專利名稱：裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于助力自行車的技術領域，特別是涉及在一個轉動部件上進行多點位磁感應提供助力信號的電動助力自行車。
背景技術：
野寶車料工業(昆山)有限公司申請的中國專利201020295192.0《勾爪式力矩傳感裝置》公開了一種助力自行車用傳感裝置，傳感裝置包括磁性件和彈性件配合，感受力矩的傳感裝置。使用時間長后，彈性件的彈性系數變化就會導致傳感信號與被控電機的控制效果發生變化，助力效果變得與人的助力需要不配合。而且用彈性件的設計結構復雜，制造成本高。北京科技大學申請的中國專利01201843. O《電動助力自行車自動檢測裝置》公開了一種電動助力自行車自動檢測裝置，無接觸檢測蹬力、速度和轉向，該裝置在相對運動的內、外輪盤上分別設磁片，內輪盤上有彈簧，內、外輪盤之間用彈簧復位，用支架上的兩個霍爾測內、外輪盤上相對運動的磁片產生的電信號表示蹬力、速度和轉向。缺點(I)用彈性件不耐久使用時間長后，彈性件的彈性系數變化就會導致傳感信號與被控電機的控制效果發生變化，助力效果變得與人的助力需要不配合，結構復雜，成本聞。缺點(2)各磁片組相同且磁極設置方式都相同，而不能表示不同磁片組的各自位置，不能表達不同位置特殊的助力需求從01201843. O專利的圖3、4、5、6和說明書第2頁第2段的記載說明，每一個磁片組(包括一個磁片4、一個磁片5、一個磁片6)的磁極設置方式都相同，即僅是在內輪的不同位置簡單從復設置了完全相同的磁片組，不能表示不同磁片組的各自位置，不能表示特定位置的運動狀態，而人騎自行車時，踏板和與踏板相對應的各位置在運動狀態，都有自己特殊的助力需求，但該專利這種各磁片組相同的結構，不能表達出踏板上各個不同位置特殊的助力需求。缺點(3)各位點信號無差異使人機不配合每一個磁片組都一樣，則每一個磁片組不能表示該磁片組在內輪上的位置，霍爾所輸出的信號不能表示腳踏板和其它磁片組的位置，即霍爾輸出的信號不能表示不同腳踏位置對助力的需求，造成對助力的需求和提供助力的時間不配合，即人機配合不理想。缺點(4)輸出正弦波使磁片組邊緣距離不能小于4厘米，一般以5厘米為佳，而使可設磁片組數太少，人機配合不理想各磁片組相同，則霍爾輸出的是正弦波作為控制信號，作為控制信號正弦波必需有一定峰谷差值，由于該專利的磁片組需要一定長度表示正反向運動，在直徑為20厘米的轉動盤圓形軌跡上最多設8個磁片組，一般以5個為佳，霍爾才能有控制功能的正弦波信號。也就是說，01201843. O專利的這種技術方案，用于助力自行車，磁片組數量受限止在8個以內，控制信號太少，人機配合不理想。但如果多于8個磁片組，在人踏車較快時，霍爾輸出的信號圖形接近為一條水平線，該信號沒有控制功能，不能控制電動機，使其特別需要助力時，失去助力功能。[0008]該信號沒有控制功能，不能控制電動機，使其特別需要助力時，失去助力功能。[0009]缺點(5)信號盲區達45度角，啟動時需要助力的時候確得不到助力眾所周知，人踩自行車腳踏板在頂點力矩最小，從離開頂點10-45度角是最需要助力的區域，但該專利各磁片組之間的夾角為45度，在腳踏板離開頂點10-45度角區域沒有一個磁片組，也就沒有一個控制信號，其結果是最需要助力的時候，但助力自行車的電機確不能助力。總之，除用彈性件不耐久又結構復雜外，因霍爾與磁片組的配合結構特點，轉盤大小直徑為20厘米以內，限止了磁片組數量為8組，磁片組數不能隨意增加，使人機配合不理想，而且啟動時得不到助力，助力需求與提供助力不匹配，騎車人的舒適性差；如強行增加磁片組數量，其傳感信號又失去助力控制功能。王乃康申請的中國專利03264387. X《時間型電動助力自行車傳感器》公開了不用彈性件，只用動、定兩個轉盤，動盤上面鑲嵌兩個永磁磁鋼，定盤上面鑲嵌三個霍爾元件，自行車踏板轉一周，每個霍爾產生兩個脈沖，則三個霍爾元件產生六個脈沖。分折可得三個特點，四個缺點如下特點(I)為獲得六個脈沖信號，只能是各永磁磁鋼相同磁極在一面每個霍爾要產生兩個脈沖，則只能是兩個永磁磁鋼的相同磁極設在動盤的同一面，即在動盤的某一面，兩個永磁磁鋼都是北極或都是南極。假如在動盤的同一面，一個永磁磁鋼為北極，另一個為南極，則踏板轉一周，每個霍爾就只能產生一個脈沖，三個霍爾就只有三個脈沖，這就不合乎該專利說明書記載了。為了增加脈沖數，提高控制效果，只能是各永磁磁鋼相同磁極在一面。特點(2)永磁磁鋼用于表示踏板固定位置，三個霍爾表示踏板運動位置由于踏板與動盤是同步轉動，所以在與兩個踏板對應的動盤上兩個位置分別固定一個永磁磁鋼，某一個踏板轉在什么位置，則對應的永磁磁鋼也轉在什么位置；但只有轉在有霍爾的位置，才能通過霍爾發出控制信號，指揮助力自行車的電機產生需要的助力轉動。特點(3)因為一個霍爾不能表示轉一周中不同時段踏板運動的位置，則就不能只用一個霍爾踏板在轉一周中的不同時段，對助力需求是有很大差別的，要體現這種助力需求的變化，該專利用三個霍爾分別設在180度角以內的三個位置，兩個永磁磁鋼分別設在兩個踏板位置，踏板轉在有霍爾的位置，該霍爾就輸出信號表示踏板到達了該霍元的位置。但用多個霍爾又存在下面的缺點。作為助力自行車傳感器的這些特點會有三個缺點缺點(I)用兩個沒有差異性的永磁磁鋼分別表示兩個踏板的固定位置，就只能用多個霍爾來表示踏板的轉動位置兩個永磁磁鋼沒有差異性，優點是可以不分左右腳的分別表示兩個踏板的固定位置，使其左右腳發生助力需求，可產生相同的電機助力效果；但缺點是永磁磁鋼本身就不能表示踏板的轉動位置，而只能用多個霍爾設在不同的轉角位置來表示踏板的轉動位置，所以不能只用一個霍爾，而必需用多個霍爾。缺點(2)不能只用一個霍爾，而三個霍爾必然造成三個控制信號有原始分段誤差，使助力需求模型失真，自然產生助力輸出與助力需求不一致助力自行車不論是一個或兩個電機，其控制電機的傳感信號只能用一個傳感信號輸入電機控制器才能達到控制電機的目的；而該專利用三個霍爾控制電機，則必需把三個霍爾的三個控制信號合并為一個合并控制信號后才能輸入電機控制器。三個霍爾的傳感參數不可能一樣，特別是由于環境溫度變化、使用時間長后，三個霍爾的傳感參數可能差異很大，其結果造成相同的助力需求時，不同霍爾的輸出的是不同電壓，導致電機產生不同的助力輸出，助力輸出與助力需求不一致；同理相同的助力需求時，不同霍爾的輸出的又可能是相同電壓，導致電機產生同一種助力輸出，也產生助力輸出與助力需求不一致的問題。缺點(3)合并控制信號易產生信號漂移，使合并控制信號與電機控制器不匹配，助力需求模型失真由于環境溫度變化、使用時間長后，三個霍爾的傳感參數可能差異很大，三個霍爾的三個控制信號連接點必然變化，則相同的助力需求產生的合并控制信號就會產生分段性的信號漂移，合并控制信號作為一整體產生信號失真，即助力需求模型失真，造成電機控制器選用三個控制信號的任何一個作為基準都會產生助力輸出與助力需求不一致的問題。缺點(4)傳感位點不能隨意增加，傳感位點太少，電機運行就不平穩，使騎車的人感覺很不舒服由于有缺點(I)和缺點(2)都最因為霍爾數量大于一個造成的，很明顯霍爾 數量越量越多，缺點(I)和缺點(2 )表現越嚴重。所以，該專利提供的助力自行車只能是使騎車的人感覺舒適性很不好的助力自行車。缺點(5)信號盲區達42度角，啟動時需要助力的時候確得不到助力眾所周知，人踩自行車腳踏板在頂點力矩最小，從離開頂點10-45度角是最需要助力的區域，但該專利各霍爾之間的夾角為42. 5-43. 5度，在腳踏板離開頂點10-42度角區域沒有一個霍爾，也就沒有一個控制信號，其結果是最需要助力的時候，但助力自行車的電機確不能助力。總之，該專利是用多個霍爾控制助力模式的技術方案，因為只能用多個霍爾來表示踏板的轉動位置，多個霍爾的多個控制信號必然有原始誤差，其合并控制信號又易產生信號漂移，都可造成助力需求模型失真，即不同時間的相同助力需求，但獲得不同的助力效果；霍爾數量越量越多，助力需求模型失真越嚴重，限止了霍爾了數量，霍爾少數量了又產生電機運行就不平穩，使騎車的人感覺很不舒服，而且啟動時得不到助力。使其要助力需求模型不失真，和要電機運行平穩這兩個問題上總是顧此失彼，不可兼得。
