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CN111959656B - 一种脚踏信息感测装置及脚踏车 - Google Patents

一种脚踏信息感测装置及脚踏车 Download PDF

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CN111959656B CN202010671830.2A CN202010671830A CN111959656B CN 111959656 B CN111959656 B CN 111959656B CN 202010671830 A CN202010671830 A CN 202010671830A CN 111959656 B CN111959656 B CN 111959656B
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Abstract

本发明提供了一种脚踏信息感测装置及脚踏车，涉及一种脚踏驱动部分的设置。它解决了现有技术中脚踏信息检测精度差、设备复杂的问题。本脚踏信息感测装置，所述旋转信号产生部件为磁环，所述旋转信号检测部件为霍尔元件A、霍尔元件B，所述磁环周向分布有磁极，所述磁环上相邻两个磁极的极性相反，使得沿磁环周向形成周期变化的磁场，对应磁环上的磁极设置有霍尔元件A、霍尔元件B，两个霍尔元件输出信号连接异或门电路，两个霍尔元件输出信号连接第一D触发器的输入，异或门电路与第一D触发器的输出信号接到与门电路的输入，与门电路的输出信号反映脚踏信息。本脚踏信息感测装置可以实现脚踏信息的精确检测，且采用简单的硬件实现。

Description

一种脚踏信息感测装置及脚踏车
技术领域
本发明属于骑行车辆传感器技术领域，涉及脚踏信息检测装置。
背景技术
随著电动助力自行车在的全球市场的普及化，而电动助力车在使用上以及，将骑乘者的踩踏力量、频率，传送给控制器，让控制器再通过骑乘者藉由人机接口来调整所需要的助力比，进而驱动电机给自行车提供辅助动力。
早期的轮毂电机所搭配的单纯踏频传感器，只计算骑乘者的脚踏快慢来提供助力，且常见为12个磁极的传感器，精度不高，且无正反向判断，容易使骑乘者在开始踩踏时需要旋转很大的角度后电机才有输出，同样的也发生在脚踏停止时，电机会延迟很长的时间才会停止助力，从而降低了电动助力自行车的骑行体验。
目前市场上已有安装于脚踏五通外侧的速度传感器、以及安装于五通内部的踏频传感器，能够将骑乘者的脚踏频率准确的传送给控制器，再藉由控制器来准确的控制助力比，使骑乘者获得如同传统自行车的骑行体验。
目前所使用的脚踏速度传感器需要判断正反向时，采用了内建正反向双霍尔集成IC或者使用双霍尔加上单片机程序来实现正反向判断功能，除了成本高额的增加外，并且在单片机的程序安全性逻辑判断增加复杂程度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种脚踏信息感测装置及脚踏车，本脚踏信息感测装置可以实现脚踏信息的精确检测，且采用简单的硬件实现。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现： 一种脚踏信息感测装置，包括旋转信号产生部件、旋转信号检测部件，旋转信号产生部件产生周期信号，即在旋转路径上形成周期变化的信号，旋转信号检测部件可检测这些周期信号的变化，旋转信号检测部件包括第一信号检测单元、第二信号检测单元，第一信号检测单元、第二信号检测单元相对周期信号的电气相位角度相差90度或270度，从而保证两个检测单元产生的周期信号具有90度或270度的相位差，第一信号检测单元、第二信号检测单元输出信号同时连接到异或门电路，经过异或门电路产生原周期信号倍频的信号，第一信号检测单元、第二信号检测单元输出信号同时也连接到第一D触发器的输入，一个连接D触发器的时钟输入端一个连接数据输入端，异或门电路与第一D触发器的输出信号接到与门电路的输入，与门电路输出的不同信号反映脚踏信息。
在某些实施例中，第一信号检测单元、第二信号检测单元输出信号经过非门电路后连接到第二D触发器，异或门电路、第一D触发器与第二D触发器同时连接与门电路的输入。从而在旋转信号产生部件的转向发生变化的瞬间即实现与门电路输出状态的变化，避免信号因相位延迟带来的延迟现象。
在某些实施例中，异或门电路、第一D触发器与第二D触发器同时连接与非门电路的输入，与非门电路的输出连接三极管的基极。
在某些实施例中，所述旋转信号产生部件为磁环，所述旋转信号检测部件为霍尔元件A、霍尔元件B，所述磁环周向分布有磁极，所述磁环上相邻两个磁极的极性相反，使得沿磁环周向形成周期变化的磁场，对应磁环上的磁极设置有霍尔元件A、霍尔元件B，所述霍尔元件A与霍尔元件B相对磁环的电气相位角度相差90度或270度，两个霍尔元件输出信号连接异或门电路，两个霍尔元件输出信号连接第一D触发器的输入，异或门电路与第一D触发器的输出信号接到与门电路的输入，与门电路的输出信号反映脚踏信息。
