电动自行车模拟力矩助力传感控制系统及实现方法

摘要

本发明涉及电动自行车模拟力矩助力传感控制系统及实现方法，包括模拟力矩助力动态采集器；系统通过模拟力矩助力动态采集器对脚踏板速度、加速度监测，模拟力矩助力动态采集器由助力盘结构件和模拟力矩助力动态采集电路板构成；助力盘结构件包括转盘、定盘、轴承和磁钢；模拟力矩助力动态采集电路板安装在定盘的扇形区域A内，模拟力矩助力动态采集电路板上的元器件包括单片机AT89C16、三端稳压器LM1117-3.3V、三个间隔固定的霍尔元件ES732，一个姿态模块MPU6050、输出电压接口J2及阻容元件；所采集的信号经单片机识别、判断和处理，同时单片机根据按键选择输入的车型、挡位信息来确定基本电压输出值，再根据轮盘转速数据，利用数学模型计算输出PWM信号，最后将PWM信号积分后输出给电机控制器，最后由电机控制器控制电机工作状态。

主权项

电动自行车模拟力矩助力传感控制系统，包括液晶屏显示仪表模块、功能选择按键模块、刹车信号输入模块、模拟力矩助力动态采集器和电机控制器，其特征在于，模拟力矩助力动态采集器采用三颗霍尔传感器与环形磁钢阵列组成的速度检测结构，用于脚踏方向及速度的监测信号的采集；系统通过模拟力矩助力动态采集器对脚踏板速度、加速度监测，实时控制无刷电机控制器对电机功率的输出，从而实现模拟力矩助力传感的效果，模拟力矩助力动态采集器采用同时集成了9轴陀螺仪的MPU6050姿态模块，用以对骑行车辆的姿态进行监测，根据路面坡度情况对电机输出功率进行调整，从而获得更好的用户体验；所述模拟力矩助力动态采集器由助力盘结构件和模拟力矩助力动态采集电路板构成；所述助力盘结构件包括转盘（1）、定盘（2）、轴承（3）和磁钢（4）；转盘（1）为盘状空腔体，其内部型腔结构包括转盘底（11）、转盘壁（12）、空心轴（13）和环行磁钢固定带（14）；转盘（1）中心为空心轴（13），空心轴（13）的外径尺寸与轴承（3）内环尺寸配合；其轴心孔（1301）的孔径与电动自行车中轴（5）尺寸配合；环行磁钢固定带（14）位于转盘底（11）的内底面，其形状为一环行凸缘，环行凸缘的上平面高于转盘底（11）的内底面，环行磁钢固定带（14）的内环直径大于空心轴（13）外径，外环直径小于转盘壁（12）内径；环行磁钢固定带（14）上包括有一组环行、等距间隔排列的盲孔（1401），每个盲孔（1401）内固定一个圆柱形磁钢（4）；定盘（2）为盘状空腔体，其内部型腔结构包括定盘底（21）、定盘壁（22）、轴承架（23）和穿线孔（24）；定盘（2）中心为轴承架（23）；定盘底（21）的内底面由筋板分为三个扇形区域，其中的一个扇形区域A作为模拟力矩助力动态采集电路板的安装位置，穿线孔（24）位于扇形区域A临近上边缘处，穿线孔（24）作为模拟力矩助力动态采集电路板控制线缆的引出口；转盘（1）、定盘（2）、轴承（3）和磁钢（4）装配在一起，轴承（3）装配在转盘（1）的空心轴（13）和定盘（2）的轴承架（23）之间，轴承架（23）的内径与轴承（3）外环直径配合；轴承（3）的外环嵌装在轴承架（23）的内径中，轴承（3）的内环套装在空心轴（13）上；转盘（1）与定盘（2）配合，转盘壁（12）内径与定盘壁（22）外径滑动配合；空心轴（13）的轴心孔（1301）的孔径与电动自行车中轴（5）紧密配合；所述模拟力矩助力动态采集电路板安装在定盘（2）的扇形区域A内，模拟力矩助力动态采集电路板上的元器件包括单片机AT89C16、三端稳压器LM1117‑3.3V、三个间隔固定的霍尔元件ES732，一个姿态模块MPU6050（陀螺仪）、输出电压接口J2及阻容元件；在所述模拟力矩助力动态采集电路板上，三个所述霍尔元件ES732分别为第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C，三个霍尔元件ES732的感应面中心在同一条弧线上，每个霍尔元件ES732的感应面中心与定盘（2）轴心连线，形成两个扇形，每两个相邻的霍尔元件ES732的感应面中心分别与定盘（2）轴心的连线之间的夹角为5度；所述转盘（1）上的24个所述磁钢（4）的轴心在同一圆上，每个磁钢（4）轴心与转盘（1）轴心连线，形成23个扇形，每两个相邻磁钢（4）轴心与转盘（1）轴心连线之间的夹角为15度；三个霍尔元件ES732的感应面中心所在的圆的圆心与24个磁钢（4）轴心所在的圆的圆心均在同一轴心线上，此轴心线即电动自行车中轴（5）轴心线；当转盘（1）随自行车中轴转动时，定盘（2）的位置固定不变，三个所述霍尔元件ES732的方位保持不变；转盘（1）内的24个磁钢（4）沿其所在圆的轨迹环形移动时，其中，每一个磁钢（4）的感应面依次经过三个霍尔元件ES732的感应面，磁钢（4）的感应面与霍尔元ES732件的感应面相对应的一刻，触发霍尔元件ES732，霍尔元件ES732内部电路产生感应电压脉冲信号；24个磁钢（4）的感应面与三个霍尔元件ES732的感应面重合即触发时序为：转盘（1）正转即骑行前进时的转向时，依次触发第一霍尔元件A、第二霍尔元件B和第三霍尔元件C；转盘（1）反转时时，依次触发第三霍尔元件C、第二霍尔元件B、第一霍尔元件A；感应出电压脉冲信号给单片机AT89C16，单片机AT89C16据此提取有关的方向和速度数据作为计算出电源电压占空比PWM的数据，经DA转换后，输出电压信号，电机控制器以此作为控制系统的信号源；方向数据提取方法：通过转盘（1）的转动方向，由单片机AT89C16采集三个所述霍尔元件ES732触发信号顺序获得；速度数据提取方法：通过转盘（1）的转动，由单片机AT89C16采集三个所述霍尔元件ES732触发信号间隔时间数据获得；安装在所述模拟力矩助力动态采集电路板上的姿态模块MPU6050的姿态为：坐标X保持水平，坐标Z保持垂直，单片机AT89C16以此时的采集的信号数据作为其位置平衡的数据，以此数据作为程序判断的初始状态；模拟力矩助力动态采集器电路以单片机AT89C16为中心处理器，利用姿态模块MPU6050的姿态可知性，经过I²C总线与单片机AT89C16通信，以此作为坡度识别器；单片机AT89C16的SCL端口、SDL端口分别连接姿态模块MPU6050的SCL端口、SDL端口，SCL和SDL是 I2C通信的数据和时钟线；单片机AT89C16的三个通用I/O端口PIO0_6、PIO0_7和PIO0_12分别连接三个霍尔元件ES732；单片机AT89C16的PWM输出端口PIO0_0经电阻R3 连接输出电压接口J2。