CN103419889A - 一种电动助力自行车的助力控制机构 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种电动助力自行车的助力控制机构，包括前轮、后轮、左右脚踏、链条、飞轮、前轮转盘、前轮转速传感器、前轮转速传感器支架、飞轮转速传感器、飞轮转速传感器支架、微处理器，飞轮转速传感器和前轮转速传感器不断将飞轮和前轮的转速信号发送给微处理器，微处理器计算得到飞轮和前轮的转速、转速加速度，自动控制电机调整助力大小。应用本发明，在电动助力自行车附加两个传感器，无需进行复杂的微小形变或位移的检测和放大，只需通过传感器直接测量飞轮和前轮转速，骑行者通过脚踏改变飞轮的转速，即可安全可靠地实现控制电机调整助力大小。因此，本发明提供的电动助力自行车的助力控制机构，安全可靠、结构简单、检测精度要求低、不改动电动助力自行车原有结构的脚踏助力控制机构。

Description

一种电动助力自行车的助力控制机构

技术领域

本发明属于智能控制领域，涉及一种电动助力自行车的助力控制机构。 

背景技术

电动助力自行车必须有人力做功，而不能纯粹由电机提供动力，即电机仅仅为骑行提供补充动力，这样的电动助力自行车才符合各国的标准。因此必须将人力的脚踏作为电动助力自行车的助力控制信号，而不能使用转把控制，这样做有2个好处，一则符合国家标准，二则可以使得电池的使用更加合理，延长电池的使用寿命并且增加了一次充电的骑行距离。 

目前已经公布的各种专利，以力矩传感控制为主，即通过机械装置直接或间接测量骑行者踩踏脚蹬产生的力矩所引起其它物理量的变化，根据此物理量的变化输出对应的电信号，从而控制电机做功的大小；例如：00217870.2的力矩传感器、201020622645.6一种电动自行车用的力矩测力及力矩传感电压输出机构；它们有一个共同的特点，都需要针对脚踏产生的扭矩所引起的某个物理量的机械检测装置，或者是某种旋转位移量、或者是轴向的位移量，位移量往往还需要通过杠杆等放大机构放大，最终被磁铁与霍尔或者光电元件转换为电信号。这些测量力矩的方式来实现通过骑行者的脚踏对电动自行车的助力控制的方式，有以下缺陷： 

1、  脚踏的力矩检测需要复杂的机械结构，并且由于脚踏引起的直接或间接物理位移（旋转方向的错位或者轴向的移动）是一个微小的变形量，这就要求检测这个位移的传感器的装置非常精密，机械结构越是精密，其安装精度的要求也就越高，在户外、振动的使用环境下，就非常难稳定地保持其工作精度；

2、 绝大多数力矩检测转换装置安装在中轴内、后轮轴等部位，对车辆的现有机械结构有改动，而非简单加装一个机械装置，这就限制了这些助力控制机构的推广；

3、单一地检测脚踏的踩踏力，很难避免车辆在各种不安全状态或不需加速的状态下因为失误而踩踏脚蹬。

因此目前缺少一种安全可靠、结构简单、检测精度要求低、不改动电动助力自行车原有结构的脚踏助力控制机构。 

本发明的实施例中使用电感式位移传感器，当金属在5mm距离内通过传感器的感应区时，传感器即可检测到并输出相应电信号。电感式位移传感器，又称自感式传感器，由铁心和线圈构成的将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：①无活动触点、可靠度高、寿命长；②分辨率高；③灵敏度高；④线性度高、重复性好；⑤测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；⑥无输入时有零位输出电压，引起测量误差；⑦对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；⑧不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种安全可靠、结构简单、检测精度要求低、不改动电动助力自行车原有结构的脚踏助力控制机构。 

  

本发明解决其技术问题的技术方案是：

一种电动助力自行车的助力控制机构，包括左右脚踏、链条、飞轮、前轮、后轮、前轮转盘、前轮转速传感器、前轮转速传感器支架、飞轮转速传感器、飞轮转速传感器支架、微处理器；

前轮转盘与前轮轴同心，固定安装于前轮花鼓上，即前轮转盘与前轮的转速始终是相同的；前轮转盘沿圆周方向等间距开有若干相同的槽；

前轮转速传感器通过前轮转速传感器支架固定安装于前叉上，前轮转速传感器的感应端面与前轮转盘平行，相距1-5mm；前轮转盘的每个槽的每转动通过一次前轮转速传感器，前轮转速传感器检测到一个信号；

飞轮转速传感器支架一端固定套在飞轮轴上、一端固定安装在车架上；

飞轮转速传感器通过紧固件固定在飞轮转速传感器支架上，飞轮转速传感器的感应端面与飞轮的切线方向平行，飞轮转速传感器与飞轮的齿尖始终保持一个固定的距离，该距离的范围为1到5mm，飞轮转速传感器的感应区的中心与飞轮两个端面距离相等；