在某些实施例中，所述霍尔元件A与霍尔元件B经过非门电路后连接第二D触发器，异或门电路、第一D触发器与第二D触发器同时连接与门电路的输入。
在某些实施例中，所述霍尔元件A与霍尔元件B经过非门电路后连接第二D触发器，异或门电路、第一D触发器与第二D触发器同时连接与非门电路的输入，与非门电路的输出连接三极管的基极。
一种应用上述脚踏信息感测装置的脚踏车，旋转信号产生部件相对脚踏轴固定。
与现有技术相比，本脚踏信息感测装置具有以下优点：
本发明利用两个霍尔元件及简易成熟的逻辑晶片可将多极性磁环输出两倍或两倍以上的输出信号及正反向信号，可将脚踏速度的解析度提高，有利于助力车控制器进行骑行判读，提升电机输出的灵敏度，且结构简单，操作方便，成本低。
附图说明
在附图(其不一定是按比例绘制的)中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同示例。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
图1是霍尔传感器相对磁环位置及对应产生的电气波形示意图；
图2是实施例一的电路构成示意图；
图3是实施例一的磁环逆时针方向旋转转动电路各元件的产生的波形示意图；
图4是实施例一的磁环顺时针方向旋转转动电路各元件的产生的波形示意图；
图5是实施例一的磁环在霍尔元件A与霍尔元件B均处于低电位时转向发生反转的示意图；
图6是实施例一的磁环在霍尔元件A与霍尔元件B均处于高电位时转向发生反转的示意图；
图7是实施例二的电路示意图；
图8是实施例二的电路各元件输出的波形示意图；
图9是实施例三的示意图；
图10是实施例四的示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例，以下实施方式并不限制权利要求书所涉及的发明。此外，实施方式中说明的特征的所有组合未必是发明的解决方案所必须的。
本领域的普通技术人员应理解，所有的定向参考(例如，上方、下方、向上、上、向下、下、顶部、底部、左、右、垂直、水平等)描述性地用于附图以有助于读者理解，且不表示(例如，对位置、方位或用途等)对由所附权利要求书限定的本发明的范围的限制。另外，术语“基本上”可以是指条件、量、值或尺寸等的轻微不精确或轻微偏差，其中的一些在制造偏差或容限范围内。
实施例一
如图1、2所示，一种脚踏信息感测装置，包括旋转信号产生部件、旋转信号检测部件，旋转信号产生部件产生周期信号，即在旋转路径上形成周期变化的信号，旋转信号检测部件可检测这些周期信号的变化，所述旋转信号产生部件为磁环，所述旋转信号检测部件为霍尔元件A、霍尔元件B，所述磁环周向分布有磁极，所述磁环上相邻两个磁极的极性相反，使得沿磁环周向周围形成周期变化的磁场，对应磁环上的磁极设置有霍尔元件A、霍尔元件B，从而霍尔元件相对于磁环的不同位置感受到磁场极性即强度也是周期变化的，且在位置关系上使得所述霍尔元件A与霍尔元件B相对磁环周期磁场的相位角5相差90度，即霍尔元件A、霍尔元件B将周期信号转换成对应的方波输出，所述霍尔元件A与霍尔元件B相对磁环产生的方波的电气相位角度相差90度(当然也可以像图中霍尔元件C那样相对霍尔元件A相差270度电气相位角的设置方式，原理相同)，两个霍尔元件输出信号连接异或门电路，两个霍尔元件输出信号连接第一D触发器的输入，异或门电路与第一D触发器的输出信号接到与门电路的输入，与门电路的输出信号反映脚踏信息。
如图3所示，当多极性磁环处于正转的状态下（即逆时钟方向），霍尔元件A、霍尔元件B、异或门电路的输出、D触发器的输出、与门的输出波形如图3所示，此时D触发器输出信号为高电平，从而使得与门的输出信号等于霍尔元件A、霍尔元件B输出信号的倍频，该频率信号的输出不但反映了磁环的转向也同时反应了转速，该方向可脚踏驱动车辆向前行驶时的方向一致，这样可检测出驱动的脚踏速度。
如图4所示，当多极性磁环处于反转的状态下，霍尔元件A、霍尔元件B、异或门电路的输出、D触发器的输出、与门的输出波形如图4所示，此时D正反器输出信号为低电平，从而使得与门的输出信号保持为低电位，不反映磁环的转速。
改脚踏信息感测装置设置在脚踏车上应用时，旋转信号产生部件相对脚踏轴固定，使得脚踏轴带动其转动，霍尔元件相对车体固定设置，从而检测脚踏行为的变化，以便控制器根据这些信息控制车辆的电机等部件工作，例如控制电机助力大小等。
当然霍尔元件为可将检测的周期变化信号以如图所示的方波形式输出的霍尔元件，例如A44E集成霍耳开关等。
实施例二
