磁性位置传感器如何通过踏板辅助系统更有效地驱动电动自行车

       在电动自行车中，通过测量踏板速率来确定所需的电机辅助功能。

       本文介绍了两种测量踏板速率的设计：一种是一对常见的一维（1D）磁位传感器，另一种是二维（2D）磁速度和方向传感器。对于每个方案，我们将讨论典型的应用电路、磁体布局和传感器。

       2D传感器的设计可以简化踏板辅助系统（PAS）组装模块，减少材料清单（BOM）。电动自行车在环保、时尚、娱乐等方面都有优势，因此在市场上很受欢迎。

       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，可以是无刷直流（BLDC）电机供电，通过控制器使用踏板辅助算法估计应用于电机的功率。电子控制单元（ECU）控制电机功率的输入参数，如油门、制动器、踏板速率和电动自行车行驶速度。典型的电动自行车踏板辅助系统骑自行车的人更容易完成踏板、骑自行车、爬坡等任务，从而减轻骑手的疲劳，提高里程。踏板辅助系统由连接到车轮上的电机组成。

       当骑自行车的人开始踩踏板时，ECU控制电机为电动自行车提供动力。只有当骑自行车的人开始踩踏板，并且电动自行车达到最低速度时，才会提供踏板辅助。

       该应用包括两种类型的传感器：扭矩传感器用于测量踏板上的力，而踏板辅助传感器则用于测量踏板速率。PAS传感器又称节奏传感器。扭矩传感器要么使用应变器（strain gauge）为了确定骑自行车的人在踏板上施加的力，或者测量驱动轴中产生的扭曲程度。骑自行车的人踩得越猛，电机提供的动力就越大。

       电动自行车踏板辅助系统（PAS）。电动自行车驱动轴的速度和方向由踏板辅助传感器检测。只有当骑手向前行驶踏板时，传感器才需要提供速度数据，这是非常必要的，以确保骑手的安全。该传感器最常用于低成本应用，其中踏板速率是开环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。此时，电动自行车的使用与典型自行车没有什么不同。PAS1是低踏板辅助要求，PAS2是中级，PAS3是高级。随着踏板辅助的增加，骑自行车的人只需要施加更少的动力，这样他们就可以享受更舒适的骑行。                              

       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主驱动轴旋转的外壳内。传感器用于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，输出信号的频率越高，需要更大的动力辅助。踏板辅助传感器有一个需要5V保护电源、接地和输出线的三线接口。输出采用漏极开路配置，因此需要上拉电阻。

       安装和组件踏板辅助传感器。传统设计：一对1D位置传感器锁定器踏板辅助传感器应用通常使用一个微控制器和两个1D磁位置传感器锁定器（sensor latches），比如Allegro APS12202。APS12202是霍尔效应1D平面锁定器，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，因此每转输出端可以提供12个方波脉冲。所有磁体布置为北极径向对外传感器IC。正交放置的两个锁定装置提供相移脉冲，控制器从每个锁定装置获取输出，并在只向前方向执行脚踏时提供输出。该设计所示，显示了磁体排列、IC观察到的磁场和典型的应用电路。集成了绘制的磁场值，使在12个交替磁体布局下接收到的最大磁场为1。AG1适用于三个气隙，从IC表面到目标表面测量、AG2和AG3的气隙分别为1mm、2mm和3mm。

       踏板辅助传感器采用1D位置传感器。IC观察到的磁场采用2D传感器APS12205的磁体布局。简化设计：采用单个2D磁速度和方向传感器IC，简化踏板辅助系统的设计和生产，最大限度地减少BOM，提高空间比例。例如，Allegro APS12625是一种单芯片、速度和方向输出、霍尔效应锁存器，采用小型SOT-23-5包装。     

       APS12625的速度和方向输出可以结合在一起，为电动自行车踏板辅助传感器提供独特的接口。与1D位置传感锁存器的设计相比，APS12625可以感知放置在旋转目标中磁体呈现的正交(如ZX)磁场，可以提供近50%的空比测量优势。APS12625提供的小型化和简化设计优势可以取代传统1D位置传感器锁存设计中使用的一对锁存和控制器电路，从而减少BOM。简化设计所示，显示PCB组件和典型的应用电路，无需额外电路即可提供所需的输出。

       踏板辅助传感器采用2D速度和方向传感器。采用APS12625，输出为有线AND。在向前踏板的过程中，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；内部MOSFET导通，方向输出B为低电平，因此输出降低。踏板辅助传感器的输出波形。

       踏板辅助传感器输出波形。采用单个2D磁速度和方向传感器简化设计的磁体布局。为了使用上述IC的双磁体排列和观察到的相应场波形，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，用于三个间隙（AG）参考条件。磁通密度值已归一化，因此在12个交替磁体布局下接收的最大磁场为1。

       这种集成是为了便于比较各种磁体布局，0和1之间的通量密度表示南极性，0和-1之间的通量密度值表示北极性。AG1是指传感器IC与目标表面之间的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。它可以通过电动自行车的动力辅助功能提供更大的乘坐舒适性。PAS的高效性在很大程度上取决于为控制器提供踏板速率的踏板辅助传感器。高效的PAS设计可以通过使用一对1D磁锁或单个2D速度和方向传感器来完成。我们在这里提供的Allegro解决方案可以简化设计，减少BOM的数量。

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