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华力创看E-bike（三）：感知--助力的核心

发布时间：

2023-03-09 10:26

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电动助力自行车（下文简称助力自行车）有许多名字，E-bike，电踏车，英文名为Pedelec，是由英文单词“踏板pedal”和“电动electric”两个单词组合而成。官方定义上：助力自行车是以电池作为辅助动力来源，安有电机并具备动力辅助系统，使用动态旋转力矩传感器感知骑行者踩踏力矩，从而能实现人力骑行和电机助动一体化的新型交通工具。说简单直白一些：助力自行车会在骑行者用力踩踏时“推”用户一把，使得踩踏不再费力，但又不直接暴力剥夺踩踏乐趣。

助力自行车的工作模式

与电动自行车相比，助力自行车一般无法工作在纯电动模式下，电机只能在骑行者踩踏时进行助力输出；与自行车相比，助力自行车能使骑行者在感受到踩踏乐趣的前提下花费更少体力。例如在爬坡或加速过程中，力矩传感器需要时刻感知骑行者的踩踏力，反馈给系统以保证助力输出与踩踏力的比例。若助力输出过高，骑行者将感受不到踩踏力，从而失去骑行乐趣；若助力输出过低，骑行者将得不到辅助，助力自行车也将失去意义。

助力自行车工作模式：爬坡模式（上）加速模式（下）

（资料来源：Bosch官网）

助力自行车是由自行车车体与动力辅助系统（Power Assisted System，PAS）两部分构成，其核心技术集中体现在动力辅助系统上。该系统由电池，电机模块，智能控制器及传感器四部分组成，其中传感器与电机的种类决定了助力自行车的定位。

助力自行车的核心--动态旋转力矩传感器

现阶段主流优秀品牌的助力自行车产品中，不论是中低端的轮毂电机助力自行车，还是高端中置电机助力自行车，其绕不开的共同核心都是力矩感知，也就是动态旋转力矩传感器。电机控制系统需要能够精确感知到骑行者施加在踏板上的踩踏力矩，根据踩踏力矩的大小实时控制电机的输出力矩。在骑行过程中，骑行者的踩踏力矩会发生实时改变，动态力矩传感器的精度及采样频率必须足够高，才能以保证助力的“丝滑”。另一方面，助力自行车越野需求的存在更对动态力矩传感器的温漂，鲁棒性，稳定性及可靠性提出了更高的要求。因此，助力自行车小型旋转动态力矩传感器技术一经发明，即被被如YAMAHA，BOSCH等技术巨头牢牢掌握，讳莫如深。

常见静态及动态力矩传感器：动态旋转力矩传感器是其中的皇冠明珠

（资料来源：网络）

在没有高性价比的动态力矩传感器的“痛苦”日子里，各大厂商为了实现踩踏力矩感知，发明了很多“将就”版本的传感方式以模拟动态力矩传感，但整体上都无法与高性能力感知能力相提并论。一种形式是安装在后轴与车架结合处的后轴勾爪传感器，使用压力传感原理，测量后轴上来自链条的压力。该类传感器实时性差，精度低，需要通过脚踏、曲柄、牙盘、链条、飞轮、后花鼓、车架的一系列传动，力量在传输过程中会产生损耗，且存在延迟。同时该传感器在使用过程中容易变形受损，测量精度会随着使用时间的加长而急剧降低。

动态力矩传感器的替补一：后轴勾爪传感器

（资料来源：网络）

另一类为安装在中轴位置的扭簧传感器，使用霍尔传感器的方式测量力矩。该类传感器中弹簧的存在使得传感存在延迟；弹簧不一致带来标定误差从而产生一致性偏差；弹簧的存在使得踩踏时踏板会反推骑行者的脚，从而带来不适。

动态力矩传感器的替补二：扭簧传感器

（资料来源：网络）

可以看出，一切不直接精准测量踏板踩踏力矩的测量方式，对助力自行车来说，都是将就！

动态旋转力矩传感器

现阶段小型动态旋转力矩传感器的普遍实现方式是基于逆磁致伸缩效应的。该效应指当铁磁性材料受到机械应力（如扭矩作用引起的应力）作用时，其磁导率发生变化，导致励磁电流发生改变，通过外部线圈及电路即可对旋转力矩进行测量。

逆磁致伸缩原理示意图（资料来源：网络）

该技术已在多个领域进行长时间的使用，在21世纪初期开始小型化，并使用在助力自行车中轴上。其优势在于：自行车主轴结构无需更改，过载能力易于保证；技术成熟，信号处理方式较为简单。然而，该方式从根本原理上也存在难以解决的缺陷：

首先，该方式无法在恒力矩状态下采集信号，只能在力矩变化的一刻进行测量，导致骑行中容易产生顿挫感；

其次，该方式由于使用了铁磁材料的磁性，因此对温度变化较为敏感，更存在到达居里温度后退磁的风险；

最后，采用该方式的传感器中的信号强度高度依赖致伸缩系数（λ）的材料，材料磁致伸缩系数高，则信号强。而高λ的材料被德国及美国公司所把控，因为该类材料也是高端声纳及雷达的材料之一。在贸易战的影响下，国内公司时常不得已将低λ材料使用在传感器中，造成了助力自行车体验差的情况。

基于逆磁致伸缩原理的动态力矩传感器

（资料来源：Google Scholar）

为了解决逆磁原理带来的限制，华力创科学的研发团队基于在六维力传感器的成熟经验上，开发出了世界上首个基于光学原理的Photon_bike小型动态力矩传感器。该传感器可通过光学芯片及结构设计，对骑行者踩踏踏板时主轴产生的微小扭转/压缩形变进行感知，从而感知骑行者所施加的力。该传感器已在2022年完成定型及测试，并完成了量产准备。在测试过程中，该传感器表现出的高可靠性，高寿命，高温度鲁棒性以及低成本，都印证了该传感器在助力自行车领域应用的可行性。

在对比测试中，我们总结出了Photon_bike小型动态力矩传感器在众多领域上的核心优势：

光传感单元的技术较为成熟，传感单元的一致性较好，供应商也较成熟，不受逆磁伸缩材料等类似原材料约束；
数据采集简单，原始信号变化量较大，受外在震动影响较小；
变量单一，对力矩的分辨率较高，可输出连续变化的力矩，无“顿挫感”；
传感精度取决于光电传感器的精度，而光不容易受到温度，湿度等外在变量的影响，因此其拥有低温漂与低误差的特性；
其开发周期短，结构设计限制较少，可以针对不同场景，不同自行车的需求，不同的标准进行针对性快速开发；
传感器的制造生产流程使用我方自研的多台标准化组装，测试，校准设备，系统性标准化的组装，测试，校准使得传感器的一致性与良率得到保证。

Photon_Bike传感器（左）

精密的内部结构（右上），稳定的测试数据（右下）

Photon系列传感器的核心原理，是创始人团队在国际顶尖机器人触觉实验室经十余年潜心研究的成果。该技术首次实现了应用非激光光源测量微米级别材料形变，实现了力与力矩的精确测量。该技术的核心是通过特制光学芯片，特殊的传感结构设计以实现精度高，成本低，可靠性高等特征。现阶段，除了动态旋转力矩传感器，华力创科学已基于此原理开发了多款多品类的动/静态力传感器，Photon系列传感器已在航空航天，医疗器械，3C消费电子及生产制造领域得到应用，得到了用户的广泛好评。