確定傳感器需求

一輛電動(dòng)自行車（或電動(dòng)助力自行車）就是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，它必須能夠?yàn)槟切缀鯖]有騎過電動(dòng)自行車的騎手提供平穩(wěn)的過渡。這類自行車的另一個(gè)主要目標(biāo)是讓騎手既能鍛煉身體，同時(shí)在爬坡或高速騎行時(shí)又不必那么費(fèi)力。

圖 1 展示了電動(dòng)自行車中需要位置傳感器的許多功能。

圖 1 電動(dòng)自行車位置傳感器

電機(jī)位置和換向

能夠確定電機(jī)位置，便可提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)器向電機(jī)高效輸送功率以獲得最佳扭矩的能力。在電池供電應(yīng)用中，功率的高效利用對(duì)于整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

圖 2 電動(dòng)自行車電機(jī)

傳統(tǒng)電機(jī)換向通過圍繞轉(zhuǎn)子、間隔 120° 的 3 個(gè)霍爾效應(yīng)鎖存器來實(shí)現(xiàn)。安裝在轉(zhuǎn)子軸上的磁體提供交變磁場(chǎng)，然后交變磁場(chǎng)用于同步和控制旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子。

使用 TMAG6180-Q1 和 TMAG6181-Q1 等器件可以進(jìn)一步擴(kuò)展此概念，這些器件可以在電機(jī)的所有角度位置產(chǎn)生差分正弦和余弦輸出，同時(shí)支持 100kHz 的檢測(cè)帶寬。由于增加了隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)來計(jì)算轉(zhuǎn)子絕對(duì)角度的能力，因此可以提供更高的分辨率，從而更準(zhǔn)確地控制電機(jī)。

輪速

對(duì)于所有類型的自行車來說，一個(gè)基本但關(guān)鍵的功能是檢測(cè)輪速。通常，磁體安裝在前輪的輻條上，而霍爾效應(yīng)開關(guān)位于前叉上。隨著車輪的旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)會(huì)記錄轉(zhuǎn)數(shù)，以計(jì)算自行車的行駛速度。這些數(shù)據(jù)可用于設(shè)置最大行駛速度，保持恒定的巡航速度，以及向騎手提供即時(shí)反饋，從而提高用戶安全性。

圖 3 輪速檢測(cè)

此設(shè)計(jì)通常采用 TMAG5231 或 DRV5032 等低功耗開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，但無論車輪的旋轉(zhuǎn)方向如何，此設(shè)計(jì)都以相同的方式來計(jì)算速度，因?yàn)殚_關(guān)針對(duì)正向或反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生相同的響應(yīng)。

如果需要方向信息，可以通過將開關(guān)替換為 2D 鎖存器（比如 TMAG5111-Q1），并增加一個(gè)朝向相反極性的磁體來確定方向。2D 鎖存器在 XY、YZ 和 ZX 變體中提供了更多的對(duì)齊和磁體磁極靈活性。

Cadence

與輪速檢測(cè)類似，踏頻監(jiān)測(cè)器會(huì)跟蹤曲軸的踏板速度。在帶有踏板輔助的電動(dòng)自行車上，此功能尤為重要，因?yàn)樵摴δ軙?huì)向控制器提供騎手正在積極騎行的信息，并可供行車電腦用于計(jì)算騎手的用力程度。許多電動(dòng)自行車都要求在啟動(dòng)電機(jī)之前，確保踏頻監(jiān)測(cè)器處于活動(dòng)狀態(tài)。

圖 4 踏頻監(jiān)測(cè)器配置

傳統(tǒng)的踏頻監(jiān)測(cè)器采用單個(gè)霍爾效應(yīng)鎖存器監(jiān)測(cè)分布在鏈輪周圍的磁體來實(shí)現(xiàn)。磁體數(shù)量越多，騎手在觸發(fā)傳感器和啟動(dòng)電機(jī)之前所需付出的努力就越少。使用帶有交替磁極的 2D 霍爾效應(yīng)鎖存器可以生成每對(duì)磁極具有四種狀態(tài)的正交信號(hào)。

圖 5 2D 霍爾效應(yīng)鎖存器響應(yīng)

更先進(jìn)的系統(tǒng)可以通過按齒輪傳動(dòng)比連接磁體來實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。例如，使用 TMAG5111-Q1 進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，如果一個(gè)徑向磁體以 20:1 的比例與踏板一起旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)一圈可以提供 80 個(gè)脈沖。因此，可以確定踏板的旋轉(zhuǎn)方向。

轉(zhuǎn)矩

與僅僅使用踏頻相比，扭矩檢測(cè)能夠?yàn)轵T手提供更自然的響應(yīng)和騎行體驗(yàn)，因此備受歡迎。通過監(jiān)測(cè)底座支架中曲軸或后鏈輪上的扭矩，電動(dòng)自行車可以接收騎手的瞬時(shí)反饋?？刂扑惴梢愿鶕?jù)人體能量輸來設(shè)置可變電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這有效地增幅了騎手的力量，使騎行反應(yīng)更加平順。

底座支架設(shè)計(jì)通常使用安裝在踏板曲柄軸上的應(yīng)變儀來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)扭矩作用在曲軸上時(shí)，金屬會(huì)發(fā)生變形，這可用于觀測(cè)所裝應(yīng)變儀的電阻變化。

