摘要

配備油門（throttle）和踏板輔助功能的電動(dòng)自行車正在成為短途運(yùn)輸?shù)氖走x。在電動(dòng)自行車中，所需的馬達(dá)輔助功能是通過測(cè)量踏板速率來確定。本文介紹了測(cè)量踏板速率的兩種設(shè)計(jì)：一種是采用一對(duì)常見的一維（1D）磁性位置傳感器設(shè)計(jì)；第二種則是采用一個(gè)二維（2D）磁性速度和方向傳感器。針對(duì)每個(gè)方案，我們將討論典型的應(yīng)用電路、磁體布置和傳感器。2D傳感器的設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化踏板輔助系統(tǒng)（PAS）模塊的組裝，并減少材料清單（BOM）。

引言

電動(dòng)自行車在環(huán)保、時(shí)尚、娛樂等方面都有優(yōu)勢(shì)，因此大受市場(chǎng)歡迎。電動(dòng)自行車本質(zhì)上是一種添加了可充電電池的傳統(tǒng)自行車，該電池可為無刷直流（BLDC）電機(jī)供電，通過一個(gè)控制器使用踏板輔助算法來估算要施加到電動(dòng)機(jī)的功率。電子控制單元（ECU）基于油門、制動(dòng)器、踏板速率和電動(dòng)自行車行駛速度等輸入?yún)?shù)來控制電機(jī)功率。

踏板輔助系統(tǒng)

典型的電動(dòng)自行車踏板輔助系統(tǒng)（PAS）（見圖1）能夠使騎車人更容易完成踏板、騎行和爬坡等任務(wù)，因而可以減輕騎手的疲勞，提高騎行里程范圍。踏板輔助系統(tǒng)由一個(gè)連接在車輪上的電機(jī)組成，當(dāng)騎車人開始踩踏板時(shí)，ECU控制電機(jī)為電動(dòng)自行車提供動(dòng)力。只有當(dāng)騎車人開始踩踏板，并且電動(dòng)自行車達(dá)到最低速度時(shí)，踏板輔助才會(huì)提供。在該應(yīng)用中包括兩種類型的傳感器：扭矩傳感器用于測(cè)量在踏板上的作用力，踏板輔助傳感器則測(cè)量踏板速率。PAS傳感器也稱為節(jié)奏傳感器。扭矩傳感器要么使用應(yīng)變器（strain gauge）來確定騎車人施加在踏板上的力，要么測(cè)量在驅(qū)動(dòng)軸中產(chǎn)生的扭曲程度。騎車人踩得越猛，馬達(dá)提供的動(dòng)力就越多。

圖1：電動(dòng)自行車踏板輔助系統(tǒng)（PAS）。

踏板輔助傳感器檢測(cè)電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)軸的速度和方向。僅在騎手向前進(jìn)方向執(zhí)行踏板操作時(shí)，傳感器才需要提供速度數(shù)據(jù)，這對(duì)于確保騎車人的安全非常必要。該傳感器最常用于低成本應(yīng)用，其中踏板速率是開環(huán)中電機(jī)啟動(dòng)和電機(jī)功率控制的必要輸入。

騎手通常可以從三個(gè)或多個(gè)PAS設(shè)置中選擇踏板輔助級(jí)別（見圖2）。圖3顯示了三種PAS設(shè)置下電機(jī)功率與踏板速率的關(guān)系圖：PAS0（未顯示）是無踏板輔助要求，此時(shí)電動(dòng)自行車與典型自行車使用情況無異，PAS1是低踏板輔助要求，PAS2為中級(jí)，而PAS3則是高級(jí)。隨著踏板輔助的增大，騎車人只需施加更少的動(dòng)力，因而能夠享受更舒適的騎行。

圖2：PAS選擇開關(guān)。                          圖3：踏板輔助選擇選項(xiàng)。

踏板輔助傳感器

在踏板輔助傳感器中，分立式磁體對(duì)稱部署在隨主驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)的外殼內(nèi)部。傳感器用來檢測(cè)這些磁體的旋轉(zhuǎn)速度和方向，并提供相應(yīng)的方波輸出脈沖。踏板速度越快，輸出信號(hào)的頻率就越高，就需要更大的動(dòng)力輔助。

圖4所示為一些電動(dòng)自行車上的踏板輔助傳感器和類似的傳感器組件。踏板輔助傳感器有一個(gè)三線接口，需要5V保護(hù)電源、接地和輸出線。輸出采用漏極開路配置，因此需要一個(gè)上拉電阻器。

圖4：踏板輔助傳感器的安裝和組件。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)：使用一對(duì)1D位置傳感鎖存器

