一種電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統結構的製作方法

2023-06-14 10:28:51

一種電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統結構的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統結構，由助力盤結構件和模擬力矩助力動態採集電路板構成模擬力矩助力動態採集器，助力盤結構件包括轉盤、定盤、軸承和磁鋼；轉盤包括轉盤底、轉盤壁、空心軸和環行磁鋼固定帶；模擬力矩助力動態採集電路板上的三個霍爾元件ES732的感應面中心在同一條弧線上，每個霍爾元件ES732的感應面中心與定盤軸心連線，形成兩個扇形，每兩個相鄰的霍爾元件ES732的感應面中心分別與定盤軸心的連線之間的夾角為5度；轉盤上的24個磁鋼的軸心在同一圓上，每個磁鋼軸心與轉盤軸心連線，形成23個扇形，每兩個相鄰磁鋼軸心與轉盤軸心連線之間的夾角為15度；模擬力矩助力動態採集裝置為系統電路提供附助部件，用於進行腳踏方向及速度的監測信號採集。
【專利說明】一種電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統結構

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電動自行車助力傳感技術，特別涉及電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統結構。

【背景技術】
[0002]電動自行車智能助力傳感技術是針對高端助力型自行車(以山地車、公路車型為主)的應用，它要解決的任務是如何將人力和電力結合，形成動力相互傳感。主要功能是提升騎行者的舒適度，同時減少電機磨損，提升電機使用壽命。
[0003]以往的助力傳感結構通常為中軸輪盤上的固定一個磁鋼，磁鋼隨中軸輪盤的轉動到與霍爾元件位置重合的位置時觸發固定在中軸連接件上的霍爾元件，再由霍爾元件導通電機開關電路，進而使電機轉動；此種僅由一個霍爾元件採集觸發信號，切換開關的結構，使電源接通時的電流無過渡過程，電流從無到有直接跳變，瞬間接通電源極易造成有齒高速電機的減速齒輪的齒輪咬合撞擊。
[0004]而目前電動車專用(小型)永磁直流無刷有齒高速電機的減速齒輪，都是採用塑料為原材料的傳動齒輪，其壽命和可靠性都較差，因此採用無過渡、跳變切換開關方式的助力傳感結構對齒高速電機的使用壽命是一個不利因素。
[0005]由於以往的助力傳感結構在直接切換電路時會產生無瞬間大電流放電，鋰電池在大電流放電的衝擊下，會縮短電池的壽命和續行裡程。
[0006]以往的助力傳感結構，僅有識別助力開關開啟或關閉信號的開關功能，控制器根據開關信號輸出指令控制電機開關，由於磁鋼隨中軸輪盤的轉動到與霍爾元件位置重合的位置時才觸發一次，因而控制器發出的開關信號是時斷時續，電機亦時斷時續的輸出動力，利用以往的助力傳感結構，無助於系統進行速度變化識別，也無助於系統進行動態坡度識別。
[0007]由於現有技術存在的上述不足，以及用戶對電動自行車性能的更高需要，電動車助力傳感結構仍有很大的提升空間，目前需要解決的問題包括:1、通過助力傳感結構，為系統電路提供附助部件，進而實現有效避免有齒高速電機齒輪咬合撞擊打齒。2、通過助力傳感結構為系統電路提供附助部件，實現助力系統無瞬間大電流放電，避免鋰電池大電流放電的衝擊，3、利用結構改進為系統電路提供附助部件，實現系統具有速度變化識別、動態坡度識別能力。
[0008]要實現上述目的，必須對現有電動自行車助力傳感部件結構進行改進；從根本上解決以往的助力傳感技術存在的問題。


【發明內容】

