CN1285888C - 脚踏车的角量传感器 - Google Patents

Abstract

传感器包括可以围绕一个给定轴线(X30)进行相对运动的一个固定或者定子部分(2)以及一个可动或者转子部分(3)，在转子部分(3)的轴(30)上固定有一个磁化元件(36)，该磁化元件例如由一个在直径方向上的单对电极上磁化的环状件构成。安装在固定部分上的是一对沿旋转轴线(X30)有角度地相互交错90度布置的霍耳效应传感器(41、42)。霍耳效应传感器产生相应的模拟形式的输出信号，即信号值在连续范围内变化。由传感器产生的输出信号值惟一地确定上述固定部分(2)和可动部分(3)相对于旋转轴线的相对位置。

Description

脚踏车的角量传感器

本发明涉及脚踏车的角量传感器。这里所用的词组“角量”总体上用以表示以某些方式和旋转运动关联或相关的物理量，例如角位置、角速度、角加速度、角矩、扭矩等等。

本发明方案的改进尤其关注对于脚踏车，例如赛车的可能的应用，尤其意在电机驱动的变速器中的可能的应用和/或实现诸如检测链条的运动、检测所述运动的方向、自行车底托架的角位置(“相位”)或速度(踏板节奏)等的功能。

所设想的在脚踏车上的应用利用了一个传感器的关键性的结构上和操作上的连接。目标在于传感器应当具有内在的坚固性、连接的简易性、高精确性、以及恒定的性能，这些特征构成了利用现有的方案难于获得的质量。

例如，电势式传感器的使用与内在的关键性因素有关。这类传感器通常包括相互滑动接触的至少两部分(在绝大多数情况下，它们是在一个电阻槽上滑动的一个管脚或电刷)。为了正确地协作，这些部分必须精确地连接并且一定不能受到由于振动和/或相关于旋转方向的改变而产生的应力的影响，而这种影响实际上几乎不可避免，或者还要对环境因素非常敏感，例如部件特性随温度或吸收的潮气的变化，上述所有的因素都不利于电势式传感器。

光学式传感器(也就是，目前称做光学“编码器”的类型)至少部分地克服了上述缺陷。然而，这种传感器有些昂贵，已证实它对应力敏感，并且通常需要大量接头以提供360度的完全检测。此外，编码器类型的光学传感器本质上是数字传感器，其检测行为基于被检测的旋转运动通向经过光学传感器前面的交替的亮和暗带或部分。

本发明的目的在于提供一种用于脚踏车的角量传感器，它能够克服在先技术方案的固有缺陷。

根据本发明，上述目的通过具有如所附权利要求所述的特征的传感器而实现。

简单地说，本发明的方案基于优选地使用了线性霍耳效应传感器和模拟输出端的结合，即，为了生成传感信号，其可能的值在一个连续的范围内，而不是例如如同在数字类型的角度传感器的情况下的离散的范围内，后者的输出信号只能表现为不同的值(即，“0”和“1”)。

优选地，本发明使用一对机械式霍耳效应传感器，二者相互交错90度，并且磁性部分不相接触。这样就可能产生相互呈90度异相的两个电信号，具有优选的正弦特性曲线，或者其他的线性特性曲线，或者是根据重复/周期函数而变化的特性曲线。

另一方面，由现有技术可知，使用霍耳效应半导体传感器能够在输出端提供和感应成比例的电压。尤其是，这类传感器既可以在输出端提供线性的模拟信号也可以提供具有单或双极性的数字信号。

通过将不同的传感器和/或不同极性的磁极结合在一起可能将不同的传感器功能结合在一起，包括检测转速、转向、和位置的功能。

实际上正是上述的特征以及大范围的实施(还关于温度变化)和显著的可靠性促使上述传感器成功地应用于汽车界和家庭应用，尤其是用于控制发动机。

例如，由US-A-5 332 965可知一种传感器，设计为检测诸如蝶形阀的部件的角位置，它包括一个霍耳效应传感器和多个磁通集中器。磁通集中器结构设计为完成霍耳效应传感器的输出特性的线性化作用。通过改变磁通集中器和磁体之间的距离来校准传感器。在一个实施例中，磁通转换器完成传感器的温度补偿作用，其中该传感器气密密封从而不受磨损和/或振动现象的影响。

由EP-B-0 733 881可知另一种非接触式角位置传感器，它包括一个位于环形磁铁中心位置的霍耳效应传感器。

还有，由US-A-6 104 187可知一种非接触式磁阻角度传感器，它包括两个各向异性的磁阻(AMR)元件，它们相互转过45度并包含在各自的电阻桥内。所论传感器设计为用在连接于蝶形阀或诸如踏板的元件上的位置检测器中，特别注意保证传感器的零位是温度稳定的。

