CN103732487A - 踏板辅助传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种装置与方法，其用以根据量测一骑乘者所产生的机械功率控制一电动马达提供该骑乘者协助。该骑乘者所产生的功率系由电动自行车的车链(或皮带)张力以及每分钟的转速所测得。一车链滚轮(或皮带滚轮)系设置于一悬臂梁的自由端，且该车链(或皮带)系设于该车链滚轮(或皮带滚轮)上。悬臂梁的偏移量值提供了车链张力的量测值。用于该电动马达的一控制信号系根据骑乘者所产生的一平滑功率值而生成。

Description

踏板辅助传感器
技术领域
本发明系有关于电动自行车相关领域，尤其地，系有关于根据一使用者的踩踏以控制电动马达辅助装置驱动电动自行车的相关技术。
背景技术
消费者与条例规定皆希望电动马达提供给电动自行车的传动系统的功率与骑乘者透过人工方式输入踏板（即，踩踏踏板）的功率相关。也就是说，只有在骑乘者以人工方式转动踏板时，电动能才会被传递至传动系统，并且该电动能必须匹配或者为骑乘者踩踏踏板所输入的功率的某比例。此些电动自行车系统又可被称为踏板辅助系统（Pedal Assist,PAS或Pedelec.）。
为了要使此些踏板辅助系统运作，需要对于由骑乘者踩踏踏板所得到的功率进行精准的量测。习知骑乘者所提供的功率的量测系统在制作上过于昂贵，因此需要提供低成本并且符合电动自行车整体成本的功率量测系统。此外，复杂的系统常有失效的情况，因此需要提供长效性并且具有低维护成本或零维护成本的功率量测系统。又因为复杂的系统需要校准与调整才能取得精确度高的量测值，因此需要提供透过简易校准与调整即可以得到预定准确度的量测系统。
另外，需要提供一种量测装置其可以不需调整或微幅调整而直接装设于市面上现有的电动自行车，而可被消费者或电动自行车制造厂商以套组方式装设于电动自行车上。
发明内容
鉴于以上的问题，本发明提供一种装置与方法，其用以根据量测一骑乘者所产生的机械功率控制一电动马达提供该骑乘者协助。该骑乘者所产生的功率系由电动自行车的车链(或皮带)张力以及每分钟的转速所测得。一车链滚轮(或皮带滚轮)系设置于一悬臂梁的自由端，且该车链(或皮带)系设于该车链滚轮(或皮带滚轮)上。悬臂梁的偏移量值提供了车链张力的量测值。用于该电动马达的一控制信号系根据骑乘者所产生的一平滑功率值而生成。
于本发明的一实施态样中，系提供一种电动自行车的控制系统。该控制系统包含一电动马达、一车链、一传感器以及一处理器。该电动马达用以协助一骑乘者踩踏该电动自行车。该传感器量测该车链的车链张力而产生初步车链张力数据。该处理器计算该电动马达的一控制信号。该控制系统计算：利用该初步车链张力数据所得的一曲柄的每分钟转速值、该车链张力数据的一平滑化数值、由踩踏所得的平均功率，以及用于该电动马达的一控制信号，其与该平均功率成比例。
附图说明
在本文中提到并且构成本文的一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与实施方式一起用以解释本发明的原理，其中：
图1A系为本发明的一传感器组的左侧视图，所述传感器组用以量测骑乘者于一车链所产生的扭矩；
图1B系为本发明的传感器组的右侧视图；
图1C系为本发明的传感器组的俯视图；
图2系为本发明的传感器组的立体示意图；
图3系为本发明的传感器组的第二实施例的立体示意图，所述传感器组用以量测骑乘者于一车链所产生的扭矩；
图4系为本发明的传感器组的第二实施例的外壳的立体示意图；
图5A系为本发明的传感器组的第二实施例的外壳的左侧视图；
图5B系为本发明的传感器组的第二实施例的外壳的俯视图；
图5C系为本发明的传感器组的第二实施例的外壳的前侧视图；
图5D系为本发明的传感器组的第二实施例的外壳的后侧视图；
