Контроллер для электровелосипеда: функции и принципы его работы — Мотор-Колесо. Motor Wheel.

Основные характеристики мотор-колеса:

• номинальная мощность. Указывает на то, на какую мощность рассчитан мотор. Как правило, обычно мотор может «переварить» без особых проблем 2 номинальных мощности, а в некоторых случаях и 3-4. От мощности, используемой МК, зависит скорость электровелосипеда. Более подробно зависимость скорости от мощности для разных видов МК можно посмотреть на симуляторе МК;
• вес МК обычно пропорционален его мощности, чем больше вес, тем большую мощность можно в него «вкачать». Распределение по весу, сверхлегкие: 1.4 кг (250-350 вт), легкие: 2-3 кг (250-500 вт), средние: 4-6 кг (500-1500 вт), тяжёлые: 6-10 кг и больше (1000-3000 вт и больше);
• номинальная RPM, количество оборотов в минуту на номинальной мощности. Указывает на то, скоростной это или тяговый мотор. МК с низким RPM обычно имеют хорошие тяговые характеристики, с высоким RPM низкие, что влияет на проходимость вела и динамику разгона. От RPM и диаметра колеса зависит, какую максимальную скорость сможет развить электровелосипед. RPM в скорость (км/ч) можно перевести по следующей формуле: Lm х RPM x 60/1000 = км/ч, где Lm — длина окружности колеса в метрах;
• ширина, влияет на то, в какую переднюю или заднюю вилку можно поставить МК. Основные стандарты размеров ширин МК: 90-93, 100-105, 135, 145. Надо не забывать, что при выборе МК надо добавлять ширину трещетки (кассеты) и/или дискового тормоза, которые планируются использовать совместно с МК. Обычно с МК, устанавливаемом назад, используются трещётки на 6-7 звезд;
• тип установки, передние или задние. Задние МК обычно имеют на крышке выступ с резьбой для установки стандартной трещётки или кассеты, на передних этого нет. У трещетки и кассеты разные крепления, поэтому на это тоже надо обращать внимание при выборе МК, обычно в МК присутствует крепление под трещётку, крепление под кассеты встречается не так часто и должно быть специально указано в описании МК (например, Bafang CST или QQ Cassete);
• тип крепления тормоза, влияет на то, какой вид тормоза можно установить на данный МК: без крепления, крепление под дисковый тормоз, крепление под барабанный (роллерный) тормоз;
• диаметр оси. Диаметр оси у МК может быть разный, у легких редукторных МК — 12 мм (QQ, Bafang), у более тяжёлых редукторных и ДД МК — 14 мм (MAC), у некоторых даже 16. Не смотря на разный размер оси практически все МК, устанавливаемые на велосипед, имеют «проточку» с двух сторон под стандартные велосипедные дропауты в 10 мм.

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.

Выбор мотор-колеса

Достаточно знать только одно: какой вам нужен электровелосипед? Городской, пригородный, туристический, грузовой или горный?

Далее выбираете мотор соответствующего назначения из обзоров мотор-колес Bafang, MXUS, Keyde, Xiongda, Shengyi или обширного ассортимента директ-драйвов QS Motor. Если у вас нет денег на моторы известных производителей, то покупаете «ноунейм» или мотор малоизвестной китайской фирмы. Они далеко не всегда хуже.

Мотор-колеса для городских электровелосипедов разработаны для спокойных поездок по равнинной местности. Они дешевы и надежны, если их использовать по назначению.

Моторы для пригородных электровелосипедов, как правило имеют чуть лучшие тягловые характеристики и хорошо справляются с умеренными подъемами.

Электромоторы для трекинговых велосипедов разработаны с учетом их будущего использования на длинных маршрутах, в том числе в холмистой местности.

Мотор-колеса для горных велосипедов (e-MTB) не производятся, поскольку в этой области применения они не могут конкурировать с кареточными моторами. Но некоторые производители указывают этот тип применения в рекламных целях. Как правило это моторы с хорошими тягловыми характеристиками разработанные для использования в условиях пересеченной местности.

