转轴20旋转的角度值；而前述信号解析模块31选择的270度基准点的两电压值(1.0V与2.3V)对应于电压对照表的曲线即为标示点X，如图8与图9所示，当前述转轴20受力产生扭转时，复数极对磁铁环232的磁场信号会超前其原先未受力时的磁场信号而产生相位差，使得同角度的磁场信号会上升至约2.9V(如图标示点B)，而与原2.3V的磁场信号产生约0.6V的差异值(ΔV)，信号解析模块31取得该电压的差异值(ΔV)以及前述的基准点(270度)经查表可得到转轴20扭转的角度(Δψ)，该扭转角度(Δψ)再经由一力矩对照表转换后即可得转轴20所受的力矩值，藉此，控制器30可同时达到感测力矩与角度的目的。

请参阅图10所示，是为该信号解析模块31计算转轴20扭转的角度的流程图，首先由信号解析模块31取得转轴20当下的单数极对磁铁环231的磁场信号以及复数极对磁铁环232的磁场信号(101)，以单数极对磁铁环231的磁场信号找出比对基准点的角度，以及找出对应于基准点的复数极对磁铁环232的磁场信号值(102)，信号解析模块31针对当下与未受力的复数极对磁铁环232的磁场信号进行相减运算，以得到两磁场信号的电压的差异值(ΔV)(103)，再由信号解析模块31结合基准点与差异值(ΔV)，经由查表即可得到转轴20的扭转角度(Δψ)(104)。

请参阅图11与图12所示，图5中的控制器30进一步内建有一死区(DeadZone)控制模块32，其分别取得信号解析模块31输出的扭转的角度(Δψ)，以及转轴20旋转的角度(θ)，经由死区控制模块32整合运算并避开转轴20的死区区间，使电机40(图中未示)输出所需的辅助力矩(Tcmd)，其中，该死区控制模块32取得信号解析模块31输出的转轴的扭转角度(Δψ)信号，该信号经一材料刚性因数(Ks)转换后可得一扭转力矩值(Tdriver)，又死区控制模块32取得转轴20的旋转角度(θ)经一微分器321微分后输出一旋转速度信号，该旋转速度信号再送至一死区设定单元322，该死区设定单元322依据旋转速度信号设定死区区间的大小，该死区区间与扭转力矩值(Tdriver)经由一力矩辅助单元323运算，死区控制模块32依据扭转力矩值(Tdriver)与死区区间决定辅助力矩(Tcmd)的大小，以输出辅助的力矩值(Tmotor)提供电动自行车的骑乘辅助力量；如图12所示的流程图，死区控制模块32取得转轴20的旋转角度(θ)经微分后输出一旋转速度(201)，该旋转速度送至死区设定单元322以设定死区区间的大小(202)，该死区区间指定给力矩辅助单元323(203)，转轴20的扭转角度(Δψ)经转换后可得扭转力矩值Tdriver(204)，死区控制模块32依据扭转力矩值Tdriver与死区区间决定辅助的力矩Tcmd的大小(205)。

关于本发明的第二较佳实施例，请参阅图13、图14、图15所示，将前述的转轴20、单数极对磁铁环231、复数极对磁铁环232与所述感磁元件24分设于一自行车的车架50的一中轴机壳60内，其包含有一扭力杆51、一设于扭力杆51一端的右套筒52、一设于扭力杆51另端的中间套筒53、一设于右套筒52相对外侧的齿盘套筒54、一与右套筒52紧配的左套筒55、二感磁元件56以及一螺帽57，该螺帽57是用以固定前述各元件于中轴机壳60内，其中，

该扭力杆51是呈实心杆状。

该右套筒52是呈空心筒状，其中一端为封闭端，另端为自由端，该右套筒52是以其封闭端夹设扭力杆51的其中一端，该右套筒52的筒壁形成有多个与轴向平行的限位槽521，该右套筒52于封闭端的相对外侧形成有一凸块522，该凸块522是用以连接一右脚踏板(图中未示)以产生踏力(即前述的正向力)。