前轮转速传感器、飞轮转速传感器通过导线传送信号给微处理器。

  

本发明的工作原理为：用户脚踏的驱动力通过链条传递给飞轮，飞轮要带动后轮加速时，飞轮的转速（角速度）必须和后轮的转速相同，正常骑行时后轮和前轮的转速是相同的，因此飞轮的转速和前轮转速相同。当用户的意图是加速骑行时，用户通过脚踏施加的踩踏力必然驱动车辆加速前进，通过连续测量的飞轮转速即可计算出飞轮的转速加速度，即可得到骑行者的加速意图以及加速的快慢，从而控制电机输出相应的动力，辅助骑行者骑行。

本发明直接测量的是前轮、飞轮的转速，传感器可以采用电感式位移传感器或者电容式位移传感器，不用接触即可测量得到转速，不仅测量精度要求低、机械结构简单，而且由于同时测量了前轮的转速，因此当车辆静止不动时或者速度过低时，还可以避免错误地给车辆提供电机助力，例如：当车辆前轮被障碍物阻挡或者车辆慢速掉头时，骑行者失误用力踩脚踏，也不会输出电机助力或者只输出非常轻微的电机助力，而采用现有的各种力矩传感器，都无法避免这一安全隐患，一律都是根据骑行者踩踏的力量大小来控制电机的助力大小。 

本发明的有益效果是，应用本发明提供的电动助力自行车的助力控制机构，飞轮转速传感器和前轮转速传感器不断将飞轮和前轮的转速信号发送给微处理器，微处理器计算得到飞轮和前轮的转速、转速加速度，自动控制电机调整助力大小。应用本发明，在电动助力自行车附加两个传感器，无需进行复杂的微小形变或位移的检测和放大，只需通过传感器直接测量飞轮和前轮转速，骑行者通过脚踏改变飞轮的转速，即可安全可靠地实现控制电机调整助力大小。因此，本发明提供的电动助力自行车的助力控制机构，安全可靠、结构简单、检测精度要求低、不改动电动助力自行车原有结构的脚踏助力控制机构。 

附图说明

    下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1为示出实施例一的电动助力自行车的助力控制机构的功能示意框图； 

图2为示出实施例一的前轮转速传感器的位置的前视图；

图3为示出实施例一的前轮转速传感器的位置的俯视图；

图4为示出实施例一的飞轮转速传感器的位置的前视图；

图5为示出实施例一的飞轮转速传感器的位置的俯视图。 

  

具体实施方式

    为更好地理解本发明的内容，下面详细说明本发明的优选实施例。 

实施例一 

       本发明揭示了一种电动助力自行车的助力控制机构。

  

参阅附图1的电动助力自行车的助力控制机构的功能示意框图，从图中所示：

本实施例包括：前轮10、后轮20、脚踏（左）32、脚踏（右）31、链条40、飞轮50、前轮碟刹盘101、前轮转速传感器102、前轮转速传感器支架103、飞轮转速传感器104、飞轮转速传感器支架105、微处理器106。前轮碟刹盘101与前轮轴11同心，飞轮转速传感器104通过飞轮转速传感器支架105固定，飞轮转速传感器支架105的一端套于后轮轴21上。

参阅附图2，通过前轮转速传感器支架103固定前轮转速传感器102；参阅附图5，通过飞轮转速传感器支架105固定飞轮转速传感器104，前轮转速传感器102和飞轮转速传感器104通过导线将检测到的转速数据传输给微处理器106。 

本实施例中，前轮转速传感器102、飞轮转速传感器104使用的是电感式接近开关，在距离电感式接近开关5mm范围内感应到金属物体，会触发接近开关发出一个信号。传感器的感应区直径为6mm。 

本实施例中使用前轮碟刹盘101作为前轮转盘。 

附图2和附图3为示出前轮转速传感器102安装位置的前视图和俯视图，如附图2、附图3所示：前轮碟刹盘101与前轮轴11同心，前轮转速传感器102与前轮碟刹盘101平行，二者之间的距离在前轮转速传感器102的感应范围之内，本实施例中使用的是电感式位移传感器，感应范围为5mm，即二者的距离在5mm范围内。前轮转速传感器支架103有4个安装孔，通过螺丝将前轮转速传感器支架103和前轮转速传感器102固定到电动助力自行车的前叉上。前轮碟刹盘101沿圆周方向有8个槽，槽的尺寸大于前轮转速传感器102的感应区，当槽转动通过感应区时，会有2个状态：A状态，感应区与槽之间四周都有间隙；B状态，感应区与槽之间在某个方向是没有间隙的；当从A状态与B状态之间发生切换时，前轮转速传感器102会发出一个信号，传送给微处理器106。本实施例中的前轮碟刹盘101开有8个槽，因此转动一周，前轮转速传感器102向微处理器106发送8个检测信号，这仅代表本实施例的一种选择，前轮碟刹盘101沿圆周方向开槽的数量可以根据检测需要选择更多或更少。 

