CN108627293A - 用于中轴力矩检测装置的形变桥结构 - Google Patents

Abstract

本发明申请涉及助力自行车驱动技术领域，具体公开了一种用于中轴力矩检测装置的形变桥结构，包括设置在中轴上的左碗组、右碗组、塑胶套和形变桥；塑胶套包括从内到外套在中轴上，用来固定中轴或者为中轴上的其他器件提供连接结构的第三塑胶套筒、第二塑胶套筒和第一塑胶套筒；所述塑胶套包括与中轴相对运动的第二塑胶套筒；所述第二塑胶套筒与中轴之间设置有可随着转动而同步产生相对运动的磁环和双霍尔元件组；所述磁环包括多个彼此间隔的N极和S极；所述双霍尔元件组包括两个单极性霍尔元件，这两个霍尔元件均可沿着磁环的圆周做相对运动；双霍尔元件组中的两个霍尔元件一个感应N极另一个感应S极。本申请能够精确检测得到力矩。

Description

用于中轴力矩检测装置的形变桥结构

技术领域

本发明涉及助力自行车驱动技术领域，具体涉及一种助力自行车用于中轴力矩检测装置的形变桥结构。

背景技术

助力自行车，又称助力式电动自行车，是一种介于自行车与电动车之间的骑行工具，通过电力辅助人力提供给自行车行进中所需要的动能，它是人们追求高效、便捷、健康、环保的生活方式的产物。

中轴是指助力自行车上用来连接两个脚踏板，并带动卡爪和卡爪上的链条转动的结构，中轴是助力自行车的核心部件，用来驱动、控制整车正常行驶。骑车人在骑行时，需要通过蹬踏脚踏板来带动中轴转动，进而带动与中轴连接的卡爪转动，卡爪带动链条转动，链条带动轮胎转动。当施加给助力自行车的功率大于阻力的功率时，助力自行车能够被驱动向前运动。为了减轻骑车人的做功负担，使骑车人能够轻松省力地骑行，需要对人的输出功率进行检测确定，然后计算出助力自行车应该提供的输出功率，使助力自行车和骑车人一起产生的功率克服掉阻力产生的功率。而人的输出功率正比于力矩和蹬踏频率的乘积。这里的力矩指的是中轴的扭力力矩，蹬踏频率指的是骑车人踩踏脚踏板时的频率。为了准确检测出当前人的输出功率，对力矩的大小检测十分关键，现在用来检测力矩大小的结构需要设置用于中轴力矩检测的系统。

现在主要有以下集中中轴力矩系检测统：

(一)采用速度型假助力传感器，只检测到的助力自行车的实际速度并没有检测中轴的力矩，致使助力自行车提供的助力与实际需要的助力相差较远，精度低、效果差。

(二)在中轴与牙盘间或电机与飞轮间装上一套弹性元件，利用弹性元件受力变形后的转差位移，推动相应机械动作，将与静态传感器件间产生磁场、光量等物理量变化转换为电量，以此来检测出骑车人的脚蹬力；弹性元件在形变后推动做机械动作，必然会遭遇阻力而使形变和机械动作的幅度都受到限制，将本就不强的检测信号进一步降低，使检测灵敏度低，一致性和稳定性差；此外，弹性元件用久之后会产生不可恢复的形变，导致检测精度进一步降低。

(三)在中轴与牙盘间或电机与飞轮间装上一套弹性元件，并在弹性元件两端，分别装上脉冲发生装置，利用弹性元件受力变形后的转差位移，使两个脉冲串间产生相位差，经鉴相电路转换，检测出骑车蹬力；因为不同的蹬踏频率会产生不同的脉冲频率，导致同样的力对应不同的相位差，算法复杂并且一致性差。

(四)在转动的中轴与链轮支架间设变形体，直接粘贴应变片，并设置放大电路，与外界用滑环、电刷连接；这种检测系统中的传感器一直在转动，滑环和电刷在转动过程中会产生不可恢复的损耗，导致传感器寿命短、耐久性差。

(五)在转动的中轴与链轮支架间设变形体，在其上粘贴特殊材料，使其在受力后产生磁导变化，引起与其配套、不跟其转动的线圈组电感变化，通过检测电感或藕合系数转换为相应电量；这种检测系统的缺点是工艺复杂，成本高。

(六)在链条主回路上装上一活动压轮，检测压轮在链条张力下产生的位移，与静态传感器件间产生磁场、光量等物理量变化，并转换为电量，经线性化换算检测出骑车人的蹬力；这种检测系统的通用性和一致性差，需要车架专门配合才可以达到效果，有些车型无法使用。

综上，现有的力矩检测系统都不能够精确采集中轴的扭力力矩，进而无法准确检测出骑车人的输出功率，使助力自行车无法精确地提供助力，最终导致助力自行车的使用效果较差。

申请人同步申请了一种能够精确检测扭力力矩的检测系统，本申请正是该检测系统中用来检测力矩大小的形变桥结构。

发明内容

本发明意在提供一种能精确检测力矩大小的用于中轴力矩检测装置的形变桥结构。

为达到以上目的，提供如下方案：

方案一：用于中轴力矩检测装置的形变桥结构，包括设置在中轴上的形变桥和设置在形变桥外表面的应变片单元；

所述形变桥呈筒状结构，形变桥的一端设有反向内螺纹，形变桥的该端与中轴反向螺纹连接，形变桥的另一端悬空。

本发明的工作原理及优点在于：

中轴转动，形变桥与中轴通过反向螺纹连接，使形变桥与中轴的连接部不会松脱，使连接部能够随着中轴一起转动，将中轴转动产生的扭力传递给形变桥，而形变桥的悬空端因为惯性不会随着中轴一起转动，使形变桥能够灵敏地感应到中轴上扭力的变化，使应变片能够及时将扭力传递给设置在形变桥上的应变片单元。应变片在接收到扭力后因为扭力作用而产生形变，使应变片能够通过形变量及时检测到扭力的大小值。

本发明中的形变桥与中轴通过反向螺纹结构连接，替代原有的齿状结构对扣，保证中轴与形变套之间无间隙连接，避免齿状对接正反转过程中的抖动，保证数据采集的精确性，且安装方便。