[0009]鑑於現有技術存在的不足，本實用新型的目的是，提供一種電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統結構的技術方案，採用包括有環行矩陣排列的多個磁鋼的模擬力矩助力動態採集裝置，磁鋼環行矩陣與多個霍爾元件作相對轉動，磁鋼能相繼依次和環行矩陣排列的多個霍爾元件位置重合，多個霍爾元件產生觸發產生的脈衝信號與中軸轉動速度對應，作為輔助裝置協助系統電路採集腳踏的實時速度，檢測動態運行中的路面坡度，並由系統給出相應增加的電機輸出動力，有助於實現助力傳感的智能化。
[0010]為實現上述目的，本實用新型是採用這樣的方案實現的:一種電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統結構，包括助力傳感結構，其特徵在於，模擬力矩助力傳感結構為一個採用三顆霍爾傳感器與環形磁鋼陣列組成的模擬力矩助力動態採集器；
[0011]所述模擬力矩助力動態採集器由助力盤結構件和模擬力矩助力動態採集電路板構成；
[0012]所述助力盤結構件包括轉盤、定盤、軸承和磁鋼；轉盤為盤狀空腔體，其內部型腔結構包括轉盤底、轉盤壁、空心軸和環行磁鋼固定帶；
[0013]轉盤中心為空心軸，空心軸的外徑尺寸與軸承內環尺寸配合；其軸心孔的孔徑與電動自行車中軸尺寸配合；
[0014]環行磁鋼固定帶位於轉盤底的內底面，其形狀為一環行凸緣，環行凸緣的上平面高於轉盤底的內底面，環行磁鋼固定帶的內環直徑大於空心軸外徑，外環直徑小於轉盤壁內徑；環行磁鋼固定帶上包括有一組環行、等距間隔排列的盲孔，每個盲孔內固定一個圓柱形磁鋼；
[0015]定盤為盤狀空腔體，其內部型腔結構包括定盤底、定盤壁、軸承架和穿線孔；定盤中心為軸承架；
[0016]定盤底的內底面由筋板分為三個扇形區域，其中的一個扇形區域A作為模擬力矩助力動態採集電路板的安裝位置，穿線孔位於扇形區域A臨近上邊緣處，穿線孔作為模擬力矩助力動態採集電路板控制線纜的引出口 ；
[0017]轉盤、定盤、軸承和磁鋼裝配在一起，軸承裝配在轉盤的空心軸和定盤的軸承架之間，軸承架的內徑與軸承外環直徑配合；軸承的外環嵌裝在軸承架的內徑中，軸承的內環套裝在空心軸上；
[0018]轉盤與定盤配合，轉盤壁內徑與定盤壁外徑滑動配合；空心軸的軸心孔的孔徑與電動自行車中軸緊密配合；
[0019]所述模擬力矩助力動態採集電路板安裝在定盤的扇形區域A內，模擬力矩助力動態採集電路板上的元器件包括單片機AT89C16、三端穩壓器LM1117-3.3V、三個間隔固定的霍爾元件ES732，一個姿態模塊MPU6050 (陀螺儀)、輸出電壓接口 J2及阻容元件；
[0020]在所述模擬力矩助力動態採集電路板上，三個所述霍爾元件ES732分別為第一霍爾元件A、第二霍爾元件B和第三霍爾元件C，三個霍爾元件ES732的感應面中心在同一條弧線上，每個霍爾元件ES732的感應面中心與定盤軸心連線，形成兩個扇形，每兩個相鄰的霍爾元件ES732的感應面中心分別與定盤軸心的連線之間的夾角為5度；
[0021]所述轉盤上的24個所述磁鋼的軸心在同一圓上，每個磁鋼軸心與轉盤軸心連線，形成23個扇形，每兩個相鄰磁鋼軸心與轉盤軸心連線之間的夾角為15度；
[0022]三個霍爾元件ES732的感應面中心所在的圓的圓心與24個磁鋼軸心所在的圓的圓心均在同一軸心線上，此軸心線即電動自行車中軸軸心線；
[0023]模擬力矩助力動態採集器電路以單片機AT89C16為中心處理器，姿態模塊MPU6050 (陀螺儀)通過I2C總線與單片機AT89C16連接；
[0024]單片機AT89C16的SCL埠、SDL埠分別連接姿態模塊MPU6050的SCL埠、SDL埠，SCL和SDL是I2C通信的數據和時鐘線；