该中间套筒53是呈空心筒状，其筒壁上形成有多个向外辐射的凸肋531，各凸肋531是相对且略小于右套筒52的限位槽521，该中间套筒53套设于右套筒52中，且各凸肋531位于限位槽521中间处，以提供凸肋531扭转角度限位的功能，以避免扭力杆51因扭转过度而产生破坏与变形。

该齿盘套筒54是呈空心筒状，其内径略大于右套筒52的外径以供枢设右套筒52，齿盘套筒54其中一端的筒壁形成有多个与轴向平行的定位槽541，该定位槽541供夹设中间套筒53的凸肋531，齿盘套筒54的外侧壁设有一单数极对的磁铁环561，于本实施例中，该单数极对磁铁环561包含有一组N极与S极磁铁，N极磁铁与S极磁铁是依序并排而呈环状，又齿盘套筒54的一端连接有一齿盘58，该齿盘58是与一链条(图中未示)连接以产生链条拉力(即前述的反向力)。

该左套筒55是呈实心柱状，其中一端形成有多个向外辐射的凸缘551，所述凸缘551是紧配于右套筒52的限位槽521，该左套筒55的另端形成有一凸柱552，该凸柱552是用以连接一左脚踏板(图中未示)以产生踏力，左脚踏板的踏力可经由左套筒55的所述凸缘551传至右套筒52的限位槽521后，再传至扭力杆51的一端；又左套筒55的外侧壁设有一复数极对的磁铁环562，于本实施例中，该复数极对磁铁环562包含有四组N极与S极磁铁，各N极磁铁与各S极磁铁是依序并排而呈环状。

所述感磁元件56是分别对应齿盘套筒54上的单数极对磁铁环561以及左套筒55上的复数极对磁铁环562且设置于中轴机壳60内的二嵌槽601中，用以感测各磁铁环561、562于旋转时产生的磁场信号。

当左、右套筒55、52未受力且旋转时，扭力杆51的两端不会扭曲形变，使得所述感磁元件56分别取得单数极对磁铁环561与复数极对磁铁环562为正弦波的磁场信号，由于复数极对磁铁环562的磁铁排列较为紧密，其产生的正弦波的数目会较单数极对磁铁环561多；请配合参阅图16所示，当齿盘58(图中未示)产生拉力时，齿盘套筒54的定位槽541会夹住中间套筒53的凸肋531而带动中间套筒53产生与齿盘58同向的位移，而左、右套筒55、52受到踏力则产生与齿盘58反向的位移，故扭力杆51的两端受到相反的反向力与正向力即产生扭转，对应于复数极对磁铁环562的感磁元件56的磁场信号即会产生相位差，且由限位槽521限制中间套筒53的凸肋531位移角度。

由上述可知，信号解析模块31经由计算单数极对磁铁环561的磁场信号可得到转轴20的角度值，计算复数极对磁铁环562于受力与未受力的磁场信号的相位差，再经转换而可得到转轴20所受的力矩值；利用所述感磁元件56取得单数极对磁铁环561与复数极对磁铁环562的磁场信号，再由与所述感磁元件56连接的信号解析模块31进行运算，可同时得到转轴20的力矩与角度，具有结构简单的优点，解决现有检测装置复杂、成本高与信号易受干扰的问题。

Claims (10)

1.一种非接触式转向感测方法，其特征在于，所述的非接触式转向感测方法包括：

取得当下转轴分设于其两端的磁铁环的磁场信号，其中一所述磁铁环是一单数极对磁铁环，另一所述磁铁环是一复数极对磁铁环；

藉由所述单数极对磁铁环的磁场信号，计算转轴旋转的角度值，同时取得未受力的另一磁铁环的磁场信号；

计算转轴当下与未受力的另一磁铁环磁场信号产生的相位差，所述相位差经计算得一电压的差异值，所述差异值经一对照表转换以得到转轴受力扭转的力矩值。

2.如权利要求1所述的非接触式转向感测方法，其特征在于，所述单数极对磁铁环包含有一组N极与S极磁铁，所述复数极对磁铁环包含有多组依序排列的N极与S极磁铁。

3.如权利要求1或2所述的非接触式转向感测方法，其特征在于，所述差异值经转换为转轴的扭转角度，又转轴旋转的角度经微分为转轴旋转的速度，依据转轴的旋转速度与扭转角度设定一死区区间，以产生一辅助力矩值。