方案二：在方案一的基础上进一步，形变桥与中轴同轴，形变桥的外表面按照中轴轴线方向进行平均分配成多个安装单元，每个安装单元上安装一个应变片单元。

形变桥因为其加工限制，有可能造成其各个位置厚薄不均，致使不同位置的形变桥外表面感应扭力的能力不同，进而造成应变片的检测误差，为了克服这种形变桥本身造成的误差，现有技术一般会在形变桥的外表面上粘贴满应变片，这造成应变片成本的浪费。中轴在转动过程中，其产生的扭力都是沿着中轴圆周切线方向作用的，因此本发明将沿着中轴轴线方向将形变桥的外表面等分成多个安装单元，使每个安装单元的面积想相等，且每个安装单元都包括了一个完整的轴线方向的平面，这样只需要在每一个安装单元内安装一个应变片单元，就能够检测出这个安装单元所有位置接收到的扭力变化量，在保证检测精度的同时，有效减少了应变片的粘贴数量，节约了成本。

方案三：在方案一的基础上进一步，每个应变片单元包括两个彼此垂直的应变片，两个应变片分别与中轴轴线呈45°夹角，每个应变片单元的两个应变片形成一个惠斯通半桥。

每个应变片单元是一个惠斯通半桥，惠斯通半桥是一种用来进行电阻检测的通用电路。当应变片发生形变的时候，其电阻值发生相应的改变，通过惠斯通半桥能够将应变片检测的扭力大小转换为电信号。

方案四：在方案三的基础上进一步，形变桥上设置的应变片单元为偶数个，两个应变片单元形成一个惠斯通全桥。

惠斯通全桥和惠斯通半桥一样，是一种用来检测电阻的通用电路，本发明中利用惠斯通全桥能够更加精确地检测扭力力矩大小，因此用两个应变片单元组成一个惠斯通全桥接入到力矩采集电路中进行力矩大小的采集。

方案五：在方案一的基础上进一步，形变桥的悬空端的外表面上设置有用来与卡爪连接的齿状结构。

形变桥的一端与中轴连接，另一端通过齿轮结构和卡爪连接，这样可以保证左右两边的力通过形变套传递到齿盘从而达到双边力矩效果。

方案六：在方案一的基础上进一步，形变桥的悬空端的外表面上设置有用来与卡爪连接的齿状结构。

形变桥的一端与中轴连接，另一端通过齿轮结构和卡爪连接，这样可以保证左右两边的力通过形变套传递到齿盘从而达到双边力矩效果。

附图说明

图1为本发明实施例1对应的中轴力矩检测装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1的结构示意图。

图3为本发明实施例1对应的中轴力矩检测装置的逻辑框图。

图4为本发明实施例1对应的中轴力矩检测装置中多极磁环的结构示意图。

图5为本发明实施例1对应的中轴力矩检测装置中两极磁环的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：中轴1、锁紧螺母2、卡爪3、右碗组4、第一卡簧5、形变桥6、第一轴承7、防尘套8、安装套9、隔磁套10、多极磁环11、应变片12、电路板13、第一隔磁片14、无线供电接收线圈15、第二隔磁片16、无线供电发射线圈17、第二轴承18、第三轴承19、第二卡簧20、第四轴承21、左碗组22、第一开关霍尔23、第二开关霍尔24、两极磁环25、双极性线性霍尔26。

实施例1：

实施例1基本如附图1所示：中轴1力矩检测系统包括锁紧螺母2、卡爪3、左碗组22、右碗组4、中轴1、形变桥6、套筒和隔磁套10。

如图1和所示，中轴1的左端和右端分别通过紧固螺丝连接左脚踏板的左曲柄和右脚踏板的右曲柄，左曲柄位于左碗组22的左边，右曲柄位于右碗组4的右边。中轴1的外侧面上与形变桥6连接的位置上开有外螺纹。所述形变桥6套在中轴1上，形变桥6与中轴1通过反向螺纹连接，中轴1螺纹部分与形变桥6的内螺纹对锁。形变桥6与中轴1通过反向螺纹结构连接，替代原有的齿状结构对扣，保证中轴1与形变套之间无间隙连接，避免齿状对接正反转过程中的抖动，保证数据采集的精确性，且安装方便。

左碗组22和右碗组4分别安装在中轴1的左、右两端，左碗组22和右碗组4分别开有外螺纹，助力自行车车架的五通管两端开有与左、右碗组4对应的内螺纹，中轴1通过左碗组22与右碗组4安装在五通管中。左碗组22和右碗组4将中轴1与助力自行车的车架连接成一个整体，同时，左碗组22和右碗组4对连接在中轴1上的所有结构起到一个限位和固定的作用。左碗组22通过第四轴承21固定在中轴1上，右碗组4通过第一轴承7固定在中轴1上，其中第四轴承21的内圈与中轴1接触，第一轴承7的内圈与形变桥6接触将形变桥6压紧在中轴1上。右碗组4的内侧安装有径向向内伸出的第一卡簧5，通过第一卡簧5对第一轴承7限位。第一卡簧5的左端面与第一轴承7的右端面抵接。

套筒包括从内到外套在中轴1上，用来固定中轴1或者为中轴1上的其他器件提供连接结构的隔磁套10、安装套9和防尘套8。隔磁套10与防尘套8之间设置有从内到外环绕中轴1的第一隔磁片14和第二隔磁片16。靠近中轴1的第一隔磁片14具有较低的导磁率，阻止第一隔磁片14和第二隔磁片16之间的电路向中轴1传输电磁信号，减少中轴1对设置在中轴1上的电路的影响。远离中轴1的第二隔磁片16具有较高的导磁率，引导第一隔磁片14和第二隔磁片16之间的电路向着第二隔磁片16的方向发送电磁信号，这样能够保证磁场的外部发散，使设置在中轴1上的电路能够将信号更好地传输出去。

