что делает контроллер в электросамокате
Назначение контроллера для электровелосипеда, устройство, принцип работы
В каждом велосипеде электрическом обязательным элементом является контроллер, отвечающий за работу двигателя.
Технический прогресс способствовал созданию современных его видов, которые коренным образом отличаются от предшественников, напоминавших массивный реостат. В них нет движущихся частей, а передача к мотору электроэнергии регулируется длительностью поступающих импульсов.
Как работает котроллер
В основном это устройство предназначено для подачи на мотор-колесо поступающей от батареи аккумуляторной энергии. Магнитное поле, создаваемое током, протекающим по обмоткам, отталкивает и притягивает магниты ротора, что приводит колесо в движение. Основная задача контроллера — управление частотой вращения двигателя велосипеда. Но у него есть другие дополнительные функции, которые можно разделить на:
Контроллером принимается сигнал от ручки акселератора. На основе принятой информации, осуществляет регулирование скорости вращения двигателя. Быстро раскручивая двигатель, очень важно, чтобы также быстро его можно было, при необходимости, остановить. Чтобы двигатель служил дольше, требуется плавное и мягкое торможение, методом изменения длительности импульсов, что входит также в функции этого прибора. Очень полезно иметь возможность реверса, т.е. обратного хода. Более совершенные модели этих приборов имеют возможность подачи на мотор напряжения противоположной основной полярности, обеспечивая тем самым оптимальный режим изменения вращения двигателя. Регулирование заднего хода, для обеспечения безопасности, происходит на низких оборотах.
Очень важно для любого велосипеда с электромотором, чтобы контроллер мог определять уровень напряжения в батареях и, при его падении ниже порогового значения, мог отключить двигатель от питания. Пороговым значением считается величина 87,5%. В моделях современных, наиболее продвинутых, порог отключения можно настроить под конкретный тип батарей, используемых в велосипеде, защитив их, таким образом, от чрезмерной разрядки.
Следить за температурой контроллер может благодаря установленному в нем термодатчику, чем предотвращает в электросистеме велосипеда токовую перегрузку.
Помимо мотор-колеса к нему подсоединены и все другие комплектующие велосипеда, для подключения которых предназначены высококачественные многожильные соединительные провода, защищенные силиконовой термостойкой изоляцией.
Ряд важных параметров, таких как, например, напряжение батарей, максимальный рабочий ток и пр., определяют с какими аккумуляторами и электрическими моторами могут работать контроллеры.
Универсальный контроллер «Volta bikes»
Можно ли отремонтировать контроллер?
Одной из немногочисленных поломок, которая может случиться с электрическим велосипедом, является выход из строя этого элемента. Что рекомендуется предпринять в этом случае?
Прежде всего, сняв контроллер, нужно определить, подлежит ли он ремонту, что легко сделать, просто взглянув на них: внешний вид подскажет, какая деталь требует замены. Если ремонт возможен, нужные запчасти спросить можно в магазине велотехники или на радиорынке.
Если отремонтировать контроллер уже не представляется возможным, его придется заменить. Сделать это можно, вновь-таки, посоветовавшись с продавцами этого транспорта, потому что, даже при внешней схожести прибора и совпадении разъемов, предназначенных для подключения соответствующих компонентов, контроллеры, выпущенные различными производителями, по- разному могут быть «прошиты». Касаться различия могут и других показателей. Чтобы получить максимальный коэффициент полезного действия двигателя, нужен штатный контроллер, предназначенный для работы с ним или же универсальный, рассчитанный на напряжение 24, 36, 48 V и мощность, лежащую в пределах 200-1000 Вт. Приятным моментом является то, что их стоимость практически одинакова.
Контроллеры: стандартный (штатный) и универсальный
Универсальные Volta bikes внешне незначительно отличаются от штатных, в которых на мотор питание подается по окрашенным в желтый, зеленый и синий цвета проводам. В ремонтном же – они все зеленого одинакового цвета. Здесь не имеет значения порядок их подключения из-за того, что настройки отсутствуют до момента подключения к двигателю
Стандартный контроллер и универсальный
Два провода дополнительных синего цвета, имеющиеся в ремонтном варианте Volta bikes, могут быть соединены вместе при помощи одноконтактного разъема. Они служат для настройки фазировки. После установки на велосипед этой важной детали, к ней подключают все компоненты электронные. Затем несколько секунд проводки замыкают. Как только напряжение подано на мотор-колесо, оно должно самостоятельно сделать несколько оборотов. Если правильно сделано все, то так и произойдет. Теперь синие провода нужно рассоединить, поскольку они уже не нужны. Прибор к работе готов.
