Оживление “Очень умного электровелосипеда” – обзор контроллера BLDC

Что такое контроллер?

Итак, велосипед оборудованный электрической тягой предполагает наличие на борту контроллера, который регулирует работу силового агрегата. Как мы все знаем, технический прогресс на месте не стоит и развитие индивидуального электротранспорта повлекло за собой разработку новой аппаратуры, не только более эффективно выполняющей свои функции, но и занимающей намного меньше пространства на e-bike. Контроллер не имеет подвижных деталей, а команды электродвигателю передаются посредством импульсов.

Infineon 12fet

1. Напряжение имеет диапазон 36-98 V, что значительно превышает стандартный показатель в 48 V. Пробуя различное напряжение юзер сможет воздействовать на мощность e-bike.

2. Эта модель, также может порадовать владельца опцией рекуперации и круиз-контролем. Обе функции существенно упрощают эксплуатацию электрифицированного вело.

3. Контроллер предлагает пользователю три скорости движения.

4. Если потребителю не подходят параметры установленные производителем, то он сможет настроить их на свой лад пустив в ход кабель USB и софтину XPD.

Infineon 18fet

1. Данное управляющее устройство разрабатывалось для напряжения 36-98 V.

2. Есть круиз-контроль и рекуперация.

3. Изменение заводских установок осуществляется посредством специально предназначенного для это софта и USB-кабеля.

4. INFINEON 18FET может работать с аккумуляторным током

Infineon 6fet

1. Справляется с напряжением 36-98 Вольт, что в свою очередь заметно увеличивает пробег.

2. Имеется опция рекуперации осуществляющая заряд электронакопителя в процессе замедления.

3. Круиз-контроль даёт возможность фиксировать скорость езды и держит её на определённом показателе до следующей процедуры программирования. Райдеру можно не фиксировать постоянно рукоять газа для поддержания определённого скоростного режима.

4. В отличие от предыдущей модели контроллера, в INFINEON 6FET можно перепрограммировать параметры, что позволит установить самые выгодные для велосипедиста показатели. Для воплощения задуманного в жизнь, придётся дополнительно приобрести USB-провод и инсталлировать софт XPD. У вас появится возможность изменить напряжение, ограничение скоростного режима, фазный и аккумуляторный ток и т. д.

5. Имеются три скоростных диапазона, которые управляются ручкой смонтированной на руле.

6.Есть два вида тока: аккумуляторный <30 A и фазный <80 A.

Mark i

1.Данное изделие может «сотрудничать» как с аккумуляторами на 36 V, так и с АКБ на 48 V. Это даёт возможность подобрать нужную именно вам мощность. Для тех, кто забыл: чем выше вольтаж электронакопителя, тем большее расстояние вы сможете преодолеть на одном заряде.

2. Рекуперация на Mark I рассчитана до скорости 30 км/ч, а задействуется опция ручкой тормоза. В принципе, для почитателей скоростных заездов, этого вряд ли будет хватать, но вот для любителей вылазок на дачу, данное приобретение станет идеальным решением.

3. Переключатель скоростных режимов позволяет велосипедисту выбирать один из трёх. Функция существенно упрощает процесс передвижения.

4. Кроме того, имеется возможность подсоединить «курки» тормоза и PAS, но к комплекту они не прилагаются. Также, для обсуждаемого блока управления может быть применена «мото-ручка» газа, на 48 Вольт, позволяющая вовремя определять заряд электронакопителя и оснащённая кнопкой активации.

5. Форма волн в этом устройстве — синус, а аккумуляторный ток должен превышать отметку в 30 A.

Mark ii

1. От вышеописанных приспособлений, эта деталь отличается наличием трёх диапазонов рабочего напряжения: 26-60/45-70/56-90 V. Такое положение дел наилучшим образом подходит для максимального удовлетворения потребностей любого райдера.

2. Рекуперация до 15 км/ч, задействуется посредством ручки тормоза.

3. С помощью переключателя мощности можно установить любой из трёх режимов: 20/40/60 A, то есть 1600/3200/4800 W при напряжении 80 V.

4. Самое основное, что выделяет MARK II в среде конкурентов — наличие термозащиты, хотя, этот блок управления всё равно может дойти до перегрева. Чтобы снизить риск проявления данного недоразумения, девайс на электровелосипеде придётся устанавливать в том месте, где он будет обдуваться набегающим потоком воздуха.

5. Присутствует специальный разъём, позволяющий подключать Cycle Analyst. Эта система даёт возможность юзеру манипулировать настройками блока управления прямо во время езды.

Аппаратное прерывание

И тут я понял, в чём дело: Ардуино не успевает обрабатывать показания датчиков Холла! Поэтому необходимо было использовать пины Ардуино с аппаратным прерыванием. Так как у Ардуино УНО таких пинов всего два, а под датчики нужно три пина, надо взять Ардуино Леонардо или Искра Нео, где таких пинов — четыре штуки.

Переписав программу под прерывания и подключив Искру Нео вместо УНО, я повторил испытания.

//Пины ключей Н-мостов 
const int TAH = 8; //T — транзистор, А — фаза (синяя), Н — верхний ключ полумоста
const int TAL = 9; //T — транзистор, А — фаза (синяя), L — нижний ключ полумоста
const int TBH = 10; //T — транзистор, B — фаза (зелёная), H — верхний ключ полумоста
const int TBL = 11; //T — транзистор, B — фаза (зелёная), L — нижний ключ полумоста
const int TCH = 12; //T — транзистор, C — фаза (жёлтая), H — верхний ключ полумоста
const int TCL = 13; //T — транзистор, C — фаза (жёлтая), L — нижний ключ полумоста
//------------------------------------------------------------------------------------------------
//датчики холла
int HallA = 3;  //пин 1 (с прерыванием)
int HallB = 1;  //пин 2 (с прерыванием)
int HallC = 0;  //пин 3 (с прерыванием)
//------------------------------------------------------------------------------------------------
volatile boolean vala;
volatile boolean valb;
volatile boolean valc;
//------------------------------------------------------------------------------------------------
void setup() {  
    //Установка пинов ключей на выход
    pinMode(TAH, OUTPUT);
    pinMode(TAL, OUTPUT);
    pinMode(TBH, OUTPUT);
    pinMode(TBL, OUTPUT);
    pinMode(TCH, OUTPUT);
    pinMode(TCL, OUTPUT);
    //Считывание датчиков Холла
    vala = digitalRead(HallA);
    valb = digitalRead(HallB);
    valc = digitalRead(HallC);

    //Аппаратное прерывание на пинах датчиков Холла
    attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallA), changeA, CHANGE);
    attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallB), changeB, CHANGE);
    attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallC), changeC, CHANGE);
    //LOW вызывает прерывание, когда на порту LOW
    //CHANGE прерывание вызывается при смене значения на порту с LOW на HIGH, и наоборот
    //RISING прерывание вызывается только при смене значения на порту с LOW на HIGH
    //FALLING прерывание вызывается только при смене значения на порту с HIGH на LOW
}
void Fases() {
    digitalWrite(TAH,  (vala && !valb) ? HIGH : LOW);
    digitalWrite(TAL, (valb && !vala) ? HIGH : LOW);
    digitalWrite(TBH,  (valb && !valc) ? HIGH : LOW);
    digitalWrite(TBL, (valc && !valb) ? HIGH : LOW);
    digitalWrite(TCH,  (valc && !vala) ? HIGH : LOW);
    digitalWrite(TCL, (vala && !valc) ? HIGH : LOW);

void changeA() {
    vala = digitalRead(HallA); 
    Fases();
}
void changeB() {
    valb = digitalRead(HallB);  
    Fases();
}
void changeC() {
    valc = digitalRead(HallC); 
    Fases();
}

void loop() {
}

Колесо наконец-то заработало чётко, без вибраций, шумов, отлично стало набирать обороты без рассинхронизации. Прототип оказался жизнеспособным. Но это ещё не полноценный контроллер, поскольку в нём не было обвязки с защитами и обеспечением качественного ШИМ-сигнала.

