Управление мотор колесом своими руками

Как выбрать контроллер для электровелосипеда, какие контроллеры бывают и в чём их разница?

Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте разберёмся, зачем вообще нужен контроллер.

Видео:Свой контроллер мотор-колеса на STM32G4Скачать

Для чего электровелосипеду контроллер

Наверняка почти каждый любознательный представитель мужской половины человечества в детстве имел дело с моторчиками, установленными в детских игрушках, например, электрических машинках или лодках.

Эти моторчики представляли собой двигатели постоянного тока. Для вращения к ним достаточно было подключить батарейку, и направление вращения менялось в зависимости от полярности подключения.

В том случае обмотки ротора (вращающейся части электродвигателя) подключаются к источнику питания по очереди через пару графитовых щёток, таким образом ротор приводится во вращение.

В электровелосипедах же используются бесщёточные моторы, а точнее трёхфазные асинхронные двигатели, которым недостаточно просто подать напряжение питания от батареи. На первый взгляд кажется, что всё только усложнилось, но дело вот в чём.

Во-первых, двигатели постоянного тока имеют узел, который требует обслуживания и периодического ремонта — это как раз те самые щётки и коллектор, по которому они скользят.

Во-вторых, КПД этих двигателей ниже, а вес больше. В третьих, они имеют ограниченный диапазон скоростей вращения. Всех этих недостатков трёхфазные асинхронные двигатели лишены.

Но последним требуется контроллер — устройство, обеспечивающее коммутацию обмоток строго по определённому алгоритму.

В зависимости от типа двигателя (с датчиками положения ротора или без) от контроллера к двигателю идёт либо только три силовых провода, либо к ним добавляются 5 или 6 тонких проводов.

Силовые провода — это те, которые непосредственно подключены к обмоткам двигателя. А тонкие (слаботочные) провода — это провода питания и сигналов с датчиков положения.

На фото силовые провода (синий, зелёный и жёлтый) спрятаны в стеклоармированных трубках, а слаботочные видны: синий, зелёный и жёлтый — это сигналы с датчиков положения, красный и чёрный — это питание датчиков, а белый — с датчика температуры, который спрятан под платой ближе к обмоткам.

Видео:Подключаем мотор-колесо к контроллеру ArduinoСкачать

Двигатель и контроллер для электросамоката своими руками

В этой статье я расскажу как в домашних условиях сделать мощный двигатель для самоката или детского электромобиля с высоким КПД и простой контроллер к нему.

Вот что в итоге получилось: двигатель описанный в статье ниже без изменений, добавил регулируемый источник питания и курок газа, маленькая батарея в сумочке на руле 8S1P 2,5 А·ч (быстро заменяемая, можно брать несколько с собой, одной такой батареи хватает на 9-12км на средней скорости)

Расход батареи зависит от скорости, прилагаю таблицу расхода энергии для моего веса 85 кг:

Контроллер сейчас полный мост 4 транзистора IRFB4110 установленных без радиаторов, регулируемый источник питания выдает на этот мост напряжение от 25 до 70В при 24-33В на входе с кпд более 93%. Общий кпд системы получился на уровне 80-85% (включая потери на батарее проводах контроллере и двигателе).

Samsung INR18650-25R = 87 Вт/час (42В максимум с отводом от середины, 2.5 А/ч) мне полного заряда хватает на

Изначально использовался 1 датчик холла (но я уже тогда знал что это большие потери так как делал такие двигатели и раньше), так двигатель на холостом ходу потреблял 42 Вт (1 А на каждую половину батареи, итого 2*21 или 1*42) и за 2 минуты нагревался до 50 градусов (это без нагрузки), установка 2х датчиков холла снизила ток холостого хода в 10 раз! и он составил 100 мА (4,2 Вт) и греться он перестал. На максимальной нагрузке (езда в горку) ток достигал 6 ампер (>250 Вт) и обмотка разогревалась так что больше пары минут нельзя было ездить а после установки 2х датчиков холла и подачи питания на обмотки только в нужные моменты, согласно рисунку выше, полностью решило проблему перегрева (значительно подняло кпд) и ток при заезде на ту же горку упал в 2 раза (130 Вт)

И так магниты с катушками запакованы в корпус, вал (болт М6 100мм на котором гайками с бортиком, зажимные для колес, через шайбу и резиновую прокладку зафиксирован магнит) закреплен в немагнитных стальных подшипниках (это в идеале, но я использовал обычные дешевые стальные но сила магнитного поля такая что крутятся они с трудом, поэтому лучше сразу нержавейку ставить) и самое главное как его теперь запустить. Я использовал самый простой вариант одна катушка и один магнит — самый дешевый вариант и для самоката подходит идеально, естественно так как запитываем только 90 — 120 градусов сектор на такт то остается незаполненные тягой сектора и стартовать такой двигатель будет с толчка, но это же не вентилятор а двигатель для самоката, оттолкнулся, включил двигатель и поехал, все просто. Если же нужен автопуск то минимум нужно делать 2х фазный 4х тактный, такой поставил в детском автомобиле.