隔磁套10直接套在中轴1上，中轴1与隔磁套10接触部分的纵截面为梯步结构，即中轴1与隔磁套10的接触面具有凹凸，隔磁套10的内侧面与中轴1的外侧面形状相匹配，因此能够直接将隔磁套10套接在中轴1上，而不用担心隔磁套10会左右滑动。隔磁套10的左端面与第三轴承19的右端面抵接，隔磁套10的右端面与设置在中轴1上的电路板13抵接。为了使电路板13能够在中轴1上不滑动，中轴1的外侧面上开有供电路板13安装的安装槽。通过第三轴承19进一步对隔磁套10限位，通过第三轴承19和电路板13使隔磁套10能够稳定地套接在中轴1上，不产生滑动。隔磁套10的外侧面上开有第二环形槽，第二环形槽的位置位于第一环形槽的正下方。第二环形槽和第一环形槽都与中轴1同轴。在第二环形槽中，从内到外依次套接有第一隔磁片14和无线供电接收线圈15。无线供电接收线圈15与电路板13连接，为电路板13供电。无线供电接收线圈15可以随着中轴1一起转动。

通过第一环形槽和第二环形槽，使隔磁套10和防尘套8之间从内到外依次套接有第一隔磁片14、无线供电接收线圈15、无线供电发射线圈17和第二隔磁片16，因为第一环形槽和第二环形槽同轴且第二环形槽位于第一环形槽的下方，使在第一隔磁片14和第二隔磁片16之间的无线供电接收线圈15和无线供电发射线圈17形成同轴且平行的套环结构，无线供电发射线圈17包围着无线供电接收线圈15。无线供电发射线圈17和助力自行车车架上设置的驱动电路导线连接。根据麦克斯韦电磁场理论驱动电路通过无线供电发射线圈17产生变化的电场，变化的电场会激起变化的磁场，通过线圈之间的谐振，在无线供电接收射线圈产生变化的电场，达到能量传输的效果。因为无线供电发射线圈17和无线供电接收线圈15线圈是平行的，彼此之间一直存在变化的磁通量，因此无论线圈是否转动都能够产生电流，保证中轴1力矩检测系统的正常供电。

通过第一隔磁片14，使无线供电发射线圈17和无线供电接收线圈15构成的谐振线圈与中轴1隔离，提高了线圈品质因子，降低了能量传递的损耗，提升了产品的稳定性和一致性。通过第二隔磁片16，相当于在谐振线圈外面缠绕了一层隔磁材料，避免谐振线圈的能量向外辐射，减小损耗；降低了不同材质车架五通管对产品的影响，减少了金属五通管吸收的能量，避免了造成系统功耗不稳定的情况，保证了产品一致性。

其中，防尘套8的右端的纵截面也为梯步结构，梯步结构指的是具有像阶梯一样具有直角弯折的结构，即防尘套8的右端一体成型连接了一个直径变小的筒状结构。右碗组4的内侧与防尘套8右端的外侧面接触，即右碗组4压紧防尘套8的右端。防尘套8的左端直接与左碗组22的端面抵接。防尘套8的两端分别和左碗组22以及右碗组4连接，组成一个在周向上环住中轴1的统一整体，方便和左碗组22和右碗组4一起将连接在中轴1上的器件包围住，使其能够牢固连接在中轴1上。

安装套9的左端和右端的纵截面都为梯步结构，安装套9的左端和右端直径都减小，使安装套9的左端外侧面与左碗组22内侧面相接触，安装套9的右端外侧面与防尘套8的内侧面相接触。安装套9的外侧面上靠近左碗组22的位置上开有第一环形槽，第一环形槽内从内到外依次套接有无线供电发射线圈17和第二隔磁片16。安装套9的左端内侧面上从左往右依次连接有第二轴承18和第三轴承19，第二轴承18和第三轴承19的内圈与中轴1接触，通过第二轴承18和第三轴承19两个轴承将安装套9牢固地套接在中轴1上，同时使安装套9通过第二轴承18和第三轴承19可以相对中轴1运动，当中轴1在转动时使安装套9能够保持静止，使设置在第一环形槽内的无线供电发射线圈17能够静止地设置在助力自行车车架上并与驱动电路连接，其中，驱动电路与设置在车架等处的电源连接。

中轴1与左碗组22连接的外侧面上开有凹槽，通过凹槽卡接有第二卡簧20，第二卡簧20位于第四轴承21和第二轴承18之间，第四轴承21的左端面与第二卡簧20的右端面抵接，第二轴承18的右端面与第二卡簧20的左端面抵接，第二卡簧20起到了同时限位左碗组22和安装套9的作。第二卡簧20也可以直接与第二轴承18和第三轴承19的内圈卡接，避免使第二轴承18和第三轴承19的内圈与中轴1产生相对运动。

本实施例中，在中轴1安装槽内的电路板13上安装有双霍尔组件，在安装槽外的安装套9上安装有一个与双霍尔组件正对的多极磁环11，多极磁环11与中轴1同轴。双霍尔组件中的两个开关霍尔正对多极磁环11。在中轴1安装槽内的电路板13上安装有双极性线性霍尔26，在安装槽外的安装套9上安装有一个与双极性线性霍尔26正对的两极磁环25，两极磁环25与中轴1同轴。

安装在安装槽中的电路板13为力矩信号采集处理板，通过安装槽，使力矩信号采集处理板不会在中轴1上产生滑动。

如图3所示，本实施例中的力矩信号采集处理板上安装了力矩采集电路和力矩处理控制电路。力矩采集电路和力矩处理控制电路均安装在中轴1上，随着中轴1一起转动。同样设置在中轴1上的无线供电接收线圈15通过与无线供电发射线圈17的电磁感应向整个力矩信号采集处理板供电。

其中，力矩采集电路，包括应变片12单元组成的应变片12惠斯通全桥，与应变片12惠斯通全桥连接的第一运放单元，与第一运放单元连接的第一微控制器，以及与第一微控制器连接的用来向力矩处理控制电路传输电信号的第一发射模块。

力矩处理控制电路，包括用来与第一发射模块连接的第一接收模块，用来与第一接收模块连接的第二微控制器，用来分别与第二微控制器连接的电流检测器、双霍尔组件和双极性线性霍尔26，以及用来与第二微控制器连接的第二发射模块。

