Ремонт контроллера электросамоката своими руками

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 05.10.2024

Пожалуй самый простой бюджетный контроллер для электровелосипеда мощностью 350 Вт с моторколесом (BLDC двигателем). Средняя цена около 700 руб. с доставкой из Китая. Несмотря на дешевизну он вполне надёжный и функциональный.

Основные характеристики контроллера

  • Питание от батарей с номинальным напряжением 36В, 48В
  • Возможна работа моторколеса как с датчиками Холла, так и без них
  • Автоматическое определение фазового угла датчиков Холла 60/120 градусов
  • Номинальная мощность 350 Вт
  • Максимальный ток 16-18A
  • 6 FET транзисторов
  • Размеры 10.3x7x3.5 см

Назначение проводов

  1. Три толстых провода на двигатель / желтый, синий, зеленый (три фазы мотора)
  2. Два толстых провода / красный “+”, черный “-” на батарею и тонкий красный – на “зажигание”, при его подключении на красный толстый провод включается контроллер
  3. Пять проводов на датчики холла / красный “+5В”, черный “-“, желтый, синий, зеленый – сигналы с датчиков
  4. Провод на датчик тормоза (при замыкании на “-” отключается двигатель)
  5. Выход сигнала скорости (дублирует сигнал одной из фаз, напряжение +5В)
  6. Три провода на ручку газа / красный “+5В”, черный “-“, зеленый “сигнал 0,8 … +4,2 В”
  7. Два провода на переключатель максимальной скорости (душилка) мощность при этом не меняется. Три уровня:
    • 100% – ни один из проводов не подключен к “-“,
    • 75% – синий провод подключен к “-“,
    • 120% – черный провод подключен к “-“
  8. Два белых провода – “обучение”

Контроллер работает с ручками и курками газа на датчике Холла. Здесь собраны некоторые из них.

Обучение контроллера

Для того, чтобы контроллер понимал, в какую сторону вращать мотор, определить угол датчиков холла, необходимо произвести обучение. Обучение нужно провести только при первом включении системы, в дальнейшем вся нужная информация будет храниться в энергонезависимой памяти контроллера. В процессе обучения также контроллер понимает на какое напряжение установлена батарея – 36 или 48 В. Эту информацию он использует, чтобы отключить питание системы, когда она окажется разряжена. Функция защиты от переразряда присутствует и в BMS литиевой батареи, так что защита получается двойная и что-то из них сделает это первым.

  1. Нужно вывесить колесо, чтобы оно могло свободно вращаться
  2. Соединить два провода обучения
  3. Подключить батарею
  4. Включить “зажигание” (красный тонкий провод на + батареи)
  5. Если колесо вращается в верном направлении – выключаем “зажигание” и разъединяем провода обучения. Обучение закончено
  6. Если колесо вращается не в ту сторону, размыкаем провода обучения и соединяем снова, направление вращения изменится, выключаем “зажигание” и разъединяем провода обучения. Обучение закончено

Что интересного внутри контроллера

Если вскрыть контроллер можно увидеть не совсем опрятную плату, по крайней мере у меня произошло так. Плату проверить всё же желательно, я обнаружил неотмытые капельки припоя, которых по хорошему там быть не должно. Также стоит обратить внимание на наличие термопасты на радиаторе с мосфетами. Электролитические конденсаторы по питанию установлены на 63 В. Мосфеты P65NF06 с предельно допустимым напряжением сток-исток (Uds): 60 В. То есть контроллер можно запитывать от батарей с немного более высоким напряжением, чем привычных, 48 В (54,6 мах). Это литий-ионная батарея 14S или литий-железо-фосфатная 16S. Напряжения этих полностью заряженных батарей 58,8 В и 58,4 В соответственно. Максимальная скорость в этом случае будет чуть больше.

Дополнительные функции контроллера

Кроме того на плате есть точки дополнительных функций, которые не выведены в общем пучке проводов. Функция срабатывает при подключении точки к общему проводу (GND). (Любой черный провод на плате это общий или GND).

Точки подписаны следующим образом:

Эта схема также встречается в контроллерах мощностью до 350 Вт, выполненных в других корпусах.