В состав контроллера входят такие компоненты:

• управляющий микроконтроллер;
• понижающие преобразователи на 12 V и 5 V, для запитки микроконтроллера и периферии;
• силовые элементы — токоизмерительные шунты, конденсаторы, транзисторы.

Виды контроллеров

Разделение данных приспособлений происходит по нескольким критериям.

Вопрос ремонтопригодности

Чтобы понять, подлежит ли вышедший из строя контроллера электросамоката ремонту своими руками или в мастерской, нужно снять его и осмотреть. По внешнему виду деталей несложно понять, какая из них требует замены.

Если поломка существенная, проще и дешевле заменить контроллер идентичной или универсальной моделью с подходящими рабочими параметрами. Обычно они рассчитаны на напряжение 24, 36, 48 В и мощность 200–1000 Вт. При желании можно купить набор электронных компонентов и собрать аппаратную часть контроллера самостоятельно. Но проще и безопаснее приобрести готовое изделие.

Читайте в нашей предыдущей статье о том, как правильно выбрать аккумулятор для детского электромобиля.

Выбор устройства управления

Обычно, устройство для эксплуатации на электробайке имеет в своём распоряжении наклейку либо маркировку, по которым можно вычислить его главные параметры.

Такие, как:

• номинальная мощность силового агрегата;
• минимальное и предельное напряжение аккумуляторной батареи;
• позиция датчиков Холла в электромоторе: через 60 или 120 градусов.

Если такая ситуация не наблюдается, то нужно следовать общей схеме:

1. Толстые чёрный «минус» и красный «плюс» проводки подключаются к источнику энергии (здесь главное не перепутать полярность!).

2. Три толстых провода, обычно это синий/зелёный/жёлтый, подсоединяются к соответствующим фазным проводам 3-х фазного электромотора.

3. Запитка и сигналы датчиков Холла. Пять тонких проводков чёрный/красный/синий/зелёный/жёлтый, стыкуются с соответствующими проводками мотор-колеса.

4. Зажигание. Одиночный красный тоненький проводок. При замыкании его на «плюс» АКБ, контроллер активируется.

5. Ручка акселератора. На неё идут три проводка: чёрный/красный/зелёный (но иногда бывает белого цвета).

6. Для остальных проводов чёткая схема не предусмотрена — они могут быть разных цветовых исполнений.

В момент подсоединения управляющего устройства к электронакопителю, может проскочить искра и могут даже разъёмы подгореть. Паниковать от таких малоприятных сюрпризов не стоит — это идёт заряд входных конденсаторов блока управления. Но всё-таки избежать подобных недоразумений можно: состыкуйте ненадолго устройство управления и аккумулятор через резистор в несколько десятков Ом либо примените лампочку от машины. После того как произойдёт зарядка конденсаторов, соедините их напрямую.

Заключение

Как видим, блок управления является очень важным компонентом в составе электрического велосипеда, как в принципе и любого средства передвижения оборудованного электрической тягой. Без сомнений, к его выбору нужно подходить весьма ответственно, ведь от него на самом деле зависит очень многое.

Для любителей неспешных прогулок и дачников, подойдут самые простые и недорогостоящие устройства, а вот тем, кто не представляет себе e-bike без экстремальных покатушек, адресованы дорогие и мощные контроллеры, которые могут обслуживать не слабое оборудование.

Как правильно приобрести контроллер

Сейчас выбор этих устройств огромен, так что, не нужно бросаться не разобравшись в деталях на первые попавшиеся в интернете модели. Всемирная паутина не единственное место где можно приобрести подходящий контроллер. В реале, есть специализированные мастерские, которые позволяют вывести провода из блока управления под нужные покупателю функции.

Большинство плат управляющих устройств предлагают юзерам максимальный функционал, однако выводится он не полностью. К примеру, может быть такое, что отключена рекуперация либо не выведен реверс, либо круиз-контроль. Когда будете приобретать изделие в таких конторах, эти и другие функции можно вывести сразу, при этом вы отдадите за всё про всё вполне приемлемые деньги.

