Контроллер управления – важный узел в оснащении электровелосипеда. Он выполняет функции мозгового центра е-байка, координирует работу электромотора и аккумуляторной батареи, регулирует крутящий момент и защищает двигатель от перегрузок. Именно контроллер отвечает за включение и выключение электроники, регулировку скорости, круиз-контроль, рекуперативное торможение и другие возможности в работе электровелосипеда.
Без этого связующего звена невозможно даже запустить мотор или подключить его напрямую к аккумулятору. Мотор-колесо имеет 3 фазных провода, а АКБ – 2 полюса. Поэтому соединить их в единую электросистему можно только с использованием контроллера. Именно он создает в обмотке статора электродвигателя вращающееся магнитное поле, по получаемым сигналам отслеживает положение ротора и управляет работой мотора.
Электросамокат отличается от обычного самоката наличием дополнительных компонентов. Главные из них – встроенный в колесо бесколлекторный электродвигатель, аккумуляторная батарея и контроллер. Аккумуляторная батарея обеспечивает автономное питание мотора, а коллектор отвечает за его корректное управление и контроль работы. Среди представленных в продаже электронных компонентов есть масса готовых решений, позволяющих снабдить электроприводом как самокат, так и другие виды персонального транспорта.
Предшественники современных контроллеров напоминали массивный реостат. Теперь они компактны, не имеют движущихся элементов и регулируют передачу электроэнергии к двигателю в зависимости от длительности поступающих импульсов. Контроль и управление электросамокатом производится при помощи пульта, закрепленного на руле. Обычно на пульте есть рычаги или кнопки для включения питания и фар, выбора режимов и скорости езды.
На дисплее может отображаться текущая скорость, уровень заряда батареи, пробег и другая информация. При отсутствии дисплея минимальную информацию о работе устройства могут предоставлять светодиодные индикаторы. Многие современные электросамокаты интегрируются со смартфонами, которые берут на себя функции дисплея и пульта управления.
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. Необходимо учитывать, что чем больше в двигателе обмоток на каждую фазу, тем больше происходит электрических оборотов за один физический оборот мотор-колеса.
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.
Расширение функционала
Широкий ассортимент контроллеров позволяет выбрать прибор, по максимуму подходящий под конкретные цели. Наряду с интернет-магазинами, есть специализированные мастерские, для которых не составляет проблемы вывести из контроллера управления провода под нужные заказчику функции.
Многие печатные платы имеют большой функционал, но в серийно поставляемых моделях он используется только частично. К примеру, у многих моделей не выведен провод для круиз-контроля, заднего хода, рекуперации энергии и других возможностей. Но специалисты мастерской VoltBikes могут вывести провода под конкретные задачи непосредственно при покупке контроллера.
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.
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.
Схема контроллера для электровелосипеда или электроскутера
Контроллер для электрического велосипеда или скутера имеет алюминиевый корпус, из которого выходят разноцветные провода с разъемами для подключения разных устройств. Внутри скрыты:
Планы на будущее контроллера
Продолжая работу над контроллером, планирую сделать следующее:
Дополнительные функции
Печатные платы многих контроллеров имеют широкий функционал, который обычно реализован частично. Но во многих случаях есть возможность вывести провода под решение дополнительных задач. Например, можно вывести провод для заднего хода, круиз-контроля, рекуперации, отдельного питания светотехники и других функций. При покупке контроллера в интернет-магазине VoltBikes его функционал может быть расширен по запросу, с учетом пожеланий заказчика.
Предыдущую статью мы посвятили обзору лучших электроскутеров 2021 года.
Схема подключения
Контроллер для электроскутера, е-байка или электросамоката подключается в соответствии с прилагаемой к нему схемой. Главное – не спешить и внимательно разобраться с назначением проводов. Лучше всего покупать контроллер в комплекте с мотор-колесом, тогда их разъемы будут гарантированно совместимыми.
Общий принцип подключения выглядит так:
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. Поэтому оптимальны полевые (MOSFET) транзисторы. Чаще всего их используют в контроллерах. Очень редко можно встретить комбинированный вариант транзисторов.
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. С отрицательным — нижними. Для каждого шага открывается пара ключей: верхний одной фазы и нижний соседней фазы. В результате ток проходит от одной фазы к другой и приводит электродвигатель в движение.
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:
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. Принцип работы контроллера электросамоката таков: он принимает сигнал от ручки газа и с учетом продолжительности поступающих импульсов регулирует скорость вращения мотора.
Кроме основной задачи, этот контролирующий и управляющий элемент:
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. Но при увеличении оборотов синхронизация с контроллером пропадала, появлялся посторонний звук, колесо дёргалось, вибрировало и полностью останавливалось.
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:
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.
О токе и мощности
Контроллер выполняет функции понижающего преобразователя. Это значит, что фазный ток, который проходит по обмоткам электромотора, может быть в разы больше тока, поступающего к контроллеру от аккумулятора. Так, при наличии электромотора с номинальной мощностью 1 кВт можно кратковременно получать величины до 2–2,5 кВт. Но это возможно только при наличии подходящего контроллера управления. А чтобы избежать перегрева мотора, важно реализовать постоянный контроль температуры.
О цене
Контроллеры можно купить в разных категориях:
В предыдущей статье нашего блога рассказывается о возможности установки на электросамокат дополнительной батареи.
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.
