DE102010039852A1 - Method and device for detecting an offset error of a torque sensor of a bicycle pedal drive - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung eines Offsetfehlers eines Drehmomentsensors eines Fahrrad-Pedalantriebs. Ein Zustand wird ermittelt, in dem im Wesentlichen kein Drehmoment auf den Drehmomentsensor wirkt, durch Erfassen zumindest eines Pedalbetätigungswerts, der die Pedalstellung, die Pedaldrehzahl, die Pedaldrehrichtung oder die relative Betätigungsstärke des Pedalantriebs wiedergibt. Ein Drehmomentsignals des Drehmomentsensors wird während dieses Zustands erfasst, wobei der Signalwert des Drehmomentsignals den Offsetfehler wiedergibt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention relates to a method for detecting an offset error of a torque sensor of a bicycle pedal drive. A state is determined in which essentially no torque acts on the torque sensor by detecting at least one pedal actuation value which reflects the pedal position, the pedal speed, the pedal direction of rotation or the relative actuation strength of the pedal drive. A torque signal from the torque sensor is detected during this state, the signal value of the torque signal reflecting the offset error. The invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention.
Description
Stand der TechnikState of the art
Drehmomentsensoren an Pedalantrieben (insbesondere von Fahrrädern) erfassen das auf den Pedalantrieb wirkende Drehmoment und geben ein Signal ab, das das Drehmoment wiedergibt. Beispielsweise bei mechanischen Grundspannungen innerhalb des Sensors kommt es zu Offset-Fehlern, die das Messergebnis verfälschen.Torque sensors on pedal drives (especially bicycles) detect the torque acting on the pedal drive and output a signal representing the torque. For example, with basic mechanical stresses within the sensor, offset errors occur that falsify the measurement result.
In der Druckschrift
Die Druckschrift
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Pedaldrehmomenterfassung zu ermöglichen, die eine höhere Präzision aufweist.It is therefore an object of the invention to enable a pedal torque detection having a higher precision.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen.This object is achieved by the method and apparatus according to the independent claims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Erfindung ermöglicht eine präzisere Erfassung eines Pedaldrehmoments und kann mit kostengünstigen und insbesondere einfach erhältlichen Komponenten realisiert werden. Es werden zahlreiche Komponenten üblicher Pedalantriebe und Steuerungen unter Nutzung von Synergien mitverwendet. Insbesondere kann ein wesentlicher Teil der Funktionen der Erfindung mittels eines Prozessors oder mittels einer anderen programmierbaren Datenverarbeitungseinheit realisiert werden, der bzw. die bereits andere Funktionen wie Pedalüberwachung, Geschwindigkeitsmessung oder Schaltgetriebesteuerung umsetzt. Die Erfindung ermöglicht die Erfassung eines Offsets des Sensors nicht nur im Rahmen der Herstellung, sondern auch während des Betriebs ohne Beeinträchtigung des Sensorbetriebs.The invention enables a more precise detection of a pedal torque and can be realized with inexpensive and in particular easily available components. Numerous components of conventional pedal drives and controls using synergies are used. In particular, a substantial part of the functions of the invention can be realized by means of a processor or by means of another programmable data processing unit which already implements other functions such as pedal monitoring, speed measurement or gearbox control. The invention makes it possible to detect an offset of the sensor not only during production, but also during operation without affecting the sensor operation.
Die Erfindung sieht vor, einen kraftfreien Zustand des Pedalantriebs zu ermitteln, indem ein Pedalbetätigungswert betrachtet wird. Da in kraftfreiem Zustand (d. h. ein Zustand, in dem kein Drehmoment auf den Drehmomentsensor wirkt) auch das Ausgangssignal eines Drehmomentsensors des Pedalantriebs einem Drehmomentwert von null entsprechen sollte, wird in diesem Zustand ein Fehler erfasst. Der Fehler betrifft insbesondere einen Offset (auch als Offsetfehler bezeichnet), d. h. einen Wert, um den eine Signalwert-Kraft-Kennlinie (oder Spannung-Kraft-Kennlinie) des Drehmomentsensors in Richtung des Signalwerts (d. h. der Spannung) des Sensors verschoben ist. Derartige Offsets werden insbesondere durch statische mechanische Spannungen am Sensor ausgelöst, beispielsweise temperaturabhängige mechanische Spannungen. Der erfasste Offset wird bei der späteren Messung berücksichtigt, indem das Ausgangssignal des Sensors um den Offset reduziert wird, wodurch das Ausgangssignal um den Offset kompensiert wird. Die Erfassung des Offsets, zusammen mit der späteren Berücksichtigung des Offsets bei weiteren Messungen wird auch als Kalibration bezeichnet.The invention provides to determine a power-free state of the pedal drive by considering a pedal actuation value. In the non-energized state (i.e., a state in which no torque acts on the torque sensor), the output signal of a torque sensor of the pedal drive should also correspond to a torque value of zero, an error is detected in this state. In particular, the error relates to an offset (also referred to as offset error), d. H. a value by which a signal-to-force characteristic (or voltage-to-voltage characteristic) of the torque sensor is shifted in the direction of the signal value (i.e., the voltage) of the sensor. Such offsets are triggered in particular by static mechanical stresses on the sensor, for example temperature-dependent mechanical stresses. The detected offset is taken into account in the later measurement by reducing the output signal of the sensor by the offset, whereby the output signal is compensated by the offset. The detection of the offset, together with the later consideration of the offset in further measurements is also referred to as calibration.
Erfindungsgemäß wird das Drehmoment am Fahrrad-Pedalantrieb erfasst. insbesondere wird das Drehmoment erfasst, das von den Pedalen (oder der Pedalkurbel) an den Abtrieb (insbesondere an eine Kette, die ein Hinterrad antreibt) übertragen wird.According to the invention, the torque is detected on the bicycle pedal drive. In particular, the torque is detected, which is transmitted from the pedals (or the pedal crank) to the output (in particular to a chain that drives a rear wheel).