Например, в Москве, предлагается самая разнообразная продукция. Хотите подешевле? Нет проблем: управляющие устройства для внутреннего рынка КНР, изготовленные по принципу дёшево и сердито, разрабатываются для того, чтобы на электровелосипеде можно было просто ехать. Они идут в основном 2-х режимными, могут работать и с датчиками Холла, и без них.

Далее предлагаются экспортные варианты из Китая с подключаемыми дисплеями и беспроводным управлением. Заокеанские и немецкие изделия могут порадовать своим техническим совершенством тех пользователей, которым как говорится денег не жалко — эта продукция представляет линейку дорогих устройств управления для электробайков.

Мостовые драйверы

Далее предстояла работа над напряжением 20 вольт на управление затворами. Для этого существуют мостовые драйверы транзисторов, они обеспечивают стабильные импульсы в 20 вольт на затвор и высокую скорость отклика. Сначала у меня были популярные драйверы для маломощных моторов L293D.

Для управления затворами его достаточно, к тому же их очень просто использовать. Один такой драйвер может обеспечить питанием две пары ключей. Поэтому я взял две штуки L293D. Собрал контроллер с этими драйверами, и колесо начало крутиться существенно плавнее, посторонних звуков стало меньше, нагрев транзисторов уменьшился.

В это же время я наткнулся на два варианта мостовых драйверов:

Что касается HIP4086, то это полноценный мостовой драйвер, предназначенный для трёхфазного электродвигателя. Мне он показался несколько замороченным, и мои попытки использовать его в контроллере не увенчались успехом: он у меня так и не заработал. Углублённо разбираться в причинах не стал.

А взял я IR2101 — полумостовой драйвер, обеспечивающий работу нижнего и верхнего ключей для одной фазы. Несложно догадаться, что таких драйверов нужно три. К слову, драйвер очень прост в использовании, его подключение происходит безболезненно и легко. Получилась такая схема:

Печатная плата

И готовый результат

Собрал контроллер с этим драйвером и запустил двигатель. Ситуация с работой электродвигателя кардинально не поменялась, симптомы остались те же, как и в случае с драйвером L293D.

На блок управления возложены такие обязанности:

1.Трансформация постоянного напряжения электронакопителей в 3-х фазный ток для моторизированного колеса.

2. Регулировка мощности электродвигателя, в зависимости от степени воздействия на рукоять газа.

3. Защита электромотора.

4. Запуск силового агрегата.

5. Снижение уровня вибраций электродвижка при старте, что позволяет продлить срок его службы.

6. Включение и выключение электроники.

7. Управление скоростью и крутящим моментом.

8. Обеспечение контролируемой остановки средства передвижения.

9. Защита электрической системы аппарата от перенапряжения, перегрева и токовой перегрузки.

10. Отображение на панели управления рабочих параметров электросистемы.

11. Контроль напряжения аккумуляторной батареи и отключение электроники при критическом понижении напряжения — для защиты электронакопителя от глубокого разряда.

12. Дополнительно, на некоторых моделях электровелосипедов, осуществляется обратное преобразование энергии в момент торможения — так называемая рекуперация. Так вот, за неё также отвечает контроллер — он должен поддерживать режим рекуперации.

Внешний вид контроллера вы вряд ли спутаете с чем-то другим — это металлическая коробка с большим количеством выходящих из неё проводов. Они в свою очередь, стыкуются с органами управления расположенными на руле, аккумуляторной батареей, электрическим двигателем, датчиками Холла и бортовым компьютером.

Иногда девайс помещают в специальный бокс, защищая его таким образом от негативного воздействия окружающей среды и вдобавок, имеет место эстетическая сторона дела — так красивее будет. Однако здесь может быть один неприятный момент: если вы используете непроветриваемый чехол, то во время интенсивной работы контроллера, его перегрева просто не избежать.

Оживление "очень умного электровелосипеда" – обзор контроллера bldc

Планы на будущее контроллера

Продолжая работу над контроллером, планирую сделать следующее:

По типу выходного сигнала:

1. Прямоугольная форма (меандр). Подобные гаджеты применяются на более дешёвых моделях электровелосипедов, да и сами недорогие. Они дают возможность пользователю получить большую скорость вращения, но в то же время, это ведёт к повышению шумности работы электродвигателя. А шумит движок по причине возникновения микровибрации обмоток под действием сигнала такой формы.