發明內容本實用新型的目的是提供只用一個霍爾和轉動盤上各個永磁塊之間距離和磁通量不相等獲得自行車腳踏板的速度和位置信號、并對信號進行數字化處理成為有最佳助力模型信號傳感器的助力自行車；是一種在霍爾可感應區域內，能盡量增加永磁塊數量，最大限度利用自行車位移信息，傳感器輸出信息多又精確定位的助力自行車；騎車人的助力需求與電機提供的助力匹配良好，電機運行平穩的助力自行車。本實用新型的構思是在一個霍爾可感受范圍內，一個轉動盤上用多個永磁塊進行不同的變化方式設置，使其一個霍爾可感受全部永磁塊的運動信號。多個永磁塊的變化方式主要是磁極性變化、錯位變化、不同位置有磁通量變化、位置可由用戶調節，目的使霍爾可獲得有特定位置更精確、更適合個性化需求、控制功能更強、數量更多的永磁塊運動信號。多個永磁塊磁極性用南極北極交替變化，使霍爾產生的信號為矩形波，控制功能更強、數量更多；多個永磁塊錯位變化，使霍爾產生的信號有不同的波間距離，能表達永磁塊的運動位置更精確，從而可以表達特定位置的運動狀態，對于助力自行車，表達腳踏板的特定位置是在什么運動狀態非常重要，因為腳踏板的運動狀態直接表示了人對車的助力需求狀態；多個永磁塊在不同位置有磁通量變化，使霍爾產生的信號有不同的波峰波谷差值，能表達永磁塊的運動位置更精確，從而可以表達特定位置的運動狀態，對于助力自行車，表達腳踏板的特定位置是在什么運動狀態非常重要，因為腳踏板的運動狀態直接表示了人對車的助力需求狀態；轉動盤上的一個感應位置可以有錯位變化和磁通量變化這兩種變化方式，即可以用兩個參數表示一個感應位置的霍爾輸出波形，使霍爾輸出信號控制功能精確、更穩定。永磁塊位置和該位置的磁通量可由用戶調節，使霍爾產生的信號可用戶調節，用戶就可以通過戶調節控制信號來調節控制方式和控制內容，具有按個性化方式進行控制的功能。本實用新型的結構是裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車，包括電動自行車和傳感器，電動自行車的車輪中心軸51，中心軸51的兩端與電動自行車的車架53固定連接，中心軸51外套有帶套花鼓52，帶套花鼓52在中心軸51外轉動，帶套花鼓52與自行車的車輪54固定連接，帶套花鼓52與車輪54同步轉動；電動自行車的電池55連接電機控制器29，電機控制器29連接車輪上的電機30 ;其特征在于傳感器的結構和部件的連接關系如下傳感器包括依次連接的傳感元件、助力模型處理器21、數模轉換器27和運算放大器28 ；[I]傳感元件是把轉動盤I的轉動運動變為矩形波信號輸出的元件；傳感兀件包括一塊轉動盤I和多枚永磁塊2,轉動盤I上固定設置有多枚永磁塊
2,該多枚永磁塊2分布在一個圓環形6范圍內，圓環形6的內圓形軌跡線5-1與外圓形軌跡線5-2之間至少有一條圓形軌跡線貫穿全部永磁塊2 ；內圓形軌跡線5-1和外圓形軌跡線5-2為同心圓，至少有兩枚永磁塊2成錯位分布；錯位分布是半徑錯位分布方式或間距錯位分布方式的某一種；或即有半徑錯位分布方式，又有間距錯位分布的組合方式；半徑錯位分布方式是至少有兩個永磁塊2到內圓形軌跡線5-1所在圓中心的距離不相同；間距錯位分布方式是相鄰兩個永磁塊2之間的距離為永磁塊間距7 ;至少有兩條永磁塊間距7的長短不相同；在內圓形軌跡線5-1與外圓形軌跡線5-2之間至少有一個條形孔8，條形孔8中設有永磁塊2,永磁塊2能固定在條形孔8中的任何位置；在轉動盤I的某一面，相鄰兩枚永磁塊2的磁極性相反，即轉動盤I的某一面上全
部永磁塊2的磁極性分布方式是N極、S極、N極、S極、N極、S極......;至少有兩枚永磁塊
2的磁通量不相同；還包括一個霍爾3，霍爾3位于轉動盤I的某一面，霍爾3設在接近永磁塊2并能感受永磁塊2磁通量的位置，霍爾3與永磁塊2之間有間距；霍爾3是對相反磁極性產生矩形波輸出信號的霍爾；[0040][2]助力模型處理器21是把轉動盤I轉動的數字信號變為助力模型數字信號的信號形式轉換器；助力模型處理器21包括模數轉換和波寬波峰識別器22、助力起點選擇器23、磁塊轉速計算器24、助力模型存儲器25和助力模型計算器26 ；模數轉換和波寬波峰識別器22與傳感元件連接，模數轉換和波寬波峰識別器22把傳感元件中霍爾3輸入的矩形波信號進行識別各個矩形波的寬度和波峰，將各個矩形波信號變為不同的數字信號，對每個矩形波進行標注，模數轉換和波寬波峰識別器22輸出標注有磁塊位置秩序的磁塊運動數字信號；模數轉換和波寬波峰識別器22分別與助力起點選擇器23和磁塊轉速計算器24連接，助力起點選擇器23與磁塊轉速計算器24連接；磁塊轉速計算器24用模數轉換和波寬波峰識別器22輸入的標注有磁塊位置秩序的磁塊運動數字信號計算出轉動盤I的轉速，并把轉動盤I的轉速數字信號傳給助力起點選擇器23，助力起點選擇器23用標注有磁塊位置秩序的磁塊運動數字信號，和轉動盤I的轉速數字信號這兩個信號確定在某種轉速條件下的助力起點對應的某一個矩形波，即確定助力起點磁塊；助力起點選擇器23和磁塊轉速計算器24分別都與助力模型計算器26連接，助力模型存儲器25也與助力模型計算器26連接；助力模型計算器26用助力起點選擇器23的助力起點磁塊，和用磁塊轉速計算器24的轉動盤I轉速這兩個條件選擇助力模型存儲器25中的某一種助力模型函數，并將助力起點磁塊和轉動盤I轉速這兩個條件代入助力模型函數，計算出適合這兩個條件的助力模型數字信號，即助力模型計算器26輸出助力模型數字信號;[3]數模轉換器27是把助力模型數字信號轉換成助力模型的模擬信號；助力模型計算器26與數模轉換器27連接，數模轉換器27把助力模型計算器26的助力模型數字信號轉換成助力模型模擬信號；[4]運算放大器28是把數模轉換器27的助力模型模擬信號轉換成額定電壓范圍的助力模型模擬信號；傳感器與電動自行車的連接關系是傳感器的轉動盤I套在帶套花鼓52外固定，轉動盤I與帶套花鼓52同步轉動，全部永磁塊2的內圓形軌跡線5-1轉動中心與帶套花鼓52轉動中心相同，霍爾3固定在接近永磁塊2的車架53上能感受永磁塊2磁通量的位置，傳感器中運算放大器28的信號輸出導線與電動自行車的電機控制器29的信號輸入端連接；中心軸51外套有帶套花鼓52，轉動盤I與帶套花鼓52同步轉動。一、對傳感器工作原理的說明以工作原理把傳感器分為信號獲取和信號處理，以便說明傳感器的各個部件的結構關系和作用。信號獲取由傳感元件的轉動盤I、永磁塊2和霍爾3進行合理設置而執行獲取信號功能；信號處理由助力模型處理器21、數模轉換器27和運算放大器28依次連接把霍爾3輸出的信號處理成電動自行車的電機控制器29能使用的助力模型模擬信號。[一]對傳感元件的說明轉動盤I可以是塑料板、高強度絕板、銅板、鋁板等不易變形的材料板。使用傳感元件時，轉動盤I要轉動，轉動的中心就是多個永磁塊2成圓環形分布所在圓的中心。[0053]多個永磁塊2在圓環形6范圍內，成圓環形分布的目的在于可以只用一個霍爾3感受轉動盤上全部永磁塊2的運動狀態，即感受轉動盤上全部永磁塊2的運動位置和速度，以及速度的變化，或稱加速度，這一個霍爾3就能把永磁塊2的運動狀態用一個連續的電信號來表達，又因為全部永磁塊2是分別固定在轉動盤即轉動盤I上的，則霍爾3產生的連續電信號就能表達轉動盤的運動狀態。如果把這個連續電信號用于控制其它物體，這個連續電信號就是控制信號。如果用于控制助力自行車的電機，還需要用單片機或其它電子元件作為傳感信號處理器，把控制信號中的位置、速度、加速度要素轉換成需要助力多少的助力信號，換算的函數就是助力需求模型，或稱助力模型。多個永磁塊2成錯位分布的意義是使霍爾3產生的電信號中不是完全一樣的脈沖信號，而是脈沖寬度不同的脈沖信號，用有區別的脈沖信號來區別永磁塊2的不同位置，從而可以獲得不同位置永磁塊2的運動狀態。達到可精確表達轉動盤某個位置，或每個有永磁塊2的運動狀態。如用于助力自行車，可精確表達腳踏在不同位置對助力的需求，使助 力需求的表達更精確，則車與人的配合就更一致。永磁塊2半徑錯位分布方式是有的永磁塊2離轉動盤的轉動中心近，有的永磁塊2離轉動盤的轉動中心遠。但不論遠近，永磁塊2必需在霍爾3所能感受、能產生電信號的范圍內。