Все про контроллеры электросамоката | Схема, проверка, ремонт
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.
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:
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.
Подключение к ручкам тормоза и стоп-сигналу. К общему жгуту проводов подключено 2 разъема.
Контроллер электросамоката — что это, какие бывают поломки
Электросамокаты отличаются от своих механических собратьев наличием электродвигателя, аккумуляторной батареи и контроллера. Последний компонент представляет собой управляющую плату, размещенную в защитный корпус, выполненный из металла, реже — из пластика. Если провести аналогию электросамокатов с компьютерами, то контроллеры можно рассматривать как центральный процессор. Вся электроника начиная от освещения до мотор-колеса завязана на нем. Одной из серьезных поломок, случающихся с компактным электротранспортом, является выход из строя его контроллера. Каковы причины таких ситуаций и что необходимо предпринимать для выхода из них, читайте в этой статье.
Причины поломок
По мнению профессионалов, ежедневно сталкивающихся в сервисных центрах с неисправностями компактного электротранспорта, основных факторов, приводящих к выходу из строя контроллеров, всего два.
Особенности ремонта контроллеров
Для восстановления залитого контроллера требуются серьезные навыки инженера-электронщика. Ведь важно провести ремонт так, чтобы не повторился процесс выгорания компонента транспортного средства. Восстановление или ремонт не всегда целесообразны, а определить это сможет только опытный мастер после осмотра и диагностики компонента. Поэтому очень важно при появлении проблем с техникой обращаться к профессионалам. С информацией о надежном сервисном центре, осуществляющим все виды ремонта электросамокатов, можно ознакомиться здесь.
Если необходима замена
В случае, когда восстановление или ремонт контроллера невозможны, приходится его менять на новый. На первый взгляд этот процесс достаточно прост. Для этого необходимо разобрать транспортное средство, освободить контроллер и все провода от него, которые после этого присоединить уже к новому компоненту. Далее произвести все действия в обратном порядке. Но мастера предупреждают, что у отдельных моделей электросамокатов для выполнения данной операции требуется полная разборка аппарата, вплоть до винтика. В мастерских такая работа считается рядовой и в среднем проводится за 2 часа. После замены контроллера проводится проверка всех систем транспортного средства.
В случаях выхода из строя контроллеров электросамокатов производится их ремонт или замены. Для выполнения таких работ, имеющих ряд особенностей, следует обращаться к проверенным специалистам.
Контроллер для электровелосипеда и электроскутера
Контроллер управления для бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC, PMSM) – это важное звено в системе электрокомпонентов. Без контроллера электродвигатель не сможет даже запуститься, не говоря о его полноценной работе. Аккумуляторная батарея имеет 2 полюса – положительный и отрицательный, а мотор-колесо – 3 фазных провода. Поэтому подключить аккумулятор и двигатель напрямую невозможно. Для этого используется дополнительное звено – контроллер управления.
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.
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:
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:
Разновидности контроллеров управления
По принципу взаимодействия с электромотором
Для использования с датчиками Холла
Совместимы с мотор-колесами, оснащенными датчиками Холла.
Для работы без датчиков
Совместимы с моторами без датчиков, определяют позицию роторов по противо-ЭДС.
Могут работать и с датчиками положения, и без них.
По виду выходного сигнала
Создающие сигналы прямоугольного вида (меандр)
Цена таких моделей – ниже. При их использовании обеспечивается увеличенная скорость, но из-за вибрации обмоток двигатель шумит сильнее.
Создающие чистые синусоидальные сигналы.
Дороже. Обеспечивают тихую работу мотора и небольшое снижение максимальной скорости – по сравнению с меандровым контроллером при том же напряжении АКБ.
Сознающие сигналы в виде «модифицированной синусоиды» или сглаженного меандра.
По принципу реагирования на сигналы ручки газа
Обеспечивающие управление скоростью, мощностью или крутящим моментом.
Как выбрать контроллер для электровелосипеда?
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.
О совместимости
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:
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.
О цене
Контроллеры можно купить в разных категориях:
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:
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.
Применение
В электровелосипедах используются трёхфазные бесщёточные электродвигатели с датчиками Холла. Стоит отметить, что применение подобных трёхфазных двигателей достаточно обширно:
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.
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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.
Планы на будущее контроллера
Продолжая работу над контроллером, планирую сделать следующее: