Управление мотор колесом джойстиком (3 видео)

Некоторые велосипедисты устанавливают сразу 2 электроколеса, чтобы уверенно преодолевать всевозможные препятствия в пути на полноприводном электровелосипеде. Управление мотор-колесом производится через контроллер и ручку газа – при ее вращении датчик Холла изменяет напряжение и контроллер меняет частоту импульсов, подаваемых в единицу времени на обмотки электроколеса. В результате, можно меняется интенсивность вращения колеса и скорость движения велосипеда. Также в управлении электровелосипедом участвуют датчики, интегрированные в ручки тормоза. При нажатии они замыкают цепь и контроллер отключает электродвигатель или переводит его в режим генератора.

Содержание

Контроллеры
Панель управления
Система PAS
Электробайк. Контроллер двигателя своими руками
Применение
Устройство двигателя
Цикл работы
Транзисторы и Н-мост
Прототип на Ардуино
Мостовые драйверы
Аппаратное прерывание
Прототип на базе микросхемы MC33035
Планы на будущее контроллера
📹 Видео

Видео:Колеса от гироскутера. Управление джестиком.Скачать

Контроллеры

Удобно и эффективно управлять электровелосипедом помогает контроллер – электронное устройство, ответственное за запуск двигателя, управление скоростью и обеспечение контролируемой остановки. Этот аппарат выступает посредником между двигателем и рулевым управлением. С его помощью токи от аккумуляторов подаются к мотору и электрическим деталям. Управляя работой транспортного средства, контроллер отвечает за:

включение и выключение электронных компонентов;
управлением включения обмоток электродвигателя синус или трапеция, что немаловажно для продления срока эксплуатации мотор-колеса;
настройку скорости вращения электроколеса;
функцию ограничения скорости;
поддержание тормозного момента двигателя;
защиту электросистемы от перегрузки по току и перегрева;
подсоединение и вывод на панель управления рабочих показателей;
обратный ход;
работу системы рекуперации при торможении;
круиз-контроль (стабилизацию частоты вращения) – фиксацию скорости на определенном значении при удерживании ручки газа в определенном положении на протяжении 8–10 секунд.

К контроллеру обычно подсоединяются все электрические компоненты велонабора. В ряде случаев контроллеры предусматривают возможность подключения еще и сигнализации.

Видео:Управление колесами гироскутера с помощью джойстикаСкачать

Панель управления

Еще одной значимой составляющей электровелосипеда является панель управления. Она отвечает за включение питания в электроцепи и обеспечивает внешний мониторинг работы транспортного средства. Обычно этот элемент управления крепится на ручке руля. Дизайн и механизм работы панелей управления может отличаться, но зачастую модели имеют:

кнопку включения и выключения электронных компонентов;
индикатор степени заряда аккумуляторов;
3-ступенчатую систему контроля скорости;
переключатель света фар;
LCD-дисплей;
LED-подсветку.

На панели управления могут отображаться такие данные как текущая скорость, общий пробег, дальность поездки и затраченное на нее время, напряжение АКБ, мощность электродвигателя и др. В ряде моделей предусмотрена система индикации неполадок.

Видео:#плата #гироскутера управление #RC + #джойстикСкачать

Система PAS

Для управления электротягой как дополнительным источником мощности используется система PAS. Она крепится на каретку и обеспечивает подключение мотора при вращении педалей – когда они начинают вращаться, содержащийся в PAS системе датчик создает управляющие импульсы и направляет их контроллеру. В результате, запуск мотор-колеса осуществляется с незначительной задержкой после старта вращения педалей.

Предлагаем вам также ознакомиться с материалом о том, каким током заряжать Li-Ion аккумулятор.

Видео:Как подключить моторколесо от гироскутера - Обзор драйверов для BLDC двигателейСкачать

Электробайк. Контроллер двигателя своими руками

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:

Изучение работы трехфазного мотора под управлением контроллера.
Большинство контроллеров для электровелосипедов, представленных на рынке, — китайские. Они хоть и относительно дешевые (около 2.000 руб в зависимости от мощности), но являются неведомой коробкой, в которой неизвестно что происходит. И сразу к ней возникает очень много вопросов — экономично ли она потребляет и распределяет ток, какой у нее запас мощности, почему так сильно перегревается, преждевременно срабатывает защита по току и т.д.

Читайте также: Что такое калибровка мотора

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.

В итоге я решил пойти своим путем: разобраться в устройстве контроллера, сделать его прототип, а затем попытаться сделать контроллер качественнее китайского контроллера. На текущий момент проект у меня в разработке только и на уровне прототипа, готового варианта пока нет. Буду рад услышать ваши комментарии и советы.

Видео:контроллер мотор колеса из платы гироскутера.Скачать

Применение

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

Бытовая техника
Оргтехника
Электротранспорт
Промышленность

Видео:Как подобрать контроллер для мотор колеса | Как понять мощность контроллераСкачать

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.

Видео:Уроки Arduino - управление бесколлекторным моторомСкачать

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.

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.

Читайте также: Как разбирать мотор салют

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.

Видео:Подключаем мотор-колесо к контроллеру ArduinoСкачать

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:

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

Видео:✅Как подключить два контроллера к одной ручке✅Скачать

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.

Видео:Эта самоделка изменит твоё отношение к гироскутеруСкачать

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:

Читайте также: Бмв е21 мотор м10

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:

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.

Видео:мощный контроллер за очень дёшевоСкачать

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.

Видео:Запуск мотор колеса гироскутера от 12 вольтСкачать

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.

Отвечает за всю логическую часть контроллера
Считывает показания с датчиков Холла
Определяет положения вала
Выдаёт сигналы для затворов Н-моста на их драйверы
Имеет возможность подключения индикатора ошибок, перегрева
Обрабатывает и передает ШИМ-сигнал (PWM)
Осуществляет реверс (обратный ход колеса)

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.

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.

Видео:Китайский контроллер 36-48 вольт 350Watt. Подробное подключениеСкачать

Планы на будущее контроллера

Продолжая работу над контроллером, планирую сделать следующее:

IGBT-транзисторы для H-моста вместо полевых транзисторов.
Обвязку с защитами по току, перегреву и т. п.
Полноценный круиз-контроль с возможностью выставлять необходимую скорость движения.
Расходомер. Когда задаётся необходимое расстояние, а контроллер, исходя из этого значения и заряда аккумулятора, дозирует разряд аккумулятора на всём протяжении маршрута так, чтобы зарядки хватило.

источники:

https://evakuatorinfo.ru/upravlenie-motor-kolesom-dzhoystikom