Das Fahrrad ist vorzugsweise ein Elektrofahrrad (auch als E-Bike bezeichnet), bei dem neben dem Pedalantrieb auch ein Elektroantrieb vorgesehen ist. Da insbesondere zur Steuerung der Leistung des Elektroantriebs die Pedalleistung bzw. das Drehmoment zu erfassen ist, die bzw. das von dem Pedalantrieb ausgeübt wird, ist eine präzise Erfassung des Pedal-Drehmoments vorteilhaft. Die Erfindung ermöglicht eine Erfassung des Offsetfehlers während dem üblichen Betrieb des Fahrrads bzw. des Elektrofahrrads, d. h. in Pausen des Pedalantriebs, in denen der Fahrrad-Pedalantrieb mit keinem wesentlichen Drehmoment beaufschlagt wird und somit auch kein Drehmoment auf den Drehmomentsensor wirkt. Wie bereits oben bemerkt, ist ein mittels Sensor erfasstes Drehmoment von null notwendigerweise mit einem Drehmoment des Pedalantriebs verknüpft, während der letztgenannte Stand der Technik bei einer einseitigen, statischen Belastung des Pedalantriebs (d. h. der Pedale) eine mechanische Spannung am Sensor aufweist, obwohl der Pedalantrieb nicht mit einem (Antriebs-)drehmoment beaufschlagt ist.The bicycle is preferably an electric bicycle (also known as e-bike), in which in addition to the pedal drive and an electric drive is provided. In particular, since the pedaling power or the torque exerted by the pedal drive is to be detected for controlling the power of the electric drive, precise detection of the pedal torque is advantageous. The invention allows detection of the offset error during normal operation of the bicycle or the electric bicycle, ie in pauses of the pedal drive, in which the bicycle pedal drive is subjected to no significant torque and thus no torque acts on the torque sensor. As already noted above, one is by means of a sensor detected torque of zero necessarily associated with a torque of the pedal drive, while the latter state of the art in a one-sided static load on the pedal drive (ie the pedals) has a mechanical tension on the sensor, although the pedal drive is not applied with a (drive) torque is.
Bevorzugt wird ein Antrieb mit einem Getriebe verwendet, bei dem das Übersetzungsverhältnis bekannt ist. Das Übersetzungsverhältnis ergibt sich aus dem gewählten Gang. Ist ferner die Fahrgeschwindigkeit bekannt, d. h. die Winkelgeschwindigkeit eines Rads des Fahrrads, so lässt sich ohne Weiteres ermitteln, ob eine ggf. vorliegende Pedalbewegung zu einem geschlossenen Freilauf führt (wodurch ein Drehmoment auf den Drehmomentsensor wirkt), oder ob die Pedalbewegung zu langsam ist, um den Freilauf zu schließen. Dadurch kann ein Zustand ermittelt werden, an dem kein (bzw. ein minimales) Drehmoment auf den Drehmomentsensor wirkt. Weiterhin kann ein derartiger Zustand erfasst werden durch Betrachtung der Pedalposition, wobei eine vertikale Pedalposition mit einem (auf den Drehmomentsensor wirkendes) Drehmoment von im Wesentlichen null verknüpft ist (d. h. eine Pedalposition entsprechend einem Totpunkt der Pedalbewegung).Preferably, a drive is used with a transmission in which the transmission ratio is known. The gear ratio results from the selected gear. Furthermore, if the driving speed is known, d. H. the angular velocity of a wheel of the bicycle, it can be easily determined whether an optionally present pedal movement leads to a closed freewheel (whereby a torque acts on the torque sensor), or if the pedal movement is too slow to close the freewheel. Thereby, a state can be determined at which no (or a minimum) torque acts on the torque sensor. Further, such a condition may be detected by looking at the pedal position with a vertical pedal position associated with a substantially zero torque (acting on the torque sensor) (i.e., a pedal position corresponding to a dead center of the pedal movement).
Als vertikale Pedalposition werden Pedalpositionen auf einer Linie bezeichnet, die durch den Drehpunkt des Pedalantriebs (d. h. den Drehpunkt der Kurbelwelle) und durch den Punkt geht, an dem die betätigende Person sitzt (genauer: an dem die betätigende Person den Kopf des Oberschenkelknochens aufweist). Mit anderen Worten ist „vertikal” die Richtung, in der sich ein ausgestrecktes Bein des Fahrers erstreckt, wenn dieser auf einem Sattel des Fahrrads sitzt und den Fuß auf das Pedal stellt. Je nach Bauart des Fahrrads kann sich diese vertikale Richtung (d. h. vertikale Betätigungsrichtung, vom Fahrer aus betrachtet) daher von der Schwerkraftrichtung unterscheiden (z. B. bei einem Liegerad).Vertical pedal position refers to pedal positions on a line passing through the pivot point of the pedal drive (i.e., the pivot point of the crankshaft) and through the point at which the operator is seated (more precisely, where the operator has the head of the femur). In other words, "vertical" is the direction in which an outstretched leg of the rider extends as he sits on a saddle of the bicycle and places his foot on the pedal. Depending on the type of bicycle, this vertical direction (i.e., vertical direction of actuation, as viewed by the driver) may therefore differ from the direction of gravity (eg, in a recumbent bike).
Ferner kann ein absolutes Minima des Drehmomentsignals (innerhalb eines Zeitfensters mit vorgegebener Länge) als ein drehmomentfreier Punkt betrachtet werden, wobei der Signalwert an diesem Minimum als Offset angenommen wird. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, die Pedalbewegungsrichtung als Indikator für einen drehmomentfreien Zustand zu erfassen. Ist diese negativ, so ist der Freilauf offen und auf den Drehmomentsensor wirkt Wesentlichen kein Drehmoment.Further, an absolute minimum of the torque signal (within a predetermined length of time window) may be considered as a torque-free point, with the signal value at that minimum being taken as an offset. A preferred embodiment provides to detect the pedal movement direction as an indicator for a torque-free state. If this is negative, the freewheel is open and essentially no torque acts on the torque sensor.