下面参照附图仅以非限制性的示例的方式说明本发明，附图中：

图1是本发明的传感器的轴向截面图；

图2是沿图1的II-II线的截面图；

图3和4示出本发明的传感器产生信号时可能的曲线；以及

图5以框图的形式示出本发明的传感器的可能的连接结构和相应的信号处理电路结构。

图1中，标号1总体上表示一个脚踏车的角量传感器(关于词组“角量”的含义，读者可以参见本说明书开始时所做的术语澄清说明)，它基本由一个以2表示的固定部分或者定子以及一个以3表示的可动部分或者转子构成。

在所示的实施例中(再次重申，实施例仅是示例，它特别指传感器1在脚踏车上的可能应用)，传感器1的固定部分或者定子2具有整体圆柱/管状形状并且制成为具有机械强度和抗冲击、抗振动、以及抗外部因素(温度、水分、油和燃料、各种灰尘等等)的内在特性，其中这种安装在脚踏车上的部件通常易于暴露于这些外部因素。

相应的结构细节可以部分地从附图中看出，这些细节本身是公知的。这里指出所述细节本身对于理解本发明的实施不是必要的。

简单地说，应当注意上述定子部分2通常包括一个外壳20，例如由金属材料制成，插入在其中的是一个或多个异型构件21、22、23，它们具有整体上为管状的结构(例如具有杯形结构)，这使得所述构件由于它们随后插入在外壳20内而相互匹配。

构件21、22、23的整体环形或管状结构目的在于有助于插入转子部分3。后者基本上构造为一个轴30，它可以绕其自己的轴线X30旋转。在所示的具体实施例中，轴线X30还确定了外壳20的主轴。

传感器1设计为在输出端提供代表角量(角位置、角速度等)的信号，这些角量是轴30相对于外壳20的可能的运动的特征，并且因此是连接于轴30和外壳20的部分和/或元件可能的相对运动的特征。

轴30可以是“被动”轴，即设计为由一个元件(未示出)驱动，其中该元件相对于外壳20的旋转特性将被检测，也可以是“主动”轴，它利用机构31带动可动元件(附图中没有具体示出)，上述情况是由电机(附图中没有示出，但为公知形式)驱动轴30旋转的驱动作用的结果。

附图中示出的传感器1可以集成制造在电机/致动器中，例如安装在诸如赛车的脚踏车上的电机驱动的变速器的电机/致动器。

标号32表示两个轴承，它们支撑轴30并且引导轴30相对外壳20处于一个精确和规则的旋转运动中(即围绕轴线X30)。

标号33表示各种密封元件，同样具有公知形式，它们连接于轴承32和/或外壳20的端部。

最后，标号34表示两个贝勒维尔(Belleville)垫圈，设计为向刚才所述的全体部件提供小量的轴向弹性预载(即，沿轴线X30的方向)，以避免不希望的振动现象和/或间隙。

另一方面，本领域技术人员将会明白，上述结构细节仅以非限制性的示例的形式在此加以说明，并且很清楚一定不能解释为以任何限制本发明的范围的方式。

本发明的方案的一个重要特征在于，例如安装在位于定子的一个以22表示的部分的凹槽35内的是一组霍耳效应传感器，它包括一个连接于定子2的固定或定子部分以及一个连接于转子3的可动或转子部分。

尤其是，该套传感器的固定或定子部分包括两个沿轴线X30相互按照90度(参见图2的角度α)有角度地交错安装的霍耳效应传感器41、42(其类型公知)。

标号43表示一组位于传感器41和42下面的供电/信号线。传感器41和42优选地安装在环形的支撑机座44上。机座44围绕轴30，尽管它当然相对于传感器1的定子部分2安装在一个固定位置。

传感器的可动或转子部分由一个固定在轴30上的磁性材料(本例中也根据公知的标准)的环状件构成。所述固定例如可以是通过插入一个管状套筒或衬套37，该套筒或衬套随着轴30围绕轴线X30旋转运动。

可以得到的总体结果是在传感器41和42的信号线上——该信号线在图5中以431和432表示，存在具有如图3和4中以S1和S2表示的正弦特性曲线的两种信号(这将在下文中详细研究)。

传感器41、42和/或环状件36的一个重要特征(尤其是关于后者的磁化特性)在于，信号S1和S2是周期信号(通常对应于轴30旋转过360度具有“电”周期)，从而被设定为线性或模拟信号，即，其值随时间在一个连续的范围内变化的可能的值的范围内变化，而不是如同在数字信号的情况下的离散的范围内变化的信号。