图6系为本发明的一自行车的右侧视图，所述自行车接设有传感器；
图7系为本发明的车链、自行车踏板、链盘以及传感器的右侧视图，传感器设置以量测车链扭矩；
图8系为本发明接设有传感器的一自行车以及辅助踩踏的一电动马达的右侧视图（一）；
图9系为本发明接设有传感器的一自行车以及辅助踩踏的一电动马达的右侧视图（二）。
【符号说明】
10          电路
12,12a      传感器组
13          固定围体
14          车链滚轮
16          悬臂梁
16a         非固定端
17          磁铁
18          霍尔效应传感器
20          车链导引件
24          外壳
26          空孔
30,30a,30b  电动自行车
31          车架
34,34a,52   车链
34b         第二车链
36,38       链盘
40          曲柄
48          自由轮
50          电动马达
50a         高速马达
54          中间轴
60          传动系统/变速器
具体实施方式
以下说明书内容系为本发明之最佳实施例，其非用于限制本发明的范畴而仅适用于说明本发明的一个或多个较佳实施例，本发明的发明范畴系取决于本发明所主张的权利要求项。
图1A、图1B、图1C以及图2系分别为用以于一车链34量测骑乘者所产生扭矩的一传感器组12的左侧视图、右侧视图、俯视图以及立体示意图。设置于一悬臂梁16的一非固定端16a的一位移传感器系量测非固定端16a的偏移量值而决定车链34的张力。举例而言，一磁铁17系设置于该悬臂梁16的非固定端16a，而一霍尔效应传感器18系定位于一固定围体13内而使该磁铁17的一磁极直接地位于该霍尔效应传感器18上方。该磁铁17表面与该霍尔效应传感器18之间的距离通常为八分之一英吋。该传感器组12系与一车链滚轮14以及与该车链滚轮14协同运作的一车链导引件20匹配（如图7所示）。
需要说明的是，在此悬臂梁16系为一较佳实施例，应知任何可以藉由量测与车链路径相互垂直的力量而量测车链34的车链张力的装置（举例而言，活塞以及螺旋弹簧）皆应落入本发明的发明范畴。
当该力量系藉由该车链34施加于该车链滚轮14时，该悬臂梁16的该非固定端16a系产生位移，导致该磁铁17更为靠近被固定的该霍尔效应传感器18。因此，该霍尔效应传感器18侦测到一磁场变化并导致其电子输出值随着该磁铁17的位置改变而变化。
由于悬臂梁16的设计理念系为如此，因此悬臂梁16不会压迫该霍尔效应传感器18，而使得霍尔效应传感器18不会因为长时间持续受压而失效。一般来说，该磁铁17相对该霍尔效应传感器18的总位移量系小于八分之一英吋。该系统的零件大小与尺寸系可以对应其应用以及所欲量测的力量量值大小而改变。
设有该霍尔效应传感器18的该固定围体13系为密封且防水而仍可以于极度潮湿与肮脏环境中使用。
该传感器组12系典型地以大约五伏特以及一共线加以驱动。一第三导线运送传感器的信号，该信号表示施加于该悬臂梁16的力量。
模拟霍尔效应传感器18产生一高阶电子信号，其系与供电源成比例。此高阶电子信号使得本量测系统不再需要如同以应变片为基础的一量测系统中所需的高增益信号条件。
图3系为用以于一车链34量测骑乘者所产生扭矩的一传感器组12a的第二实施例的立体示意图。图4、图5A、图5B、图5C以及图5D系分别为该传感器组12a的外壳24的立体示意图、左侧视图、俯视图、前侧视图以及后侧视图。该外壳24包含与该外壳24一体成型的一悬臂梁16，如此一体成型设计的外壳24与悬臂梁16提供了持续性的量测。位于该外壳24内的一空孔26系供一电路10配置。