R16 (шунт) на схеме это и есть тот шунт, от сопротивления которого зависит максимальный ток, подаваемый в мотор. Для увеличения тока сопротивление нужно уменьшить, например лужением. Для уменьшения, соответственно, сделать тоньше.

Смотрите также как своими руками прошить плату (контроллер) от гироскутера под управление с ручки или педалей газа. На основе такой платы можно построить электросамокат, электровелосипед, трайк, детский электромобиль с приводом на два колеса.

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 ~15 км по ровной дороге.

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.

Контроллер

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.

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 ~110$

Плюсы и минусы

Плюсы:

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

Минусы:

  • 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


nalexand Опубликована: 20.10.2019 Изменена: 28.06.2020 0 7


У большинства китайских контроллеров электровелосипедов (скорее всего и не только китайских) есть нижнее ограничение по напряжению. Например, контроллер на 36 вольт работает до 30-31 вольт, при более низком напряжении перестает крутить мотор. Иногда это ограничение нужно снять. Например при работе мотора от импульсного блока питания, от трансформатора, при нестандартном напряжении батареи — 24 или 18 вольт.
Есть три варианта изменения нижнего предела напряжения контроллера электровелосипеда, электросамоката и прочей BLDC техники.
1. Простой недорогой, ставится плата обманки за пару баксов, в контроллер лезть не нужно.
2. Простой бесплатный нужно открыть контроллер и припаять перемычку.
3. Сложный бесплатный. Заменить резистор резистивного делителя в контроллере.
Первый и второй способы снимают ограничение полностью, контроллер крутит колесо вплоть до 12-15 вольт, третий способ самый сложный но позволяет не снять, а сдвинуть нижнее ограничение контроллера вверх или вниз.

1. Простой недорогой.

Обычно контроллер электровелосипеда подключается по 3 проводам. Два из них это силовой плюс и минус батареи, по ним идёт основной ток. И один провод это контроль напряжения батареи и питание логики контроллера. Обычно этот третий провод идёт через замок зажигания или кнопку включения на руле.
Чтоб обмануть контроллер ставим в разрыв этого провода повышайку. Просто разрезаем этот провод и ставим плату повышайки в разрыв.
Нужно подключить минус с любого конца платы (с любого, он там сквозной). Я взял минус с белого провода обучения. На вход платы приходит напряжение питания батареи, выход на контроллер настраивается например на 36 вольт и контроллер все время думает что напряжение батареи 36 вольт.
Особенности Нужно брать плату повышайки с напряжением, соответствующим максимальному напряжению батареи. Плата по ссылке держит до 35 вольт. Если максимальное напряжение батареи или блока питания планируется выше 35 вольт, например 72 вольта и при этом нужно чтоб контроллер работал до 15 вольт (странная ситуация), то нужно ставить плату понижайки с 72 например до 20. А потом повышать с 20 до 36. Или искать sepic на этото диапазон напряжений.
При этом мне удалось понизить напряжение работы контроллера вплоть до 15 вольт. Если открыть газ и понижать напряжение питания, то контроллер крутит моторколесо вплоть до 4 вольт.

Если отпустить газ, то мотор уже не стартует, уверенно стартует от 15 вольт. Возможно на других контроллерах будут другие цифры. Я видел что некоторые контроллеры стартуют и от 12 вольт.

Плюсы
+Не нужно открывать контроллер, что то искать и паять.
Минусы
— Нужно покупать повышайку, большинство повышаек держат всего до 24 вольта на входе.
— Не будет индикации напряжения батареи, нужно подключать вольтметр или индикатор отдельно до повышайки.

Видео, в котором все подробно показано

2. Простой бесплатный.