Bevorzugt wird ein rücktrittfreier Pedalantrieb verwendet, d. h. mit einem Freilauf, der nicht nur über einen freien Winkelbereich (bis zum Erreichen eines Winkels, an dem die Wirkung des Rücktritts beginnt) wirkt, sondern mit einem Freilauf, der winkelunabhängig ohne Bremswirkung arbeitet. Bei Verwendung eines Rücktritts kann das Zeitfenster zwischen Umkehrung der Drehrichtung und dem Eingriff des Rücktritts für die Offset-Korrektur verwendet werden, oder das Fenster, das sich durch den rückwärtigen Drehwinkel ergibt, der von der Pedalkurbel überstrichen wird, bis die Rücktrittbremse eingreift. Der Eingriff des Rücktritt ist erkennbar durch ein negatives Drehmoment bei Pedaldrehzahl null gekennzeichnet. Bei einer Erkennung des Eingriffs des Rücktritts können alle oben genannten Verfahren auch bei Ausführungen mit Rücktritt angewendet werden.Preferably, a resignation-free pedal drive is used, d. H. with a freewheel, which works not only over a free angle range (until reaching an angle at which the effect of the resignation begins), but with a freewheel, the angle-independent works without braking effect. When using a resignation, the time window between reversal of the direction of rotation and engagement of the resignation may be used for the offset correction, or the window resulting from the backward rotational angle swept by the pedal crank until the coaster brake engages. The engagement of the withdrawal is recognizably characterized by a negative torque at pedal speed zero. Upon detection of the intervention of the withdrawal, all the above-mentioned methods can also be applied to embodiments with withdrawal.
Der Offset ist der y-Achsenabschnitt der Signal-Drehmoment-Kennlinie des Drehmomentsensors bei x = 0.The offset is the y-intercept of the signal-torque characteristic of the torque sensor at x = 0.
Während die Pedaldrehrichtung als einzelnes Kriterium (Drehrichtung negativ → kein Drehmoment am Drehmomentsensor) verwendet wird, können andere Betriebsparameter wie Pedalstellung und Pedaldrehzahl mit weiteren Kriterien verknüpft werden. Im letztgenannten Fall kann ein weiteres Kriterium hinzukommen, das zur Erfassung des Offsets zutreffen muss, beispielsweise eine Fahrgeschwindigkeit, eine Fahrbeschleunigung oder eine Laufradwinkelgeschwindigkeit unter einem vorbestimmten Wert, wobei die Fahrgeschwindigkeit oder die Laufradwinkelgeschwindigkeit mit einem weiteren Kriterium verknüpft sein kann, das den gewählten Gang betrifft. Dadurch wird gewährleistet, dass ein Drehmoment von im Wesentlichen Null von einem offenen Freilauf (und ggf. einer offenen Rücktrittbremse) resultiert.While the pedal rotation direction is used as a single criterion (negative direction of rotation → no torque on the torque sensor), other operating parameters such as pedal position and pedal speed can be linked to other criteria. In the latter case, another criterion may be added which must be used to detect the offset, for example a vehicle speed, a vehicle acceleration or a wheel angular velocity below a predetermined value, where the vehicle speed or the wheel angular velocity may be linked to another criterion relating to the selected gear , This ensures that a torque of substantially zero results from an open freewheel (and possibly an open coaster brake).
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Erfassung eines Offsetfehlers eines Drehmomentsensors eines Fahrrad-Pedalantriebs. Der Drehmomentsensor erfasst das Drehmoment, das von den Pedalen an den Abtrieb des Fahrrads übertragen wird. Verfahrensgemäß wird ein Zustand ermittelt, in dem im Wesentlichen kein Drehmoment auf den Drehmomentsensor wirkt. Dieser Zustand wird ermittelt durch Erfassen zumindest eines Pedalbetätigungswerts, der die Pedalstellung, die Pedaldrehzahl oder die Pedaldrehrichtung des Pedalantriebs wiedergibt. Die Höhe des Pedalbetätigungswerts gibt somit die Stärke der Betätigung der Pedale wieder, woraus das Drehmoment abgeleitet werden kann, mit dem der Drehmomentsensor beaufschlagt wird. Hierbei wird die Art des Antriebs, d. h. keine starre Verbindung sondern ein Freilauf-Antrieb, berücksichtigt. Ein Drehmomentsignal des Drehmomentsensors wird während dieses (lastfreien bzw. drehmomentfreien) Zustands erfasst. Der Signalwert des Drehmomentsignals gibt den Offsetfehler wieder. Mit anderen Worten ist der Wert, den der Drehmomentsensor abgibt, während im Wesentlichen kein Drehmoment auf den Drehmomentsensor wirkt (d. h. kein Drehmoment von den Pedalen zu dem Abtrieb des Fahrrads übertragen wird), der Offset-Wert (d. h. der Offsetfehler). Um diesen Offset-Wert ist das Signal des Drehmomentsensors verfälscht (wobei der Offset-Wert einen konstanten Gleichanteil darstellt), so dass zur Ermittlung des vom Drehmomentsensor gemessenen Drehmoments das vom Sensor ausgegebene Signal verwendet wird, das um den Offsetfehler korrigiert ist. Es wird das vom Drehmomentsensor abgegebene Signal der Offsetfehler abgezogen.The invention therefore relates to a method for detecting an offset error of a torque sensor of a bicycle pedal drive. The torque sensor detects the torque that is transmitted from the pedals to the output of the bicycle. According to the method, a state is determined in which essentially no torque acts on the torque sensor. This condition is determined by detecting at least one pedal operation value representing the pedal position, the pedal speed, or the pedal rotation direction of the pedal drive. The height of the pedal actuation value thus reflects the strength of the operation of the pedals, from which the torque can be derived, which is applied to the torque sensor. Here, the type of drive, ie no rigid connection but a freewheel drive, taken into account. A torque signal of the torque sensor is detected during this (load-free or torque-free) state. The signal value of the torque signal represents the offset error. In other words, the value that the torque sensor outputs while substantially no torque acts on the torque sensor (ie, no torque is transmitted from the pedals to the output of the bicycle) is the offset value (ie, the offset error). This offset value is the signal of the Torque sensor falsified (the offset value represents a constant DC component), so that is used to determine the torque measured by the torque sensor, the signal output by the sensor, which is corrected by the offset error. The signal emitted by the torque sensor is subtracted from the offset error.
