專利名稱：一種非接觸供電力矩測(cè)量的電動(dòng)自行車輪盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動(dòng)自行車產(chǎn)品領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，是涉及一種非接觸供 電力矩測(cè)量的電動(dòng)自行車輪盤。
背景技術(shù)：
目前電動(dòng)自行車產(chǎn)品越來(lái)越得到國(guó)際社會(huì)的認(rèn)可了 ，但是有的國(guó)家對(duì) 電動(dòng)自行車腳蹬力和電力驅(qū)動(dòng)力，有嚴(yán)格的比例要求。這就要求電動(dòng)自行
車的腳踏傳動(dòng)系統(tǒng)有測(cè)量力矩的機(jī)構(gòu)。目前日本有好幾個(gè)公司在電動(dòng)自行 車腳踏力矩測(cè)量方面有成熟的技術(shù)，其技術(shù)和產(chǎn)品在國(guó)際上處于壟斷地位。 從我們目前能查到的資料和能收集到的實(shí)物樣品來(lái)看，國(guó)內(nèi)外的測(cè)量
方法很多，大致分類如下
1. 利用機(jī)械彈性元件位移測(cè)量腳蹬力矩的方法。腳蹬力通過(guò)機(jī)械彈性 元件傳遞到另 一個(gè)受力部件，通過(guò)測(cè)量宏觀位移的變化能分析出腳蹬扭矩 的大小。測(cè)量宏觀位移的方法一般有光敏元件檢測(cè)角度位移法、電感測(cè)量 線性位移法，電位器測(cè)量角度位移法，霍爾元件測(cè)量線性位移法，霍爾元 件測(cè)量角度位移法等。
2. 利用力敏磁性材料，測(cè)量腳蹬力矩的方法。在電動(dòng)車的中軸或者傳 遞扭矩的軸上貼裝這種材料， 一旦軸受到力發(fā)生微觀變形后，這種材料的 導(dǎo)磁率會(huì)發(fā)生明顯的變化，通過(guò)線圈測(cè)量材料的導(dǎo)磁率能分析出機(jī)械軸受 到多大的扭矩。
3. 利用電阻應(yīng)變測(cè)量受力軸的應(yīng)力變化。在電動(dòng)自行車的受力軸上貼 電阻應(yīng)變片，通過(guò)測(cè)量受力軸的應(yīng)變，把應(yīng)變信號(hào)通過(guò)機(jī)械接觸的導(dǎo)電裝 置把信號(hào)傳遞給控制器。
以上測(cè)量方法的評(píng)述如下
第一種方法電路供電引線和信號(hào)傳遞引線相對(duì)簡(jiǎn)單、防水性能好、電 路成本相對(duì)最低。但是存在以下缺點(diǎn)測(cè)量精度較差；彈性元件會(huì)產(chǎn)生疲 勞；批量一致性較差；機(jī)械部件比較復(fù)雜，成本較高；機(jī)械部件容易磨損。
3與測(cè)量部件配合的自行車部件要做相應(yīng)的改變。
第二種方法測(cè)量精度較高、電路信號(hào)傳遞引線相對(duì)簡(jiǎn)單、防水性能好。
但是存在以下缺點(diǎn)力敏磁性材料的溫度漂移比較大，需要溫度補(bǔ)償；力 敏磁性材料的工藝成本高；機(jī)械部件成本較高。與測(cè)量部件配合的自行車 部件要做相應(yīng)的改變。
第三種方法雖然測(cè)量精度高，但是存在以下缺點(diǎn)^L械部件成本較高； 電信號(hào)傳遞機(jī)械部件復(fù)雜；與測(cè)量部件配合的自行車部件要做相應(yīng)的改變。 防水性能差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一 種非接觸供電力矩測(cè)量的電動(dòng)自行車輪盤。
本發(fā)明一種非接觸供電力矩測(cè)量的電動(dòng)自行車輪盤，通過(guò)下述技術(shù)方 案予以實(shí)現(xiàn)，所述輪盤與五通之間設(shè)置測(cè)量裝置，所述測(cè)量裝置包括固定 環(huán)形體和回轉(zhuǎn)環(huán)形體；所述固定環(huán)形體由回轉(zhuǎn)變壓器固定環(huán)、回轉(zhuǎn)變壓器 固定線圏和固定環(huán)組成，回轉(zhuǎn)變壓器固定環(huán)內(nèi)嵌回轉(zhuǎn)變壓器固定線圏，固 定環(huán)內(nèi)相鄰設(shè)置回轉(zhuǎn)變壓器固定環(huán)，固定環(huán)外相鄰設(shè)置擋圈；所述回轉(zhuǎn)環(huán)
形體由回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)、回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)線圈和旋轉(zhuǎn)環(huán)組成，回轉(zhuǎn)變壓
器旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)嵌回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)線圈，旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)相鄰設(shè)置回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)； 回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)相鄰設(shè)置測(cè)量電路；輪盤周面設(shè)置四個(gè)電阻應(yīng)變片， 四個(gè)電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)變橋并與測(cè)量電3各連4妻。
本發(fā)明所述測(cè)量電路由固定于車體上的傳輸輸出電路和固定于輪盤的 應(yīng)變測(cè)量電路組成；傳輸輸出電路的傳輸輸出單片機(jī)提供高頻脈沖信號(hào)給 回轉(zhuǎn)變壓器的原邊線圈，原邊線圈將感應(yīng)的信號(hào)經(jīng)低通濾波后傳給傳輸輸 出單片機(jī)后輸出；應(yīng)變測(cè)量電路的回轉(zhuǎn)變壓器的副邊線圈感應(yīng)電壓整流、 濾波、后，給應(yīng)變測(cè)量單片機(jī)、模擬信號(hào)放大器和應(yīng)變橋供電，應(yīng)變橋信 號(hào)被放大后經(jīng)過(guò)應(yīng)變測(cè)量單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，輸出頻率相對(duì)較低的數(shù)字信號(hào) 于回轉(zhuǎn)變壓器的副邊線圈上。
本發(fā)明所述回轉(zhuǎn)變壓器鐵芯由高分子復(fù)合材料參雜導(dǎo)磁鐵粉壓制而成。
本發(fā)明是通過(guò)電阻應(yīng)變片測(cè)量輪盤的應(yīng)變獲得力矩信號(hào)，通過(guò)繞中軸轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)非接觸供電和非接觸信號(hào)傳遞。本發(fā)明測(cè)量精度高； 不需要做溫度補(bǔ)償；不改變自行車其它配件；防水性能好。本發(fā)明在滿足 高精度測(cè)量的前提下，降低非接觸扭矩測(cè)量的成本和不改變自行車工業(yè)體 系中的通用標(biāo)準(zhǔn)件。
從通用性上講國(guó)外公司的非接觸扭矩測(cè)量都是針對(duì)某一款特定的電 動(dòng)車車型，設(shè)計(jì)專用的扭矩測(cè)量裝置，以適配特定的車型，這樣做的缺點(diǎn) 是通用性差，材料成本和工藝成本高。
從測(cè)量信號(hào)非接觸傳遞方面講成熟的非接觸信號(hào)傳遞方式很多，最 常用是高頻無(wú)線載波傳輸。但是在連續(xù)信號(hào)測(cè)量方面，要保證信號(hào)的不間 斷傳輸和抗干擾要求， 一般都采用跳頻技術(shù)，就是當(dāng)某一頻點(diǎn)收到干擾時(shí)， 射頻模塊自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到另外一個(gè)設(shè)定好的頻點(diǎn)繼續(xù)完成信號(hào)的無(wú)線傳輸。這 種傳輸方法用在交通工具上的缺點(diǎn)是不能在某一有限的范圍內(nèi)有很多輛車 同時(shí)工作，不然會(huì)出現(xiàn)信號(hào)相互干擾而引起通訊信號(hào)阻塞。還有就是，連 續(xù)信號(hào)跳頻傳輸技術(shù)的電路成本高。
要完成電動(dòng)自行車旋轉(zhuǎn)腳踏力矩的測(cè)量，比較完美的方案是測(cè)量精 度高，溫度漂移小，防水性能好，綜合成本低，自行車通用部件互換性好。
要達(dá)到測(cè)量高和溫度漂移小還要兼顧傳感器材料成本，目前測(cè)量技術(shù) 行業(yè)普遍采用的是電阻應(yīng)變片做測(cè)量傳感器。由于電動(dòng)自行車的使用環(huán)境 比較復(fù)雜，因此對(duì)測(cè)量機(jī)構(gòu)的防水有很高的要求。所有接觸傳遞能量和接 觸傳遞測(cè)量信號(hào)的裝置，要在可靠的防水處理上花費(fèi);f艮高的成本。'
本發(fā)明采用電阻應(yīng)變片作為測(cè)量元件，安裝在輪盤上，達(dá)到了測(cè)量精 度高、成本低、通用部件互換性好的要求。
采用回轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)了能量和測(cè)量信號(hào)的非接觸傳遞，滿足了防水要 求。只需要把線圏和電路元件灌膠就可以。沒(méi)有復(fù)雜的導(dǎo)電裝置需要密封 防水。