2. Сигнал в виде синусоиды. Скорость вращения меньше, зато и звук вращения электромотора полностью отсутствует.

3. Имеет место и промежуточное исполнение — «модифицированная синусоида». Эту вариацию можно назвать «сглаженный меандр». Однако такая разновидность не возымела популярности у юзеров.

Контроллеры могут иметь разную реакцию на сигналы поступающие от рукояти акселератора: в одном случае вы будете регулировать скорость, в другом — мощность или тягу движка.

По типу обратной связи:

1. Для работы с датчиками Холла.

2. Без них.

3. Универсальные контроллеры. Они совмещают в себе первый и второй пункты.

Подключение контроллера на электровелосипеде

В основном, при подключении контроллера на электрифицированном вело, у юзера существенных затруднений возникнуть не должно. Однако если вы никогда раньше этим не занимались, то вас может спугнуть большое количество проводков разных цветов. Если вы приобрели контроллер и МК в одном наборе, то их разъёмы должны подходить друг другу.

Популярные блоки управления для e-bike

Далее мы рассмотрим модели контроллеров, которые по праву заслужили у пользователей высокую степень доверия. В списке они представлены в порядке от дешёвых к дорогим:

• MARK I
• INFINEON 6FET
• MARK II
• INFINEON 12FET
• INFINEON 18FET

У перечисленных приспособлений разные ценники. В среднем, себестоимость приведённых изделий варьируется в пределах 4-15 тыс. руб. Все управляющие блоки имеют в своём распоряжении разные функции, но есть у них и кое-что общее:

1. Рекуперация. Данная опция отвечает за заряд источника энергии, в то время как силовой агрегат во время замедления электробайка, функционирует в режиме генератора. Вещь конечно полезная, однако для относительно лёгкого электровелосипеда мало эффективная. Реально, она не даст вам серьёзной прибавки к пробегу.

2. Трёхпозиционный переключатель. Обеспечивает работу электромотора в 3-х режимах, что даёт возможность райдеру настраивать оптимальный темп езды.

3. Простота эксплуатации. А вот это, пожалуй, самое главное, что роднит рассматриваемые контроллеры. Выяснить, как это всё функционирует — не сложно, даже неопытным юзерам.

4. Компактность. Это кстати является не слабым преимуществом, ведь намного удобнее, когда из вашего электрифицированного вело ничего не торчит и со стороны всё смотрится аккуратно.

Скорее всего, у пытливого райдера возникнет вполне резонный вопрос — если у данных приспособлений так много общего, почему тогда цена так разнится. Чтобы получить ответ, потребуется исследовать каждый блок управления по отдельности, чем мы дальше собственно и займёмся.

Применение

В электровелосипедах используются трёхфазные бесщёточные электродвигатели с датчиками Холла. Стоит отметить, что применение подобных трёхфазных двигателей достаточно обширно:

Принцип работы контроллера

Первостепенная задача этого элемента – подавать на электромотор энергию, получаемую от аккумуляторной батареи. Проходящий по обмоткам ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с находящимися в мотор-колесе магнитами ротора. В результате колесо приводится в движение, причем частотой вращения управляет контроллер.

Кроме основной задачи, этот контролирующий и управляющий элемент:

• регулирует скорость вращения электромотора;
• управляет крутящим моментом;
• обеспечивает плавное и мягкое торможение при помощи изменения продолжительности импульсов;
• защищает электродвигатель;
• не допускает глубокой разрядки батареи – выясняет напряжение АКБ и при его критическом снижении отключает мотор от питания;
• при помощи встроенного термодатчика отслеживает температуру и не допускает токовых перегрузок.

Программируемые устройства управления

Среди пользователей всё больше востребованы программируемые управляющие устройства. Они дают возможность менять показатели: от величины аккумуляторного и фазного токов, до углов опережения фаз и ослабления поля. Подсоединение к компьютеру осуществляется посредством USB-кабеля, а с мобильными устройствами, такие контроллеры стыкуются через Bluetooth.