Если вы здравомыслящий человек и не собираетесь гонять на электовелосипеде со скоростью выше 25–30 км/ч, то вам подойдет редукторный мотор мощностью 250–350 W. Если же хочется летать с велика на скоростях 40–45 км/ч, выбирайте мотор от 500 W и защитную экипировку.

Людям мнительным, сомневающимся, испытывающим трудности в принятии решений, а также электровелодрочерам при выборе мотор-колеса рекомендуется воспользоваться симулятором.

Задавать вопросы на специализированных форумах довольно бессмысленно. Людям разбирающимся в электровелосипедах давно надоело бесплатно отвечать на бесконечно повторяющиеся и дурацкие с их точки зрения вопросы, поэтому вероятнее всего вы получите ответ от какого-то некомпетентного персонажа оттачивающего свои амбиции.

С выбором батареи для вашего мотор-колеса вам может помочь статья про аккумуляторные батареи.

Конечно же лучше покупать комплект: мотор-колесо контроллер провода тормозные ручки с датчиками тормоза дисплей с пультом управления. В этом случае вам не придется ломать голову над вопросами совместимости отдельных элементов системы.

Где купить?

Можно купить мотор-колесо или комплект (мотор контроллер ручка газа дисплей батарея) у российских продавцов.

Но чаще наиболее выгодное предложение можно найти на Aliexpress, или других китайских интернет-площадках.

Некоторые интернет-магазины представленные на Aliexpress:

QS MotorEunorauZue ShuaiС and DGreenergyPowerSurroundYiYi BikeCooray Ebike

Датчики

В мотор-колесах, как правило есть датчики скорости, или датчики частоты вращения педалей (speed sensor), которые сообщают контроллеру, как дозировать помощь мотора в зависимости от частоты вращения педалей.

Датчики крутящего момента (torque sensor) реагируют не на частоту, а на усилие, которое велосипедист прикладывает к педалям, что создает ощущения более похожие на использование обычного (не электрического) велосипеда. Датчики крутящего момента используются в основном в кареточных моторах на горных электровелосипедах, но встречаются и с колесных, например в FSA System.

Директ-драйв

Английское название: Direct-Drive Hub Motor (DD). Русские названия различаются: директ-драйв, прямоприводный мотор, мотор с прямым приводом, безредукторный, ДД. Моторы с прямым приводом — самые простые двигатели. В них не подвержено износу ничего, кроме подшипников.

Директ-драйвы имеют одну неприятную особенность: при движении накатом и на педалях ощущается противодействие мотора. Зато электромоторы с прямым приводом отличаются высокой надежностью, их мощность: 500-3000 W и более. Вес от 5,3 кг.

Директ-драйвы покупают для оснащения электровелосипедов и электромотоциклов, рассчитанных на скорость от 40 км/ч. По словам Лемира-Элмора из Grin Technologies, двигатели с прямым приводом, как правило, имеют больший диаметр, чем редукторные мотор-колеса, потому что это создает более высокий крутящий момент, что необходимо для обеспечения достаточной мощности на низких оборотах.

Электротранспорт с прямым приводом может генерировать электрическую энергию во время торможения в процессе, называемом рекуперативным торможением. Но эффективность подзарядки аккумуляторной батареи посредством рекуперации столь мала, что этот эффект может иметь какое-то практическое применение только на спуске с Эвереста (если там когда-нибудь появится дорога).

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 определить, с какой скоростью поедет электровелосипед при использовании выбранного мотор-колеса?

Это зависит от диаметра колеса в которое устанавливается МК и его номинальных оборотов. Номинальные обороты (которые достигаются при номинальной потребляемой мощности) должны указываться производителем (продавцом) в характеристиках МК. Формула перевода оборотов в скорость следующая: L х RPM x 60/1000 = км/ч Где: L — длина окружности колеса, RPM — номинальные обороты колеса.

Соответственно при форсировании МК мощностью выше номинала, скорость возрастает, если хотите форсировать по скорости, поднимаете напряжение, если по тяге — ток. Грубо говоря, в общем случае, каждый вольт прибавки дает прирост в 1 км/ч (до 50 км/ч, дальше возрастание скорости от напряжения сильно нелинейное).

