CN2640915Y - 时间型电动助力自行车传感器 - Google Patents

Abstract

一种时间型电动助力自行车传感器。它采用两个互不接触，互相转动的圆盘来测量自行车轮盘转动相邻相等两个角度所用的时间的差与和来间接测量人蹬车所施加的力矩和自行车行进的速度，从而实行对自行车速度的自动控制。两圆盘，一个称为动盘，另一个称为定盘。动盘固定在自行车的中轴上，上面镶嵌永磁磁钢，与车体没有电线连接。定盘固定在车体上，上面镶嵌霍尔元件。动盘上的磁钢与定盘上的霍尔元件在同一圆周线上，在转动过程中，两者相互作用，但定盘和动盘无接触，无机械连接。在人骑车的过程中，霍尔元件信号送控制器中的单片计算机，经单片机计算后，发出控制信号，控制电动自行车的驱动电机转动。

Description

时间型电动助力自行车传感器

技术领域

本实用新型涉及电动助力自行车的传感装置。创建了一种新的助力传感原理和装置，实现了该装置与控制器的结合，进一步通过程序实现了控制器对自行车助力的过程控制。

背景技术

电动自行车以其安全，对环境污染少和使用成本低等特点，在不远的将来将替代一部分自行车，成为一种普遍的交通工具。电动自行车按其控制方式可分为两大类，一类是用转动手柄控制电机转速的纯电动方式，这种方式目前在我国较为流行；还有一类是助力方式，这种方式在国外较为流行。纯电动方式转动手柄控制自行车的行进，比骑一般自行车增加了控制手段，包含了一定的不安全因素。此外，因其骑行时一直使用电池，耗电较多，电池充电一次的续行里程(一般为50公里)短，因而充电次数频繁，电池使用寿命短，这不但增加了用户的骑行成本，而且如果蓄电池得不到合理的回收，还会造成污染。所以一些国家(例如日本)和中国的一些城市(例如北京)已拒绝这种纯电动自行车。因此，那种骑行方式与自行车完全一样，人电共同出力，从而使蓄电池寿命可以延长一倍以上的助力方式电动自行车将成为电动自行车的主流。

助力式电动自行车的技术关键是助力传感器。目前，助力传感器多为力矩型传感器，即用应变片或其它器件测量人骑行时脚踏产生的力矩，转换成模拟电压，经放大或其它处理后替代纯电动自行车手柄送出的电压送给控制器，控制电机的转动，给自行车助力。这种方式的助力传感器普遍结构复杂，成本较高，此外还多用到弹簧、触头、摩擦轮、齿轮等部件，易于磨损，很难保证长时间的稳定性。

实用新型内容

为降低目前电动自行车的传感器的复杂性和高成本，本实用新型提供了一种时间型传感原理，并利用这种原理创建了一种一体化的传感、控制装置，还为该控制器的单片机计算机编制了程序，实现了对助力自行车骑行的过程控制和保护。

本实用新型的技术方案如下：

一种时间型电动助力自行车传感器，其特征是：具有一个动盘2和一个定盘4，定盘4、动盘2和轮盘5依次排列，其中，定盘4上有三个霍尔元件6，动盘2上有两个永久磁钢7。

上述的时间型电动助力自行车传感器，其中所述的动盘2上固定有永磁磁钢7。

上述的时间型电动助力自行车传感器，其中所述的动盘2与定盘4之间没有机械接触。

上述的时间型电动助力自行车传感器，其中所述的霍尔元件和永久磁钢替换为：光源和光接收元件固定在车体的定盘上，其中所述的动盘为一个光栅盘。

霍尔元件采用开关型的霍尔元件，每个霍尔元件有3个极，一个接+5V，一个接地，一个是信号线。3个霍尔元件共连出5根线(1个地线、1个+5V线，3个信号线)送往控制器。2个霍尔元件之间的角度为85°-87°。旋转圆盘2个磁钢为φ5×3或φ5×5的永磁磁钢。安装位置与脚蹬方向一致。磁钢与霍尔元件在同一圆周线上。

理论推导和实验证明，人骑自行车，轮盘转一圈有两个用力周期，当脚蹬处于垂直位置时，人加给自行车的力矩最小，当脚蹬处于水平位置时，人加给自行车的力矩最大。人加给自行车的力矩N随时间的变化近似于正弦波，见附图1。