能產生電信號的范圍就是內圓形軌跡線5-1與外圓形軌跡線5-2之間的范圍。為保證霍爾3能產生電信號，結構上要求內圓形軌跡線5-1與外圓形軌跡線5-2之間至少有一條圓形軌跡線貫穿全部永磁塊2。至少有兩個永磁塊2到內圓形軌跡線5-1所在圓中心的距離不相同，當然可以每個永磁塊2到圓中心的距離不相同，即每個永磁塊2的半徑不相同，以使霍爾3電信號的每個脈沖都可以表不特定的永磁塊2,使每個脈沖都可以表不一個轉動盤位置。永磁塊2間距錯位分布方式是以永磁塊2的外邊緣作為測定間距的基礎，至少有兩條永磁塊間距7的長短不相同，當然可以每條永磁塊間距7的長短不相同，以使霍爾3電信號的每個脈沖都可以表示特定的永磁塊2，使每個脈沖都可以表示一個轉動盤位置。獲得永磁塊2成錯位分布有兩種方法,第一種是把永磁塊2固定在轉動盤I上時，就至少有兩枚永磁塊2成錯位分布。第二種是利用條形孔8中有多個位置都可以設有永磁塊2，在轉動盤I上至少用一個條形孔8，把一個或多個永磁塊2設在條形孔8中，隨時可按人的需要改變永磁塊2的位置，也就是調節永磁塊2所在條形孔8中的位置，調節后將其固定，所以，有條形孔8就能隨時調節永磁塊2錯位分布方式，可用同一個永磁塊2使霍爾3產生不同的輸出信號，產生不同的控制效果。如用于助力自行車，可使車給與人不同的助力效果。多個永磁塊2磁通量不相同的意義是使霍爾3產生的電信號中不是完全一樣的脈沖信號，而是峰谷差值不同的脈沖信號，用有區別的脈沖信號來區別不同永磁塊2的不同位置，從而可以獲得不同位置永磁塊2的運動狀態。達到可精確表達轉動盤某個位置，或每個有永磁塊2的運動狀態。如用于助力自行車，可精確表達腳踏在不同位置對助力的需求，使助力需求的表達更精確，則車與人的配合就更一致。多個永磁塊2磁通量不相同也就是多個永磁塊2的磁通量是有變化的，其變化的范圍應是位置不變的同一個霍爾3能感受的磁通量范圍，也就是說，多個永磁塊2磁通量的最高值和最低值應在霍爾3能感受的磁通量范圍內。[0060]獲得永磁塊2磁通量變化分布有三種方法,第一種是把永磁塊2固定在轉動盤I上時，就至少有兩枚永磁塊2的磁通量不相同。第二種是利用條形孔8中有多個位置都可以設有永磁塊2的特定，在轉動盤I上至少一個條形孔8，把磁通量不相同的永磁塊2設在一個條形孔8中，隨時可按人的需要改變磁通量不相同的永磁塊2的位置，也就是調節永磁塊2在這個條形孔8中的位置，調節后將其固定，所以，有條形孔8就能隨時調節永磁塊2磁通量的分布方式。第三種是在轉動盤I上設置兩個或多個用于固定永磁塊2的單個永磁塊2用孔，或在轉動盤I上設置兩個或多個條形孔8 ;在單個永磁塊2用孔，或條形孔8中設磁通量不相同的永磁塊2，隨時可按人的需要將磁通量不相同的永磁塊2設在不同的單個永磁塊2用孔，或條形孔8中，實現在轉動盤I上的不同置調節永磁塊2磁通量變化的目的。霍爾3設在接近永磁塊2并能感受永磁塊2磁通量的位置，目的在于用霍爾3感受永磁塊2的運動狀態，從而感受轉動盤I的運動狀態，即運動位置、速度、加速度。相鄰兩個永磁塊2的磁極性相反是很重要的技術特征，全部永磁塊2的磁極性分布方式是N極、S極、N極、S極、N極、S極……，使霍爾3輸出高、低相間的矩形波信號，因為作為大小受限止的轉動盤，轉動一周要獲得盡量多的精確變化信號，當然應是選用矩形波。矩形波信號的峰谷值變化的時間短，可在一定的時間內，產生盡量多的有控制意義的信號。相鄰兩個永磁塊2的磁極性相反的結構產生矩形波，而相鄰兩個永磁塊2的磁極性相同的結構產生正弦波，特別是用于助力自行車時，作為傳感部件的轉動盤一般限止在直徑為10-15厘米，在這種限范圍要獲得有控制功能的信號，轉動一周，產生矩形波比產生正弦波可提供的脈沖個數多7-9倍。自然，相鄰兩個永磁塊2的磁極性相反的結構對助力自行車的控制效果更的，人與車配合更好，乘騎人感覺更舒服。[二]助力模型處理器21的說明助力模型處理器21是把轉動盤I轉動的數字信號變為助力模型數字信號的信號形式轉換器；助力模型處理器21包括模數轉換和波寬波峰識別器22、助力起點選擇器23、磁塊轉速計算器24、助力模型存儲器25和助力模型計算器26 ;這些部件對信號的處理思路是把傳感元件中霍爾3的矩形波信號分解出表示磁塊2位置的位置數字信號，和表示轉動盤I轉速的速度數字信號，由于位置和速度都是數字信號，就可以對位置和速度用助力數學模型處理，可以按人的最佳感覺進行設計助力數學模型，使其助力模型處理器21輸出的助力模型數字信號即具有最佳助力數學模型，又有該助力數學模型的啟動點和終止點，因為有磁塊2的位置數字信號，所以啟動點和終止點準確到與人的助力需求完全同步。解決了現有技術沒有磁塊2位置信號而導致人的助力需求與助力模型不匹配，和助力模型的運行延遲于助力需求的問題，解決了現有技術要力不給力，要大力只給小力，要小力又給大力，不要力又給力等人機不配合的問題。助力模型處理器21中各部件的連接關系和功能如下模數轉換和波寬波峰識別器22與傳感元件連接，模數轉換和波寬波峰識別器22把傳感元件中霍爾3輸入的矩形波信號進行識別各個矩形波的寬度和波峰，將各個矩形波信號變為不同的數字信號，對每個矩形波進行標注，模數轉換和波寬波峰識別器22輸出標注有磁塊位置秩序的矩形波信號。這樣，把波形有長度和峰值區別的矩形波信號變為用數據標注的矩形波信號，方便在后面的數字化處理過程中，把矩形波長度和峰值變為矩形波位置數據進行運算處理。所以，模數轉換和波寬波峰識別器22是把矩形波長度和峰值表示磁塊位置的信號，變為用數據標注磁塊位置的數字信號的處理器。這是本實用新型區別于現有助力自行車的重要發明點，有了用數據標注磁塊位置的數字信號，本實用新型就能在循環圓周運動的轉動盤I上找到某一個或每個磁塊位置，為電機30啟動產生助力、增加助力、減少助力、停止助力等電機30工作找到了起點和終點，使人的助力需求與電機30助力行為能相匹配，避免了現有助力自行車難以實現人機配合，出現需要助力時電機30不轉動，不需要助力時電機30還保持運動不能停下來，甚至造成沖撞事故的問題。模數轉換和波寬波峰識別器22分別與助力起點選擇器23和磁塊轉速計算器24連接，助力起點選擇器23與磁塊轉速計算器24連接；磁塊轉速計算器24用模數轉換和波寬波峰識別器22輸入的標注有磁塊位置秩序的磁塊運動數字信號計算出轉動盤I的轉速，并把轉動盤I的轉速數字信號傳給助力起點選擇器23，助力起點選擇器23用標注有磁塊位置秩序的磁塊運動數字信號，和轉動盤I的轉速數字信號這兩個信號確定 在某種轉速條件下的助力起點對應的某一個矩形波，即確定助力起點磁塊。由于，確定的助力起點磁塊是有數據標注的矩形波，則助力起點磁塊有唯一對應的磁塊2位置，這樣，助力起點選擇器23完成了找出助力起始點的磁塊2位置，也就可以確定某個磁塊2在什么位置時，啟動或結束電機進行某種助力模型運動。這就達到人控制轉動盤I的特定磁塊2同步運動，特定磁塊2控制電機30進行特定的同步轉動，實現人同步控制電機的目的，不會出現控制的起點和終點不準確，不會出現控制的起點和終點延遲的問題。但現有助力自行車在啟止助力時，都找不到與人同步的啟止位置，所以都會產生控制的起點和終點延遲的問題。助力起點選擇器23和磁塊轉速計算器24分別都與助力模型計算器26連接，助力模型存儲器25也與助力模型計算器26連接；助力模型計算器26用助力起點選擇器23的助力起點磁塊，和用磁塊轉速計算器24的轉動盤I轉速這兩個條件選擇助力模型存儲器25中的某一種助力模型函數，并將助力起點磁塊和轉動盤I轉速這兩個條件代入助力模型函數，計算出適合這兩個條件的助力模型數字信號，即助力模型計算器26就能輸出助力模型數字信號。[三]對數模轉換器27的說明數模轉換器27是把助力模型數字信號轉換成助力模型的模擬信號。助力模型計算器26與數模轉換器27連接，數模轉換器27把助力模型計算器26的助力模型數字信號轉換成助力模型模擬信號。以便向只能處理模擬信號的電機控制器29輸出助力模型的模擬信號。[四]對運算放大器28的說明運算放大器28是把數模轉換器27的助力模型模擬信號轉換成額定電壓范圍的助力模型模擬信號。