图6系为接设该传感器组12/12a的一电动自行车30的车架31的右侧视图。图7系为一车链34、曲柄40以及链盘36、38的右侧视图。为了量测人力踩踏自行车30的功率，系将该传感器组12/12a与该车链滚轮14以及该车链导引件20配合设置（请参阅图1A至图5D）。完整的传感器组12/12a系较佳地设置于车架31的一固定位置，于此位置车链滚轮14系位于车链34正下方且位于曲柄40后侧。该悬臂梁16系被允许可因在车链滚轮14上的施力而弯曲。该车链34系被调整而使得其所施予滚轮14的力量系与踏板施予曲柄40的力量成比例。
图8系为接设该传感器组12/12a的一电动自行车30a以及辅助踩踏的一电动马达50的右侧视图。图9系为接设该传感器组12/12a的具有一变速器60的一电动自行车30b以及辅助踩踏的一高速电动马达50a的右侧视图。藉由将该扭矩传感器设置于与一低速马达(小于300RPM)相连动的一踏板车链34a上，并且藉由一第二车链34b(或皮带)连动该马达50至自行车常用的一后轮传动系统（例如：变速器60），所有由骑乘者以及马达50所产生的能量将被馈入至多速的传动系统60，使得没有辅助的骑乘者也可以因为该传动系统60而受益。藉由将该车链34a自该曲柄40移动至位于一自由轮48的该马达50，骑乘者系可选择直接驱动马达50进入传动系统60而不需将踏板踩踏至不需踏板辅助系统的位置。
可替代地，当车链34a连动于装设有如前所述的传感器组12的一中间轴54时，系可以直接以相同方式使用高速马达50a。高速马达50a系可以藉由另一车链52(或皮带)透过可藉由齿轮比达成减速的一自由轮与该中间轴54相连接，而使得高速马达50a的转速可以减至与骑乘者踩踏速度相匹配的速率。然后，该车链34a(或皮带)系与一后轮传动系统60连动，并且将来自该马达50a和/或该骑乘者的能量转移至该传动系统60中。
于模拟输出电子讯号必须以一原本即存在的装置作为其接口的某些实施态样中，可于该系统内建制一简单信号调控器。当该系统需要从该传感器12/12a得到一非模拟或数字信号时，该电子信号亦可以简单地于该传感器内配置为一脉冲宽度调制组态。
于启动状态时，该装置系假设骑乘者并无施加任何明显力或扭矩于该踏板因而对该传感器组12/12a建置一零位置。当后续有小于该零位置的张力情况时，则此些量测结果皆会个别为该次骑乘过程创造一个新的零位置。所有大于零位置的量测结果皆会被视为由骑乘者所产生的力或扭矩。
该传感器12/12a的资料系提供给一处理器以控制马达50。当骑乘者开始踩踏自行车30(或是任何藉由踏板驱动的车辆)使曲轴40转动时，踏板转动的行为造成了一个不均匀的车链张力量测结果。由于左脚与右脚个别以360度转动踏板的曲轴40，一次的转动系包含二个峰值。该处理器处理初步张力数据而侦测张力数据中所具有的峰值以计算每分钟转速(RPM)；接着，该处理器由所测得的车链张力乘以曲轴链盘半径以计算曲轴的扭矩，而后将扭矩乘以每分钟转速而得到骑乘者所产生的功率。
在使用者利用曲轴所产生的功率以及马达的功率皆馈入传动系统以增加效能的场合中，处理器系可以利用曲轴链盘扭矩以及踏板转速决定齿轮于传动系统中的最佳位置而调整传动系统。于曲轴链盘扭矩系会增加而曲轴每分钟转速(或者藉由量测车轮速度所测得的车速)系为持平或减少的情况下，处理器会调整传动系统至一较低齿轮比。而于踏板扭矩减少而踏板转速(或者藉由量测车轮速度所测得的车速)系为增加的情况下，处理器会调整传动系统至一较高齿轮比。
藉由软件的睡眠与唤醒功能可以避免传感器组12/12a于第一次开机时输出一驱动信号。当踏板无施力时，该传感器组12/12a系会进入一预设睡眠状态，此一安全特征可以避免骑乘者不在车上时扭矩传感器输出信号并驱动马达。