[0025]單片機AT89C16的三個通用I/O埠 P100_6、P100_7和P100_12分別連接三個霍爾元件ES732 ；
[0026]單片機AT89C16的PWM輸出埠 ΡΙ00_0經電阻R3連接輸出電壓接口 J2。
[0027]本實用新型的有益效果:電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統結構的技術解決方案，採用包括有環行矩陣排列的多個磁鋼的模擬力矩助力動態採集裝置，磁鋼環行矩陣與多個霍爾元件作相對轉動時，磁鋼按規定的時序觸發多個霍爾元件，多個霍爾元件產生觸發產生的脈衝信號與中軸轉動速度對應，結構的改進，有助於系統在騎行時通過採集腳踏的實時速度，並通過坡度識別器檢測動態運行中的路面坡度，由系統給出相應增加的電機輸出動力，模擬力矩助力動態採集裝置為系統電路提供輔助部件，用於進行腳踏方向及速度的監測信號採集；有助於實現助力傳感的智能化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1、助力盤結構件爆炸圖；
[0029]圖2、助力盤結軸測圖；
[0030]圖3、助力盤結構件與中軸裝配軸測圖；
[0031]圖4、轉盤主視圖；
[0032]圖5、轉盤後視圖；
[0033]圖6、轉盤軸測圖A ;
[0034]圖7、轉盤軸測圖B;
[0035]圖8、定盤主視圖；
[0036]圖9、定盤後視圖；
[0037]圖10、定盤軸測圖A ;
[0038]圖11、定盤軸測圖B;
[0039]圖12、磁鋼排序圖
[0040]圖13、電路板元件位置圖；
[0041]圖14、觸發位置示意圖
[0042]圖15、姿態模塊MPU6050部分電路圖；
[0043]圖16、PWM輸出電路圖；
[0044]圖17、霍爾元件及電源電路圖；
[0045]圖18、單片機及其外圍電路圖；
[0046]圖中:1.轉盤，2..定盤，3.軸承，4.磁鋼，5.電動自行車中軸。

【具體實施方式】
[0047]為了更清楚的理解本實用新型，結合附圖和實施例詳細描述本實用新型:
[0048]如圖1至圖18所示，一種電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統結構，其模擬力矩助力傳感結構為一個採用三顆霍爾傳感器與環形磁鋼陣列組成的模擬力矩助力動態採集器，用於進行腳踏方向及速度的監測信號採集；
[0049]模擬力矩助力動態採集器由助力盤結構件和模擬力矩助力動態採集電路板構成；
[0050]助力盤結構件包括轉盤1、定盤2、軸承3和磁鋼4 ;轉盤I為盤狀空腔體，其內部型腔結構包括轉盤底11、轉盤壁12、空心軸13和環行磁鋼固定帶14 ；
[0051]轉盤I中心為空心軸13，空心軸13的外徑尺寸與軸承3內環尺寸配合；其軸心孔1301的孔徑與電動自行車中軸5尺寸配合；
[0052]環行磁鋼固定帶14位於轉盤底11的內底面，其形狀為一環行凸緣，環行凸緣的上平面高於轉盤底11的內底面，環行磁鋼固定帶14的內環直徑大於空心軸13外徑，外環直徑小於轉盤壁12內徑；環行磁鋼固定帶14上包括有一組環行、等距間隔排列的盲孔1401，每個盲孔1401內固定一個圓柱形磁鋼4 ；
[0053]定盤2為盤狀空腔體，其內部型腔結構包括定盤底21、定盤壁22、軸承架23和穿線孔24 ;定盤2中心為軸承架23 ；
[0054]定盤底21的內底面由筋板分為三個扇形區域，其中的一個扇形區域A作為模擬力矩助力動態採集電路板的安裝位置，穿線孔24位於扇形區域A臨近上邊緣處，穿線孔24作為模擬力矩助力動態採集電路板控制線纜的引出口 ；
[0055]轉盤1、定盤2、軸承3和磁鋼4裝配在一起，軸承3裝配在轉盤I的空心軸13和定盤2的軸承架23之間，軸承架23的內徑與軸承3外環直徑配合；軸承3的外環嵌裝在軸承架23的內徑中，軸承3的內環套裝在空心軸13上；