人施加给自行车的力矩大于自行车行进时遇到的摩擦力矩，将产生角加速度，使自行车转动加速。反之，小于自行车行进遇到的摩擦力矩，将产生负的加速度，使自行车转动减速。实际上，自行车在轮盘转动一周的过程中并不是匀速转动的，速度随时间的变化也近似于正弦波，见附图2，但它与力矩N随时间的变化相差接近π/2的角度。

假如在轮盘上选取两个相邻相等的角度，例如图3中的多边形ABt2t1和多边形BCt3t2(在此图中，图中面积表示角度)，可以看出Δt12＝t2-t1和Δt23＝t3-t2是不相等的。经推导和实验证明：轮盘在一周转动中速度的变化与Δt23-Δt21成正比，与Δt23+Δt21的平方成反比。速度的变化是加速度的积累，而Δt32+Δt21又与平均速度有倒数关系。综上所述，测量到Δt23和Δt21，就可推出Δt23-Δt21和Δt23+Δt21，从而也间接地检测到人施加给轮盘的力矩。

通过图4所示的传感器很容易测量出Δt21和Δt32，将此两个时间值直接送往控制器的单片机上，很容易得到Δt21+Δt32和Δt32-Δt21值，用这两个值也就不难算出推动电机转动所需的调宽占空比了。

图4所示的传感器原理是通过磁钢和霍尔元件来实现的。两个磁钢固定在随中轴转动的旋转圆盘上，三个霍尔元件镶嵌在固定的不随中轴转的圆盘上。当旋转圆盘上的磁钢贴近霍尔元件时，霍尔元件便会有脉冲信号产生，轮盘转一周，将产生6个脉冲，其中3个是左脚用力产生的，另外3个是右脚用力产生的。

也可以不采用磁钢-霍尔元件，而采用灯-光栅-感光元件的方式来传感。但原理是一样的

利用这种传感原理实现的传感器有如下几个特点：

1、结构简单、制作容易。只有一个固定轮和一个旋转轮，且两者之间没有机械连接，也没有严格的公差配合。

2、成本低廉。整个一套传感器成本需要15-20元，加上控制器，总成本不超过100元。

3、传感准确、可靠。向控制器输送的是脉冲信号，只是有和无，与幅度无关。控制器接收脉冲信号，可以直接处理，不需经积分、模数转换等步骤。

4、该套传感器和控制器已试制成功，经过6个月的骑行实验，运行平稳，达到预期效果。

附图说明：

附图1为本实用新型的原理图，其中，纵轴代表力矩，横轴代表时间；

附图2为本实用新型的原理图，其中，纵轴代表速度，横轴代表时间；

附图3为本实用新型的原理图，其中，纵轴代表速度，横轴代表时间；

附图4是本实用新型的组装示意图；其中，1.车体  2.定盘  3.中轴  4.动盘5.轮盘  6.霍尔元件  7.永久磁钢  8.脚蹬。

具体实施方式：

在图4是本实用新型的一个具体实施方式，动盘2和轮盘5依次排列，其中，定盘4上有三个霍尔元件6，动盘2上有两个永久磁钢7。

霍尔元件采用开关型的霍尔元件，每个霍尔元件有3个极，一个接+5V，一个接地，一个是信号线。3个霍尔元件共连出5根线(1个地线、1个+5V线，3个信号线)送往控制器。2个霍尔元件之间的角度为85°-87°。旋转圆盘2个磁钢为φ5×3或φ5×5的永磁磁钢。安装位置与脚蹬方向一致。磁钢与霍尔元件在同一圆周线上。

控制器采用单片机方式的控制器，所用单片机是Microchip16F873。程序自行编制。

Claims (6)

1.一种时间型电动助力自行车传感器，其特征是：具有一个动盘(2)和一个定盘(4)，定盘(4)、动盘(2)和轮盘(5)依次排列，其中，定盘(4)上有三个霍尔元件(6)，动盘(2)上有两个永久磁钢(7)。

2.如权利要求1所述的时间型电动助力自行车传感器，其中所述的动盘(2)上固定有永磁磁钢(7)。

3.如权利要求1所述的时间型电动助力自行车传感器，其中所述的动盘(2)与定盘(4)之间没有机械接触。

4.权利要求1-3中任意一项所述的时间型电动助力自行车传感器，其中所述的霍尔元件(6)和永久磁钢(7)替换为：光源和光接收元件固定在车体的定盘上。

5.权利要求1-3中任意一项所述的时间型电动助力自行车传感器，其中所述的霍尔元件(6)采用开关型的霍尔元件。

6.如权利要求4所述的时间型电动助力自行车传感器，其中所述的动盘为一个光栅盘。

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