其中，双霍尔组件包括两个用来检测蹬踏频率和中轴1转动方向的单极性的开关霍尔，这两个开关霍尔分别为第一开关霍尔23和第二开关霍尔24，其中第一开关霍尔23感应N极，第二开关霍尔24感应S极，在第一开关霍尔23感应N极的时候为高电平，其他的为低电平，当第一开关霍尔23与多极磁环11相对转动时，第一开关霍尔23形成一个表示高低电平规律变化的矩形波。同样，第二开关霍尔24在感应到S极时为高电平，其他的为低电平，当第二开关霍尔24与多极磁环11相对转动时，第二开关霍尔24形成一个表示高低电平规律变化的矩形波。根据两个单极性开关霍尔形成的电位图的上升沿个数，能够逻辑推导出蹬踏频率。因为第一开关霍尔23和第二开关霍尔24的安装位置为并排设置，且两个开关霍尔感应的磁极不同，因此通过两个开关霍尔各自形成的电位图的上升沿的相对位置可以逻辑推导出中轴1的转向。采用现有技术，当中轴1正转时，助力自行车上的电源供电，当中轴1反转的时候，助力自行车上的电源断电，避免中轴1反转对电机等造成不良影响。

双极性线性霍尔26，指既能感应到N极又能感应到S极，随着感应磁极的不同以及双极性线性霍尔26相对于两极磁环的磁极位置变得不同，而连续地将感应产生的电压用连续的曲线表示，当S极和N极为长度相等的半圆时，双极性线性霍尔26感应到的电压变化曲线为正弦或者余弦曲线。利用对正弦或者余弦曲线的逻辑计算，能够计算出曲柄在每个电压值上对应的转动角度，以及每个曲柄转动角度对应的蹬踏力大小，进而能够对那些力臂很小不能准确反应蹬踏力变化的转动角度位置上的蹬踏力进行补偿。

力矩处理控制电路根据曲柄转动角度逻辑计算出蹬踏力并根据蹬踏力发送加速度信号给电机控制器，电机控制器调整电机达到电机理论输出功率的速度。通过曲柄转动角度还原骑车人腿部施加给助力自行车的蹬踏力，避免因为力臂的波动而带来的响应延迟，使骑车人在任一曲柄转动角度位置上增加蹬踏力时，都能够得到及时响应，提高骑车人的骑行体验。

本实施例中第一微控制器和第二微控制器均可以采用通用型号的单片机。

力矩采集电路中，通过应变片12惠斯通全桥将应变片12检测到的中轴1转动产生的扭力力矩大小转变为应变片12的形变进而转变为应变片12惠斯通全桥的电阻变化，将因为电阻变化而同步变化的电压信号传递给第一运放单元，通过第一运放单元将电压变化信号放大后传递给作为力矩采集模块的第一微控制器，第一微控制器将此表征扭力力矩大小的电压变化信号通过第一发射模块和第一接收模块发送给力矩处理控制电路。力矩处理控制电路中作为力矩处理模块的第二微控制器，通过第一接收模块从力矩采集电路中获取表征扭力力矩大小的电压信号，同时，通过与第二微控制器连接的双霍尔组件和双极性线性霍尔26获取表征蹬踏频率和曲柄转动角度的电信号，第二微控制器按照现有技术逻辑计算出蹬踏频率。第二微控制器根据表示扭力力矩大小的电信号逻辑计算出的力矩大小，将扭力力矩大小乘以蹬踏频率得到骑车人的人力输出功率，再将人力输出功率乘以助理比，得到电机理论输出功率。

第二微控制器按照反正弦或者反余弦逻辑计算出曲柄转动角度。在第二微控制器根据曲柄转动角度逻辑推导出此转动角度位置上的蹬踏力，第二微控制器根据蹬踏力大小的变化产生加速度信号发送给电机控制器，使电机控制器调整电机达到电机理论输出功率的速度。通过曲柄转动角度还原骑车人腿部施加给助力自行车的蹬踏力，避免因为力臂的波动而带来的响应延迟，使骑车人在任一曲柄转动角度位置上增加蹬踏力时，都能够得到及时响应，提高骑车人的骑行体验。

第二微控制器通过第二发射模块和第二接收模块，将电机理论输出功率和加速度信号一起发送给电机控制器，使电机控制器按照电机理论输出功率控制电机转动，使电机能够根据骑车人的实际需求精确地为助力自行车提供助力。当检测到的曲柄转动角度不在预先存储的转动角度范围值中时，此时的力矩大小真实反应了骑车人对助力自行车的施力情况，因此直接将力矩大小与蹬踏频率相乘逻辑计算出人力输出功率。

因为本实施例中的力矩采集电路和力矩处理控制电路都设置在中轴1上的，所以两个电路之间的连接可以采用导线连接，即第一发射模块和第一接收模块均为相互连接的导线。而力矩处理控制电路和电机控制器之间的第二发射模块和第二接收模块为无线通信，第二发射模块和第二接收模块可以是无线连接的蓝牙模块、射频模块或者其他无线通信模块。

此外，力矩处理控制电路中的第二微控制器还连接有速度传感器，利用现有技术检测出助力自行车的行驶速度，并根据行驶速度自动选择预先存储在第二微控制器中的多个助力比，每个助力比都是与一个行驶速度范围值一一对应的，通过对比检测到的行驶速度和行驶速度范围值，将行驶速度对应的助力比选择出来作为计算当前电机理论输出功率的关键参数参与计算。

力矩处理控制电路中的电流检测器将检测到的电机电流信号传递给第二微控制器，第二微控制器对比电流检测器检测到的实际电流和通过电机理论输出功率逻辑计算出的理论电流值，增大或者减小电机输出功率，使电机能够根据助力自行车实际行驶情况来调节电机的助力大小，保证骑车人用力不费力，且还同时省电。

本实施例中将产生电流的无线供电接收线圈15和力矩信号采集处理板分开，能够将无线供电接收线圈15接收到的高频信号与力矩信号采集处理板接收的低频信号隔离，避免对力矩信号采集的干扰。在力矩信号采集处理板上安装有第一天线，在力矩信号采集处理板背侧的中轴1上安装第二天线，即在安装槽的一侧安装了力矩信号采集处理板，力矩信号采集处理板上安装了第一天线，在安装槽的另一侧即在第一天线的背面安装了第二天线，两个无线通信天线分别位于中轴1安装槽的相对两侧上，将两个无线通信天线用导线连接成随着中轴1一起转动的旋转天线，弥补了现在天线背面因为被遮挡无法传输的缺点，使形成的旋转天线能够三百六十度全方位地进行信号传输。同时，因为有两个无线通信天线，加强了天线信号传输的强度，尤其是当中轴1转动时，总有一个无线通信天线离得比较近，且因为两个天线能够全范围辐射，有效提高了信号传输的连续性和信号强度，保证中轴1在旋转过程中数据不丢失，确保数据采集的精确度，提高了系统的灵敏度和稳定性。