[0056]轉盤I與定盤2配合，轉盤壁12內徑與定盤壁22外徑滑動配合；空心軸13的軸心孔1301的孔徑與電動自行車中軸5緊密配合。
[0057]所述模擬力矩助力動態採集電路板安裝在定盤2的扇形區域A內，模擬力矩助力動態採集電路板上的元器件包括單片機AT89C16、三端穩壓器LM1117-3.3V、三個間隔固定的霍爾元件ES732，一個姿態模塊MPU6050 (陀螺儀)、輸出電壓接口 J2及阻容元件；
[0058]在所述模擬力矩助力動態採集電路板上，三個所述霍爾元件ES732分別為第一霍爾元件A、第二霍爾元件B和第三霍爾元件C，三個霍爾元件ES732的感應面中心在同一條弧線上，每個霍爾元件ES732的感應面中心與定盤2軸心連線，形成兩個扇形，每兩個相鄰的霍爾元件ES732的感應面中心分別與定盤2軸心的連線之間的夾角為5度；
[0059]所述轉盤I上的24個所述磁鋼4的軸心在同一圓上，每個磁鋼4軸心與轉盤I軸心連線，形成23個扇形，每兩個相鄰磁鋼4軸心與轉盤I軸心連線之間的夾角為15度；
[0060]三個霍爾元件ES732的感應面中心所在的圓的圓心與24個磁鋼4軸心所在的圓的圓心均在同一軸心線上，此軸心線即電動自行車中軸5軸心線；
[0061]當轉盤I隨自行車中軸轉動時，定盤2的位置固定不變，三個所述霍爾元件ES732的方位保持不變；轉盤I內的24個磁鋼4沿其所在圓的軌跡環形移動時，其中，每一個磁鋼4的感應面依次經過三個霍爾元件ES732的感應面，磁鋼4的感應面與霍爾元ES732件的感應面相對應的一刻，觸發霍爾元件ES732，霍爾元件ES732內部電路產生感應電壓脈衝信號;
[0062]24個磁鋼4的感應面與三個霍爾元件ES732的感應面重合即觸發時序為:
[0063]轉盤I正轉即騎行前進時的轉向時，依次觸發第一霍爾元件A、第二霍爾元件B和第二霍爾兀件C ；
[0064]轉盤I反轉時時，依次觸發第三霍爾元件C、第二霍爾元件B、第一霍爾元件A ；
[0065]感應出電壓脈衝信號給單片機AT89C16，單片機AT89C16據此提取有關的方向和速度數據作為計算出電源電壓佔空比PWM的數據，經DA轉換後，輸出電壓信號，電機控制器以此作為控制系統的信號源；
[0066]方向數據提取方法:通過轉盤I的轉動方向，由單片機AT89C16採集三個所述霍爾元件ES732觸發信號順序獲得；
[0067]速度數據提取方法:通過轉盤I的轉動，由單片機AT89C16採集三個所述霍爾元件ES732觸發信號間隔時間數據獲得；
[0068]安裝在所述模擬力矩助力動態採集電路板上的姿態模塊MPU6050 (陀螺儀)的姿態為:坐標X保持水平，坐標Z保持垂直，單片機AT89C16以此時的採集的信號數據作為其位置平衡的數據，以此數據作為程序判斷的初始狀態；
[0069]模擬力矩助力動態採集器電路以單片機AT89C16為中心處理器，利用姿態模塊MPU6050 (陀螺儀)的姿態可知性，經過I2C總線與單片機AT89C16通信，以此作為坡度識別器；
[0070]單片機AT89C16的SCL埠、SDL埠分別連接姿態模塊MPU6050的SCL埠、SDL埠，SCL和SDL是I2C通信的數據和時鐘線；
[0071]單片機AT89C16的三個通用I/O埠 P100_6、P100_7和P100_12分別連接三個霍爾元件ES732 ；
[0072]單片機AT89C16的PWM輸出埠 ΡΙ00_0經電阻R3連接輸出電壓接口 J2。
[0073]模擬力矩助力動態採集器電路以單片機AT89C16為中心處理器。
[0074]根據上述說明，結合本領域技術可實現本實用新型的方案。
【權利要求】