后鏈輪設(shè)計(jì)使用的支架能夠在受力時(shí)彎曲。在正確安裝后鏈輪的情況下，這可能會(huì)導(dǎo)致 DRV5055-Q1 等霍爾效應(yīng)傳感器附近安裝的磁體發(fā)生一些彎曲。彎曲會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)發(fā)生變化，然后這種變化會(huì)在傳感器輸出中表現(xiàn)為電壓變化。

圖 6 后鏈輪鏈條扭矩檢測(cè)

應(yīng)變儀的彎曲程度會(huì)隨著騎手施加的力量而變化。輪速、踏頻和扭矩相結(jié)合，為微控制器提供了完整的信息，指明了騎手的用力程度以及需要電機(jī)提供多少輔助才能提供最平穩(wěn)的騎行體驗(yàn)。

油門

如果騎手想要使用電機(jī)提供所需的全部動(dòng)力，則需要使用油門輸入來設(shè)置自行車的行駛速度。這可以通過安裝在車把上的拇指桿來實(shí)現(xiàn)。

圖 7 拇指按壓油門

使用沿軸旋轉(zhuǎn)的徑向磁體并在相鄰位置放置一個(gè)角度傳感器，可以非常輕松地監(jiān)控此功能。TMAG5170-Q1 或 TMAG5173-Q1 都提供集成式 CORDIC 來跟蹤磁場(chǎng)的角度方向。然后，微控制器可以使用拇指桿的位置來設(shè)置行駛速度。

制動(dòng)輔助

傳統(tǒng)的手剎使用直接接合盤式剎車或卡鉗剎車的拉索系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。該拉索容易拉伸、腐蝕和損壞，需要定期維護(hù)才能確保剎車正常工作。這可以被電氣系統(tǒng)取代，不需要依賴長(zhǎng)長(zhǎng)的拉索。

與油門類似，車把上的剎車手柄可以使用 3D 霍爾效應(yīng)傳感器（TMAG5170-Q1 或 TMAG5173-Q1）測(cè)量旋轉(zhuǎn)磁體的角度位置來實(shí)現(xiàn)。

其他方法會(huì)在彈簧柱塞上放置圓柱體磁體或條形磁體，從而實(shí)現(xiàn)線性位移，這個(gè)位移可以使用傳統(tǒng)的一維霍爾效應(yīng)傳感器（如 DRV5055-Q1）進(jìn)行跟蹤。

圖 8 制動(dòng)輔助配置

此外，電動(dòng)自行車可以選配再生制動(dòng)，這需要實(shí)施電子制動(dòng)系統(tǒng)來控制何時(shí)使用電機(jī)減速或施加機(jī)械剎車以實(shí)現(xiàn)更快的減速。

電子變速

現(xiàn)代電子變速器和輪轂盒能夠準(zhǔn)確地?fù)Q檔，而無需使用容易拉伸和磨損的機(jī)械拉索。由于位置精度的提升，齒輪輪轂和鏈條的壽命會(huì)相應(yīng)地增加。

高級(jí)換檔系統(tǒng)將齒輪總成置于后輪轂內(nèi)或電機(jī)殼體內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)，同時(shí)能夠防止受到外部沖擊。這有助于防止意外錯(cuò)位，并減少對(duì)拉索的需求。

這些應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)包括磁感應(yīng) (TMAG6180-Q1) 和感應(yīng)傳感 (LDC3114-Q1) 在內(nèi)的緊湊型角度檢測(cè)設(shè)計(jì)。

握持和座椅檢測(cè)

作為安全預(yù)防措施，可以在啟動(dòng)電機(jī)之前確定騎手是否已正確就座并握住車把。這有助于防止騎手推車行走時(shí)意外按下油門的情況。如果沒有在這些接觸點(diǎn)上正確檢測(cè)到壓力，則電機(jī)不會(huì)啟動(dòng)。

LDC3114-Q1 是一款電感式傳感器，可用于通過基線跟蹤算法跟蹤握持時(shí)發(fā)生的微小位移變化，該算法有助于防止由于系統(tǒng)的環(huán)境變化而導(dǎo)致的誤觸發(fā)事件。傳感器線圈位于橡膠把手下方或座椅緩沖墊內(nèi)。當(dāng)車把或座椅受到壓力時(shí)，線圈會(huì)向自行車的金屬框架彎曲，而 LDC3114-Q1 會(huì)檢測(cè)這種彎曲。

撐腳架

與握持檢測(cè)類似，自行車撐腳架可用作確定電動(dòng)自行車運(yùn)行狀態(tài)的安全措施。如果撐腳架降下，撐腳架可能會(huì)對(duì)騎手造成危險(xiǎn)，并且電機(jī)一定不能啟動(dòng)。

撐腳架的實(shí)現(xiàn)方式與制動(dòng)輔助相同，使用旋轉(zhuǎn)磁體或柱塞上目標(biāo)磁體的線性位移來監(jiān)測(cè)撐腳架功能。

總結(jié)

自從有人首次在自行車上安裝電池驅(qū)動(dòng)電機(jī)以來，電動(dòng)自行車一直在不斷發(fā)展。隨著傳感器技術(shù)的創(chuàng)新，電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)人員可以增加新功能和做出改進(jìn)，使電動(dòng)自行車更高效、更易于騎行。

可以考慮試譯以下位置檢測(cè)器件：