连接在第一天线和第二天线之间的导线在中轴1上蛇形走线缠绕形成一个线圈，保证中轴1在转动过程中外界可以正常通信，不会出现死角，同时线圈也起到了固定第二天线的作用。

本实施例中的第一天线和第二天线为第二发射模块的两个发射端，将力矩处理控制电路计算出的电机理论输出功率传递给电机控制器。

本实施例中，电流检测器可以直接采用运放电路，通过运放电路直接AD采集。就是采集一个微弱的电压信号，经过运放放大后，通过AD采集在经过滤波算法得到电机电流大小。可以将电流检测器看做第二运放单元，第二运放单元和第一运放单元一样，直接采用包含有运放电路的现有运放芯片即可。

如图4所示，本实施例中的多极磁环11一共有四十八个磁极，即有二十四个对极，一个对极包括一个N极和一个S极。整个多极磁环11上一个对极一个对极相邻设置，即N极和S极在整个多极磁环11上间隔设置。当两个开关霍尔在跟随中轴1一起转动时，两个开关霍尔能够感应到多极磁环11上不断变化的磁极。因为N极和S极是间隔设置的，通过两个开关霍尔分别感应到的N极出现的次数和S极出现的次数，能够检测到助力自行车的蹬踏频率。两个开关霍尔根据自身的特性，出现N及或者S极的时候是高电平，其余的是低电平，能够实时形成N极以及S极的检测轨迹图，通过形成轨迹图的相位差能够判断出中轴1的转向。例如，当中轴1顺时针转动的时候第一个开关霍尔轨迹图的上升沿对应第二个开关霍尔信号的高电平，第一个开关霍尔的下降沿对应第二个开关霍尔的信号的低电平。而当中轴1逆时针转动时第一个开关霍尔的上升沿对应第二个开关霍尔信号的低电平，第一个开关霍尔的下降沿对应第二个开关霍尔信号的高电平。现有技术用来检测蹬踏频率一般采用磁钢，磁钢都是不连续的，需要将不同磁极的磁钢分别进行安装，操作麻烦，工艺复杂。因为多极磁环11是一个整体，安装方便，且多极磁环11上各个磁极都是固定好的，相对位置不会改变，使检测更加精确，因此在使用多极磁环11，相比于现有技术中使用磁钢，不仅简化了安装工艺，还提高检测灵敏度；与双霍尔配合，不仅可以计算踏频，可以检测中轴1转动方向，简化结构，节约成本。

为了使开关霍尔更加精确地进行检测，在安装开关霍尔的时候，将两个开关霍尔对应一个对极，将其中一个开关霍尔对齐该对极中N极中心的时候，使另外一个开关霍尔对齐该N极与相邻S极的交界处，这样可以最大化避免充磁波动和霍尔贴片摆动导致下面逻辑混乱，因为理论上N极和S极充磁均匀，但是实际是有波动的，并且开关霍尔相对位置在批量贴片时也可能存在误差。按照前面的方法安装两个开关霍尔，能够最大限度地避免误差。

如图5所示，本实施例中的两极磁环25包括一个呈半圆形状的S极以及一个呈半圆形状的N极，双极性线性霍尔26设置在两极磁环25内。当双极性线性霍尔26跟随着中轴1转动时，双极性线性霍尔26能够沿着两极磁环25的内侧面感应N极和S极，因为N极和S极的长度相等，双极性线性霍尔26感应磁极形成的电位图为一个正弦或者余弦曲线。通过计算曲线的斜率，能够精确计算出每个时刻曲柄的转动角度，进而在那些力臂趋近于0的位置，对力矩大小进行补偿，使在这些位置上时，通过本实施例的中轴1力矩检测系统能够灵敏、及时地对骑车人的扭力变化作出反应，使助力自行车提供的助力能够满足骑车人的实际需求。

如图1和图2所示，形变桥6左端通过反向螺纹与中轴1螺纹连接在一起；形变桥6右端与卡爪3通过槽型结构或者齿状结构连接，卡爪3的右端设有与形变桥6螺纹连接的锁紧螺母2，通过锁紧螺母2将卡爪3与形变桥6压紧。助力自行车的齿盘通过对锁螺母固定在卡爪3上。

具体地，形变桥6为一个与中轴1同轴并套在中轴1外的筒状结构，形变桥6的左端设有反向内螺纹，形变桥6的左端通过反向螺纹结构与中轴1连接在一起。形变桥6的右端悬空与中轴1有很小的间隙，形变桥6的右端外侧面上设有向外凸出的齿状结构，右端通过齿状结构与齿盘连接，这样可以保证左右两边的力通过形变套传递到齿盘从而达到双边力矩效果。

其中，形变桥6沿着中轴1轴线方向将形变桥6平均分成N等份，在每个等份的形变桥6都具有相同面积的外表面面积和相同的体积。在每个等份的形变桥6上粘接相同数量和形状的应变片12。具体地，如图2所示，在形变桥6与中轴1连接部位外圈粘贴应变片12，单个应变片12与中轴1轴线的投影方向成45°夹角，两个应变片12组成一个半桥，即在每个等份的形变桥6的外表面都粘贴一个半桥。本实施例中，将形变桥6两等份，那么在粘贴了一个半桥后，再转动180°的位置按照上述方式再贴一对应变片12组成半桥，两组半桥组成一个全桥；虽然这个粘贴方向以及角度是现在本领域通用的，但是本实施例保证强度的情况下等份形变桥6，通过结构优化减少应变片12数量，不像其他现有的形变桥6需要在每个位置上都粘贴应变片12，本实施例中只需要在每个等份的外表面上粘贴一组应变片12即可，降低成本并且保证采集精度。采用本实施例中形变桥6，在采集到应变片12传递来的应力之后，首先将应力放大，提高了检测灵敏度；减小了热处理或机加工导致形变桥6表面硬度或者厚度不均匀对应力分布的影响，提高了产品一致性。

