電動自行車如何挑選：感測器

現行的電動自行車內部至少存在3種以上不同應用的感測器，本文就針對各種不同用途的感測器種類一一介紹說明之。

一、馬達驅動感測器：使馬達正常運轉

於永磁馬達中，大多採用3顆霍爾感測器(Hall Sensor)為下圖中亮綠色的元件，其原理係利用永久磁鐵NS極性的不同，當磁場流經霍爾感測器感測後，會對應磁鐵極性而顯示出通電或斷電的電壓訊號，藉此判斷馬達磁鐵轉子的位置資訊，回授給驅動器以利於調整正確的供電，讓馬達能正常運轉。

此外有也無感測器(Sensorless)的技術，不使用霍爾感測器，而是利用馬達反電動勢(Back Electromotive Force，Back-EMF)來判斷磁鐵轉子位置，是一種不需要倚靠外部硬體裝置就能對馬達轉子位置進行觀測的演算法。然筆者的老師曾告知，單靠軟體演算，失誤的風險偏高，對於會承載人生命的交通工具，必須得安裝實體感測器，才能提高安全性。而在筆者的實務經驗中，體會到感測器其實也是存在者故障或是異常的可能性；因此筆者認定，就算是安裝硬體感測器的系統，其內部程式應該同時併行無感測器的演算，讓硬體資訊與軟體演算雙方核對確認，方可達到最高安全級別。

霍爾感測器其實提供的是位置資訊，再將兩個位置訊號進行時間微分，就可以得到速度訊息；而兩組速度值再次進行時間微分，則會變成加速度。因此藉由馬達轉子位置感測器可以延伸很多馬達的相關參數；但因僅採用了3顆霍爾感測器，解析度較差，故還有更高階的磁編碼器或是編碼器可以使用，然而霍爾感測器是其中最為便宜的選擇，採用的普及率最高。

有鑑於此，將現行的馬達驅動感測器做個規格高低排序，其結果如下

編碼器 > 磁編碼器 > 霍爾感測器 > 無感測器

編碼器與磁編碼器大多用於工業等級以上的產品，霍爾感測器則是用於民生等級的產品，無感測器則會用於電動滑板車、無人機及風扇類的產品當中。

至於安全性的考量，目前法規僅要求若將馬達的霍爾感測器切斷後，馬達會停止輸出動力。老實說，這是因為電動自行車的馬達當中，有一組單向軸承，當馬達不動作時，並不會直接影響到車況，使用者僅會感覺到沒電或是馬達壞了；這樣的行為有點類似汽車開到沒油了，會有種突兀的動力消失感，其實並非最妥善的做法。筆者當初於英國所學的容錯系統，是要在異常產生後，仍維持系統正常運作，直到安全停妥後才切斷動力；也就是當霍爾感測器故障時，要先判斷出霍爾感測器異常，就切換到無感測器模式，同時於車錶上顯示故障，誘使車主將車子安全停置後，才真正切斷馬達動力。

二、輪速感測器：轉速的量測及顯示

其實輪速感測器也是一顆磁鐵搭配霍爾感測器，但磁鐵會安裝在輪子上，因此輪子每轉一圈就會回傳一次訊號，就是轉速頻率。輪轂馬達是將此輪速感測器安裝於馬達內部當中，與馬達外殼件結為一體；而中置馬達則需要另外安裝於車輪幅條及車架上。由於轉一圈才僅有一個訊號，若是車錶要顯示時速，則必須要等待兩次訊號回傳後再進行時間微分，才能轉換為時速，所以會有種非常延遲的感受。這點其實是可以搭配馬達驅動感測器內的3顆霍爾感測器及這1顆的輪速感測器混合採用，達到更為即時的時速顯示，但並無廠商進行要求，導致筆者配合的電控廠商僅將這種即時的速度變化資訊自行使用，而非外傳置車錶上顯示。

三、踏頻感測器：量測騎乘者狀態

主要用於觀測騎乘者的狀態，以回傳給控制器調整馬達輸出狀態。目前的定位是高階車款會使用轉矩感測器來直接量測騎乘者的腳力，而低階的車系僅使用速度感測器，量測騎乘者的踏頻，無法直接回饋騎乘者力量表現。

高階的轉矩感測器其實採用了應變規，針對微量的形變進行電壓訊號回授，也就是騎乘者施力踩踏板時，轉軸上會感受到扭轉的力量，在軸心上產生類似擰毛巾的變形；當力量越大時，變形量就越嚴重，因此可以反映騎乘者腳力的強弱。

而低階的速度感測器，依然是使用霍爾感測器，但會搭配較多的磁鐵，筆者目前已知的產品分別有18及36兩種規格可以選擇，代表旋轉一圈會有18組訊號輸出，或是36組。訊號數量越多則代表控制反應會越即時，因此騎乘者可以感受到馬達反應較為快速；但這其實跟馬達特性並沒有關係，而是直接受到感測器的訊號數量所影響的。額外分享，最低階的磁編碼器，轉一圈會有600個訊號數，而編碼器則是1024個訊號起算。

速度感測器最為人詬病的是無法對於力量產生反應，因此在爬坡或是重載時的馬達輸出反應會不正確，無法達到人車合一的協同性，因此被視為低階車系。但若搭配馬達轉矩訊號做合成判斷，就可以分析出目前是否為爬坡、下坡或是載重等；是因為面對不同的路況及重量，馬達所消耗的電能就會不同。在相同的車速下，馬達耗電較兇，其實就代表著爬坡或是載重，如汽油車一般，爬坡及載重時會增加油耗。如此一來可藉由低階的速度感測器及馬達內部資訊混合應用判斷車況，再輸出恰當的動力，達到智慧化的人機合一表現。

而轉矩感測器，則是讓筆者很不習慣的產品，由於需要利用騎乘者的腳力來做為馬達出力的判斷，但當筆者騎到鐵腿時，僅能維持踏頻，無法出力，結果馬達也不出力，大夥一起躺平，是啥道理?導致後來筆者很不愛騎轉矩感測器的車款。

四、加速度感測器：確認車體姿態

筆者僅在中置馬達中看到過，雖然名為加速度感測器(G-Sensor)，但主要是用來判斷自行車的姿態，作為判斷上下坡的參考，而非真的用來做加速度的應用。加速度感測器並不普及，主要是運用上可以有許多的替代方案，而且騎乘者也會主動變速調整來面對上下坡的變化，導致加速度感測器如同雞肋一般，食之無味棄之可惜。然而筆者卻覺得這加速度感測器其實對於生命安全有很大的幫助，當遇到車倒或是車禍時，它會有立即的反應，若能加以判斷並即時通知救護，就能對騎乘者的安全有莫大的幫助。

對於交通工具，筆者的觀念是安全回家最要，能擁有一台確保安全的車款，比一台性能超跑還要吸引筆者。

重點整理：

感測器其實有硬體裝置也有軟體技術，混合應用相互驗證，更為安全。

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