確定傳感器需求

一輛電動自行車（或電動助力自行車）就是一個復雜的系統，它必須能夠為那些幾乎沒有騎過電動自行車的騎手提供平穩的過渡。這類自行車的另一個主要目標是讓騎手既能鍛煉身體，同時在爬坡或高速騎行時又不必那么費力。

圖 1 展示了電動自行車中需要位置傳感器的許多功能。

圖 1 電動自行車位置傳感器

電機位置和換向

能夠確定電機位置，便可提高電機驅動器向電機高效輸送功率以獲得最佳扭矩的能力。在電池供電應用中，功率的高效利用對于整體系統設計至關重要。

圖 2 電動自行車電機

傳統電機換向通過圍繞轉子、間隔 120° 的 3 個霍爾效應鎖存器來實現。安裝在轉子軸上的磁體提供交變磁場，然后交變磁場用于同步和控制旋轉的轉子。

使用 TMAG6180-Q1 和 TMAG6181-Q1 等器件可以進一步擴展此概念，這些器件可以在電機的所有角度位置產生差分正弦和余弦輸出，同時支持 100kHz 的檢測帶寬。由于增加了隨著轉子旋轉來計算轉子絕對角度的能力，因此可以提供更高的分辨率，從而更準確地控制電機。

輪速

對于所有類型的自行車來說，一個基本但關鍵的功能是檢測輪速。通常，磁體安裝在前輪的輻條上，而霍爾效應開關位于前叉上。隨著車輪的旋轉，系統會記錄轉數，以計算自行車的行駛速度。這些數據可用于設置最大行駛速度，保持恒定的巡航速度，以及向騎手提供即時反饋，從而提高用戶安全性。

圖 3 輪速檢測

此設計通常采用 TMAG5231 或 DRV5032 等低功耗開關來實現，但無論車輪的旋轉方向如何，此設計都以相同的方式來計算速度，因為開關針對正向或反向旋轉產生相同的響應。

如果需要方向信息，可以通過將開關替換為 2D 鎖存器（比如 TMAG5111-Q1），并增加一個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齊和磁體磁極靈活性。

Cadence

與輪速檢測類似，踏頻監測器會跟蹤曲軸的踏板速度。在帶有踏板輔助的電動自行車上，此功能尤為重要，因為該功能會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算騎手的用力程度。許多電動自行車都要求在啟動電機之前，確保踏頻監測器處于活動狀態。

圖 4 踏頻監測器配置

傳統的踏頻監測器采用單個霍爾效應鎖存器監測分布在鏈輪周圍的磁體來實現。磁體數量越多，騎手在觸發傳感器和啟動電機之前所需付出的努力就越少。使用帶有交替磁極的 2D 霍爾效應鎖存器可以生成每對磁極具有四種狀態的正交信號。

圖 5 2D 霍爾效應鎖存器響應

更先進的系統可以通過按齒輪傳動比連接磁體來實現更高的分辨率。例如，使用 TMAG5111-Q1 進行監控時，如果一個徑向磁體以 20:1 的比例與踏板一起旋轉，每轉一圈可以提供 80 個脈沖。因此，可以確定踏板的旋轉方向。

轉矩

與僅僅使用踏頻相比，扭矩檢測能夠為騎手提供更自然的響應和騎行體驗，因此備受歡迎。通過監測底座支架中曲軸或后鏈輪上的扭矩，電動自行車可以接收騎手的瞬時反饋。控制算法可以根據人體能量輸來設置可變電機驅動。這有效地增幅了騎手的力量，使騎行反應更加平順。

底座支架設計通常使用安裝在踏板曲柄軸上的應變儀來實現。當扭矩作用在曲軸上時，金屬會發生變形，這可用于觀測所裝應變儀的電阻變化。

后鏈輪設計使用的支架能夠在受力時彎曲。在正確安裝后鏈輪的情況下，這可能會導致 DRV5055-Q1 等霍爾效應傳感器附近安裝的磁體發生一些彎曲。彎曲會導致磁場發生變化，然后這種變化會在傳感器輸出中表現為電壓變化。

圖 6 后鏈輪鏈條扭矩檢測

應變儀的彎曲程度會隨著騎手施加的力量而變化。輪速、踏頻和扭矩相結合，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提供多少輔助才能提供最平穩的騎行體驗。

油門

如果騎手想要使用電機提供所需的全部動力，則需要使用油門輸入來設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現。

圖 7 拇指按壓油門

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

制動輔助

傳統的手剎使用直接接合盤式剎車或卡鉗剎車的拉索系統來實現。該拉索容易拉伸、腐蝕和損壞，需要定期維護才能確保剎車正常工作。這可以被電氣系統取代，不需要依賴長長的拉索。

與油門類似，車把上的剎車手柄可以使用 3D 霍爾效應傳感器（TMAG5170-Q1 或 TMAG5173-Q1）測量旋轉磁體的角度位置來實現。

其他方法會在彈簧柱塞上放置圓柱體磁體或條形磁體，從而實現線性位移，這個位移可以使用傳統的一維霍爾效應傳感器（如 DRV5055-Q1）進行跟蹤。

圖 8 制動輔助配置

此外，電動自行車可以選配再生制動，這需要實施電子制動系統來控制何時使用電機減速或施加機械剎車以實現更快的減速。

電子變速

現代電子變速器和輪轂盒能夠準確地換檔，而無需使用容易拉伸和磨損的機械拉索。由于位置精度的提升，齒輪輪轂和鏈條的壽命會相應地增加。

高級換檔系統將齒輪總成置于后輪轂內或電機殼體內，以實現更緊湊的設計，同時能夠防止受到外部沖擊。這有助于防止意外錯位，并減少對拉索的需求。

這些應用中可以實現包括磁感應 (TMAG6180-Q1) 和感應傳感 (LDC3114-Q1) 在內的緊湊型角度檢測設計。

握持和座椅檢測

作為安全預防措施，可以在啟動電機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意外按下油門的情況。如果沒有在這些接觸點上正確檢測到壓力，則電機不會啟動。

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發生的微小位移變化，該算法有助于防止由于系統的環境變化而導致的誤觸發事件。傳感器線圈位于橡膠把手下方或座椅緩沖墊內。當車把或座椅受到壓力時，線圈會向自行車的金屬框架彎曲，而 LDC3114-Q1 會檢測這種彎曲。

撐腳架

與握持檢測類似，自行車撐腳架可用作確定電動自行車運行狀態的安全措施。如果撐腳架降下，撐腳架可能會對騎手造成危險，并且電機一定不能啟動。

撐腳架的實現方式與制動輔助相同，使用旋轉磁體或柱塞上目標磁體的線性位移來監測撐腳架功能。

總結

自從有人首次在自行車上安裝電池驅動電機以來，電動自行車一直在不斷發展。隨著傳感器技術的創新，電動自行車設計人員可以增加新功能和做出改進，使電動自行車更高效、更易于騎行。

可以考慮試譯以下位置檢測器件：