本实施例在形变桥6与中轴1连接部位外圈贴有应变片12，单个应变片12与轴向成45°，两个组成半桥；再转动90°的位置按照上述方式再贴一对应变片12组成半桥，两组半桥组成一个全桥，经过第一运放单元放大后输入到第一微控制器，换算出相应力大小；这样可以避免因形变桥6加工不均匀导致的应力采集误差。相比于现有技术中在形变桥6圆周上贴满应变片12的做法，本实施例不仅减少了应变片12的数量，降低了成本，还通过均分形变桥6的圆周面积，使被均分的每个位置上都有一个应变片12进行检测，进而能够保证形变桥6各个方向上都有检测的应变片12，只要均分数量适当，则在降低成本的基础上能够有效保证形变桥6的检测精度。

当骑车人踩踏左/右曲柄的时候，力都会通过中轴1传递到形变桥6，通过形变桥6再传递到卡爪3，卡爪3带动齿盘转动。通过应变片12采集形变桥6上面的应力大小，应变片12将采集到的应力转变为电信号经过第一运放单元传递给第一微控制器，第一位控制器将其传递给第二微控制器，第二微控制器通过换算得到骑车人当前用力大小即扭力力矩大小，结合预先存储在第二微控制器中各个曲柄转动角度位置上的力臂计算得到扭力力矩，将扭力力矩乘以双霍尔组件检测到的蹬踏频率和预先存储在第一微控制器中的系数值，计算出得到当前人力输出功率。第二微控制器中预先存储有助力比对应表，助力比对应表中包括多组一一对应设置的行驶速度和助力比。通过速度传感器检测到的行驶速度能够确定当前需要的助力比，力矩处理控制电路根据助力比和当前人的输出功率计算电机应该提供的理论输出功率，进一步计算出电机的理论电流值，通过电机控制器按照理论输出功率控制电机转速进而控制电机提供的助力大小。通过对比电流检测器检测到的电机实际电流和理论电流值，来实时调节电机的转速。

同时，通过两极磁环25和双极性线性霍尔26逻辑计算出各个时刻曲柄的转动角度，由这个转动角度可以从第二微控制器中预先设置的公式逻辑计算出每个曲柄转动角度上的蹬踏力，通过预先存储在第二微控制器上的补偿方法补偿蹬踏力形成一个加速度信号，使电机控制器可以按照此加速度。具体的补偿方法，可以是成比例增加或者减少电机转动快慢，也可以是其他的一些逻辑计算来控制电机转动的快慢。通过两极磁环25和双极性线性霍尔26，能够避免因为补偿力臂做圆周运动导致采集的力矩信号与人实际用力有差异的情况，提高人机同步性，避免人在力臂最小的地方突然发力，传感器响应慢或者无响应的问题。

根据当前行驶速度得到的每一个助力比都是一个定值，具体值按照相应标准进行设置。人在不同的路况上骑行需要不同的功率，根据标注里面要求的助力比，控制人和电机的输出功率关系，保证骑行者骑行用力不费力。

市场上大多数现有技术方案无法精确采集扭矩，所以没法达到精确控制，进而无法准确地计算出人的输出功率，无法使电机提供合理的助力，给骑车人造成十分不好的体验感。

相比现有技术中仅检测转速的方案，本实施例可同时检测转速和力矩，并且能够做到对力矩的精确采集，力矩控制核心就是如何计算出稳定和精确的人踩踏功率和电机输出功率，我们在结构设计上将形变桥6通过等份以及怎么贴应变片12确保力采集均匀和精确，又通过硬件电路和软件滤波确保电机功率计算的准确，通过实时调整达到一个动态平衡。当电机在电机控制器的控制下，按照一定的电机理论输出功率进行转动后，设置在电机上的电流检测器将电机在转动过程中的电流进行检测并将实际电流值反馈给力矩处理模块。力矩处理模块中的第二微控制器根据将实际电流值与理论电流值进行对比，若两者不一样的时候通过调整电机的理论输出功率来使实际电流值和理论电流值趋于相等，在调节电机输出功率的同时调整电机的转速，进而使电机产生的助力得到调节，整个力矩检测、控制和调节形成一个闭环，使电机助力的调节达到一个动态平衡。简单地说，首先计算出人的输出功率，通过电流采集器检测电机输出功率，通过对比来调整增大或减小电机输出功率。

本实施例中通过引入电机的电流反馈和曲柄转动位置检测，提高了响应时间和骑行舒适度，保证骑车人用力不费力的同时更加省电。

在对套筒的固定上，尤其是对安装套9的固定上，本实施例采用轴承代替了传统的耐磨垫或者卡簧，使整个中轴1几乎上没有摩擦力产生，有效减少了因为克服自身摩擦力而消耗的能量。具体地在旋转套筒靠左侧地方增加一个环形加强筋，通过在加强筋两端各安装一个轴承，并在中轴1上加一个卡簧与最左端轴承紧贴，通过这种方式把旋转塑胶筒与中轴1固定在一起。替代原有的耐磨垫，将滑动摩擦变滚动摩擦，延长了磨损件的寿命，减小了摩擦阻力，减小了力传递过程中的损耗，提高了检测精度，延长了产品寿命；减小了轴承在转动过程中与套筒的轴/径向摆动，减小了两个谐振线圈之间互感量的波动，减小了能量传输的波动，提高了产品的稳定性和一致性。

在本领域内，人们在固定套筒时，其通用手段和惯性思维就是在套筒的一端用一个轴承固定，在套筒的另一端通过在中轴1上增加卡簧来限定套筒的位置，但是，这样容易导致卡簧与套筒之间产生摩擦，长久使用会使卡簧与套筒之间的缝隙越来越大。本实施例是在安装套9的同一侧加两个轴承，即第二轴承18和第三轴承19同时把安装套9和隔磁套10夹紧，第二卡簧20被夹紧在第四轴承21和第二轴承18之间，第二卡簧20不会与第二轴承18的外圈接触，减小了相互摩擦对中轴1造成的阻力，提高了产品的寿命。第二轴承18和第三轴承19在更加稳定地将安装套9与中轴1连接的同时，第三轴承19与隔磁套10的抵接也很好地对隔磁套10起到了限位作用。