При выборе блока управления обращайте внимание на вспомогательные функции: реверс, рекуперация, индивидуальный выход запитки для осветительных приборов, режимы выбора скорости и уровня мощности и т. д.

Прототип на ардуино

Под рукой у меня была Arduino UNO, и я решил собрать контроллер на её основе.

Первым делом я подал на датчики Холла питание 5 вольт от Ардуино (его достаточно для датчиков). Сигнальные провода от датчиков подключил на цифровые пины Ардуино, написав простейшую программу для считывания и обработки сигналов с датчиков.

//Пины ключей Н-мостов 
const int TRAplus = 8;
const int TRAminus = 9;
const int TRBplus = 10;
const int TRBminus = 11;
const int TRCplus = 12;
const int TRCminus = 13;

//датчики холла
const int HallA = 3;
const int HallB = 1;
const int HallC = 0;

boolean vala;
boolean valb;
boolean valc;

boolean pvala;
boolean pvalb;
boolean pvalc;

int pHall;

int turns;

void setup() {
  //Установка пинов ключей на выход
  pinMode(TRAplus, OUTPUT);
  pinMode(TRAminus, OUTPUT);
  pinMode(TRBplus, OUTPUT);
  pinMode(TRBminus, OUTPUT);
  pinMode(TRCplus, OUTPUT);
  pinMode(TRCminus, OUTPUT);
  //Вывод данных через серийный порт  
  Serial.begin(9600); 
}

void loop() {
  //Считываем датчики Холла и записываем их значение в val
  vala = digitalRead(HallA);
  valb = digitalRead(HallB);
  valc = digitalRead(HallC);

//Счётчик оборотов колеса. Необходима доработка

  if(vala && !pvala) {
    if(pHall == HallC) // или HallB в обратную сторону
      turns  ;
    pHall = HallA;
  }
  if(valb && !pvalb) {
    if(pHall == HallA) // или HallC в обратную сторону
      turns  ;
    pHall = HallB;
  }
  if(valc && !pvalc) {
    if(pHall == HallB) // или HallA в обратную сторону
      turns  ;
    pHall = HallC;
  }

  digitalWrite(TRAplus,  (vala && !valb) ? HIGH : LOW); //если vala==HIGH и valb==LOW, тогда записать HIGH, иначе LOW
  digitalWrite(TRAminus, (valb && !vala) ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(TRBplus,  (valb && !valc) ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(TRBminus, (valc && !valb) ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(TRCplus,  (valc && !vala) ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(TRCminus, (vala && !valc) ? HIGH : LOW);

  pvala = vala;
  pvalb = valb;
  pvalc = valc;

  Serial.print(vala);
  Serial.print(valb);
  Serial.println(valc);

  //Serial.println(turns/3);

}

Затем собрал Н-мост из полевых NPN-транзисторов. Подвёл к мосту независимое питание на 12 вольт. Но при отладке, чтоб убедиться в работоспособности, я подключил напрямую шесть пинов 5V из Ардуино на затворы H-моста. У большинства полевых транзисторов затвор работает на 20 вольт.

Прототип на базе микросхемы mc33035

Параллельно с разработкой контроллера на Ардуино я рассматривал альтернативные варианты логической части контроллера. И это привело меня к микросхеме MC33035. Это старая разработка от Motorola, сейчас её выпускает ON Semiconductor. Создана специально для мощных трёхфазных двигателей.

Данная микросхема:

Одним словом, микросхема содержит всё необходимое для управления электродвигателем. Её стоимость очень низкая: на Алиэкспрессе — около 50 рублей. Для сборки полноценного контроллера на её основе потребуется микросхема MC33035, полумостовые драйверы и Н-мост из полевых транзисторов.

Я также собрал контроллер на этой микросхеме. Работает отлично, стабильно, колесо крутится как надо на различных оборотах. Но функционал микросхемы ограничен, если необходимо наворотить различные функции, вывод на дисплей скорости, одометр, расход батареи, то опять же возникает необходимость дополнительно подключить Ардуино или что-то аналогичное.