數模轉換器27與運算放大器28連接，數模轉換器27的助力模型模擬信號雖然解決了助力模型問題，但助力模型信號的電壓還不能滿足電機控制器29的需要，所以還要用運算放大器28把助力模型模擬信號轉換成額定電壓范圍需要的助力模型模擬信號，才能傳輸給電機控制器29。二、對傳感器與電動自行車連接組成助力自行車的說明為說明實物安裝，從實物方面傳感器分為機械部件和傳感部件，以說明傳感器的各個實物與電動自行車各有關實物的結構關系。機械部件用轉動盤I固定在電動自行車的車輪中心軸51外的帶套花鼓52上，使轉動盤I與帶套花鼓52同步轉動，從而轉動盤I與車輪54同步轉動。傳感部件包括霍爾3、助力模型處理器21、數模轉換器27和運算放大器28，把霍爾3固定在接近永磁塊2的車架53位置，使霍爾3能感受到轉動盤I上永磁塊2的轉動信號。也可以把傳感部件的霍爾3、助力模型處理器21、數模轉換器27和運算放大器28固定在一個裝置上。但因為霍爾3要固定在能感受永磁塊2磁通量的特有位置，則可以把霍爾3與助力模型處理器21、數模轉換器27和運算放大器28這三個部件分離開，只把助力模型處理器21、數模轉換器27和運算放大器28這三個部件固定在一個裝置上。把全部傳感部件或傳感部件中的助力模型處理器21、數模轉換器27和運算放大器28這三個部件固定在一個裝置上，有利于一個有形的裝置承載傳感部件，用承載物把傳感部件固定在電動自行車的車架53上。霍爾3能用一個固定位置感受全部永磁塊2的轉動位置，從而可以把騎自行車人對助力需求的機械動作全部變為電信號，再通過傳感部件助力模型處理器21、數模轉換器27和運算放大器28，把霍爾3的助力需求電信號變為人機匹配的助力模型電信號，運算放 大器28把人機匹配的助力模型電信號傳給電機控制器29,電機控制器29控制電機30按人機匹配的方式轉動，最終實現助力自行車按人的最佳需求方式運動，即實現人機匹配的效果O本實用新型傳感器中各信號處理部件輸出的信號為霍爾3輸出矩形波信號；助力模型處理器21輸出助力模型數字信號；模數轉換和波寬波峰識別器22輸出標注有磁塊位置秩序的磁塊運動數字信號；助力起點選擇器23輸出確定的助力起點磁塊的起點位置信號；磁塊轉速計算器24計算并輸出轉動盤I的轉速數字信號；助力模型存儲器25存有多種助力模型函數備用，輸出已選定的助力模型函數的數字信號；助力模型計算器26計算并輸出將用于控制功能的助力模型數字信號；數模轉換器27輸出把助力模型數字信號轉換成的助力模型模擬信號；運算放大器28輸出把助力模型模擬信號轉換成額定電壓范圍的助力模型模擬信號;熱敏電阻R6保證運算放大器28輸出的是額定電壓范圍的助力模型模擬信號，即標準助力模型模擬信號。為解決助力模型模擬信號漂移問題設有熱敏電阻R6，熱敏電阻R6連接在運算放大器28的輸入端和輸出端之間。霍爾3、數模轉換器27和運算放大器28都是半導體器件，又有處理模擬信號功能，很易隨溫度變化而使信號參數產生漂移，特別是夏天和冬天，助力自行車又都在室外，溫度變化產生信號參數漂移的效果明顯，所以，最好對運算放大器28輸出的信號進行信號漂移修正，獲得不受溫度變化影響的標準助力模型模擬信號，將標準助力模型模擬信號通過電機控制器29控制電機30運行，騎助力自行車的人就不會感到夏天和冬天助力效果不同的問題。助力模型處理器21是單片機31，單片機31上連接有時鐘電路32。用單片機31完成模數轉換和波寬波峰識別器22、助力起點選擇器23、磁塊轉速計算器24、助力模型存儲器25和助力模型計算器26的功能。時鐘電路32的時鐘信號是用于對霍爾3輸入的矩形波信號進行區分的作用，優選每個時鐘信號的長度為O. OOl秒。傳感器的機械部件與傳感部件結構關系傳感器的機械部件包括轉動盤1，傳感器的傳感部件包括多個永磁塊2、霍爾3、單片機31、數模轉換器27和運算放大器28 ;傳感部件中依次相連的霍爾3、單片機31、數模轉換器27和運算放大器28四個電子元件設在一塊電路板59上；電路板59設在車架52上的位置能使霍爾3感受永磁塊2的磁通量，并且電路板59的位置使霍爾3能根據永磁塊2的運動輸出電信號。本實用新型的傳感器各部件的優選型號和具體連接方式為霍爾 3是UGN3075，助力模型處理器21是AT89S52單片機31，數模轉換器27是ADC-C8E ;運算放大器28是0F-17F，0F-17F運算放大器28的輸入端2腳與輸出端6腳之間連接有熱敏電阻R6 ;各部件連接關系如下霍爾3的信號輸出端3腳連接單片機31的12腳INTO [P32]；單片機31的39腳POO連接數模轉換器27的12腳B8 ；單片機31的38腳POl連接數模轉換器27的11腳B7 ；單片機31的37腳P02連接數模轉換器27的10腳B6 ；單片機31的36腳P03連接數模轉換器27的9腳B5 ;單片機31的35腳P04連接數模轉換器27的8腳B4 ;單片機31的34腳P05連接數模轉換器27的7腳B3 ;單片機31的33腳P06連接數模轉換器27的6腳B2 ;單片機31的32腳P07連接數模轉換器27的5腳BI ;數模轉換器27的4腳連接運算放大器28的2腳；數模轉換器27的2腳連接運算放大器28的3腳；運算放大器28的6腳為模擬信號輸出端。OF-17F運算放大器28的輸入端2腳與輸出端6腳之間連接有熱敏電阻R6，而且熱敏電阻R6兩端還并聯有電容C6。優選熱敏電阻R6為5K，電容C6為8P，數模轉換器27的4腳與運算放大器28的2腳之間用I. 25k的R5接地。使其可用熱敏電阻R6調節運算放大器286腳輸出的模擬信號電壓范圍穩定在O. 8—4. 2V之間。至少有一個永磁塊間距7的長度不等于其它任何一個永磁塊間距7，且至少有一個永磁塊2的磁通量不等于其它任何一個永磁塊2的磁通量。條形孔8是用于把永磁塊2調節固定在不同位置的結構。通過調節永磁塊2位置，可以實現至少有一個永磁塊間距7的長度不等于其它任何一個永磁塊間距7，且至少有一個永磁塊2的磁通量不等于其它任何一個永磁塊2的磁通量。通過將永磁塊2在條形孔8中調節位置，或在條形孔8中撤換不同的永磁塊2，可以實現一個腳踏板的位置用一個特殊長度的永磁塊間距7，還用一個特殊磁通量的永磁塊2來表示，表示永磁塊2位置的精確度和可靠性大大提高。因為自行車腳踏板的圓周運動，判定腳踏板位置對于獲得本次圓周運動的速度，確定下一次圓周運動的助力模型非常重要。最好是至少有兩個永磁塊間距7的長度不等于其它任何一個永磁塊間距7，這兩個特殊長度的永磁塊間距7分別對應于兩個腳踏板，用于表示自行車兩個腳踏板的位置。同樣，最好是至少有兩個個永磁塊2的磁通量不等于其它任何一個永磁塊2的磁通量，這兩個特殊磁通量的永磁塊2分別對應于兩個腳踏板，用于表示自行車兩個腳踏板的位置。條形孔8是弧形的結構，條形孔8的弧形所在圓與內圓形軌跡線5-1為同心圓。這種結構使霍爾3產生的輸出信號可改變波峰或波谷的長度。可以用于一、改變了的波峰或波谷長度作為啟動信號，使被控制物啟用另一套工作程序。如果用于助力自行車，改變永磁塊2在條形孔8中的位置，可改變助力模型，如可以選用小人用助力模型、女人用助力模型、青年用助力模型、運動用助力模型、休閑用助力模型等。可以用于二、改變了的波峰或波谷長度只用于改變這一個波峰或波谷的控制效果，如果用于助力自行車，只改變該永磁塊2所在位置的助力效果。條形孔8是斜向的結構，即條形孔8兩端分別與內圓形軌跡線5-1所在的圓心的距離不相等。但條形孔8應在內圓形軌跡線5-1與外圓形軌跡線5-2之間的范圍內，以便霍爾3可感受到條形孔8中永磁塊2的信號。斜向條形孔8與上述的弧形條形孔8作用和效果相同。條形孔8的某一條內邊緣設有兩個或多個齒形凸9。為了把永磁塊2固定在條形 孔8中多個位置中的某一個位置，防止在轉動盤I轉動時，永磁塊2自行變位置，所以用條形孔8中的齒形凸9卡穩永磁塊2在某一固定位置。霍爾3設在內圓形軌跡線5-1與外圓形軌跡線5-2之間。因為霍爾3是能有間距感受永磁塊2磁通量而輸出電信號的部件，又為了盡量減小永磁塊2的體積，使其在轉動盤