Eine spezifische Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Drehmomentsignal in einem Zustand erfasst wird, in dem die Pedalstellung einer im Wesentlichen vertikalen Stellung des Fahrrad-Pedalantriebs entspricht. Die Pedalstellung wird mittels eines Winkelgebers am Pedalantrieb erfasst. Alternativ wird das Drehmomentsignal in einem Zustand erfasst, in dem die Pedaldrehzahl unter einem vorgegebenen Kraftübertragungs-Schwellwert liegt. Der Kraftübertragungs-Schwellwert kennzeichnet einen Entkopplungszustand eines Freilaufs des Fahrrad-(Pedal)antriebs, beispielsweise eines Kettenantriebs. Der Entkopplungszustand entspricht dem Übergang des offenen Freilaufs zum geschlossenen Freilauf. Wird der Pedalantrieb mit einer Winkelgeschwindigkeit betätigt, die, bezogen auf die Bewegung am Laufrad, kleiner ist als die bezogenen Winkelgeschwindigkeit am Laufrad (bzw. Antriebsrad des Fahrrads), so bleibt der Freilauf geöffnet. Die betreffende Bezugnahme ergibt sich aus dem Übersetzungsverhältnis des Schaltgetriebes. Der Entkopplungszustand tritt auf, wenn der Freilauf geöffnet ist. Auch bei Ausführung ohne genau Kenntnis des gewählten Gangs, kann dieses Verfahren Anwendung finden, wenn alleine die maximale Übersetzung bekannt ist. Fällt bei einer Fahrgeschwindigkeit die Trittfrequenz unter den Wert, der bei der maximalen Übersetzung zum Schließen der Freiläufe notwendig ist, kann gefolgert werden, dass die Freiläufe offen sind. Die maximal mögliche Übersetzung tritt dann an die Stelle des vorgegebenen oder durch Sensor erfassten Übersetzungsverhältnisses.A specific embodiment of the invention provides that the torque signal is detected in a state in which the pedal position corresponds to a substantially vertical position of the bicycle pedal drive. The pedal position is detected by means of an angle sensor on the pedal drive. Alternatively, the torque signal is detected in a state where the pedal speed is below a predetermined power transmission threshold. The power transmission threshold denotes a decoupling state of a freewheel of the bicycle (pedal) drive, such as a chain drive. The decoupling state corresponds to the transition of the open freewheel to the closed freewheel. If the pedal drive is operated at an angular speed which, based on the movement on the impeller, is smaller than the relative angular speed on the impeller (or drive wheel of the bicycle), then the freewheel remains open. The relevant reference results from the transmission ratio of the gearbox. The decoupling state occurs when the freewheel is open. Even in the case of execution without precise knowledge of the selected gear, this method can be used if only the maximum gear ratio is known. If, at a driving speed, the cadence falls below the value required for the maximum gear ratio to close the freewheels, it can be concluded that the freewheels are open. The maximum possible translation then takes the place of the predetermined or detected by sensor transmission ratio.
Alternativ wird das Drehmomentsignal (zur Ermittlung des Offsetfehlers) in einem Zustand erfasst, an dem die Betätigungsstärke ein relatives Minimum aufweist. Die Betätigungsstärke ist eine relative Größe und wird durch den relativen Verlauf des Signals des Drehmomentsensors wiedergegeben. Das Minimum wird erfasst durch fortlaufenden Vergleich aufeinanderfolgender Sensorwerte des Drehmomentsensors und/oder durch zeitliches Ableiten des Sensorsignals, beispielsweise durch Vorzeichenwechsel der ersten zeitlichen Ableitung des Sensorsignals. Als Offsetfehler wird das Minimum angenommen, vorzugsweise das kleinste Minimum einer Vielzahl von relativen Minima. Diese Erfassung wird vorzugsweise kombiniert mit anderen Größen, die auf eine Drehmomentbelastung von null hinweisen, beispielsweise ein vertikaler Pedalwinkel oder eine Winkelgeschwindigkeit des Pedalantriebs, die mit einem offenen Freilauf verknüpft ist (d. h. eine Winkelgeschwindigkeit des Pedalantriebs geringer als eine Winkelgeschwindigkeit des Lauf- oder Antriebsrads, wobei eine der Winkelgeschwindigkeiten mittels der Übersetzung auf den selben Bezugspunkt wie die andere Winkelgeschwindigkeit übertragen wird).Alternatively, the torque signal (for detecting the offset error) is detected in a state where the operation amount has a relative minimum. The operating force is a relative magnitude and is represented by the relative course of the signal of the torque sensor. The minimum is detected by continuous comparison of successive sensor values of the torque sensor and / or by temporally deriving the sensor signal, for example by changing the sign of the first time derivative of the sensor signal. As an offset error, the minimum is assumed, preferably the smallest minimum of a plurality of relative minima. This detection is preferably combined with other quantities indicative of a zero torque load, such as a vertical pedal angle or an angular velocity of the pedal drive associated with an open freewheel (ie, an angular velocity of the pedal drive less than an angular velocity of the running or driving wheel, one of the angular velocities being transmitted by means of the translation to the same reference point as the other angular velocity).