Схема с MC33035

Печатная плата

Готовый вариант

Разброс устройств управления по мощности весьма широк:

• для e-bike идут контроллеры номинальной мощностью 0,35-2 кВт;
• на электроскутеры устанавливается оборудование мощностью 1-4 кВт;
• электромотоциклы нуждаются в установке 5-10-киловаттных гаджетов;
• самые же мощные контроллеры достались электромобилям — 10-50 кВт и более.

Важно!Устройство управления предназначенное для совмещения с 36-вольтовым источником питания, нельзя стыковать с электронакопителями обладающими более высокими цифрами Вольт. Перед тем как решиться на подобный подвиг, нужно вскрыть блок управления и удостовериться в том, что расположенные там силовые транзисторы и конденсаторы могут выдержать такой показатель напряжения.

Рассмотрим к примеру вот такую наклейку:

Контроллер предназначается для бесщёточного электромотора номинальной мощностью 350 W. Может обслуживать аккумулятор с номинальным напряжением 36 V (предельно допустимое напряжение около 44 V). Блок управления отключится при минимальном напряжении АКБ в 31,5 V, предельный максимальный ток — 25 A.

Датчики Холла должны располагаться в электромоторе через 60 или 120 электрических градусов. Для определения мощности блока управления потребуется перемножить максимальное напряжение и максимальную силу тока. По итогу мы выведем максимальную мощность управляющего устройства: 44 V x 25 A = 1100 W.

Схема подключения и распиновка контроллера электросамоката

К контроллеру подсоединяется электромотор и остальные электрокомпоненты самоката. Для их подключения используются многожильные соединительные провода в термостойкой изоляции из силикона. Совместимость контроллера с электродвигателем и АКБ электросамоката определяется по максимальному току, напряжению батареи и другим рабочим параметрам.

Рассмотрим схему подключения контроллера электросамоката и функции контактов на примере устройства, разработанного для управления трехфазными электромоторами с рабочими параметрами 36 В и 350 Вт. В таблице приведен перечень электрических разъемов контроллера, их назначение и цвета изоляционного покрытия используемых в них проводов.

Алгоритм подключения и настройки контроллера электросамоката таков:

1. Гнездо №9 подключаем к силовым проводам с идентичным изоляционным покрытием на электромоторе, а разъем №4 – к соответствующему ему гнезду от управляющих проводков.
2. В случае применения пульта управления – подсоединяем его к штепселю №6. Если пульта управления нет, подсоединяем замок зажигания к красному и синему проводу гнезда №6.
3. Ручку газа подсоединяем к штепселю №7, рукоятки тормоза и стоп-сигнал (при его наличии) – к №1.
4. Чтобы ограничить предельную скорость, замыкаем 2 белых проводка в разъеме №3. Чтобы иметь возможность управлять возможностью ограничения предельной скорости, подключаем к нему двухпозиционный выключатель К-2Р.
5. Для активации круиз-контроля подключаем кнопку на ручке газа к разъему №8. В дальнейшем для активации этой функции достаточно будет нажать и удержать кнопку на пару секунд, а для отключения – нажать на рукоятку тормоза.
6. При наличии системы PAS – подсоединяем ее контакты к гнезду №5.
7. Подключаем к АКБ разъем №2. Не допускаем замыкания черного и красного проводов питания!

При покупке готового комплекта компонентов для электрификации самоката отпадает вопрос, как проверить контроллер электросамоката и коммутацию его разъемов. Такая проверка выполняется в процессе предпродажной подготовки, и проводки на ответных гнездах подключаемого оборудования соответствуют цветам, обозначенным в схеме.

Транзисторы и н-мост

Но чтобы поочерёдно подавать ток на каждую из фаз и менять их полярность, необходимы транзисторы. Ещё нам нужна передача больших токов, высокая скорость переключения и чёткость открытия/закрытия затворов. В данном случае удобнее управлять затворами по напряжению, а не по току.

Для переключения фаз со сменой их полярностей используют классическую схему Н-моста (H-Bridge) из полевых транзисторов.

Он состоит из трёх пар транзисторов. Каждая из пар подключается к соответствующей фазе обмотки двигателя и обеспечивает подачу тока со значением ( или –). Транзисторы, отвечающие за включение фазы с положительным значением, называют верхними ключами.