I上盡量多的設置永磁塊2，使盡量減小的永磁塊2都能被霍爾3感應；霍爾3應設在內圓形軌跡線5-1與外圓形軌跡線5-2之間，而且最好設在接近能貫穿全部永磁塊2的圓形軌跡線的位置。轉動盤I在多個永磁塊2的內圓形軌跡線5-1所在圓范圍內設有中心孔。如果轉動盤I要穿套在一個轉動軸上使用，轉動盤I上就要設一個穿套轉動軸的孔；為保證轉動盤I在隨轉動軸轉動時，霍爾3能感受轉動盤I上每個永磁塊2的運動信號，則轉動盤I上的穿套孔應設在多個永磁塊2的內圓形軌跡線5-1所在圓范圍的中心，由于內圓形軌跡線5-1和外圓形軌跡線5-2為同心圓，當然穿套孔在外圓形軌跡線5-2所在圓范圍的中心，穿套孔是內圓形軌跡線5-1和外圓形軌跡線5-2的中心位置孔，即中心孔。也就是說，中心孔不一定是圓形，可以是方形、三角形等形狀，以便可以與方形、三角形等形狀的轉動軸相套，但中心孔的內空一定包括內圓形軌跡線5-1所在圓的中心，才能使用一個霍爾3感受轉動盤I轉動盤上全部永磁塊2的運動信號。轉動盤I是不導磁材料的塑料板、鋁材板、銅材板的某一種。由于本實用新型是相鄰兩個永磁塊2的磁極性相反的結構，能使相鄰兩個永磁塊2的邊緣幾乎可相貼也能使霍爾3輸出有控制功能的電信號。轉動盤I上設有可視標記。可視標記為顏色標記、物體形狀標記或轉動角度標記的某一種或者其結合。乘騎本實用新型的助力自行車用時，使腳踏自行車的腳踏板與傳感器指揮電動機能配合的方法在有轉動盤I和永磁塊2的車輪上作一個或多個定位用的標記，標記可以是實物或顏色，標記也可以設在轉動盤I上。用標記與自行車的車架某一位置關系、或標記與自行車的輪胎上的護泥板某一位置關系、或標記與水平夾角位置關系等位置參照物，確定轉動盤I上各個永磁塊2與自行車的腳踏板的位置關系，也就是說，腳踏板在某個位置時，表示腳踏板位置的永磁塊2也在某一位置。實現特定某一永磁塊2表示腳踏板位置的目的。如果騎人認為助力自行車電動機的助力時間與自己的要求不相配合，如助力時間啟動太快或太慢，可以改變標記與車架的位置，即改變表示腳踏板位置的永磁塊2與腳踏板的相對夾角位置關系，就可以調節助力時間啟動快慢，使人的助力需求時間與電機提供助力的時間相配合。但控制電機的助力模型不變。[0114]本實用新型的優點結構簡單、成本低、永磁塊環上的永磁塊數量不受限止、輸出標準的脈沖信號、沒有信號盲區、只用一個霍爾的一組輸出信號就能完全表示動盤的全部運動狀態、輸出信號不會失真不漂移、用永磁塊位置變化和磁通量變化兩個參數表示所在固定位置、輸出信號中可以有每個永磁塊的運動位置，輸出信息模型可調節，用于助力自行車，使助力輸出與助力需求能高度配合而使騎車人感覺很舒服，不僅可自動化助力，而且具有按個性化進行助力的功能。(I)結構簡單，不用彈性件，無機械故障用霍爾感受多個永磁塊轉動輸出信號，用中國專利01201843. O提供的速度可推算力矩的原理，可用多種數學模型推算助力自行車的力矩參數，用于控制助力自行車的電機，實現助力。不用彈性件、結構簡單、成本低于用彈性件和機械受力的傳感器。避免了長時間使用后，各機械部件變形、無機械故障、配合不佳的問題。(2)磁極性相反，輸出矩形波信號，具有精確控制功能由于相鄰兩枚永磁塊的磁極性相反，并且霍爾選用對相反磁極性產生矩形波輸出信號的霍爾，則相鄰兩枚永磁塊無論間距多少，即使相鄰兩枚永磁塊之間沒有間隙，霍爾也同樣能輸出矩形波信號。如用于助力自行車，用矩形波的輸出信號來控制助力自行車的電機優于用正弦波，因為矩形波能作到信號在任何時間點，表示運動位置和速度的信號含義精確，從而可精確表示助力自行車踏板的運動位置和速度，以便用踏板精確的位置和速度推算出該運動狀態正確的助力需求。(3)相鄰永磁塊的磁極性相反，永磁塊數量不受限止，可盡量增加傳感點位由于磁極性相反，輸出矩形波信號，相鄰永磁塊即使無間隙，其輸出的信號仍然是有個數、可區分的矩形波信號，仍然具有控制功能，也就是說不會輸出沒有控制功能的無變化直線形信號。如用于助力自行車，由于與踏板聯動的轉動盤直徑大小受限止，就可在規定大小的轉動盤上，盡量增加永磁塊數量、盡量增加傳感點位、用盡量多的傳感信號表示自行車踏板運動位置和速度，精確表示運動狀態。(4)相鄰永磁塊的磁極性相反，可設置永磁塊多、傳感點位多，對轉動盤的運動狀態表示精確對用于助力自行車，固定永磁塊的轉動盤大小受到嚴格限止，一般轉動盤直徑只能在10-15厘米以內，為了使霍爾在有間距的條件下獲得永磁塊的磁極信號，其永磁塊的直徑至少為Φ0. 6-0. 8厘米，則直徑10-15厘米的轉動盤的周邊無間隙的可設置35-73個永磁塊[(10-1) *3. 14/0. 8=35 ;(15_1)*3· 14/0. 6=73]，即腳踏板轉一周，霍爾可獲得35-73個信號用于控制助力自行車的電機。但如果是相鄰永磁塊磁極性相同的現有技術，相鄰永磁塊按5厘米間距，則在直徑10-15厘米轉動盤上，最多只能設置5-8個永磁塊[(10-1) *3. 14/5. 8=5 ; (15-1) *3. 14/5.6=8]。可見，本專利技術比現有技術可以多設置永磁塊7-9倍[35/5=6 ;73/8=9]，多設置30-65個永磁塊[35-5=30 ;73_8=65]。所以，轉動盤轉一周，本專利技術比現有技術增加了 7-9倍的轉動盤轉動位點信號。對助力自行車的電機控制精確度自然提高了 7-9倍，使騎車人對助力需求精確度也提高了 7-9倍，車與人的配合程度大大提高，騎車人的舒適感大大增加，不再是現有技術的助力車那種一快一慢不舒服的感覺。本實用新型請人根據實際的體驗，當轉動盤上大致均勻的設置15個永磁塊時，基本消除了現有技術只設5-8個永磁塊使助力車那種一快一慢不舒服的感覺；當轉動盤上大致均勻的設置20個永磁塊時，車與人的配合己能滿足人的需要，乘騎助力車的感覺已很舒服。(5)沒有信號盲區，任何時候的助力需求都會獲得相匹配的助力本專利在直徑10-15厘米的轉動盤周邊最多可設置35-73個永磁塊，各永磁塊之間平均夾角為5-10度。用于助力自行車，在啟動或運行時，腳踏板從離開頂點10-45度角的35度區域內，有4-7個永磁塊(在離開頂點10度角的位置就有一個信號了)，則霍爾可輸出4-7個控制信號反應助力需求，能實現任何位置、任何時間有助力就能獲得相應助力的優良技術效果 ，使車與人的配合良好，騎車人感到省力又舒適。(6)只用一個霍爾，一個控制信號表示轉動盤的全部運動狀態，控制信號與轉動盤的運動狀態完全一致，控制信號與人的需求完全一致多個永磁塊是固定在轉動盤上的，永磁塊與轉動盤同步轉動，用一個霍爾感受全部的永磁塊運動信號，則霍爾輸出的控制信號與轉動盤的運動狀態完全一致，與人的需求也就完全一致，控制信號不會有原始分段誤差和信號漂移問題。即使霍爾傳感參數發生變化，也是整個控制信號平行移動，只要接收霍爾控制信號的電機控制器的接收范圍較寬，變化了的霍爾控制信號的控制效果成系統性改變。如用于助力自行車，助力需求模型不會失真，助力輸出與助力需求仍然保持原來模型的匹配關系，騎車人很容易掌握這種助力性能的系統性改變。(7)永磁塊之間有錯位并還有磁通量變化，永磁塊更可靠地表示特定位點的運動狀態因為永磁塊在半徑方向錯位、或圓弧線間距錯位，錯位永磁塊使霍爾輸出特有波間距的控制信號；又因為各永磁塊的磁通量還有變化，各永磁塊還使霍爾輸出特有峰谷差值波形的控制信號，使控制信號的各個矩形波有波間距和峰谷差值兩種波形變化方式，也就是說，用波間距和峰谷差值兩種參數來表示永磁塊的某一運動位置，控制信號表示永磁塊的運動狀態更精確。如每個永磁塊都有自己的特定錯位位點，還有特別的磁通量，可達到有多少個永磁塊，就可獲得多少個有兩種波形變化方式的運動狀態信號。如用于助力自行車，轉動盤直徑在10-15厘米以內，轉動盤轉一周，霍爾可獲得35-73個不同位點是兩種波形變化方式的運動狀態控制信號，自然知道35-73個位點的助力需求。很明顯，轉動盤轉一周，現有技術最多只能有5-8個正弦波表示的助力需求，遠遠不如本專利最多可用35-73個兩種波形變化方式的助力需求信號更能真實地、多信息量地、可靠性高地反應騎車人的助力需求。也就是說，助力自行車用本專利技術，車更能與人需求相配合一致，騎車人感受到腳踏板在任何轉動位置，自己都完全可控制車速，舒適性好。而現有技術的助力自行車只能在最多5-8個轉動位置才能可控制車速。