1.一種電動自行車模擬力矩助力傳感控制系統結構，包括助力傳感結構，其特徵在於，助力傳感結構為一個採用三顆霍爾傳感器與環形磁鋼陣列組成的模擬力矩助力動態採集器； 所述模擬力矩助力動態採集器由助力盤結構件和模擬力矩助力動態採集電路板構成； 所述助力盤結構件包括轉盤(I)、定盤(2)、軸承(3)和磁鋼(4);轉盤(I)為盤狀空腔體，其內部型腔結構包括轉盤底(11)、轉盤壁(12)、空心軸(13)和環行磁鋼固定帶(14)；轉盤(I)中心為空心軸(13)，空心軸(13)的外徑尺寸與軸承(3)內環尺寸配合；其軸心孔(1301)的孔徑與電動自行車中軸(5)尺寸配合； 環行磁鋼固定帶(14)位於轉盤底(11)的內底面，其形狀為一環行凸緣，環行凸緣的上平面高於轉盤底(11)的內底面，環行磁鋼固定帶(14)的內環直徑大於空心軸(13)外徑，夕卜環直徑小於轉盤壁(12)內徑；環行磁鋼固定帶(14)上包括有一組環行、等距間隔排列的盲孔(1401),每個盲孔(1401)內固定一個圓柱形磁鋼(4)； 定盤(2 )為盤狀空腔體，其內部型腔結構包括定盤底(21)、定盤壁(22 )、軸承架(23 )和穿線孔(24);定盤(2)中心為軸承架(23)； 定盤底(21)的內底面由筋板分為三個扇形區域，其中的一個扇形區域A作為模擬力矩助力動態採集電路板的安裝位置，穿線孔(24)位於扇形區域A臨近上邊緣處，穿線孔(24)作為模擬力矩助力動態採集電路板控制線纜的引出口； 轉盤(I)、定盤(2)、軸承(3)和磁鋼(4)裝配在一起，軸承(3)裝配在轉盤(I)的空心軸(13 )和定盤(2 )的軸承架(23 )之間，軸承架(23 )的內徑與軸承(3 )外環直徑配合；軸承(3)的外環嵌裝在軸承架(23)的內徑中，軸承(3)的內環套裝在空心軸(13)上； 轉盤(I)與定盤(2)配合，轉盤壁(12)內徑與定盤壁(22)外徑滑動配合；空心軸(13)的軸心孔(1301)的孔徑與電動自行車中軸(5)緊密配合； 所述模擬力矩助力動態採集電路板安裝在定盤(2)的扇形區域A內，模擬力矩助力動態採集電路板上的元器件包括單片機AT89C16、三端穩壓器LM1117-3.3V、三個間隔固定的霍爾元件ES732，一個姿態模塊MPU6050即陀螺儀、輸出電壓接口 J2及阻容元件； 在所述模擬力矩助力動態採集電路板上，三個所述霍爾元件ES732分別為第一霍爾元件A、第二霍爾元件B和第三霍爾元件C，三個霍爾元件ES732的感應面中心在同一條弧線上，每個霍爾元件ES732的感應面中心與定盤(2)軸心連線，形成兩個扇形，每兩個相鄰的霍爾元件ES732的感應面中心分別與定盤(2)軸心的連線之間的夾角為5度； 所述轉盤(I)上的24個所述磁鋼(4)的軸心在同一圓上，每個磁鋼(4)軸心與轉盤(I)軸心連線，形成23個扇形，每兩個相鄰磁鋼(4)軸心與轉盤(I)軸心連線之間的夾角為15度； 三個霍爾元件ES732的感應面中心所在的圓的圓心與24個磁鋼(4)軸心所在的圓的圓心均在同一軸心線上，此軸心線即電動自行車中軸(5)軸心線； 模擬力矩助力動態採集器電路以單片機AT89C16為中心處理器，姿態模塊MPU6050 (陀螺儀)通過I2C總線與單片機AT89C16連接； 單片機AT89C16的SCL埠、SDL埠分別連接姿態模塊MPU6050的SCL埠、SDL埠，SCL和SDL是I2C通信的數據和時鐘線； 單片機AT89C16的三個通用I/O埠 P100_6、P100_7和P100_12分別連接三個霍爾元件ES732 ； 單片機AT89C16的PWM輸出埠 ΡΙ00_0經電阻R3連接輸出電壓接口 J2。
【文檔編號】B62M6/50GK204150202SQ201420487007
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】王作彥, 齊連運 申請人:天津市弘塔科技有限公司