4.一种非接触式转向感测装置，其特征在于，所述的非接触式转向感测装置包括：

一单数极对磁铁环，其设于一转轴的一端，所述单数极对磁铁环包含有一组N极与S极磁铁；

一复数极对磁铁环，其设于转轴的另端且相对于单数极对磁铁环，所述复数极对磁铁环包含有多组N极与S极磁铁，各N极磁铁与各S极磁铁是依序并排；

二感磁元件，其分别对应单数极对磁铁环与复数极对磁铁环，以分别感测单、复数极对磁铁环的磁场信号；

一控制器，其包含有一信号解析模块，所述控制器是与所述感磁元件连接以接收其感测的磁场信号，所述信号解析模块计算复数极对磁铁环的磁场信号的相位差，所述相位差经转换以得到转轴所受的力矩值，信号解析模块计算单数极对磁铁环的磁场信号以得到转轴旋转的角度值。

5.如权利要求4所述的非接触式转向感测装置，其特征在于，所述控制器进一步设有一死区控制模块，所述死区控制模块包含有一微分器、一死区设定单元与一力矩辅助单元，所述死区设定单元分别与微分器以及力矩辅助单元连接，微分器输出一旋转速度信号至死区设定单元，死区设定单元依据旋转速度信号设定转轴的死区区间，力矩辅助单元计算所述死区区间与一扭转力矩值以产生辅助力矩。

6.如权利要求4或5所述的非接触式转向感测装置，其特征在于，所述转轴是一扭力杆，所述转轴、单数极对磁铁环、复数极对磁铁环与所述感磁元件设于一自行车的车架的中轴机壳内，所述中轴机壳内于扭力杆与复数极对磁铁环之间进一步设有一右套筒与一齿盘套筒，又在扭力杆与单数极对磁铁环之间进一步设有一中间套筒与一左套筒，所述右套筒是与左套筒紧配。

7.如权利要求6所述的非接触式转向感测装置，其特征在于，所述右套筒是呈空心筒状，其中一端为封闭端，另端为自由端，所述右套筒是以其封闭端夹设扭力杆的其中一端，所述右套筒的筒壁形成有多个与轴向平行的限位槽，所述右套筒于封闭端的相对外侧形成有一凸块；所述中间套筒是呈空心筒状，其筒壁上形成有多个向外辐射的凸肋，各凸肋是相对且略小于右套筒的限位槽，所述中间套筒套设于右套筒中；所述齿盘套筒是呈空心筒状，其内径略大于右套筒的外径以供枢设右套筒，齿盘套筒其中一端的筒壁形成有多个与轴向平行的定位槽，所述定位槽供夹设中间套筒的凸肋，所述单数极对磁铁环是设于齿盘套筒的外侧壁上；所述左套筒是呈实心柱状，其中一端形成有多个向外辐射的凸块，所述凸块是紧配于右套筒的限位槽，所述左套筒的另端形成有另一凸柱，所述复数极对磁铁环是设于左套筒的外侧壁上。

8.如权利要求7所述的非接触式转向感测装置，其特征在于，所述限位槽用以限制中间套筒的凸肋的位移角度。

9.如权利要求6所述的非接触式转向感测装置，其特征在于，所述中轴机壳内形成有一嵌槽，所述嵌槽用以容置所述感磁元件。

10.如权利要求7所述的非接触式转向感测装置，其特征在于，所述中轴机壳内形成有一嵌槽，所述嵌槽用以容置所述感磁元件。