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
О совместимости
Контроллер, рассчитанный на использование с батареей напряжением 36 В, не стоит подключать к АКБ большего вольтажа. Вначале необходимо вскрыть контроллер и проверить, рассчитаны ли на увеличенное напряжение его компоненты, включая транзисторы и конденсаторы. Возможно, понадобится заменить и резистор в делителе напряжения. Но в продаже встречаются универсальные контроллеры с большим разбросом допустимых входных напряжений, к примеру, от 48 до 72 В или от 24 до 100 В.
Выполняемые функции
Именно контроллер формирует в обмотке статора мотор-колеса вращающееся магнитное поле и получает ответные сигналы о позиции ротора. Сигналы поступают от датчиков Холла, а при управлении моторами без датчиков позиция роторов определяется по противо-ЭДС.
К тому же, контроллер управляет электродвигателем:
Контроллер выступает в роли понижающего преобразователя, поэтому проходящий по обмоткам мотора фазный ток может быть гораздо выше батарейного тока, поступающего от АКБ к контроллеру. Именно от него зависит мощность, поступающая на двигатель. Например, при использовании мотор-колеса номинальной мощностью 1000 Вт можно кратковременно получать значения до 2000–2500 Вт. Главное – использовать подходящий контроллер и постоянно контролировать температуру, чтобы не допустить перегрева двигателя.
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.
Применение
В электровелосипедах используются трёхфазные бесщёточные электродвигатели с датчиками Холла. Стоит отметить, что применение подобных трёхфазных двигателей достаточно обширно:
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.
Как выбрать контроллер для электровелосипеда?
При выборе контроллера управления нужно учитывать характеристики электромотора и АКБ электровелосипеда, прежде всего – их напряжение и максимальный ток. Также играет роль номинальная мощность двигателя и расположение в нем датчиков Холла (при их наличии) – через 60 или 120°. Характеристики контроллеров указываются в их маркировке. Главный совет при выборе – обратить внимание на рекомендованные производителем рабочие характеристики и сопоставить их с техническими параметрами мотора и АКБ.
Контроллеры для е-байков производятся в широко диапазоне мощности – от 350 до 2000 Вт и выше. Если мощность не указана, ее можно рассчитать, умножив максимальные значения силы тока и напряжения. Что касается вольтажа и величины батарейного тока, для электромотора на 350 Вт подойдет контроллер 36 В, 15 А. Для мотора на 1000 Вт рекомендуется купить и установить контроллер вольтажом 48 В, рассчитанный на силу тока 30, 35 или 40 А.
Электробайк. Контроллер двигателя своими руками
Время на прочтение
Как вы уже знаете из прошлых постов, у нас в компании есть DIY-движение. В свободное от работы время коллеги занимаются фрезеровкой печатных плат в домашних условиях, делают тепловизор на FLIR Lepton, а также решают семейные разногласия с помощью 4 контроллеров и 2 умных часов. Продолжим серию увлекательный историй! Сегодня я расскажу, как сделать контроллер к трехфазному двигателю электровелосипеда своими руками. Целью создания такого контроллера было:
В тоже время на рынке представлены европейские качественные контроллеры для электробайков. Они оснащаются расширенными функциями, работают на разных напряжениях и токах и их можно программировать. Устанавливаются они на сверхмощные электровелосипеды. Но цена у них кусается — 10-20 тыс. рублей.
Программируемые модели и их задачи
Программируемые контроллеры соединяются по Bluetooth со смартфоном и позволяют настраивать рабочие характеристики – от значений аккумуляторного и фазного токов до углов фазного опережения.
При выборе управляющих контроллеров учитывается и наличие второстепенных функций:
Виды и подвиды
Классификация контроллеров управления по основным критериям приведена в таблице:
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:
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.
При выборе контроллера для электровелосипеда или другого транспорта на электротяге нужно оценить рабочие характеристики устройства. Ключевые параметры обычно указаны в маркировке. По ней можно узнать:
Для расчета предельной мощности контроллера находим произведение допустимых величин напряжения и силы тока. Диапазон мощности у таких приборов широкий. Для велосипедов на электротяге обычно используются модели с номиналом мощности от 350 до 2000 Вт. Для электрических скутеров – от 1000 до 4000 Вт. Для электромотоциклов – от 5000 до 10 000 Вт. Для электромобилей – от 10 000 до 50 000 Вт и более.
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.
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. Так делать нельзя, потому что Н-мост будет плохо работать и перегреваться. Но для кратковременных тестов это пойдёт. Кое-как, с сильными перегревами и страшными звуками, вибрациями и толчками колесо медленно закрутилось. Начало положено.
Вопрос совместимости
Контроллер, созданный для использования с АКБ вольтажом 36 В, недопустимо подключать к батареям большего вольтажа. Вначале нужно проверить, рассчитаны ли на подобные нагрузки силовые транзисторы и конденсаторы, находящиеся внутри устройства. Возможно, придется заменить и резистор в делителе напряжения. Более гибкие в этом плане универсальные модели с расширенным диапазоном входного напряжения: 48–72 В, 24–100 В и т.п.
Итог
Главное преимущество контроллера на базе MC33035 — это простота в использовании. Просто покупаете микросхему, собираете Н-мост, спаиваете всё на плату с небольшой обвязкой — и контроллер готов. Если нужно просто запустить двигатель с ШИМ-сигналом и управлять им — оптимальный вариант.
Контроллер на базе Ардуино — вариант сложнее, понадобится писать логику, обеспечивать дополнительные защиты контроллера. Но для экспериментов, прототипов, дополнительного функционала, использования различных режимов работы двигателя — подходящий вариант. Поэтому я решил пока отложить MC33035 и продолжить работу с Ардуино.