Из схемы видно, что мы не можем включить одновременно верхний и нижний ключ у одной и той же фазы: произойдёт короткое замыкание. Поэтому очень важно быстрое переключение верхних и нижних ключей, чтобы в переходных процессах не появилось замыкание. И чем качественнее и быстрее мы обеспечим переключения, тем меньше у нас будет потерь и нагрева/перегрева транзисторов H-моста.

Для запуска остаётся обеспечить управление затворами ключей H-моста. Для управления H-мостом нужно:

1. Считать показания датчиков Холла.
2. Определить, в каком положении какую пару ключей включать.
3. Передать сигналы на соответствующие затворы транзисторов.

Устройство двигателя

Для разработки контроллера необходимо разобраться с принципом работы самого электродвигателя.

Электродвигатель состоит из фазных обмоток, магнитов и датчиков Холла, отслеживающих положение вала двигателя.

Конструктивно электродвигатели делятся на два типа: инраннеры и аутраннеры.

У инраннеров магнитные пластины крепятся на вал, а обмотки располагаются на барабане (статоре), в этом случае в движение приводится вал. В случае аутраннера всё наоборот: на валу — фазные обмотки, а в барабане — магнитные пластины. Это приводит в движение барабан.

Так как у велосипеда колесо крепится валом на раму, то здесь применителен тип аутраннера.

На этой картинке условно представлены три фазы с обмотками, соединёнными между собой. В реальности обмоток намного больше, они располагаются равномерно с чередованием по фазам по окружности двигателя. Чем больше обмоток — тем плавнее, чётче, эластичнее работает двигатель.

В двигатель устанавливаются три датчика Холла. Датчики реагируют на магнитное поле, тем самым определяя положение ротора относительно статора двигателя. Устанавливаются с интервалами в 60 или 120 электрических градусов. Эти градусы относятся к электрическому фазному обороту двигателя.

Обмотки трёх фаз в большинстве случаев соединяются между собой по двум схемам: звезда и треугольник. В первом случае ток проходит от одной из фаз к другой, во втором — по всем трём фазам в разной степени. Иногда эти две схемы подключения комбинируют в одном двигателе, например в электромобилях.

При старте и наборе скорости идёт соединение фаз по звезде: она даёт больший момент при относительно низких оборотах; далее, после набора скорости, происходит переключение на треугольник, в результате количество оборотов увеличивается, когда уже не нужен большой крутящий момент. По сути, получается условно автоматическая коробка передач электродвигателя.

Цикл работы

Чтобы привести в движение трёхфазный двигатель, нужно рассмотреть цикл его работы за электрический оборот. Итак, имеем три фазы — A, B, C. Каждая из фаз получает положительную и отрицательную полярности в определённый момент времени. Поочерёдно по шагам пропускается ток от «плюса» одной фазы к «минусу» другой фазы. В итоге получается шесть шагов = три фазы × две полярности.

A , A–, B , B–, C , C–

Рассмотрим эти шесть шагов цикла. Предположим, что положение ротора установлено в точке первого шага, тогда с датчиков Холла мы получим код вида 101, где 1 — фаза А, 0 — фаза B, 1 — фаза С. Определив по коду положение вала, нужно подать ток на соответствующие фазы с заданными полярностями. В результате вал проворачивается, датчики считывают код нового положения вала — и т. д.

В таблице указаны коды датчиков и смена комбинаций фаз для большинства электродвигателей. Для обратного хода колеса (реверса) достаточно перевернуть знаки полярности фаз наоборот. Принцип работы двигателя довольно прост.

Цикл двигателя представлен в gif-анимации.

Подводим итоги по описанным моделям

https://www.youtube.com/watch?v=Od1hKO-JS90

Без сомнений, все перечисленные выше контроллеры хороши, но в то же время, MARK I, на фоне всех остальных оказался самым слабым, поэтому именно он превосходно подойдёт дачникам и сторонникам не спешных прогулок на электровелосипеде. Зато другие модели дают возможность лихому райдеру оторваться по полной.