尽管当前的优选实施例旨在利用具有正弦波形的信号S1和S2，但是本发明的方案还可以利用不同类型的信号，例如三角形信号、锯齿形信号等来实施。

本发明的方案尤其有利地适于采用线性的、量值成比率的(即，当电压变化时信号质量不变)、温度补偿的霍耳效应传感器41、42来进行实施。传感器41、42可以包含，例如，以霍耳效应线性传感器(Hall-Effect Linear Sensors)为商品名，由美国麻萨诸塞州伍斯特的阿勒格微系统公司(Allegro Microsystems，Worcester，Massachusetts)生产的部件。

当使用具有单对电极的径向磁化环36时，上述类型的传感器能够产生如图3和4所示类型的输出波形。

鉴于信号S1和S2的波形当转速变化时实际上不发生变化，因此这样配置的系统可能得到外壳20和轴30的(并且从而传感器1的定子部分2和转子部分3的)相对角位置的高精度指示，并且同时不必借助于如同在电势传感器的情况中那样必须包含可动部分和固定部分之间的接触，尤其是滑动接触的传感器元件。

输出信号S1和S2都是模拟类型。因而利用模拟-数字转换器可以从所述信号得到对应于被测信号的数字值。分辨度惟一地取决于转换器的分辨度，并且因此，没有这种转换器的话分辨度甚至能够相当高，从而形成在一种特别复杂的传感器结构。

由两个沿轴线X30按90度交错的传感器41和42产生的两个信号S1和S2的可用性使得关联于以下的任何不确定性具有绝对确定性的分辨度，即关联于：

—i)每个传感器41和42的信号在转过360度的过程中，即在一个旋转周期中，同一个值呈现出两次；以及

—ii)旋转方向。

注意在图3中，由信号S1表示的同一个值对应于不同的旋度值，例如，45度和135度。如果在上述的角位置处做有符号标记，同时信号S1呈同一个值，而信号S2呈相反符号标记的值，则关于位置的不确定性可以得以解决。从而，给定由S1呈现的同一个值，则例如，如果S2的值为负那么被检测的位置对应于45度，如果S2的值为正那么被检测的位置对应于135度。

如果为了使相应于45度和135度的角度值简化，上述例子能够明确地应用于四个象限，即应用于轴30绕轴线X30的任何旋转角位置。

图3和图4之间的比较可以理解由传感器41和42产生的两个信号S1和S2的可用性还能够使得关于旋转方向的不确定性得以解决。

假如当轴30沿某一个方向转动时，信号S1和S2的曲线是表示在图3中的曲线。如果旋转方向相反，则信号S1和S2的曲线是表示在图4中的曲线。

实际上，参照图2的截面图：

—如果轴30沿逆时针方向转动，传感器41的信号S1比传感器42产生的信号S2超前90度(见图2)；以及

—如果轴30沿顺时针方向转动，则相反地，传感器42产生的信号S2比传感器41产生的信号S1超前(见图3)。

因而可以进行运动方向的判别，例如通过检测信号S1在由A表示的时间间隔内的导数的符号，其中在时间间隔A内信号S2呈正值。

同时，在图3的情况中，信号S1在时间间隔A内具有负导数，在图3的情况中，所述导数为正。

选择信号S1或S2中的哪一个来进行所述判别在任何情况下都是无关紧要的。例如，通过检测信号S2在信号S1呈正值的时间间隔内的导数的符号可以得到同样的结果。

同样，进行在其中一个信号为正值的时间间隔内的运动方向的所述确认仅仅是一个简单的选择问题。事实上通过在所考虑的信号为负值的时间间隔内进行判别也以得到同样的结果。

还有，不借助于信号的导数符号的检测也可以进行同样的判别。可以容易地理解(相应的判别可以利用实现触发电路功能的软件级的任何类型的程序模块来进行)，在图3所指的旋转方向中，信号S1为正的半周期比信号S2同样为正的半周期超前90度。相反，在图4所指的相反的旋转方向中，信号S2的正半周期比信号S1的正半周期超前90度。显然，利用信号S1和S2的负半周期也可以类似地进行检测功能。

图3和4的曲线还表示出传感器1还能够在多次旋转中完成其功能，这是一个很重要的特征，例如，为了控制致动器到达的位置值，传感器设计为在多次旋转上实现其功能。上述应用的一个典型例子是用于致动电机驱动的自行车变速器的电动马达的应用。