Die Pedaldrehzahl wird mittels eines Winkelgebers (d. h. durch zeitliche Ableitung des Signal des Winkelgebers) oder mittels eines Drehzahlsensors am Pedalantrieb erfasst. Das Übersetzungsverhältnis wird vorgesehen von einem Stellantrieb des Schaltgetriebes, über das die Pedalbewegung an den Abtrieb (d. h. das Laufrad/Hinterrad) des Fahrrads übertragen wird, oder von einer Steuerung, die den Stellantrieb ansteuert, oder von einem Schaltgetriebesensor, der den eingestellten Gang erfasst.The pedal speed is detected by means of an angle sensor (that is, by time derivative of the signal of the angle sensor) or by means of a speed sensor on the pedal drive. The gear ratio is provided by an actuator of the gearbox, through which the pedal movement is transmitted to the output (i.e., the wheel / rear wheel) of the bicycle, or by a controller that controls the actuator, or by a gearbox sensor that detects the set gear.
Vorzugsweise wird hierbei das Drehmomentsignal in einem Zustand erfasst, in dem die Pedalstellung im Wesentlichen vertikal ist, d. h. sich im Totwinkel des Pedalantriebs befindet (s. o.). In dem Zustand, in dem das Drehmomentsignal (d. h. der Offsetfehler) erfasst wird, ist die Pedaldrehzahl kleiner als der Quotient einer erfassten Laufradwinkelgeschwindigkeit und einem eingestellten Pedalantrieb/Abtrieb-Übersetzungsverhältnis. Dieses entspricht dem eingestellten Gang, siehe oben. Die Pedaldrehzahl kann auch kleiner gleich dem Quotient der erfassten Laufradwinkelgeschwindigkeit und dem eingestellten Pedalantrieb/Abtrieb-Übersetzungsverhältnis sein, um einen Zustand vorzusehen, in dem der Offsetfehler erfasst wird. Bei Gleichheit befindet sich der Freilauf im Übergang zwischen offenem und geschlossenem Zustand, wobei jedoch (wegen der gleichen Drehgeschwindigkeit) kein Drehmoment übertragen wird.Preferably, in this case, the torque signal is detected in a state in which the pedal position is substantially vertical, d. H. is in the blind spot of the pedal drive (see above). In the state in which the torque signal (i.e., the offset error) is detected, the pedal speed is smaller than the quotient of a detected wheel angular velocity and a set pedal drive / output gear ratio. This corresponds to the set gear, see above. The pedal speed may also be less than or equal to the quotient of the detected wheel angular velocity and the adjusted pedal drive / output ratio to provide a state in which the offset error is detected. When equality is the freewheel in the transition between open and closed state, but (because of the same rotational speed) no torque is transmitted.
Der Freilauf des Pedalantriebs ist mangels stärkerer Bewegung am Lauf- oder Antriebsrad als an dem Pedalantrieb in offenem Zustand. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass das Drehmomentsignal erfasst wird, wenn die Pedaldrehzahl unter dem vorgegebenen Kraftübertragungs-Schwellwert liegt, und der Kraftübertragungs-Schwellwert den Quotienten aus Laufradwinkelgeschwindigkeit und den eingestellten Pedalantrieb/Abtrieb-Übersetzungsverhältnis wiedergibt. Der Kraftübertragungs-Schwellwert gibt somit die Winkelgeschwindigkeit wieder, mit der der Pedalantrieb mindestens betätigt werden müsste, um ein Drehmoment von dem Pedalantrieb auf das Laufrad zu übertragen, d. h. um den Freilauf zu schließen. Beim Vergleich der Winkelgeschwindigkeiten ist zu berücksichtigen, dass sich die Winkelgeschwindigkeit gemäß Übersetzung des Schaltgetriebes ändert und derart geändert an den Freilauf bzw. an das Laufrad bzw. Antriebsrad abgegeben wird. Es werden daher Winkelgeschwindigkeiten verglichen, von denen eine mit dem das Übersetzungsverhältnis bzw. mit dessen Kehrwert multipliziert ist, abhängig vom Bezugspunkt (Pedalantrieb oder Antriebsrad) des Vergleichs.The freewheel of the pedal drive is lack of strong movement on the running or drive wheel as the pedal drive in the open state. Another possibility is that the torque signal is detected when the pedal speed is below the predetermined power transmission threshold and the power transmission threshold represents the quotient of rotor angular velocity and the adjusted pedal drive / output ratio. The power transmission threshold thus reflects the angular velocity with which the pedal drive would have to be actuated at least in order to transmit a torque from the pedal drive to the wheel, ie to close the freewheel. When comparing the angular velocities, it should be taken into account that the angular velocity changes according to the ratio of the gearbox and is changed in such a way to the freewheel or to the impeller or drive wheel. Therefore, angular velocities are compared, of which one with which the gear ratio or with its reciprocal is multiplied, depending on the reference point (pedal drive or drive wheel) of the comparison.