(8)可調節永磁塊位置和磁通量，就可按需要調節控制信號的模型，實現個性化控制在轉動盤上全部永磁塊中，如調節部分永磁塊之間的間距和磁通量，霍爾輸出的信號中，調節過間距和磁通量的永磁塊的波形就會發生波間距和峰谷差值變化，即信號模型發生變化，就可以選擇不同的信號模型控制被控制物體，實現個性化控制。如用于助力自行車，可根據不同人的力氣，或用力的習慣選擇適合的信號模型，即根據不同的人調節助力模型，使助力自行車不僅可自動化助力，而且具有按個性化進行助力的功能。(9)可以對霍爾信號進行數字化處理，使控制信號中加入人機最佳配合的控制模型把具有磁塊位置和磁塊轉速的矩形波信號變為該兩要素的數字信號，用設定的、適合人機配合良好的數學助力模型把該兩要素的數字信號轉換成助力模型數字信號，再把助力模型數字信號轉換成助力模型模擬信號，最后把助力模型模擬信號變為穩定電壓范圍的、具有額定功率的電機控制器可用的控制信號。總之，就是把磁塊轉動的信號進行數字化處理，在數字化處理處理過程中，加入數學的助力模型，使傳感器最后輸出的控制信號中，含有加入的助力模型。因為數學的助力模型是人為設定的，所以，總可以把數學的助力模型設定成最適合人機配合的模型，則本實用新型的傳感器可輸出能實現最佳人機配合的控制信號。而現有助力自行車傳感器的磁塊相同磁極在同一面，霍爾不能獲得矩形波信號，也就無法對霍爾信號進行數字化處理，其控制模型只能是對霍爾信號進行局部修改，所以不能實現輸出人機最佳配合的控制信號。 (10)最后輸出的控制信號不會有信號漂移用熱敏電阻R6對運算放大器的輸出信號進行反饋調節，可以解決霍爾、數模轉換器和運算放大器等半導體器件使助力模型模擬信號漂移的問題，使傳感器最后輸出的是不受環境溫度變化的標準助力模型模擬信號。(11)能實現人機最佳配合的電機工作方式模數轉換和波寬波峰識別器將各個矩形波信號變為不同的數字信號，助力模型計算器就可用助力起點選擇器在助力模型存儲器中選定的與助力需求最佳配合的助力數學模型，并把磁塊轉速計算器(24)提供的速度參數代入助力數學模型，助力模型計算器就能計算出腳踏板在某個位置情況下的助力模型數字信號。該助力模型數字信號就是能使人與電動自行車能最佳配合的、用于控制電機用的控制信號。助力模型計算器是數字處理器，它能接受任何數字化的數學模型，則助力模型存儲器就可以向助力模型計算器提供任何人為設定的數學模型，有了人任意設定數學模型這個條件，人就可以設定能使人與電動自行車能最佳配合的數學模型。助力模型存儲器有人設定的，能使人與電動自行車能最佳配合的數學模型，則就能實現人與電動自行車最佳配合的電機工作方式；人設定數學模型還可以使電機有最合理的啟動和運轉模型、最省電的工作方式。所以，本實用新型的助力自行車是人與電動自行車最佳配合的省電助力自行車。但現有助力自行車腳踏板的一個轉動周期內，霍爾只能輸出不到10個正弦波信號，正弦波信號不能變為數字信號，不能人為加入最佳助力模型控制電動自行車的電機，這種助力自行車的助力模型即不能實現人機最佳配合，也不能使電機有最合理、省電的工作方式。(12)省電效果和意義用本實用新型的助力自行車與市上購買的有8個永磁塊同面為相同磁極作為傳感部件的助力自行車進行省電比較，用同一個電動自行車換用不同傳感器的方式，相同的騎車人在相同路段乘騎測實，結果是用本實用新型的助力自行車乘騎110公里后，電池還余有少量的電；但用該市上購買的助力自行車乘騎45公里后，電池已沒有余電。該省電的意義在于充滿電的本實用新型的助力自行車能滿足全天乘騎不充電，解決了人在途中而車已不能助力這個現有助力自行車的大難題。
圖I是轉動盤上多磁塊位置和各點磁通量不均勻分布，有的磁塊位置可調節，且永磁塊N-S交替的傳感元件結構示意圖，圖中永磁塊線條粗細不同表示磁通量不同；圖2是轉動盤上高密度磁塊和各點磁通量不均勻分布，有的磁塊位置可調節，且永磁塊成N-S交替的傳感元件結構示意圖，圖中永磁塊線條粗細不同表示磁通量不同；圖3是自行車輪和車架與傳感器的轉動盤和霍爾的連接關系剖面結構示意圖；圖4是霍爾、助力模型處理器、數模轉換器、運算放大器的信號流向方框圖；圖5是霍爾、單片機、數模轉換器、運算放大器的電路圖；圖6是傳感器設在電動自行車輪和車架上組成本實用新型助力自行車的連接關系不意圖。圖中I是轉動盤、2是永磁塊、3是霍爾、5_1是內圓形軌跡線、5_2是外圓形軌跡 線、6是圓環形、7是永磁塊間距、8是條形孔、9是齒形凸、21是助力模型處理器、22是模數轉換和波寬波峰識別器、23是助力起點選擇器、24是磁塊轉速計算器、25是助力模型存儲器、26是助力模型計算器、27是數模轉換器、28是運算放大器、29是電機控制器、30是電機、31是單片機、32是時鐘電路、51是中心軸、52是帶套花鼓、53是車架、54是車輪、55是電池、59是電路板。
具體實施方式
實施例I、裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車如圖1、3、4、6，一、與安裝傳感器有關的電動自行車部件和結構電動自行車的車輪中心軸51的兩端與電動自行車的車架53固定連接，中心軸51外套有帶套花鼓52，帶套花鼓52在中心軸51外轉動，帶套花鼓52與自行車的車輪54固定連接，帶套花鼓52與車輪54同步轉動；電動自行車的電池55連接電機控制器29，電機控制器29連接車輪上的電機30 ；二、傳感器的結構和部件的連接關系如下[I]傳感元件是把轉動盤I的轉動運動變為矩形波信號輸出的元件；傳感元件是用一塊直徑10. O厘米的高強度塑料轉動盤I的一個面設置直徑O. 8厘米的20個永磁塊2，磁通量為146279 (B · H)max/KJ · m_3范圍內不同的選擇值，并且相臨永磁塊2的磁通量不相等。轉動盤I、永磁塊2、霍爾3的結構如下每個永磁塊2固定在直徑8. O厘米內圓形軌跡線5-1—9. 5厘米外圓形軌跡線5_2之間的圓環形6范圍內，有多個永磁塊2成半徑錯位分布，有多個永磁塊2成間距錯位分布。半徑錯位分布方式是該多個永磁塊2分布在一個圓環形6范圍內，在圓環形6的內圓形軌跡線5-1與外圓形軌跡線5-2之間至少有一條圓形軌跡線貫穿全部永磁塊2 ;內圓形軌跡線5-1和外圓形軌跡線5-2為同心圓，至少有兩個永磁塊2到內圓形軌跡線5-1所在圓中心的距離不相同；間距錯位分布方式是相鄰永磁塊2之間的距離為永磁塊間距7 ;至少有兩條永磁塊間距7的長短不相同。有兩個永磁塊間距7的長度不等于其它任何一個永磁塊間距7的長度，而且這兩個永磁塊間距7的長度也不相等。該兩個永磁塊間距7所在的有兩個永磁塊2的位置正好在轉動盤I一條直徑的兩端。這兩個永磁塊2的磁通量不等于其它任何一個永磁塊間距7的磁通量，而且這兩個永磁塊2的磁通量也不相等，這兩個永磁塊2用于在助力自行車上表示兩個腳踏板的運動位置。在內圓形軌跡線5-1與外圓形軌跡線5-2之間有兩個弧形的條形孔8，條形孔8中設有永磁塊2，該永磁塊2能固定在條形孔8中的任何位置；該永磁塊2與條形孔8是可撤卸的固定連接結構，即可在條形孔8中的永磁塊2撤卸后換到條形孔8中的其它位置再固定連接，調節該永磁塊2與相臨永磁塊2之間的永磁塊間距7，同時也調節了不同位置永磁塊2的磁通量。條形孔8的內邊緣設有兩個或多個齒形凸9。一個永磁塊2卡在一個齒形凸9之中。條形孔8是斜向的結構，即條形孔8兩端分別與內圓形軌跡線5-1所在的圓心的距離不相等。使條形孔8的兩個多個永磁塊2成半徑錯位方式分布。在轉動盤I 一個面設置的全部永磁塊2成相鄰永磁塊2的磁極性相反的方式排列，即轉動盤I 一個面上全部永磁塊2的磁極性分布方式是N極、S極、N極、S極、N極、S豐及。用一個霍爾3設在轉動盤I有永磁塊2的那一面，霍爾3設在接近永磁塊2的位 置，即霍爾3設在每個永磁塊2在的圓形軌跡線5-1與外圓形軌跡線5-2之間的圓環形6范圍內，霍爾3與轉動狀態的每個永磁塊2保持O. 3厘米的間隔距離，使轉動的每個永磁塊2在經過霍爾3時，霍爾3能產生一個對應的矩形波電信號輸出。轉動盤I在該全部永磁塊2的內圓形軌跡線5-1中心設有中心孔，中心孔與電動自行車的車輪54帶套花鼓52固定連接。