附图4和附图5为示出飞轮转速传感器104安装位置的前视图和俯视图，由图中可以看出，飞轮转速传感器104的端面与飞轮50垂直，飞轮转速传感器104与飞轮50的齿尖距离在飞轮转速传感器104的感应范围之内，本实施例中使用的是电感式位移传感器，感应范围为5mm，即二者的距离在5mm范围内。飞轮转速传感器支架105一端套在后轮轴21上，飞轮转速传感器支架105上还有一安装孔1051，通过安装孔1051将飞轮转速传感器支架105固定到车架上, 飞轮转速传感器104飞轮转速传感器支架105上的，二者没有相对运动，因此飞轮转速传感器104与飞轮齿尖的位置是恒定的，始终保持在飞轮转速传感器104的感应范围内（5mm）。本实施例中的飞轮50为14齿，即飞轮50转动一周飞轮转速传感器104向微处理器106发送14个检测信号，这仅代表本实施例的一种选择，飞轮50的齿数可以根据需要选择。标准的链条40节距约为12mm，远大于飞轮转速传感器104的感应区直径（本实施例为6mm）。 

  

以下对本实施例实现对加速、减速的助力控制工作过程分别进行说明：

车辆静止时加速: 骑行者用力踩踏脚踏（左）32和脚踏（右）31，微处理器106通过前轮转速传感器102、飞轮转速传感器104传输的转速数据，发现前轮10的转速等于0，微处理器106控制电机不提供助力，等待检测到前轮10转速大于0时才开始助力。这有助于保护蓄电池，同时也可以避免在掉头、前轮被顶死等情况下，骑行者误踏脚踏引起不必要的助力加速，导致骑行者出现人身安全意外。

车辆骑行中加速: 骑行者用力踩踏脚踏（左）32和脚踏（右）31，通过链条40带动飞轮50转动，从而带动后轮20加速转动，此时飞轮50的转速与后轮20相同，后轮20同步带动前轮10加速转动，前轮10和后轮20的转速相同。微处理器106通过前轮转速传感器102、飞轮转速传感器104传输的转速数据，发现前轮10的转速大于0，飞轮50与前轮10的转速相同，而且飞轮50的转速在上升，则微处理器106控制电机提供相应的助力，车辆在各种速度下的电机助力比例可以通过控制软件自由进行设置，从而获得不同用户体验的助力曲线。从保护电机和蓄电池的角度出发，控制软件中可以设置前轮10转速低于一个阈值时，电机不提供助力，例如：当车速低于每秒1米时，电机不提供助力。 

车辆减速:骑行者不踩踏脚踏（左）32和脚踏（右）31，微处理器106通过飞轮转速传感器104传输的转速数据，发现前轮10与后轮20转速相同，后轮20的转速大于飞轮50转速，则控制电机停止提供助力。 

  

综上所述，应用本实施例提供的电动助力自行车的助力控制机构，飞轮转速传感器和前轮转速传感器不断将飞轮和前轮的转速信号发送给微处理器，微处理器计算得到飞轮和前轮的转速、转速加速度，自动控制电机调整助力大小。应用本发明，在电动助力自行车附加两个个传感器，无需进行复杂的微小形变或位移的检测和放大，只需通过传感器直接测量飞轮和前轮转速，骑行者通过脚踏改变飞轮的转速，即可安全可靠地实现控制电机调整助力大小。因此，本发明提供的电动助力自行车的助力控制机构，安全可靠、结构简单、检测精度要求低、不改动电动助力自行车原有结构的脚踏助力控制机构。

Claims (1)

1.一种电动助力自行车的助力控制机构，包括前轮、后轮、左右脚踏、链条、飞轮，其特征在于：

还包括：前轮转盘、前轮转速传感器、前轮转速传感器支架、飞轮转速传感器、飞轮转速传感器支架、微处理器；

前轮转盘与前轮轴同心，固定安装于前轮花鼓上，即前轮转盘与前轮的转速始终是相同的；前轮转盘沿圆周方向等间距开有若干相同的槽；

前轮转速传感器通过前轮转速传感器支架固定安装于前叉上，前轮转速传感器的感应端面与前轮转盘平行，相距1-5mm；前轮转盘的每个槽的每转动通过一次前轮转速传感器，前轮转速传感器检测到一个信号；

飞轮转速传感器支架一端固定套在飞轮轴上、一端固定安装在车架上；

飞轮转速传感器通过紧固件固定在飞轮转速传感器支架上，飞轮转速传感器的感应端面与飞轮的切线方向平行，飞轮转速传感器与飞轮的齿尖始终保持一个固定的距离，该距离的范围为1到5mm，飞轮转速传感器的感应区的中心与飞轮两个端面距离相等；

前轮转速传感器、飞轮转速传感器通过导线传送信号给微处理器。

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