Als bevorzugte Ausführungsform wird das Drehmomentsignal erfasst, wenn eine negative Pedaldrehrichtung erfasst wird. Diese Ausführungsform wird insbesondere bei Fahrrädern bzw. Elektrofahrrädern ohne Rücktritt (z. B. mit Kettenschaltgetriebe) verwendet. Ferner kann diese Ausführungsform mit Fahrrädern verwendet werden, die eine Rücktrittbremse aufweisen, soweit gegeben ist, dass das Drehmomentsignal nicht dann erfasst wird, wenn die Rücktrittbremse ein Bremsdrehmoment ausübt. Alternativ wird das Drehmomentsignal erfasst, wenn eine Pedaldrehzahl von im Wesentlichen null erfasst wird oder wenn sich die Pedalstellung sich im Wesentlichen nicht zeitlich ändert. Eine Rückwärtsbewegung oder eine ausbleibende Bewegung des Pedalantriebs ist mit einem offenen Freilauf verknüpft, so dass ein äußeres Drehmoment von null angenommen werden kann, wobei eine zeitgleiche Signalerfassung des Drehmomentsensors den Offsetfehler generiert.As a preferred embodiment, the torque signal is detected when a negative pedal rotation direction is detected. This embodiment is used in particular for bicycles or electric bicycles without resignation (eg with chain transmission). Further, this embodiment can be used with bicycles having a coaster brake provided that the torque signal is not detected when the coaster brake applies a brake torque. Alternatively, the torque signal is detected when a pedal speed of substantially zero is detected or when the pedal position does not change substantially in time. A backward movement or a lack of movement of the pedal drive is associated with an open freewheel, so that an external torque of zero can be assumed, wherein a simultaneous signal detection of the torque sensor generates the offset error.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere in ein Verfahren zur Drehmomenterfassung integriert, wobei das oben genannte Verfahren zur Kalibrierung bzw. zum Abgleich dient, um Messergebnisse von dem Offsetfehler zu bereinigen. Während des üblichen Betriebs des Drehmomentsensors wird der Offsetfehler erfindungsgemäß erfasst und bei der Messung berücksichtigt. Die Erfindung wird daher ebenso realisiert durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Drehmoments, das an einem Fahrrad-Pedalantrieb wirkt. Hierbei wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung des Offsetfehlers ausgeführt. Ferner wird mittels des Drehsensors das Drehmoment bestimmt. Der Offsetfehler wird von dem so bestimmten Drehmoment abgezogen. Es ergibt sich (nach Kompensation, d. h. nach Abzug des Offsetfehlers) ein Drehmoment, dessen Offsetfehler gemäß dem erfassten Offsetfehler kompensiert ist. Da üblicherweise bei unbelastetem Pedalantrieb keine Drehmomentwerte ermittelt werden, beeinträchtigt die erfindungsgemäße Erfassung des Offsetfehlers den üblichen Betrieb des Drehmomentsensors nicht.In particular, the method according to the invention is integrated into a method for torque detection, the abovementioned method serving for calibration or adjustment in order to eliminate measurement results from the offset error. During normal operation of the torque sensor, the offset error is inventively detected and taken into account in the measurement. The invention is therefore also realized by a method for determining a torque acting on a bicycle pedal drive. Here, the inventive method for detecting the offset error is performed. Furthermore, the torque is determined by means of the rotary sensor. The offset error is subtracted from the torque thus determined. It results (after compensation, that is to say after deduction of the offset error) a torque whose offset error is compensated in accordance with the detected offset error. Since usually no torque values are determined with an unloaded pedal drive, the detection of the offset error according to the invention does not affect the usual operation of the torque sensor.
Die Erfindung wird ferner vorgesehen von einer Vorrichtung, die zur Ausführung des Verfahrens geeignet ist. Eine Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung zur Erfassung eines Offsetfehlers eines Drehmomentsensors eines Fahrrad-Pedalantriebs umfasst eine Datenschnittstelle. Die Datenschnittstelle ist zum Empfang eines Signals von einem Winkelgeber, von einem Drehzahlsensor oder von einem Drehrichtungsensor eingerichtet, der sich an dem Pedalantrieb befindet. Die Schnittstelle kann analog oder digital sein.The invention is further provided by a device suitable for carrying out the method. An embodiment of such an apparatus for detecting an offset error of a torque sensor of a bicycle pedal drive comprises a data interface. The data interface is adapted to receive a signal from an angle sensor, from a speed sensor, or from a direction of rotation sensor located on the pedal drive. The interface can be analog or digital.
Die Datenschnittstelle ist ferner zum Empfang eines Signals von dem Drehmomentsensor eingerichtet. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Belastungserfassungseinrichtung, die anhand des Signals von dem Winkelgeber, dem Drehzahlsensor und/oder dem Drehrichtungssensor einen Zustand erfassen kann, in dem im Wesentlichen kein Drehmoment auf den Drehmomentsensor wirkt. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Offseterfassungseinrichtung, die mit der Belastungserfassungseinrichtung zur Erfassung von Triggersignalen verbunden ist. Diese Triggersignale werden von der Belastungserfassungseinrichtung abgegeben werden, wenn im Wesentlichen kein Drehmoment auf den Drehmomentsensor wirkt; d. h. die Belastungserfassungseinrichtung ist eingerichtet, derartige Triggersignale abzugeben.The data interface is further configured to receive a signal from the torque sensor. The device further comprises a load detection device, which can detect a state in which substantially no torque acts on the torque sensor based on the signal from the angle sensor, the speed sensor and / or the direction of rotation sensor. The apparatus further comprises offset detection means connected to the load detection means for detecting trigger signals. These trigger signals will be output from the load sensing device when substantially no torque acts on the torque sensor; d. H. the load detection device is set up to emit such trigger signals.