Фраза «шим регуляция» у меня ассоциируется с потерями, запитывать нужно постоянным током чтобы избежать потерь переключения на ключах и не греть диоды в ключах, в общем контроллер может работать с кпд 97% и выше если забыть про шим, а скорость лучше регулировать напряжением питания (например у меня в самокате она фиксированная 13 — 18 км/ч в зависимости от веса ездока). Запитка обмотки двумя тактами возможна или мостом но тогда потери всегда на 2х ключах или полумостом с питанием с отводом от средней точки, выбран именно такой вариант так как в 2 раза уменьшает потери на ключах (всегда катушка включена только через 1 ключ). Еще из плюсов такого полумоста то что обратная эдс при отключении катушки сливается через 1 диод в противоположное плечо и потери на диодах тоже в 2 раза меньше то-есть больше энергии вернется в конденсатор / аккумулятор так же и с рекуперации от скатывания с горки. В итоге получаем полумост + драйвер полумоста + схема управления.

Читайте также: Лодка надувная под мотор с жестким дном 3600

Схема управления

Использование одного датчика хола не дает возможность управлять углом в котором запитывается обмотка, поэтому нужно минимум 2 датчика расположенные таким образом чтоб получать включение обмоток в нужном диапазоне, проще всего сделать угол 90 град (для этого нужно разнести датчики на 45 градусов от витков катушки в обе стороны) тогда пары датчиков хватит на 4 такта (используем только 2 из них для однофазного) . Каждый датчик возвращает 2 позиции которые означают видит ли он северный или южный полюс, так вот когда оба видят северный включаем один ключ, когда оба видят южный второй, при использовании микросхем от куллера — реализуется логикой 2или-не, на входы двух логических элементов подается питание через сопротивления на выходах при этом 0, микросхемы куллера коммутируют входы логических элементов на ноль, когда оба входа на нуле на выходе 1 — включается 1 ключ, и так же когда на втором логическом элементе оба входа на нуле включается другой ключ. Все просто. Учитывайте при выборе микросхемы драйвера куллера (датчик холла) что они есть с защитой от остановки и без, для двигателя поддержки как у меня на самокате лучше использовать с защитой он запустится только при начале езды, но для двигателя который должен стартовать сам нужно выбирать без защиты и делать ее если необходима другим способом (защита от перегрузки по току например).

Микросхем логики у меня не было потому заменил транзисторами. Схема подключения драйвера мосфетов по даташиту.

Отладка двигателя

Хочу отметить важные моменты которые уберегут детали контроллера от случайного выжигания. Дело в том что обратная эдс с катушки очень коварная штука, она может спалить всю электронику и драйвер и микросхемы с датчиком холла. Для предотвращения таких ситуаций обязательно должны стоять конденсаторы по входу питания в которые сливается обратная эдс с катушки (через защитные диоды в мосфетах) при случайном отключении батареи, минимум 1000 мкф 50В с низким esr. Также для предотвращения попадания выбросов высокого напряжения на выход драйвера через обратную емкость мосфета, обязательно в цепи затвор исток должен стоять стабилитрон на 13-15В (что ниже допустимого напряжения затвора 20В но выше управляющего напряжения с драйвера 12В).

Итого, электрификация самоката обошлась в

Плюсы и минусы

• двигатель вращается без какого либо сопротивления, что не мешает поездке на самокате как на обычном при отключенном питании
• малый вес
• цена
• высокая эффективность

• нельзя устанавливать такой двигатель вблизи магнитных материалов (приведет к залипанию ротора, использование в корпусе железных болтов тоже недопустимо, только нержавейка или клей)
• нельзя устанавливать очень близко с массивными токопроводящими материалами (торможение вихревыми токами, идеально использовать раму из пластика, дерева, карбона тогда можно ставить где угодно)
• придумайте и напишите в комментариях (низкая скорость не катит, можно поднять напряжение, меня устраивает скорость для езды по пешеходным дорожкам)

Больше фото

Прижатие ремня для большего сцепления с зубчатым колесом

Первые включения (еще с 1 датчиком холла и пониженным напряжением питания 2х8В) максимальная скорость 3-5 км/ч

Настройка положения датчиков (катаемся, меряем потребление, переклеиваем датчик холла ищем оптимальный вариант) на фото оптимальный

Видео:Электровелосипед своими руками. Пошаговая инструкция. Мотор колесо под кассету.Скачать

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:

1. Изучение работы трехфазного мотора под управлением контроллера.
2. 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: Замена масла в гидроподъеме лодочного мотора ямаха 40 четырехтактный

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:два мотора от одного контроллераСкачать

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:Запуск мотор колеса гироскутера от 12 вольтСкачать

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.

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:контроллер мотор колеса из платы гироскутера.Скачать

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:

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

Читайте также: Как сливать воду из лодочного мотора ямаха

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

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:Сборка электровелосипеда для путешествийСкачать

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:

• HIP4086
  
• IR2101
  

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:Уроки Arduino - управление бесколлекторным моторомСкачать

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:Эта самоделка изменит твоё отношение к гироскутеруСкачать

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:Электробайк. Контроллер двигателя своими руками. Олег Макаренко. Митап 04.03.17Скачать

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.

🎬 Видео

мощный контроллер за очень дёшевоСкачать

Как подключить контроллер | Подключить контроллер к велосипедуСкачать

Самодельное Мотор-колесо по принципу Шкондина В.В. Электродвигатель на постоянных магнитах.Скачать

MXUS на 350 Вт - самое дешевое китайское мотор колесо.Где купить бюджетное мотор колесо?Скачать

Как подключить контроллер мотор-колеса Обзор всех проводовСкачать

Запуск мотор колеса на одной фазе 1го транзистораСкачать

✅Как подключить два контроллера к одной ручке✅Скачать

Пробег разных мотор-колёс | Замеряем пробег электровелосипедаСкачать