[2]助力模型處理器21是把轉動盤I轉動的數字信號變為助力模型數字信號的信號形式的轉換器；助力模型處理器21包括模數轉換和波寬波峰識別器22、助力起點選擇器23、磁塊轉速計算器24、助力模型存儲器25和助力模型計算器26 ；模數轉換和波寬波峰識別器22與傳感元件連接，模數轉換和波寬波峰識別器22把傳感元件中霍爾3輸入的矩形波信號進行識別各個矩形波的寬度和峰值，將各個矩形波信號變為不同的數字信號，對每個矩形波進行標注，模數轉換和波寬波峰識別器22輸出標注有磁塊位置秩序的磁塊運動數字信號；模數轉換和波寬波峰識別器22分別與助力起點選擇器23和磁塊轉速計算器24連接，助力起點選擇器23與磁塊轉速計算器24連接；磁塊轉速計算器24用模數轉換和波寬波峰識別器22輸入的磁塊運動數字信號計算出轉動盤I的轉速，并把轉動盤I的轉速數字信號傳給助力起點選擇器23，助力起點選擇器23用標注有磁塊位置秩序的磁塊運動數字信號，和轉動盤I的轉速數字信號這兩個信號確定在某種轉速條件下的助力起點對應的某一個矩形波，即確定助力起點磁塊；助力起點選擇器23完成了找出助力的起始點磁塊，也就是確定從某個矩形波開始實施助力，準確說就是在轉動盤I處于某種轉速條件下，從某個磁塊在某個位置開始進行助力，或是從某個磁塊在某個位置開始，將原來的助力模型改變為下一步選擇的助力模型進行助力。助力起點選擇器23和磁塊轉速計算器24分別都與助力模型計算器26連接，助力模型存儲器25也與助力模型計算器26連接；助力模型計算器26用助力起點選擇器23的助力起點磁塊，和用磁塊轉速計算器24的轉動盤I轉速這兩個條件選擇助力模型存儲器25中的某一種助力模型函數，并將助力起點磁塊和轉動盤I轉速這兩個條件代入助力模型函數，計算出適合這兩個條件的助力模型數字信號，即助力模型計算器26輸出助力模型數字
信號;[3]數模轉換器27是把助力模型數字信號轉換成助力模型的模擬信號。助力模型計算器26與數模轉換器27連接，數模轉換器27把助力模型計算器26的助力模型數字信號轉換成助力模型模擬信號。以便向只能處理模擬信號的電機控制器29輸出助力模型的模擬信。[4]運算放大器28是把數模轉換器27的助力模型模擬信號轉換成額定電壓范圍的助力模型模擬信號。數模轉換器27與運算放大器28連接，數模轉換器27的助力模型模擬信號雖然解 決了助力模型問題，但助力模型信號的電壓還不能滿足電機控制器29的需要，所以還要用運算放大器28把助力模型模擬信號轉換成額定電壓范圍需要的助力模型模擬信號，才能傳輸給電機控制器29，達到電機控制器29控制電機30進行助力為目的的運行。轉動盤I上設有可視標記。可視標記為顏色標記、物體形狀標記或轉動角度標記的某一種或者其結合。三、傳感器與電動自行車的連接成助力自行車傳感器的轉動盤I套在帶套花鼓52外固定，轉動盤I與帶套花鼓52同步轉動，全部永磁塊2的內圓形軌跡線5-1轉動中心與帶套花鼓52轉動中心相同，中心軸51外套有帶套花鼓52，轉動盤I與帶套花鼓52同步轉動。霍爾3固定在接近永磁塊2的車架53上能感受永磁塊2磁通量的位置；信號處理元件的助力模型處理器21、數模轉換器27和運算放大器28依次相連后，霍爾3與助力模型處理器21相連，運算放大器28與電動自行車的電機控制器29相連。實現了傳感器用電信號控制電動自行車的目的，即用運算放大器28的助力模型模擬信號，或稱標準助力模型模擬信號控制電動自行車，得到助力自行車。實施例2、高密度裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車如圖2、3、4、6，一塊直徑10. O厘米的高強度鋁材轉動盤I的一個面設置直徑O. 6厘米的40個永磁塊2。永磁塊2的磁通量為146279 (B · H)max/KJ · πΓ3范圍內不同的選擇值，并且相臨永磁塊2的磁通量不相等，霍爾3與轉動狀態的每個永磁塊2保持O. 2厘米的間隔距離，使轉動的每個永磁塊2在經過霍爾3時，霍爾3能產生一個對應的矩形波信號輸出。其它結構同于實施例I。實施例3、有具體電路的裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車如圖1、3、5、6，如實施例1，傳感器包括依次連接的傳感元件、助力模型處理器21、數模轉換器27和運算放大器28 ；[I]傳感元件中的霍爾3選用UGN3075 ;傳感元件中其它的元件和元件的結構同于實施例I ;[2]助力模型處理器21選用單片機31完成全部功能，單片機31選用AT89S52。即AT89S52單片機31完成模數轉換和波寬波峰識別器22、助力起點選擇器23、磁塊轉速計算器24、助力模型存儲器25和助力模型計算器26的全部功能。[3]數模轉換器27選用ADC-C8E。[4]運算放大器28選用0F-17F，OF-17F運算放大器28的輸入端2腳與輸出端6腳之間連接有5k的熱敏電阻R6 ;而且熱敏電阻R6兩端還并聯有8P電容C6。數模轉換器27的4腳與運算放大器28的2腳之間用I. 25k的R5接地。使其可用熱敏電阻R6調節運算放大器286腳輸出的模擬信號電壓范圍穩定在O. 8—4. 2V之間。各電子部件連接關系如下霍爾3的信號輸出端3腳連接單片機31的12腳INTO [P32]；單片機31的39腳POO連接數模轉換器27的12腳B8 ；單片機31的38腳POl連接數模轉換器27的11腳B7 ； 單片機31的37腳P02連接數模轉換器27的10腳B6 ；單片機31的36腳P03連接數模轉換器27的9腳B5 ;單片機31的35腳P04連接數模轉換器27的8腳B4 ;單片機31的34腳P05連接數模轉換器27的7腳B3 ;單片機31的33腳P06連接數模轉換器27的6腳B2 ;單片機31的32腳P07連接數模轉換器27的5腳BI ;數模轉換器27的4腳連接運算放大器28的2腳；數模轉換器27的2腳連接運算放大器28的3腳；運算放大器28的6腳為模擬信號輸出端。[5]傳感器的機械部件與傳感部件結構關系傳感器的機械部件包括轉動盤1，傳感器的傳感部件包括多個永磁塊2、霍爾3、單片機31、數模轉換器27和運算放大器28 ;傳感部件中依次相連的霍爾3、單片機31、數模轉換器27和運算放大器28四個電子元件設在一塊電路板59上；電路板59上的霍爾3設在能感受永磁塊2的磁通量，并且霍爾3能根據磁通量變化輸出變化電信號的位置。把依次相連的霍爾3、單片機31、數模轉換器27和運算放大器28四個電子元件設在一塊電路板59上，有利于這四個電子元件集成化、模塊化、小型化，方便把這四個電子元件整體統一固定在車架53上。
權利要求1.裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車，包括電動自行車和傳感器，電動自行車的車輪中心軸(51)，中心軸(51)的兩端與電動自行車的車架(53)固定連接，中心軸(51)外套有帶套花鼓(52)，帶套花鼓(52)在中心軸(51)外轉動，帶套花鼓(52)與自行車的車輪(54)固定連接，帶套花鼓(52)與車輪(54)同步轉動；電動自行車的電池(55)連接電機控制器(29)，電機控制器(29)連接車輪上的電機(30);其特征在于 傳感器的結構和部件的連接關系如下 傳感器包括依次連接的傳感元件、助力模型處理器(21)、數模轉換器(27)和運算放大器(28)； [1]傳感元件是把轉動盤(I)的轉動運動變為矩形波信號輸出的元件； 傳感元件包括一塊轉動盤(I)和多枚永磁塊(2)，轉動盤(I)上固定設置有多枚永磁塊(2),該多枚永磁塊(2)分布在一個圓環形(6)范圍內，圓環形(6)的內圓形軌跡線(5-1)與外圓形軌跡線(5-2)之間至少有一條圓形軌跡線貫穿全部永磁塊(2);內圓形軌跡線(5-1)和外圓形軌跡線(5-2 )為同心圓，至少有兩枚永磁塊(2 )成錯位分布；錯位分布是半徑錯位分布方式或間距錯位分布方式的某一種；或即有半徑錯位分布方式，又有間距錯位分布的組合方式； 半徑錯位分布方式是至少有兩個永磁塊(2)到內圓形軌跡線(5-1)所在圓中心的距離不相同； 間距錯位分布方式是相鄰兩個永磁塊(2)之間的距離為永磁塊間距(7);至少有兩條永磁塊間距(7)的長短不相同； 在內圓形軌跡線(5-1)與外圓形軌跡線(5-2)之間至少有一個條形孔(8)，條形孔(8)中設有永磁塊(2),永磁塊(2)能固定在條形孔(8)中的任何位置； 