由于自行車輪盤距離中軸五通端面的距離有限，空間很小。本發(fā)明是 采用 一個(gè)回轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)了能量的傳輸和測(cè)量信號(hào)的回傳，也就是說(shuō)用一 個(gè)變壓器實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量電路的供電和對(duì)測(cè)量信號(hào)A/D值的反向傳遞。正向 的能量電磁信號(hào)和反向的A/D信號(hào)只在變壓器內(nèi)部傳遞，沒(méi)有電磁輯射， 也不會(huì)受到外來(lái)信號(hào)的干擾。
電動(dòng)自行車使用場(chǎng)合屬于振動(dòng)場(chǎng)合，通用高頻鐵氧體材料屬于陶資材料，不適合用于振動(dòng)場(chǎng)合(易碎)。硅鋼片類鐵芯屬于低頻變壓器鐵芯材料， 高頻鐵損太大，不能在高速電信號(hào)電路中使用。因此本發(fā)明使用高分子復(fù) 合材料(膠水)參雜導(dǎo)磁鐵粉壓制變壓器鐵芯，使得變壓器鐵芯強(qiáng)度和韌 性都大大增加。同時(shí)大幅度降低成本。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)剖視圖； 圖2是本發(fā)明輪盤主視圖； 圖3是本發(fā)明測(cè)量電路原理框圖； 圖4是本發(fā)明測(cè)量電路連接圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
如圖1所示，輪盤7與五通1之間設(shè)置測(cè)量裝置，測(cè)量裝置通過(guò)五件 套固定碗2固定；測(cè)量裝置包括固定環(huán)形體和回轉(zhuǎn)環(huán)形體；固定環(huán)形體由 回轉(zhuǎn)變壓器固定環(huán)3、回轉(zhuǎn)變壓器固定線圈4和固定環(huán)5組成，回轉(zhuǎn)變壓器 固定環(huán)3內(nèi)嵌回轉(zhuǎn)變壓器固定線圈4,固定環(huán)5內(nèi)相鄰設(shè)置回轉(zhuǎn)變壓器固定 環(huán)，固定環(huán)5外相鄰設(shè)置擋圈6;回轉(zhuǎn)環(huán)形體由回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)9、回轉(zhuǎn) 變壓器旋轉(zhuǎn)線圈10和旋轉(zhuǎn)環(huán)8組成，回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)9內(nèi)嵌回轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)線圈10，旋轉(zhuǎn)環(huán)8內(nèi)相鄰設(shè)置回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)9;回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn) 環(huán)9內(nèi)相鄰設(shè)置測(cè)量電路11。如圖2所示，輪盤周面設(shè)置四個(gè)電阻應(yīng)變片 14。四個(gè)電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)變橋并與測(cè)量電路連4妄。
本發(fā)明使用高分子復(fù)合材料(膠水)參雜導(dǎo)磁鐵粉壓制變壓器鐵芯， 使得變壓器鐵芯強(qiáng)度和韌性都大大增加。 ,如圖3所示，本發(fā)明測(cè)量電路原理如下
1. 傳輸輸出單片機(jī)提供高頻P麗(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)給開(kāi)關(guān)管，開(kāi)關(guān) 管產(chǎn)生功率波形，功率波形加在回轉(zhuǎn)變壓器的原邊線圈上；回轉(zhuǎn)變壓器的 副邊線圈產(chǎn)生出感應(yīng)電壓。
2. 感應(yīng)電壓整流、濾波、穩(wěn)壓后，給應(yīng)變測(cè)量電路供電。
3. 應(yīng)變信號(hào)被放大后經(jīng)過(guò)應(yīng)變測(cè)量單片機(jī)A/.D轉(zhuǎn)換，輸出頻率相對(duì)較 低的數(shù)字信號(hào)，加在回轉(zhuǎn)變壓器的副邊線圈上。
4. 此時(shí)回轉(zhuǎn)變壓器的原邊線圈上有兩組信號(hào)， 一組是傳遞能量和功率
的高頻信號(hào)， 一組是測(cè)量出來(lái)的數(shù)字低頻信號(hào)。兩組信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器，分 離出有用的低頻數(shù)字信號(hào)，給傳輸輸出單片機(jī)。 .