实施例一的设置方式还存在些许不足，例如，如图5所示，当正转持续输出到标线CCW->CW位置时发生反转，即霍尔元件A与霍尔元件B均处于低电位，此时第一D触发器可以即时的判别此状态，即所以第一D触发器能够即可的从高电位变化到持续低电位，从而使得与门的输出即可的反应了磁环转向的改变。但是，如图6所示，当反转位置发生在霍尔元件A与霍尔元件B均处于高电位的时候, 第一D触发器需要等到下一个触发位置才可以转变为低电位，这会导致与门的输出上就会有一个多余的波形输出，此多余的信号会给控制器造成误判别，反应延迟，进而影响骑行体验。
鉴于上述情况，与上述实施例不同的是，如图7所示，本实施例的所述霍尔元件A与霍尔元件B的信号经过非门电路取反后连接第二D触发器，异或门电路、第一D触发器与第二D触发器同时连接与门电路的输入，即异或门电路、第一D触发器与第二D触发器相与后的结果作为输出。这样如图8所示，由于输入第二D触发器的霍尔传感器的信号是经过取反后的信号，所以当磁环反转对应的位置发生在霍尔元件A与霍尔元件B均处于高电位的时候，第二D触发器可以即时的判别此状态，即所以第二D触发器能够即可的从高电位即刻的变化到持续低电位，从而使得与门的输出也可以即刻的发生变化，从高变为底，即刻的反应了磁环转向的改变，避免了一个D触发器带来的一个波形的延迟。
实施例三
如图9所示，与上述实施例不同的是，所述霍尔元件A与霍尔元件B经过非门电路后连接第二D触发器，异或门电路、第一D触发器与第二D触发器同时连接与非门电路的输入，与非门电路的输出连接三极管的基极，从而通过三极管的反映感测信号的变化。
实施例四
如图10所示，与上述实施例不同的是，磁环换成光度环，不同磁极换成不同反光率的材料（当然也可以是不同透光率的材料），即环形部件上不同材料处的反射光不同，检测部件相应的换成光信号检测元（A、B、C）件，例如反射式光强检测传感器（或其他光电传感器），从而相应产生与霍尔元件相似的波，其他电路不变，同样也能实现检测。当然磁环也可以采用其他能够在旋转周向产生周期性信号的装置代替，只要能够产生周期性变化的信号，被检测元件检测后输出为矩形波信号即可实现本发明的目的。
尽管本文较多地使用了一些术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。说明书及附图中所示的装置及方法中的动作、步骤等执行顺序，只要没有特别明示顺序的限定，只要前面处理的输出并不用在后面的处理中，则可以任意顺序实现。为描述方便起见而使用“首先”、“接着”等的说明，并不意味着必须依照这样的顺序实施。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种脚踏信息感测装置，包括旋转信号产生部件、旋转信号检测部件，旋转信号产生部件产生周期信号，旋转信号检测部件检测周期信号的变化，其特征在于，旋转信号检测部件包括第一信号检测单元、第二信号检测单元，第一信号检测单元、第二信号检测单元相对周期信号的电气相位角度相差90度或270度，第一信号检测单元、第二信号检测单元输出信号连接到异或门电路，第一信号检测单元、第二信号检测单元输出信号连接到第一D触发器的输入，异或门电路与第一D触发器的输出信号接到与门电路的输入，与门电路的输出信号反映脚踏信息；第一信号检测单元、第二信号检测单元输出信号经过非门电路后连接到第二D触发器，异或门电路、第一D触发器与第二D触发器同时连接与门电路的输入；异或门电路、第一D触发器与第二D触发器同时连接与非门电路的输入，与非门电路的输出连接三极管的基极。
2.根据权利要求1所述的脚踏信息感测装置，其特征在于，所述旋转信号产生部件为磁环，所述旋转信号检测部件为霍尔元件A、霍尔元件B，所述磁环周向分布有磁极，所述磁环上相邻两个磁极的极性相反，使得沿磁环周向形成周期变化的磁场，对应磁环上的磁极设置有霍尔元件A、霍尔元件B，所述霍尔元件A与霍尔元件B相对磁环的电气相位角度相差90度或270度，两个霍尔元件输出信号连接异或门电路，两个霍尔元件输出信号连接第一D触发器的输入，异或门电路与第一D触发器的输出信号接到与门电路的输入，与门电路的输出信号反映脚踏信息。
3.根据权利要求2所述的脚踏信息感测装置，其特征在于，所述霍尔元件A与霍尔元件B经过非门电路后连接第二D触发器，异或门电路、第一D触发器与第二D触发器同时连接与门电路的输入。
4.根据权利要求3所述的脚踏信息感测装置，其特征在于，所述霍尔元件A与霍尔元件B经过非门电路后连接第二D触发器，异或门电路、第一D触发器与第二D触发器同时连接与非门电路的输入，与非门电路的输出连接三极管的基极。
5.一种设置有如权利要求1或2或3或4所述的脚踏信息感测装置的脚踏车，其特征在于，旋转信号产生部件相对脚踏轴固定。
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