Die Belastungserfassungseinrichtung kann ferner mit der Datenschnittstelle verbunden sein, um das Signal von dem Drehmomentsensor zu erfassen, wobei die Belastungserfassungseinrichtung eingerichtet ist, ein relatives Minimum in diesem Signal zu erfassen und bei Erfassung des Minimums das Triggersignal abzugeben. Hierbei wird angenommen, dass das minimale Drehmoment, mit dem der Sensor beaufschlagt wird, null ist, so dass das relative Minimum den belastungsfreien Zustand wiedergibt. Bevorzugt ist die Belastungserfassungseinrichtung eingerichtet, dann ein Triggersignal abzugeben, wenn das kleinste Minimum einer Vielzahl von relativen Minima erfasst wird. Weiterhin kann die Belastungserfassungseinrichtung eingerichtet sein, nur dann ein Triggersignal abzugeben, wenn das Minimum oder das kleinste Minimum erfasst wird und gleichzeitig das Signal des Winkelgebers eine vertikale Stellung der Pedale wiedergibt. In diesem Fall umfasst die Belastungserfassungseinrichtung eine logische UND-Verknüpfung.The load sensing device may further be connected to the data interface to detect the signal from the torque sensor, the load sensing device configured to detect a relative minimum in that signal and to output the trigger signal upon detection of the minimum. Here, it is assumed that the minimum torque applied to the sensor is zero, so that the relative minimum represents the no-load condition. Preferably, the load detection means is arranged to deliver a trigger signal when the smallest minimum of a plurality of relative minima is detected. Furthermore, the load detection device can be set up to emit a trigger signal only if the minimum or the minimum minimum is detected and at the same time the signal of the angle transmitter reproduces a vertical position of the pedals. In this case, the load detection device comprises a logical AND operation.
Die Offseterfassungseinrichtung ist eingerichtet ist, beim Empfang des Triggersignals das Signal von dem Drehmomentsensor als den Offsetfehler zu erfassen. Das Triggersignal gibt den Zustand an, in dem im Wesentlichen kein Drehmoment auf den Drehmomentsensor wirkt und kann in zahlreichen Signal- oder Befehlsarten realisiert sein.The offset detection means is arranged to detect the signal from the torque sensor as the offset error upon receipt of the trigger signal. The trigger signal indicates the state in which substantially no torque acts on the torque sensor and can be implemented in numerous types of signals or commands.
Bevorzugt umfasst die Belastungserfassungseinrichtung eine Vergleichereinheit (bzw. einen Vergleicher) Die Vergleichereinheit ist eingerichtet, das Signal des Winkelgebers mit Werten zu vergleichen, die eine im Wesentliche vertikale Pedalstellung wiedergeben. Alternativ oder in Kombination hiermit ist die Vergleichereinheit eingerichtet, das Signal des Drehzahlsensors mit im Wesentlichen null oder mit einem Wert zu vergleichen, bei davon ausgegangen werden kann, dass ein Freilauf des Pedalantriebs geöffnet. Weiterhin kann die Vergleichereinheit eingerichtet sein, das Signal des Drehrichtungssensors mit einem Vorzeichen zu vergleichen, das ein Rückwärtstreten bei offenem Freilauf entspricht. Im letzteren. Fall ist die Vergleichereinheit eingerichtet, das betreffende Vorzeichen des Drehrichtungssensors zu erfassen.The load detection device preferably comprises a comparator unit (or a comparator). The comparator unit is set up to compare the signal of the angle transmitter with values that represent a substantially vertical pedal position. Alternatively or in combination with this, the comparator unit is arranged to compare the signal of the speed sensor with substantially zero or with a value at which it can be assumed that a freewheel of the pedal drive is opened. Furthermore, the comparator unit can be set up to compare the signal of the direction of rotation sensor with a sign, which is a Backward stride with open freewheel corresponds. In the latter. Case, the comparator unit is adapted to detect the relevant sign of the direction of rotation sensor.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht ferner einen Speicher vor, der zum abrufbaren Speichern des Offsetfehlers eingerichtet ist. Dadurch kann bei Messungen auf den aktuellen Offsetfehler zugegriffen werden, um diesen in einem Messverfahren zu berücksichtigen. Die Vorrichtung kann ferner einen Speicher vorsehen, in den eine Vielzahl von Drehmomentwerten abrufbar abgelegt werden können. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Minimum-Erfassungseinrichtung, die mit dem Speicher verbunden und eingerichtet ist, den minimalen Drehmomentwert der Vielzahl von Drehmomentwerten zu ermitteln und als Offsetfehler vorzusehen. Diese Variante wird insbesondere mit einer Belastungserfassungseinrichtung kombiniert, die in der Lage ist, anhand von (relativen) Minima einen drehmomentbelastungsfreien Zustand des Pedalantriebs zu erfassen.A particularly preferred embodiment further provides a memory which is arranged for retrievably storing the offset error. As a result, the current offset error can be accessed during measurements in order to take it into account in a measuring method. The apparatus may further provide a memory in which a plurality of torque values may be retrievably stored. The apparatus further comprises minimum detection means connected to the memory and arranged to determine the minimum torque value of the plurality of torque values and to provide as offset errors. This variant is in particular combined with a load detection device which is able to detect a torque load-free state of the pedal drive on the basis of (relative) minima.
Schließlich umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zur Ermittlung einer Freilaufgrenze. Diese weist eine Schnittstelle zum Anschluss eines Geschwindigkeitsmessers und einer Einrichtung zur Erfassung eines gewählten Übersetzungsverhältnisses auf. Die Einrichtung ist vorgesehen, aus einem Geschwindigkeitswert des Geschwindigkeitsmessers und dem Übersetzungsverhältnis die Pedalwinkelgeschwindigkeit zu errechnen, die zur Aufrechterhaltung des Geschwindigkeitswerts notwendig wäre, und die eingerichtet ist, die Pedalwinkelgeschwindigkeit als die Freilaufgrenze vorzusehen. Anhand dieser Freilaufgrenze bewertet und erfasst die Belastungserfassungseinrichtung das Signal, das von dem Winkelgeber oder von dem Drehzahlsensor stammt, wenn im Wesentlichen kein Drehmoment auf den Drehmomentsensor wirkt. Wird die Freilaufgrenze überschritten, so wirkt ein Drehmoment auf den Drehmomentsensor (da der Freilauf geschlossen ist), so dass die Belastungserfassungseinrichtung eingerichtet ist, in diesem Fall kein Signal von dem Drehmomentsensor als den Offset auszugeben.Finally, a device according to the invention comprises a device for determining a freewheeling limit. This has an interface for connecting a speedometer and means for detecting a selected gear ratio. The device is provided to calculate, from a speed value of the speedometer and the gear ratio, the pedal angle speed which would be necessary to maintain the speed value and which is arranged to provide the pedal angular speed as the free-wheeling limit. On the basis of this freewheeling limit, the load detection device evaluates and detects the signal originating from the angle sensor or from the rotational speed sensor when substantially no torque acts on the torque sensor. When the coasting limit is exceeded, a torque acts on the torque sensor (since the coasting is closed), so that the load detecting means is arranged to output no signal from the torque sensor as the offset in this case.
