摘要

配备油门（throttle）和踏板辅助功能的电动自行车正在成为短途运输的首选。在电动自行车中，所需的马达辅助功能是通过测量踏板速率来确定。本文介绍了测量踏板速率的两种设计：一种是采用一对常见的一维（1D）磁性位置传感器设计；第二种则是采用一个二维（2D）磁性速度和方向传感器。针对每个方案，我们将讨论典型的应用电路、磁体布置和传感器。2D传感器的设计可以简化踏板辅助系统（PAS）模块的组装，并减少材料清单（BOM）。

引言

电动自行车在环保、时尚、娱乐等方面都有优势，因此大受市场欢迎。电动自行车本质上是一种添加了可充电电池的传统自行车，该电池可为无刷直流（BLDC）电机供电，通过一个控制器使用踏板辅助算法来估算要施加到电动机的功率。电子控制单元（ECU）基于油门、制动器、踏板速率和电动自行车行驶速度等输入参数来控制电机功率。

踏板辅助系统

典型的电动自行车踏板辅助系统（PAS）（见图1）能够使骑车人更容易完成踏板、骑行和爬坡等任务，因而可以减轻骑手的疲劳，提高骑行里程范围。踏板辅助系统由一个连接在车轮上的电机组成，当骑车人开始踩踏板时，ECU控制电机为电动自行车提供动力。只有当骑车人开始踩踏板，并且电动自行车达到最低速度时，踏板辅助才会提供。在该应用中包括两种类型的传感器：扭矩传感器用于测量在踏板上的作用力，踏板辅助传感器则测量踏板速率。PAS传感器也称为节奏传感器。扭矩传感器要么使用应变器（strain gauge）来确定骑车人施加在踏板上的力，要么测量在驱动轴中产生的扭曲程度。骑车人踩得越猛，马达提供的动力就越多。

图1：电动自行车踏板辅助系统（PAS）。

踏板辅助传感器检测电动自行车驱动轴的速度和方向。仅在骑手向前进方向执行踏板操作时，传感器才需要提供速度数据，这对于确保骑车人的安全非常必要。该传感器最常用于低成本应用，其中踏板速率是开环中电机启动和电机功率控制的必要输入。

骑手通常可以从三个或多个PAS设置中选择踏板辅助级别（见图2）。图3显示了三种PAS设置下电机功率与踏板速率的关系图：PAS0（未显示）是无踏板辅助要求，此时电动自行车与典型自行车使用情况无异，PAS1是低踏板辅助要求，PAS2为中级，而PAS3则是高级。随着踏板辅助的增大，骑车人只需施加更少的动力，因而能够享受更舒适的骑行。

图2：PAS选择开关。                          图3：踏板辅助选择选项。

踏板辅助传感器

在踏板辅助传感器中，分立式磁体对称部署在随主驱动轴旋转的外壳内部。传感器用来检测这些磁体的旋转速度和方向，并提供相应的方波输出脉冲。踏板速度越快，输出信号的频率就越高，就需要更大的动力辅助。

图4所示为一些电动自行车上的踏板辅助传感器和类似的传感器组件。踏板辅助传感器有一个三线接口，需要5V保护电源、接地和输出线。输出采用漏极开路配置，因此需要一个上拉电阻器。

图4：踏板辅助传感器的安装和组件。

传统设计：使用一对1D位置传感锁存器

踏板辅助传感器应用通常使用一个微控制器和两个1D磁性位置传感锁存器（sensor latches），如Allegro APS12202。APS12202是一种先进、精确的霍尔效应1D平面锁存器，具有对称磁开关点和3～24V电源电压范围。在这种设计中，使用了12个磁体，因此输出端每转可提供12个方波脉冲。所有磁体都布置成北极径向朝外对传感器IC。正交放置的两个锁存器器件提供相移脉冲，控制器从各个锁存器获取输出，并在仅沿前进方向执行脚踏时提供输出。

该设计如图5所示，其中显示了磁体排列、IC观察到的磁场以及典型的应用电路。图6对绘制的磁场值进行归一化，使得在12个交替磁体布置的情况下接收到的最大磁场为1。绘制的图表适用于三个气隙，从IC表面到目标表面测量，AG1、AG2和AG3的气隙分别为1mm、2mm和3mm。

图5：采用1D位置传感器的踏板辅助传感器。

图6：采用2D传感器APS12205的磁体布置和IC观察到的磁场。

简化设计：采用单个2D磁性速度和方向传感器IC

使用单一2D磁性速度和方向传感器IC可以简化踏板辅助系统的设计和生产，最大限度地减少BOM，并提高占空比。例如，Allegro APS12625是一款采用小型SOT-23-5封装的单芯片、速度和方向输出、霍尔效应锁存器。APS12625的速度和方向输出可以组合在一起，为电动自行车踏板辅助传感器提供独特的接口。APS12625可感测放置在旋转目标中磁体所呈现的正交（如ZX）磁场，与1D位置传感锁存器设计相比，可提供近50%的占空比测量优势。APS12625所提供的小型化以及简化设计优势可以取代传统1D位置传感器锁存器设计中使用的一对锁存器和控制器电路，从而减少了BOM。该简化设计如图7所示，其中显示了PCB组件和典型应用电路，无需额外电路即可提供所需输出。

图7：采用2D速度和方向传感器的踏板辅助传感器。

该设计采用的是APS12625，输出为有线AND（见图7右侧中的应用电路）。在向前蹬踏板过程中，内部MOSFET断开，方向输出B为高电平，因此速度输出A提供脉冲；在反方向踩踏板时，内部MOSFET导通，方向输出B为低电平，因此输出被拉低。踏板辅助传感器的输出波形如图8所示。

图8：踏板辅助传感器的输出波形。

使用单个2D磁性速度和方向传感器简化设计的磁体布置

如图6所示，为采用上述IC的双磁体排列以及观察到的相应场波形，其中标记了每个磁体排列的极性（北，N；南，S），并绘制了X方向和Z方向磁通密度的模拟图，以供在三种气隙（AG）条件下参考。磁通密度值已经归一化，因而在12个交替磁体布置情况下接收的最大磁场为1。进行这种归一化是为了便于比较各种磁体布置，0和1之间的通量密度表示南极性，通量密度值介于0和-1之间表示北极性。

AG1是指传感器IC和目标表面之间1mm气隙。同样，AG2和AG3分别对应于2mm和3mm的气隙。表1总结了这些布局的优势和挑战。

结论

电动自行车为现代个人出行做出了巨大贡献。通过电动自行车的动力辅助功能，可以使它提供更大的乘坐舒适性。PAS的高效性很大程度上取决于向控制器提供踏板速率的踏板辅助传感器，透过使用一对1D磁性锁存器或单个2D速度和方向传感器即可完成高效PAS设计，我们这里提供的Allegro解决方案可以简化设计，并减少BOM数量。