形变桥6与中轴1通过反向螺纹结构连接，替代原有的齿状结构对扣，保证中轴1与形变桥6之间无间隙连接，避免齿状对接正反转过程中的抖动，保证数据采集的精确性，且安装方便。

旋转多极磁环11替代现有磁钢结构，简化安装工艺，提高检测灵敏度；与双霍尔组件配合，不仅可以计算蹬踏频率，还可以检测中轴1转动方向，简化结构，节约成本。

中轴1在使用过程中一直转动，本实施例采用无线供电和无线通信方式，中轴1上面绕有谐振线圈，谐振线圈上面和下面都绕有一层隔磁片，隔磁片与线圈持平或高于线圈，通过隔磁片把线圈与中轴1和周围金属件，如轴承等隔离，减小无线供电能量损耗。

本实施例中，多极磁环11和双霍尔组件跟随着中轴1的转动而同步产生相对运动，使双霍尔组件中的两个单极性开关霍尔能够通过感应S极和N极得到感应产生的电位图，通过电位图中的上升沿个数逻辑推导出蹬踏频率。通过形变桥6将使中轴1转动的扭力传递给应变片12单元，通过应变片12单元检测到表征中轴1的扭力力矩大小电信号并将电信号传递给电路板13，电路板13通过逻辑推到出扭力力矩大小。将检测到的扭力力矩大小乘以力臂就得到扭力力矩。力臂的检测采用现有技术。

在骑助力自行车时，人力输出功率P＝K*N*F，K为常数，N为扭力力矩，F为蹬踏频率；利用蹬踏频率和扭力力矩的乘积换算出骑车人当前施加给助力自行车的输出功率，并按照助力比乘以人力输出功率，能够计算出电机的理论输出功率，按照电机理论输出功率控制电机进行转动，向助力自行车提供助力。

骑车人在蹬踏脚踏板时，使曲柄做圆周运动，形成骑车人施加给曲柄的动力力矩，曲柄在转动过程中带动中轴转动，形成中轴的扭力力矩。然而，曲柄在转动到某些转动角度时，因为有效力臂很小，使人蹬踏脚踏板的蹬踏力并不能全部用来形成动力力矩，如果在这些转动角度位置上，骑车人如果突然增加很大的扭力，采集到的力矩信号仍然很小，此时无法通过力矩大小来反应骑车人真实的施力要求。动力力矩的变化会很小，进而使中轴的扭力力矩无法准确及时地做出响应，给骑车人很不好的骑行体验。而，现有的中轴力矩检测系统并没有针对这个问题采取任何的有效措施。通过两极磁环和双极性线性霍尔26，使这两个器件随着中轴1的转动而同步产生相对运动，使双极性线性霍尔26能够通过对两极磁环上N极和S极的检测形成用来表征曲柄转动角度的电信号，并将电信号发送给电路板13，电路板13通过逻辑计算推导出当前曲柄的转动角度。骑车人在蹬踏脚踏板时，人在踩踏的过程中曲柄在做圆周运动，用同样的力踩踏时，采集到的力矩信号是一个正弦波(y≥0部分周期为π)，通过对曲柄位置的检测，在力臂很小的时候，直接根据恢复的蹬踏力的大小做补偿，提高人突然发力时力矩检测的灵敏度和系统响应的实时性，使助力自行车能够及时根据骑车人的需求提供助力，提高骑行舒适度。而市场现有的力矩传感器没有这些功能，所以在力臂最小的地方突然加力，响应很慢。

本实施例巧妙设置多极磁环11和双霍尔组件，使双霍尔组件能够检测到蹬踏频率，通过逻辑计算出力矩大小，为得到中轴1力矩和人的输出功率检测到必要的参数。本发明巧妙设置两极磁环25和双极性线性霍尔26，使中轴1在因为扭力产生转动时，双极性线性霍尔26通过感应两极磁环25上的磁极变化得到曲柄在转动过程中的电压变化的正弦图或者余弦图，通过逻辑计算出当前曲柄与中轴1的夹角。结合计算出来的力矩大小，能够根据曲柄的转动位置计算出曲柄此时与中轴1的夹角以及中轴1上扭力的大小。

本实施例，巧妙设置多极磁环和双霍尔组件，以及两极磁环和双极性线性霍尔，不仅能够使助力自行车按照骑车人的实际需求精确地提供助力，还能够有效避免现在力矩检测系统因曲柄转动角度导致响应系统响应慢的问题。

本实施例整个中轴上连接的物品都是通过轴承连接的，通过这种方式把套筒与中轴固定在一起。替代原有的耐磨垫，将滑动摩擦变滚动摩擦，延长了磨损件的寿命，减小了摩擦阻力，减小了力传递过程中的损耗，提高了检测精度，延长了产品寿命；减小了轴承在转动过程中与套筒的轴/径向摆动，减小了无线供电发射线圈和无线供电接收线圈之间互感量的波动，减小了能量传输的波动，提高了产品的稳定性和一致性。

本实施例通过隔磁套，能够将无线供电发射线圈和无线供电接收线圈与助力自行车的其他金属结构，如车架、轴承、中轴等都隔离开来，能够最大限度地避免线圈产生电能的损耗。

实施例2：

如所示，本实施例与实施例1的区别在于，双霍尔组件和双极性线性霍尔26连接在力矩采集电路中，第一微控制器从双霍尔组件得到表征蹬踏频率和中轴1转动方向的电信号，第一微控制器从双极性线性霍尔26得到表征曲柄转动角度的电信号，并将这些电信号传递给力矩处理控制电路。此时两个电路可以一起设置在中轴1上，也可以分开设置，力矩采集电路设置在中轴1上而力矩处理控制电路设置在安装套9上。当力矩采集电路和力矩处理控制电路分开设置的时候，第一发射模块和第一接收模块为无线传输模块，第一天线和第二天线就是第一发射模块的两个发射端。