用于构造本发明的传感器的部件类型使得能够提供一个位置传感器，该位置传感器能够克服不可避免地困扰电势或光学类型的其它方案的困难。

本发明的传感器具有相对简单的结构并且就其应用于存在污垢、振动等的环境中，例如用于脚踏车的观点看它相当坚固。

图5的框图示出由传感器1产生的信号S1和S2的处理形式。相应的处理操作可以在一个集成在固定位置的在一个单元50内进行(例如，利用一个集成的微控制器单元)，或者在位于远程位置的单元50内进行，如同这样一种情况，即上述处理操作以集中的方式通过利用还实现“脚踏车系统”内的其他处理功能的控制单元来进行。

信号处理可以包括自校准、线性化、相位关联等的处理。一旦信号线431和432上的信号S1和S2已经经过连接于单元50的相应的转换单元51进行了模拟-数字转换，则上述处理根据已知标准进行。

信号S1和S2由转换单元51转换成数字形式后，它们就可以在例如由微控制器或微处理器(公知类型)构成的模块52内进行处理。

作为直接使用为了进行处理而被转换为数字形式的信号S1、S2的替换，同样的信号还可以用于在连接于模块52的换算表53(例如一个查找表)的结构中的检索功能。

在这种情况下，信号S1和S2不是用于以直接的形式(即，当其从模拟-数字转换操作出来时)进行进一步的处理操作，而是用于在表53中检索一对相应的值。

所述一对相应的值的确定从信号S1和S2的一对值从模拟-数字转换出来时开始，并根据给定的标准(例如，最小矢量距离的标准)或者甚至根据失真逻辑。推荐以下这些应用采用这一选择，例如，来自传感器1的信号将被用做执行控制操作期间的驱动和/或参量信号，和/或用于执行其目的是避免误差传播的不希望的现象的算法。

正如已经讲过的一并且不应将以上仅为示意性的举例解释成限制本发明的范围一本发明的传感器可以用于，例如，和自行车的底托架结合使用，和由后者驱动的可动部分结合使用。利用传感器获得的信息随后可以是，例如：

—链条的运动指示；

—所述运动的方向；

—踏板节奏；和/或

—相对于参考点(例如，相对于设置在由所述底托架驱动以促使变速换档的齿轮上的所谓的“预置换档点”或“快速换档齿廓”)的角位置。

当然，在不损害本发明的原理的情况下，相对于本文仅以示例的方式说明和示意的内容可以改变结构的细节和实施例，而不脱离如所附权利要求确定的本发明的范围。

Claims (12)

1.一种脚踏车的角量传感器(1)，包括一个定子部分(2)和围绕一个给定轴线(X30)相对于定子部分(2)旋转至少360度的转子部分(3)，其特征在于，所述传感器包括：

一个集成固定在所述定子部分(2)和所述转子部分(3)中的一个(3)上的磁化元件(36)；

至少一对霍耳效应传感器(41、42)，沿所述给定轴线(X30)有角度地相互交错布置，并且集成固定在所述定子部分(2)和所述转子部分(3)中的另一个(2)上，所述霍耳效应传感器(41、42)感测所述磁化元件(36)的存在从而产生相应的输出信号(S1、S2)，该信号的值在连续的范围内变化；以及

处理单元(50)，分析所述输出信号(S1、S2)并计算所述转子部分(3)相对于所述定子部分(2)在360度范围内的角位置。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，它包括一对沿所述给定轴线(X30)有角度地相互交错90度布置的所述霍耳效应传感器(41、42)。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述磁化元件(36)是圆环形状。

4.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述磁化元件(36)在相对于所述给定轴线(X30)的直径方向上的单对电极上磁化。

5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述磁化元件(36)围绕所述定子部分(2)和所述转子部分(3)中的一个(3)固定。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，它连接有一个模拟-数字转换单元(51)用于将所述输出信号(S1、S2)转换为数字信号。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述模拟-数字转换单元(51)集成在传感器(1)中。

8.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，它连接有一个处理单元(52)用于处理转换为数字形式的所述输出信号(S1、S2)。

9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述处理单元(52)连接有一个换算表(53)，利用从转换为数字形式的所述输出信号(S1、S2)在换算表(53)中检索一对相应的值。

10.如权利要求8或9所述的传感器，其特征在于，所述处理单元(52)集成在所述传感器(1)中。

11.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，它连接于脚踏车的至少一个部件，从而所述相应的输出信号(S1、S2)指示所述脚踏车部件的角量。

12.用于电机驱动的自行车变速器的致动器，其特征在于，它包括如以上权利要求中任一项所述的传感器。

Images