Die Belastungserfassungseinrichtung ist in der Lage, eine überschrittene Freilaufgrenze als einen Zustand mit einem belastetem Drehmomentsensor zu erkennen (und keinen betreffenden Offsetfehler zu erfassen), und ist ferner in der Lage, eine nicht überschrittene Freilaufgrenze als einen Zustand mit im Wesentlichem keinem Belastungsdrehmoment für den Drehmomentsensor zu erfassen, um in diesem Zustand das Signal des Drehmomentsensors als den Offsetfehler zu erfassen.The load detecting means is capable of detecting an exceeded overrun limit as a loaded torque sensor condition (and not detecting a respective offset error), and is further capable of not exceeding an overrunning limit as a substantially zero load torque condition for the torque sensor to detect in this state, the signal of the torque sensor as the offset error.
Ferner wird die Erfindung realisiert mittels einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments, das an einem Fahrrad-Pedalantrieb wirkt, wobei diese Vorrichtung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Offsetfehlers umfasst. Die Vorrichtung zur Bestimmung eines Drehmoments weist ferner eine Kompensationseinrichtung auf, die eingerichtet ist, von dem Signal des Drehmomentsensors den Offsetfehler abzuziehen (mittels eines Subtrahierers) und als Drehmomentsignal vorzusehen. Dadurch bereinigt die Vorrichtung den Offsetfehler in dem Drehmomentsignal.Furthermore, the invention is realized by means of a device for determining a torque acting on a bicycle pedal drive, said device comprising an inventive device for detecting an offset error. The device for determining a torque further comprises a compensation device, which is adapted to subtract from the signal of the torque sensor, the offset error (by means of a subtractor) and to provide as a torque signal. As a result, the device eliminates the offset error in the torque signal.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden vorzugsweise zumindest teilweise von Komponenten einer Antriebssteuerung eines Elektrofahrrads implementiert, insbesondere von einem programmierbaren Prozessor und zugehöriger Software. Insbesondere sehen diese Komponenten den Schritt des Ermittelns und des Erfassens vor, wobei diese Komponenten insbesondere die Belastungserfassungeinrichtung und die Offseterfassungseinrichtung und ggf. die Vergleichereinheit sind. Die Speicher können ebenso von einer Speichereinrichtung des Prozessors oder einer dem Prozessor zugeordneten Speichereinrichtung vorgesehen werden. Ferner können diese Komponenten die Vorrichtung zur Bestimmung des Drehmoments realisieren. Bei der Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in eine Antriebssteuerung können die betreffenden Signale wiederverwendet werden, d. h. die Sensorsignale und das Signal, welches den gewählten Gang des Schaltgetriebes wiedergibt. Die Vorrichtung kann ferner die betreffenden Sensoren umfassen, die an die Schnittstelle angeschlossen sind. Die Antriebsteuerung ist mittels der Erfindung in der Lage, die elektrische Leistung des elektrischen Antriebs präzise zu steuern, um eine intuitiv erfassbare Antriebsunterstützung zu ermöglichen. Insbesondere werden bei der Unterstützung des Tritts Betätigungspausen korrekt erfasst, da ein etwaiger Offset, der eine Betätigung trotz mangelnder Pedalunterstützung nahelegt, erfindungsgemäß unterdrückt werden kann.The device according to the invention and the method according to the invention are preferably at least partially implemented by components of a drive control of an electric bicycle, in particular by a programmable processor and associated software. In particular, these components provide the step of determining and detecting, wherein these components are in particular the load detection device and the offset detection device and possibly the comparator unit. The memories may also be provided by a memory device of the processor or a memory device associated with the processor. Furthermore, these components can realize the device for determining the torque. In the integration of the device according to the invention in a drive control, the relevant signals can be reused, d. H. the sensor signals and the signal representing the selected gear of the gearbox. The device may further comprise the respective sensors connected to the interface. The drive control by means of the invention is able to precisely control the electric power of the electric drive in order to enable an intuitively detectable drive assistance. In particular, in the support of the footstep actuation pauses are correctly detected, since any offset that suggests an operation despite lack of pedal support, can be suppressed according to the invention.
Die Erfindung eignet sich für Fahrzeuge mit Hybridantrieb, bei denen ein elektrischer Antrieb einen Pedalantrieb unterstützt, insbesondere Zweiräder wie Elektrofahrräder.The invention is suitable for vehicles with hybrid drive, in which an electric drive supports a pedal drive, especially two-wheeled vehicles such as electric bicycles.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In
Der Pedalantrieb
An der Pedalkurbel
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
Die Vorrichtung
In einer alternativen Ausführungsform erhält der Belastungserfassungsvorrichtung
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass anstatt Sensor
Weiterhin kann ein Geschwindigkeitssensor
Die Winkelgeschwindigkeit (oder Drehzahl) n_R des Hinterrads ist bei geschlossenem Freilauf gleich dem Übersetzungsverhältnis V (abhängig vom gewählten Gang und ermittelbar durch Aktor
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Ausgang
Die Möglichkeiten zur Erfassung eines Zustands, in dem auf den Drehzahlsensor
Die in
Antriebsteuerung
Die Verbindungen zwischen den Sensoren
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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