一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器及传感检测方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于自行车技术领域，尤其涉及一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器及传感检测方法。
【背景技术】
[0002]目前国内的电动车主要以纯电动车为主，骑行者不需要用力，这种车在国外有严格上路限制，在日本、欧盟等国家将纯电动自行车归类为机动车管理，只是在我国较为流行。电动助力自行车俗称混合动力自行车，既是一种绿色环保型交通工具，又是一种十分方便的健身器材，在国外较为流行。混合动力自行车的原理是通过一个力矩传感器将人脚踏力的大小传给控制器，控制器控制电机输出相应大小的力矩助力，输出的力矩与脚踏力成正比，脚踏力越大，助力越大，不加脚踏力则电机不转。因此能及时准确地感知脚踏力大小的力矩传感器是人们研究的重点。
[0003]为此国内外开发了各种各样的力矩传感器来感知判断是否需要提供助力及输出助力的大小，比如判断骑行时脚踏力的大小、踏频等条件。目前主要的方式有以下几类:
[0004]一、简易应变片传感器:该传感器使用应变片或弹簧来感知骑行者骑行时脚踏力的大小，但受自然环境因素(温度、泥水、灰尘等)影响较大，特别是道路颠簸引起的误动作难于克服，同时机械结构部件加工复杂，加工成本高，容易产生金属疲劳与磨损，寿命短。
[0005]二、力矩传感器:这种方式得到的脚踏力矩数据较为精确，目前德国的FAG公司、THUN公司、国内苏州捷诚科技都推出了中轴式的力矩传感器，但是力矩传感器非常复杂、昂贵，且增加维修难度，难以大规模使用。
[0006]三、霍尔速度传感器:该方案使用永久性光铁与霍尔传感器，霍尔传感器输出给控制器脉冲信号的频率与骑行者脚踏的速度成正比，由于脚踏速度的变化与脚踏力矩的变化是具有相关性的，能一定程度反映脚踏力矩的变化，但传统使用时一般设置5?6个光极，间隔幅度较大，只有当位于光钢盘上的永久性光铁通过霍尔感应器时，转动信号才能被霍尔感应器捕获，这样就致使霍尔感应器不能在脚踏的瞬间感应到光铁，因此现有的感应方式在时间上具有一定的延迟，不能及时感应变化。
[0007]四、光电速度传感器:巧妙设计的环形光栅可以做到非常密集，模拟力矩及输出相应助力的效果相比霍尔速度传感器要自然很多，虽然成本低，功耗电流小，无吸收铁杂质效应，但其作为分立式产品，使用时需要配合控制器一起安装在车身上，体积较大；另外光电开关管由于遮光罩需要专门开模，增加开发成本。
[0008]五、内置力矩传感器电机:通过在电机中嵌入传感器感知力矩变化，使电机直接反馈脚踏力矩的大小，此方式电机结构复杂，价格昂贵，电机维修难度大。
[0009]因此，现有的传感器存在的问题不是实现的助力体验差，就是结构复杂，安装体积大，或者开发成本高，价格昂贵，工作可靠性差，难以大规模使用。
[0010]此外，现有电动车控制器及传感器一般为分立的两个部件，普遍存在体积大的问题，安装在车上非常丑陋，且暴露在外需要定期维护，难以达到简约美观的效果。
【发明内容】
[0011]本发明所要解决的技术问题在于提供一种能简单可靠且相对廉价地将脚踏力准确地反馈给电机的混合动力自行车牙盘式力矩传感器及传感检测方法。
[0012]本发明是这样实现的，一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器，包括固定盘和转动盘，所述混合动力自行车牙盘式力矩传感器还包括电机控制电路板和光电开关对管，所述光电开关对管与所述电机控制电路板电连接；
[0013]所述固定盘包括固定盘端盖，所述电机控制电路板和所述光电开关对管固设于所述固定盘端盖的内侧；
[0014]所述转动盘包括主动机构和从动机构，所述主动机构包括曲柄，所述曲柄的一端上均匀分布有凹槽；
[0015]所述从动机构包括若干弹簧、光栅环结构、中轴和转动盘外环，所述光栅环结构固设于所述转动盘外环上，所述中轴的一端固设于所述曲柄上并传动连接所述转动盘外环；所述转动盘外环的一侧开设有若干凹槽，所述曲柄上有凹槽的一端压设于所述转动盘外环上有凹槽的一侧，所述曲柄上的凹槽和所述转动盘外环上的凹槽相对接形成弹簧槽，所述弹簧置于所述弹簧槽内，所述转动盘外环嵌设于所述固定盘端盖上；