5. 傳輸輸出單片機(jī)把低頻數(shù)字信號(hào)通過(guò)射極跟隨器，把信號(hào)增強(qiáng)，傳 遞給電機(jī)控制器。此信號(hào)可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。
本發(fā)明采用電阻應(yīng)變片作為測(cè)量元件，安裝在輪盤上，采用一個(gè)回轉(zhuǎn) 變壓器實(shí)現(xiàn)了能量的傳輸和測(cè)量信號(hào)的回傳，也就是說(shuō)用一個(gè)變壓器實(shí)現(xiàn) 了對(duì)測(cè)量電路的供電和對(duì)測(cè)量信號(hào)A/D值的反向傳遞。正向的能量電,茲信 號(hào)和反向的A/D信號(hào)只在變壓器內(nèi)部傳遞，沒(méi)有電磁輻射，也不會(huì)受到外 來(lái)信號(hào)的干擾。
本發(fā)明測(cè)量電路布圖如圖4所示，簡(jiǎn)述如下
回轉(zhuǎn)變壓器原邊線圏中間抽頭接電動(dòng)車電池正極。
MCU1的P麵l和P麗2信號(hào)提供Q2、 Q3相位相反的P麗信號(hào)(頻率大于 10KHz)?；剞D(zhuǎn)變壓器構(gòu)成推挽變壓器電路，向副邊線圏提供相同頻率的交 流電。
Dl、 D2、 Cl是整流濾波元件，Ul穩(wěn)壓提供測(cè)量電路穩(wěn)定的5V直流電。 RY1、 RY2、 RY3、 RY4是應(yīng)變電阻，組成惠斯通電橋，測(cè)量輪盤的受力 情況，把測(cè)量值Yl和Y2通過(guò)U3A運(yùn)算放大器，把信號(hào)放大后，傳出給MCU2 連續(xù)的模擬信號(hào)。此模擬信號(hào)能很好的跟隨腳蹬力矩的變化，模擬信號(hào)由 MCU2進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)給Ql， Ql通過(guò)Rl下拉變壓器 的副邊線圏，使副邊線圏電流隨著數(shù)字量信號(hào)的變化而出現(xiàn)有類L律的變化。 此信號(hào)的頻率是5K以下，是由MCU2的TX端口提供的標(biāo)準(zhǔn)TX通訊協(xié)議。
R19 (相對(duì)于GND1 )采集變壓器原邊線圈的電流，構(gòu)成的電壓波形是由 兩部分組成的， 一部分是高頻的PWM波形， 一部分是相對(duì)頻率較低的TX協(xié) 議的數(shù)據(jù)波形。
U4A電路是一個(gè)低通濾波器，把P麗信號(hào)過(guò)濾掉，并把TX信號(hào)進(jìn)行放 大。R26、 R27、 C12、 U4C是一個(gè)直流2. 5V基準(zhǔn)電路。
TX信號(hào)的整幅在1 - 4V之間變化，TX信號(hào)和2. 5V信號(hào)經(jīng)過(guò)U4D鎖相 環(huán)電路整形，通過(guò)R16提供給MCU1。
MCU1通過(guò)RX端口 ，就能接收到來(lái)自MCU2的TX信號(hào)。
MCU1把接收到的信號(hào)，通過(guò)變換，輸出數(shù)字量或者模擬量給控制器，由控制器控制電機(jī)的PWM供電情況。
本電路的點(diǎn)畫線框圖部分是裝配在電動(dòng)車車體上的，是不隨輪盤轉(zhuǎn)動(dòng) 的。虛線部分的電路，是裝配在輪盤上的，是跟隨輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)的。
上述兩部分電路對(duì)腳蹬輪盤力矩進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量。
發(fā)明的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)思想的前提下，本領(lǐng)域 中普通工程技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)屬 于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種非接觸供電力矩測(cè)量的電動(dòng)自行車輪盤，其特征是，所述輪盤與五通之間設(shè)置測(cè)量裝置，所述測(cè)量裝置包括固定環(huán)形體和回轉(zhuǎn)環(huán)形體；所述固定環(huán)形體由回轉(zhuǎn)變壓器固定環(huán)、回轉(zhuǎn)變壓器固定線圈和固定環(huán)組成，回轉(zhuǎn)變壓器固定環(huán)內(nèi)嵌回轉(zhuǎn)變壓器固定線圈，固定環(huán)內(nèi)相鄰設(shè)置回轉(zhuǎn)變壓器固定環(huán)，