Pedal torque estimation for an electric pedal assisted cycle (EPAC)

In the past few years the focus on electric bicycles, especially on EPACs (Electric Pedal Assisted Cycles) has grown considerably, both for city and off-road use. Frequently, their electric motor is controlled according to speed-driven algorithms, but market analyses have shown that users prefer torque assisted EPACs. This strategy requires a cyclist's torque sensor, but they are expensive and increase the complexity of the set-up. These issues can be solved by implementing an online pedal torque estimator. This work provides an extended description of the design, the implementation and the experimental validation of a model-based algorithm for pedal torque estimation, explaining in detail the model used, the dynamics of the signals involved and the results obtained. The solution is validated using road measurements, showing that torque tracking encounters some performance limits. Moreover, an analysis of some noticeable behaviours of speed signal is performed, and the correlation between them and pedal torque is pointed out both in frequency and in time domain. This is used to suggest a possible future signal-based algorithm, capable of improvements in the estimation results.

Negli ultimi anni, l'attenzione alle biciclette elettriche, in particolare per le EPAC (Electric Pedal Assisted Cycles), è cresciuta notevolmente, sia per uso urbano che off-road. Spesso, il loro motore elettrico è controllato con algoritmi basati sulla velocità, ma le analisi di mercato hanno dimostrato che gli utenti preferiscono le EPAC con assistenza dipendente dalla coppia. Questa strategia richiede la presenza di un sensore della coppia del ciclista, ma questi sono costosi e aumentano la complessità della configurazione. Tali problemi possono essere risolti implementando uno stimatore online di coppia al pedale. Questo lavoro fornisce una descrizione estesa del progetto, dell'implementazione e della validazione sperimentale di un algoritmo model-based per la stima della coppia al pedale, spiegando in dettaglio il modello utilizzato, la dinamica dei segnali coinvolti e i risultati ottenuti. La soluzione è validata mediante misurazioni su strada, dimostrando che il tracciamento della coppia incontra alcuni limiti prestazionali. Inoltre, è effettuata un'analisi di alcuni comportamenti degni di nota del segnale di velocità ed è evidenziata la correlazione tra essi e la coppia al pedale, sia in frequenza che nel dominio del tempo. Ciò è quindi utilizzato per suggerire un possibile algoritmo signal-based futuro, in grado di migliorare i risultati della stima.