该传感器组12/12a系可更包含一速度传感器而可以得知自行车30是否移动。该速度传感器系可以侦测车轮转动以及真实的车辆速度，并且该传感器组12/12a系会根据于某些车辆所规范的车速限制该扭矩传感器的输出。该速度传感器亦可以用以限制或避免扭矩传感器输出，直到速度传感器侦测到车辆轮胎移动。
本发明于电动自行车领域中具有产业利用性。
虽然本发明以前述的实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习相像技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (11)

1.一种马达控制系统，用于一电动自行车，其特征在于，所述马达控制系统包括：
一电动马达，用以协助一骑乘者踩踏所述电动自行车；
一车链；
一偏移传感器，用以量测所述车链的张力而产生车链张力数据；以及
一处理器，用以计算：
利用所述车链张力数据所得的一曲柄的每分钟转速值；
由所述车链张力资料所得的踏板扭矩资料；
由所述每分钟转速值及所述踏板扭矩数据所得的功率；以及
用于所述电动马达的一控制信号，与所述功率成比例。
2.如权利要求1所述的马达控制系统，其特征在于，所述偏移传感器包括一位移传感器以及一悬臂梁，且所述车链张力资料系与由所述位移传感器所测得的所述悬臂梁的一偏移量值有关。
3.如权利要求2所述的马达控制系统，其特征在于，所述偏移传感器系为一霍尔效应传感器用以量测所述悬臂梁的所述偏移量值。
4.如权利要求2所述的马达控制系统，其特征在于，所述霍尔效应传感器系设置于一张力传感器外壳内，一磁铁系贴附所述悬臂梁的一自由端以量测所述悬臂梁的所述偏移量值。
5.如权利要求2所述的马达控制系统，其特征在于，所述偏移传感器系包括一外壳用以设置电路与所述悬臂梁，且所述外壳系一体成型。
6.如权利要求5所述的马达控制系统，其特征在于，所述一体成型的外壳与悬臂梁系包括一L型悬臂梁，所述L型悬臂梁的一第一端系接设所述外壳，另一端则装设有一传感器。
7.如权利要求6所述的马达控制系统，其特征在于，所述外壳形成一封闭边界空孔，环绕设置一传感器电路。
8.如权利要求2所述的马达控制系统，其特征在于，一车链滚轮系邻设于所述悬臂梁的一自由端。
9.如权利要求8所述的马达控制系统，其特征在于，一车链导引件系接设于邻近所述车链滚轮的所述悬臂梁。
10.一种马达控制系统，用于一电动自行车，其特征在于，所述马达控制系统包括：
一电动马达，用以协助一骑乘者踩踏所述电动自行车；
一车链；
一悬臂梁；
一车链滚轮，设置于所述悬臂梁的一自由端，所述车链系设于所述车链滚轮上；
一偏移传感器，用以量测所述悬臂梁的一偏移量值以量测车链张力资料；以及
一处理器，用以计算：
利用所述车链张力数据所得的一曲柄的每分钟转速值；
由所述车链张力资料所得的踏板扭矩资料；
由所述每分钟转速值及所述踏板扭矩数据所得的功率；以及
用于所述电动马达的一控制信号，与所述功率成比例。
11.一种马达控制系统，用于一电动自行车，其特征在于，所述马达控制系统包括：
一电动马达，用以协助一骑乘者踩踏所述电动自行车；
一车链；
一一体成型外壳，包括：
一封闭边界空孔，环绕设置一传感器电路；以及
一悬臂梁；
一车链滚轮，设置于所述悬臂梁的一自由端，所述车链系设于所述车链滚轮上；
一霍尔效应传感器，用以量测所述悬臂梁的一偏移量值以量测车链张力资料；以及
一处理器，用以计算：
利用所述车链张力数据所得的一曲柄的每分钟转速值；
由所述车链张力资料所得的踏板扭矩资料；
由所述每分钟转速值及所述踏板扭矩数据所得的功率；以及
用于所述电动马达的一控制信号，与所述功率成比例。
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