固定環(huán)外相鄰設(shè)置擋圈；所述回轉(zhuǎn)環(huán)形體由回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)、回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)線圈和旋轉(zhuǎn)環(huán)組成，回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)嵌回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)線圈，旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)相鄰設(shè)置回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)；回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)相鄰設(shè)置測(cè)量電路；輪盤周面設(shè)置四個(gè)電阻應(yīng)變片，四個(gè)電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)變橋并與測(cè)量電路連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸供電力矩測(cè)量的電動(dòng)自行車輪盤，其特 征是，所述測(cè)量電路由固定于車體上的傳輸輸出電路和固定于輪盤的應(yīng)變 測(cè)量電路組成；傳輸輸出電路的傳輸輸出單片機(jī)提供高頻脈沖信號(hào)給回轉(zhuǎn) 變壓器的原邊線圈，原邊線圈將感應(yīng)的信號(hào)經(jīng)低通濾波后傳給傳輸輸出單 片機(jī)后輸出；應(yīng)變測(cè)量電路的回轉(zhuǎn)變壓器的副邊線圈感應(yīng)電壓整流、濾波、 后，給應(yīng)變測(cè)量單片機(jī)、模擬信號(hào)放大器和應(yīng)變橋供電，應(yīng)變橋信號(hào)被放 大后經(jīng)過(guò)應(yīng)變測(cè)量單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，輸出頻率相對(duì)較低的數(shù)字信號(hào)于回轉(zhuǎn) 變壓器的副邊線圏上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸供電力矩測(cè)量的電動(dòng)自行車輪盤，其特 征是，所述回轉(zhuǎn)變壓器鐵芯由高分子復(fù)合材料參雜導(dǎo)磁鐵粉壓制而成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種非接觸供電力矩測(cè)量的電動(dòng)自行車輪盤。本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)，輪盤與五通之間設(shè)置測(cè)量裝置，所述測(cè)量裝置包括固定環(huán)形體和回轉(zhuǎn)環(huán)形體；所述固定環(huán)形體由回轉(zhuǎn)變壓器固定環(huán)、回轉(zhuǎn)變壓器固定線圈和固定環(huán)組成；所述回轉(zhuǎn)環(huán)形體由回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)、回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)線圈和旋轉(zhuǎn)環(huán)組成；回轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)相鄰設(shè)置測(cè)量電路；輪盤周面設(shè)置四個(gè)電阻應(yīng)變片，四個(gè)電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)變橋并與測(cè)量電路連接。本發(fā)明在滿足高精度測(cè)量的前提下，降低非接觸扭矩測(cè)量的成本和不改變自行車工業(yè)體系中的通用標(biāo)準(zhǔn)件。
文檔編號(hào)B62J99/00GK101279629SQ200810053269
公開(kāi)日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2008年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者謝炎民 申請(qǐng)人:謝炎民