踏板輔助傳感器應(yīng)用通常使用一個(gè)微控制器和兩個(gè)1D磁性位置傳感鎖存器（sensor latches），如Allegro APS12202。APS12202是一種先進(jìn)、精確的霍爾效應(yīng)1D平面鎖存器，具有對(duì)稱磁開關(guān)點(diǎn)和3～24V電源電壓范圍。在這種設(shè)計(jì)中，使用了12個(gè)磁體，因此輸出端每轉(zhuǎn)可提供12個(gè)方波脈沖。所有磁體都布置成北極徑向朝外對(duì)傳感器IC。正交放置的兩個(gè)鎖存器器件提供相移脈沖，控制器從各個(gè)鎖存器獲取輸出，并在僅沿前進(jìn)方向執(zhí)行腳踏時(shí)提供輸出。

該設(shè)計(jì)如圖5所示，其中顯示了磁體排列、IC觀察到的磁場(chǎng)以及典型的應(yīng)用電路。圖6對(duì)繪制的磁場(chǎng)值進(jìn)行歸一化，使得在12個(gè)交替磁體布置的情況下接收到的最大磁場(chǎng)為1。繪制的圖表適用于三個(gè)氣隙，從IC表面到目標(biāo)表面測(cè)量，AG1、AG2和AG3的氣隙分別為1mm、2mm和3mm。

圖5：采用1D位置傳感器的踏板輔助傳感器。

圖6：采用2D傳感器APS12205的磁體布置和IC觀察到的磁場(chǎng)。

簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)：采用單個(gè)2D磁性速度和方向傳感器IC

使用單一2D磁性速度和方向傳感器IC可以簡(jiǎn)化踏板輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，最大限度地減少BOM，并提高占空比。例如，Allegro APS12625是一款采用小型SOT-23-5封裝的單芯片、速度和方向輸出、霍爾效應(yīng)鎖存器。APS12625的速度和方向輸出可以組合在一起，為電動(dòng)自行車踏板輔助傳感器提供獨(dú)特的接口。APS12625可感測(cè)放置在旋轉(zhuǎn)目標(biāo)中磁體所呈現(xiàn)的正交（如ZX）磁場(chǎng)，與1D位置傳感鎖存器設(shè)計(jì)相比，可提供近50%的占空比測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)。APS12625所提供的小型化以及簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)可以取代傳統(tǒng)1D位置傳感器鎖存器設(shè)計(jì)中使用的一對(duì)鎖存器和控制器電路，從而減少了BOM。該簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)如圖7所示，其中顯示了PCB組件和典型應(yīng)用電路，無需額外電路即可提供所需輸出。

圖7：采用2D速度和方向傳感器的踏板輔助傳感器。

該設(shè)計(jì)采用的是APS12625，輸出為有線AND（見圖7右側(cè)中的應(yīng)用電路）。在向前蹬踏板過程中，內(nèi)部MOSFET斷開，方向輸出B為高電平，因此速度輸出A提供脈沖；在反方向踩踏板時(shí)，內(nèi)部MOSFET導(dǎo)通，方向輸出B為低電平，因此輸出被拉低。踏板輔助傳感器的輸出波形如圖8所示。

圖8：踏板輔助傳感器的輸出波形。

使用單個(gè)2D磁性速度和方向傳感器簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的磁體布置

如圖6所示，為采用上述IC的雙磁體排列以及觀察到的相應(yīng)場(chǎng)波形，其中標(biāo)記了每個(gè)磁體排列的極性（北，N；南，S），并繪制了X方向和Z方向磁通密度的模擬圖，以供在三種氣隙（AG）條件下參考。磁通密度值已經(jīng)歸一化，因而在12個(gè)交替磁體布置情況下接收的最大磁場(chǎng)為1。進(jìn)行這種歸一化是為了便于比較各種磁體布置，0和1之間的通量密度表示南極性，通量密度值介于0和-1之間表示北極性。

AG1是指?jìng)鞲衅鱅C和目標(biāo)表面之間1mm氣隙。同樣，AG2和AG3分別對(duì)應(yīng)于2mm和3mm的氣隙。表1總結(jié)了這些布局的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。

結(jié)論

電動(dòng)自行車為現(xiàn)代個(gè)人出行做出了巨大貢獻(xiàn)。通過電動(dòng)自行車的動(dòng)力輔助功能，可以使它提供更大的乘坐舒適性。PAS的高效性很大程度上取決于向控制器提供踏板速率的踏板輔助傳感器，透過使用一對(duì)1D磁性鎖存器或單個(gè)2D速度和方向傳感器即可完成高效PAS設(shè)計(jì)，我們這里提供的Allegro解決方案可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并減少BOM數(shù)量。