[0016]所述曲柄转动时压缩弹簧，所述光栅环结构在所述弹簧的作用下旋转，所述光电开关对管将感应到所述光栅环结构的转动转化为占空比与弹簧形变量相对应的脉冲序列，并将所述占空比与弹簧形变量相对应的脉冲序列发送给所述电机控制电路板。
[0017]进一步地，所述光栅环结构包括外环光栅和内环光栅，所述外环光栅固设于所述转动盘外环的内侧，所述内环光栅上开设有凸伸结构的第一通孔，所述转动盘外环上开设有第二通孔，所述凸伸结构的第一通孔穿设于所述第二通孔上并通过螺栓固设于所述曲柄上。
[0018]进一步地，所述第二通孔的孔径大于所述第一通孔的孔径。
[0019]进一步地，所述外环光栅和所述内环光栅均具有均匀分布且相邻设置的凸齿和凹槽，外环光栅的凸齿和内环光栅的凸齿沿径向对齐。
[0020]进一步地，所述从动机构还包括牙盘结构，所述牙盘结构固设于转动盘外环的外沿上。
[0021]进一步地，所述电机控制电路板包括电源管理模块、电路状态监测与保护模块、主控逻辑模块、电机驱动模块、电机检测模块、外部通信模块和传感器模块；
[0022]所述电路状态监测与保护模块与所述主控逻辑模块相连接，用于对电路板的过压、欠压、过流保护；
[0023]所述主控逻辑模块分别与所述电源管理模块、传感器模块、电机驱动模块、电机检测模块、外部通信模块相连接，用于处理主控逻辑程序，并根据所述光电开关对管获得的占空比与弹簧形变量相对应的脉冲序列结合主控逻辑程序输出用于控制电机进行加速和减速的PffM动力信号。
[0024]本发明还提供一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器的传感检测方法，包括如上所述的任意一种混合动力自行车牙盘式力矩传感器，该传感检测方法包括以下步骤:
[0025]步骤A、转动盘绕中轴转动时，光电开关对管感应光栅环结构得到光电开关对管的脉冲式开与关，并根据所述脉冲式开与关产生占空比与弹簧形变量相对应的脉冲序列；
[0026]步骤B、所述电机控制电路板接收所述占空比与弹簧形变量相对应的脉冲序列，将所述占空比与弹簧形变量相对应的脉冲序列处理为对应于骑行者脚踏力量大小的动力控制信号来控制电机输出功率及速度。
[0027]进一步地，所述步骤A前还包括步骤C、如初始时刻产生的脉冲序列占空比小于50 %，紧接着后一时刻的脉冲序列占空比小于初始时刻的脉冲序列占空比，则将初始时刻的脉冲序列占空比修正为50%。
[0028]进一步地，所述光栅环结构包括内环光栅和外环光栅，所述内环光栅和外环光栅均具有相邻设置的若干凸齿和凹槽，所述步骤A包括以下步骤:
[0029]步骤A01、当没有脚踏力作用于曲柄或轻摇曲柄时，主动机构与从动机构同步转动，没有作用力作用于弹簧，所述内环光栅的凸齿与所述外环光栅的凸齿同步通过所述光电开关对管，形成的脉冲序列占空比为50% ;
[0030]步骤A02、当有脚踏力施加在所述曲柄上时，弹簧产生形变使主动机构和从动机构相对转动一个角度，从而使内环光栅的凸齿与外环光栅的凸齿错开一个位置，两凸齿一起通过光电开关对管的时间变长，形成的脉冲序列占空比变小；
[0031]当脚踏力继续施加在曲柄上时，弹簧产生的形变随着脚踏力的增大而变大，主动机构和从动机构相对转动的角度同时也在变大，从而使内环光栅的凸齿与外环光栅的凸齿错开的位置继续变大，两凸齿一起通过光电开关对管的时间继续变长，形成的脉冲序列占空比继续变小。
[0032]进一步地，所述步骤A02具体包括以下步骤:
[0033]步骤A021、当脚踏力较小时，弹簧产生形变较小，使内环光栅的凸齿与外环光栅的凸齿错开25%的位置时，形成的脉冲序列占空比为37.5%。
[0034]步骤A022、当脚踏力慢慢变大时，弹簧产生的形变变大，使内环光栅的凸齿与外环光栅的凸齿错开50%的位置时，形成的脉冲序列占空比为25% ;
[0035]步骤A023、当脚踏力继续变大时，弹簧产生的形变继续变大，使内环光栅的凸齿与外环光栅的凸齿错开75%的位置时，形成的脉冲序列占空比为12.5%。
[0036]本发明与现有技术相比，有益效果在于:所述的混合动力自行车牙盘式力矩传感器通过光电开关对管与光栅环结构将脚踏力对弹簧作用产生的弹簧形变量转化为一个占空比与弹簧形变量相对应的脉冲序列，电机控制电路板再将占空比与弹簧形变量相对应的脉冲序列转化为对应于脚踏力量大小的动力控制信号去控制电机输出相应的功率及速度，不仅能简单实现力矩的传感，且结构简单、制造成本低，力矩传感效果明显优于霍尔速度传感器的传感方式。
【附图说明】
[0037]图1是本发明混合动力自行车牙盘式力矩传感器中固