实施例3：

如所示，本实施例与实施例1的区别在于，双霍尔组件和应变片12单元连接在力矩采集电路中，第一微控制器从双霍尔组件得到表征蹬踏频率和中轴1转动方向的电信号，双极性线性霍尔26连接在力矩处理控制电路中，第二微控制器从双极性线性霍尔26得到表征曲柄转动角度的电信号。此时两个电路可以一起设置在中轴1上，也可以分开设置，力矩采集电路设置在中轴1上而力矩处理控制电路设置在安装套9上。当力矩采集电路和力矩处理控制电路分开设置的时候，第一发射模块和第一接收模块为无线传输模块，第一天线和第二天线就是第一发射模块的两个发射端。

实施例4：

如所示，本实施例与实施例1的区别在于，双极性线性霍尔26和应变片12单元连接在力矩采集电路中，第一微控制器从双极性线性霍尔26得到表征曲柄转动角度的电信号。双霍尔组件连接在力矩处理控制电路中，第二微控制器从双霍尔组件得到表征蹬踏频率和中轴1转动方向的电信号。此时两个电路可以一起设置在中轴1上，也可以分开设置，力矩采集电路设置在中轴1上而力矩处理控制电路设置在安装套9上。当力矩采集电路和力矩处理控制电路分开设置的时候，第一发射模块和第一接收模块为无线传输模块，第一天线和第二天线就是第一发射模块的两个发射端。

实施例5：

如、和所示，本实施例与实施例1不同之处在于，力矩采集电路设置在中轴1上，力矩处理控制电路设置在安装套9上。

在中轴1上安装力矩信号采集板、多极磁环11和两极磁环25，力矩信号采集板上安装了力矩采集电路，力矩信号采集板上安装有第一天线，在中轴1上与力矩信号采集板相背的一侧上安装第二天线，将两个无线通信天线用导线连接起来形成旋转天线。在安装套9上安装力矩信号处理板，力矩信号处理板上安装有力矩处理控制电路。同时，力矩信号处理板上安装了用来接收第一天线和第二天线发射信号的天线接收模块，天线接收模块将力矩采集电路传递来的信号传递给作为力矩处理模块的第二微控制器。力矩信号处理板上安装了两个与多极磁环11正对的开关霍尔，分别为第一开关霍尔23和第二开关霍尔24。力矩信号处理板上安装了与两极磁环25正对的双极性线性霍尔26。此时的双霍尔组件位于多极磁环11外，双极性线性霍尔26位于两极磁环25外。第一天线和第二天线为第一发射模块的两个发射端。

实施例6：

与实施例1不同之处在于，防尘套8的两端均为梯步结构，即防尘套8的两端的直径小于中间部分的直径，这样方便防尘套8的两端分别和左碗组22以及右碗组4连接，方便和左碗组22和右碗组4一起将连接在中轴1上的器件包围住，使其能够牢固连接在中轴1上。

实施例7：

与实施例1不同之处在于，安装在安装槽中的电路板13包括彼此分开的电源板和力矩信号采集处理板，力矩信号采集处理板上安装了力矩采集电路和力矩处理控制电路。电源板与无线供电接收线圈15电连接，电源板与力矩信号采集板电连接，电源板为力矩信号采集处理板供电。电源板与力矩信号采集板都并排套在安装槽中。在电源板和力矩信号采集处理板之间连接有用来隔离干扰第三隔离磁片。将电源板和力矩信号采集处理板分开，能够将高频信号隔离，避免对信号采集的干扰。

实施例8：

与实施例1的区别之处在于，第二卡簧20与第二轴承18的内圈固定，使第二轴承18和第二卡簧20不产生相对转动，减小相互摩擦形成阻碍中轴1转动的阻力，提高产品整体寿命。

实施例9：

与实施例1的区别之处在于，第二卡簧20分别与第二轴承18和第四轴承21的内圈固定，使第二轴承18和第四轴承21的内圈都不会相对产生转动，避免造成相互摩擦形成阻碍中轴1转动的阻力，提高产品整体寿命。

实施例10：

与实施例1的区别之处在于，在第二微控制器中预先设置有转动角度范围值，转动角度范围值为那些力臂过小的位置对应的转动角度集合。当第二微控制器逻辑计算出的转动角度处于转动角度范围值内时，第二微控制器根据表示扭力力矩大小的电信号逻辑计算出的扭力力矩大小。力矩处理控制电路通过蹬踏频率和扭力力矩大小计算出人力输出功率后，力矩处理控制电路根据曲柄转动角度逻辑推导出腿部施加给曲柄的蹬踏力，通过蹬踏力的大小变化成比例地增加或者减小人力输出功率，进而根据助理比逻辑计算出修正后的电机理论输出功率，即电机合成输出功率，将电机合成输出功率发送给电机控制器控制电机转动，通过曲柄转动角度还原骑车人腿部施加给助力自行车的蹬踏力，进而通过蹬踏力修正扭力力矩大小形成合成力矩大小，避免因为力臂的波动而带来的曲柄传递到中轴上的动力误差，使骑车人在任一曲柄转动角度位置上改变蹬踏力时，都能够及时调节电机提供的助力，提高骑车人的骑行体验。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.用于中轴力矩检测装置的形变桥结构，包括设置在中轴上的形变桥和设置在形变桥外表面的应变片单元；其特征在于：

所述形变桥呈筒状结构，形变桥的一端设有反向内螺纹，形变桥的该端与中轴反向螺纹连接，形变桥的另一端悬空。

2.根据权利要求1所述的用于中轴力矩检测装置的形变桥结构，其特征在于：形变桥与中轴同轴，形变桥的外表面按照中轴轴线方向进行平均分配成多个安装单元，每个安装单元上安装一个应变片单元。

3.根据权利要求1所述的用于中轴力矩检测装置的形变桥结构，其特征在于：每个应变片单元包括两个彼此垂直的应变片，两个应变片分别与中轴轴线呈45°夹角，每个应变片单元的两个应变片形成一个惠斯通半桥。

4.根据权利要求3所述的用于中轴力矩检测装置的形变桥结构，其特征在于：形变桥上设置的应变片单元为偶数个，两个应变片单元形成一个惠斯通全桥。

5.根据权利要求1所述的用于中轴力矩检测装置的形变桥结构，其特征在于：形变桥的悬空端的外表面上设置有用来与卡爪连接的齿状结构。

6.根据权利要求1所述的用于中轴力矩检测装置的形变桥结构，其特征在于：形变桥的悬空端的外表面上设置有用来与卡爪连接的齿状结构。