在轉動盤(I)的某一面，相鄰兩枚永磁塊(2)的磁極性相反，即轉動盤(I)的某一面上全部永磁塊(2)的磁極性分布方式是N極、S極、N極、S極、N極、S極......;至少有兩枚永磁塊(2)的磁通量不相同； 還包括一個霍爾(3),霍爾(3)位于轉動盤(I)的某一面,霍爾(3)設在接近永磁塊(2)并能感受永磁塊(2)磁通量的位置，霍爾(3)與永磁塊(2)之間有間距；霍爾(3)是對相反磁極性產生矩形波輸出信號的霍爾； [2]助力模型處理器(21)是把轉動盤(I)轉動的數字信號變為助力模型數字信號的信號形式轉換器； 助力模型處理器(21)包括模數轉換和波寬波峰識別器(22)、助力起點選擇器(23)、磁塊轉速計算器(24)、助力模型存儲器(25)和助力模型計算器(26); 模數轉換和波寬波峰識別器(22)與傳感元件連接，模數轉換和波寬波峰識別器(22)把傳感元件中霍爾(3)輸入的矩形波信號進行識別各個矩形波的寬度和波峰，將各個矩形波信號變為不同的數字信號，對每個矩形波進行標注，模數轉換和波寬波峰識別器(22)輸出標注有磁塊位置秩序的磁塊運動數字信號； 模數轉換和波寬波峰識別器(22)分別與助力起點選擇器(23)和磁塊轉速計算器(24)連接，助力起點選擇器(23)與磁塊轉速計算器(24)連接；磁塊轉速計算器(24)用模數轉換和波寬波峰識別器(22)輸入的標注有磁塊位置秩序的磁塊運動數字信號計算出轉動盤(O的轉速，并把轉動盤(I)的轉速數字信號傳給助力起點選擇器(23)，助力起點選擇器(23)用標注有磁塊位置秩序的磁塊運動數字信號，和轉動盤(I)的轉速數字信號這兩個信號確定在某種轉速條件下的助力起點對應的某一個矩形波，即確定助力起點磁塊； 助力起點選擇器(23)和磁塊轉速計算器(24)分別都與助力模型計算器(26)連接，助力模型存儲器(25)也與助力模型計算器(26)連接；助力模型計算器(26)用助力起點選擇器(23)的助力起點磁塊，和用磁塊轉速計算器(24)的轉動盤(I)轉速這兩個條件選擇助力模型存儲器(25)中的某一種助力模型函數，并將助力起點磁塊和轉動盤(I)轉速這兩個條件代入助力模型函數，計算出適合這兩個條件的助力模型數字信號，即助力模型計算器(26)輸出助力模型數字信號； [3]數模轉換器(27)是把助力模型數字信號轉換成助力模型的模擬信號； 助力模型計算器(26)與數模轉換器(27)連接，數模轉換器(27)把助力模型計算器(26)的助力模型數字信號轉換成助力模型模擬信號； [4]運算放大器(28)是把數模轉換器(27)的助力模型模擬信號轉換成額定電壓范圍的助力模型模擬信號； 傳感器與電動自行車的連接關系是傳感器的轉動盤(I)套在帶套花鼓(52)外固定，轉動盤(I)與帶套花鼓(52)同步轉動，全部永磁塊(2)的內圓形軌跡線(5-1)轉動中心與帶套花鼓(52 )轉動中心相同，霍爾(3 )固定在接近永磁塊(2 )的車架(53 )上能感受永磁塊(2)磁通量的位置，傳感器中運算放大器(28)的信號輸出導線與電動自行車的電機控制器(29)的信號輸入端連接； 中心軸(51)外套有帶套花鼓(52)，轉動盤(I)與帶套花鼓(52)同步轉動。
2.根據權利要求I所述的裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車，其特征在于還包括熱敏電阻R6，熱敏電阻R6連接在運算放大器(28)的輸入端和輸出端之間。
3.根據權利要求2所述的裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車，其特征在于助力模型處理器(21)是單片機(31)，單片機(31)上連接有時鐘電路(32); 傳感器的機械部件與傳感部件結構關系傳感器的機械部件包括轉動盤(1)，傳感器的傳感部件包括多個永磁塊(2)、霍爾(3)、單片機(31)、數模轉換器(27)和運算放大器(28);傳感部件中依次相連的霍爾(3)、單片機(31)、數模轉換器(27)和運算放大器(28)四個電子元件設在一塊電路板(59)上；電路板(59)設在車架(52)上的位置能使霍爾(3)感受永磁塊(2)的磁通量，并且電路板(59)的位置使霍爾(3)能根據永磁塊(2)的運動輸出電信號。
4.根據權利要求3所述的裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車，其特征在于霍爾(3)是UGN3075，助力模型處理器(21)是AT89S52單片機(31)，數模轉換器(27)是ADC-C8E ;運算放大器(28)是0F-17F，0F-17F運算放大器(28)的輸入端2腳與輸出端6腳之間連接有熱敏電阻R6 ;各部件連接關系如下 霍爾(3)的信號輸出端3腳連接單片機(31)的12腳INTO [P32]； 單片機(31)的39腳POO連接數模轉換器(27)的12腳B8 ； 單片機(31)的38腳POl連接數模轉換器(27)的11腳B7 ; 單片機(31)的37腳P02連接數模轉換器(27)的10腳B6 ； 單片機(31)的36腳P03連接數模轉換器(27)的9腳B5 ；單片機(31)的35腳P04連接數模轉換器(27)的8腳B4 ； 單片機(31)的34腳P05連接數模轉換器(27)的7腳B3 ； 單片機(31)的33腳P06連接數模轉換器(27)的6腳B2 ； 單片機(31)的32腳P07連接數模轉換器(27)的5腳BI ； 數模轉換器(27 )的4腳連接運算放大器(28 )的2腳； 數模轉換器(27)的2腳連接運算放大器(28)的3腳； 運算放大器(28)的6腳為模擬信號輸出端。
5.根據權利要求1-4任何一項所述的裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車，其特征在于至少有一個永磁塊間距(7)的長度不等于其它任何一個永磁塊間距(7)，且至少有一個永磁塊(2)的磁通量不等于其它任何一個永磁塊(2)的磁通量。
6.根據權利要求5所述的裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車，其特征在于條形孔(8)是弧形的結構，條形孔(8)的弧形所在圓與內圓形軌跡線(5-1)為同心圓。
7.根據權利要求6所述的裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車，其特征在于條形孔(8)是斜向的結構，即條形孔(8)兩端分別與內圓形軌跡線(5-1)所在的圓心的距離不相等。
8.根據權利要求7所述的裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車，其特征在于條形孔(8)的某一條內邊緣設有兩個或多個齒形凸(9)。
9.根據權利要求8所述的裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車，其特征在于霍爾(3)設在內圓形軌跡線(5-1)與外圓形軌跡線(5-2)之間。
10.根據權利要求9所述的裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車，其特征在于轉動盤(I)上設有可視標記。
專利摘要本實用新型裝多磁塊位置和磁通量可調節轉盤式傳感器的助力自行車于多點位磁感應提供助力信號的電動助力自行車。傳感器包括依次連接的傳感元件、助力模型處理器、數模轉換器、運算放大器，傳感元件的轉動盤上固定設置有多個相鄰磁極性相反的永磁塊，可以調節永磁塊之間的間距和不同磁通量的磁塊位置，轉動盤設在自行車的車輪中心軸上，傳感元件的霍爾設在接近永磁塊的車架上，運算放大器電機控制器連接。優點霍爾可獲得矩形波信號，便于傳感器經數字處理輸出用人為設定的助力模型，并可調節到助力模型到助力起始、終點、力量合理，使人機能最佳配合又省電。
文檔編號G01D5/12GK202783682SQ201220368000
公開日2013年3月13日 申請日期2012年7月28日 優先權日2012年7月28日
發明者黃強 申請人:成都寬和科技有限責任公司, 黃強, 高松, 歐陽焱雄