ГДЕ КУПИТЬ МОТОР-КОЛЕСО?

В нашем магазине мастерской можно купить любой из типов мотор-колес. Ознакомится с ассортиментом мотор-колес можете тут — мотор-колеса.

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.

Контроллер для электровелосипеда: функции и принципы его работы — мотор-колесо. motor wheel.

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.

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.

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.

Принцип работы блока управления

Сигнал идущий на приспособление исходит от ручки акселератора. Устройство принимает данные и отталкиваясь от них изменяет частоту вращения электродвижка. Для того чтобы продлить срок работы агрегата, во время замедления должно обеспечиваться плавное понижение длины импульсов. Помимо всего прочего, контроллер может предложить электробайку движение задним ходом.

Устройство продлевает жизнь аккумулятору, который не должен доходить до глубокого разряда. Для этого в блок управления внедряется пороговый показатель заряда и когда он достигается, происходит отключение электродвигателя. Контроллер отслеживает температуру системы, что не допускает токовый перегруз.

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.

Различия по мощности

Существует нескольку условная классификация по мощности: маломощные (250–350 W), средней мощности (500–750 W), мощные (от 1000 W). От мощности зависит скорость электровелосипеда. Что бы уяснить зависимость скорости от мощности разных типов моторов воспользуйтесь симулятором.

Попытка понять, как номинальная мощность влияет на ходовые качества электровелосипеда — отличный способ сойти с ума. Дело в том, что такая характеристика, как «номинальная мощность», используемая некоторыми производителями, не равна ни фактической выходной мощности, ни максимальной выходной мощности. Фактическая выходная мощность двигателя зависит от того, насколько сильно он нагружен в какой-то конкретной ситуации.

Некоторые производители мотор-колес указывают пиковую мощность, но насколько она продолжительна? 1, 5, 100 секунд? Хз…

Мощные моторы маскируют обманными стикерами. Но нужно понимать, что если вы гоняете по дорогам на высоких скоростях без прав и вас ловят, стикер может не помочь избежать ответственности. В большинстве стран законы таковы, что без прав можно ездить только на электровелосипедах с моторами не мощнее 250W.

Редукторное мотор-колесо

Английское название: Geared Hub Motor. У редукторного мотор-колеса присутствуют редуктор и встроенная обгонная муфта, наличие которой при движении накатом и на педалях обеспечивает отсутствие торможения мотором. Редуктор снижает высокую частоту вращения электромотора и увеличивает крутящий момент.

Редукторные мотор-колеса используемые в электровелосипедах, электросамокатах и электроскутерах отличают небольшие размеры и вес, хорошие тяговые характеристики. Мощность редукторных мотор-колес обычно не превышает 250–500 W, скорость транспортных средств с этими моторами: 30–50 км/ч. Покупка редукторного мотор-колеса оправдана, если для вас более важна проходимость электровелосипеда, а не его скорость.

Сколько стоят мотор-колеса?

Проще всего проанализировать ассортимент Aliexpress. Самое дешевый мотор (250 W, незаспицованный и от совершенно неизвестного производителя) для велосипеда мне удалось найти за 5981 руб.

Если смотреть популярные моторы, то цены начинаются от 8 000 руб. Например 350 W мотор Shengyi для заднего колеса стоит 9 550 руб. Хорошо зарекомендовавший себя задний редукторный мотор для электрофэтбайка от Bafang: 14700 руб. Директ-драйв 1500 W — 12 600 руб. И так далее…

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.

Тяговые и скоростные мотор-колеса

Номинальный RPM (оборот в минуту) указывает на то, скоростным является электромотор или тяговым. Также можно смотреть крутящий момент (Max. Torque). Измеряется в Nm. Чем больше Nm — тем более тяговый электромотор.

Не стоит заморачиваться изучением этой характеристики. На сайтах нормальных производителей обычно указано для каких транспортных средств мотор предназначен. А если не указано, можно спросить. Врут только о использовании мотор-колес применительно к горным велосипедам.

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.

Электровелосипед своими руками: контроллер