Контроллер определяет напряжение батареи через резистивный делитель. Напряжение батареи приходит на пару резисторов, соотношение сопротивления которых обычно 10-20 к 1. Контроллер берет напряжение с средней точки резистивного делителя и по этому напряжению понимает какое напряжение на батарее.
Например, если делитель 1:9 то при напряжении на батарее 36 вольт на средней точке будет 3.6 вольта и контроллер будет думать что с напряжением все нормально.
Онлайн расчет напряжения и делителя

При напряжении на батарее 30 вольт на средней точке будет 3 вольта и он будет выключать мотор чтоб не садить батарею ниже 30 вольт. Второй способ заключается в том, что можно просто подать на среднюю точку резистивного делителя напряжение например с питания ручки газа, там чуть меньше 5 вольт. При этом напряжение на ноге контроллера, которая контролирует напряжение батареи, всегда превышает пороговое и контроллер всегда крутит мотор. Ну пока может крутить. У меня на контроллерах этот нижний предел около 15 вольт.
Как найти точку, куда припаиваться?
Находим точку, куда припаян провод с замка зажигания. Находим резистор, который объединён с резистором, который идёт на минус.
То есть два резистора включены последовательно, один на минус, второй на провод замка зажигания и вот как раз средняя точка этих резисторов идёт на контроллер для напряжения батареи.
Ещё одна отличительная особенность — конденсатор параллельно резистору и резистор с 4 цифрами, то есть повышенной точности. Ну и часто рядом с этой точкой есть перемычка с надписью 48 или 60 вольт, запаяв которую можно поднять нижний предел работы контроллера. Но нам же нужно его опустить.

На фото резистивный делитель образован
— верхнее плечо R131 120K
— нижнее плечо R57 7,5K

В эту точку нужно припаять провод с питания ручки газа. Это напряжение ниже напряжения питания контроллера и не должно его повредить. Контроллер думает что батарея полностью заряжена и крутит моторколесо пока может.

На фото выше я взял плюс на среднюю точку резистивного делителя с точки, которая подписана 4.3 вольта. Можно взять поближе 5 вольт, но я подумал что лучше взять напряжение ниже питания контроллера.
Плюсы
+ Не нужно ничего покупать, припаял перемычку и ограничение контроллера пропало.
Минусы
— Нужно вскрывать контроллер, искать резисторы резистивного делителя.
— Не будет индикации напряжения батареи, нужно подключать вольтметр или индикатор отдельно до повышайки.
— Если припаять не то и не туда, то можно спалить контроллера. Желательно измерить напряжение в точке, которая наверное идёт на питание ручки газа, чтоб не спалить контроллер.

Видео, в котором все подробно показано.

3. Сложный бесплатный

Первые два способа снимают ограничение контроллера до минимального. Третий позволяет сдвинуть вверх или вниз нижний предел работы контроллера. Находим резисторы резистивного делителя (возможно втрое или третье видео поможет в этом) и заменяем резистор верхнего или нижнего плеча. Для расчёта резистора нужно измерить напряжение, которое приходит с батареи на плату третьим проводом с замка зажигания или кнопки включения. И замерять напряжение на средней точке. По маркировке узнать номиналы резисторов на плате (почему то в плате они измеряются не корректно) и вбить эти данные в онлайн калькулятор.
Проверяем данные — при верных номиналах резисторов данные напряжений должны совпасть.
Допустим опытным путем я определил что контроллер выключается при напряжении 30 вольт и при этом на средней точке 1,75 вольт.
В делителе напряжения задействовано два резистора — 1203 — 120 килоом и 85В — 7.5 килоом.

Проверяю. Все сходится.

Допустим, я хочу чтоб контроллер выключался на 20 вольт — 10 элементов lifepo4, разряд каждого до 2.0 вольта.
Вбиваю вместо 30 вольт 20 и напряжение на средней точке падает.

Для того, чтоб вернуть его на место, нужно или уменьшить номинал резистора верхнего плеча или увеличить номинал резистора нижнего плеча.
Подбираем резистор так, чтоб напряжение средней точки было максимально близко к необходимому. Меняю R2 с 7.5к на 12к.

Если номинал резистора нужно уменьшить, то можно припаять поверх него ещё один. Для расчета параллельного соединения резисторов можно использовать онлайн калькулятор
Меняем резистор, проверяем напряжение на средней точке. Проверяем работу контроллера, как изменился нижний порог напряжения.

Теперь контроллер работает примерно до 19-19.5 вольта.
Плюсы
+ напряжение контроллера можно сдвинуть вверх и вниз, можно настроить любое.
Минусы
— нужно лезть в контроллер и паять
— нужно искать резистор, подбирать его.
— индикация остатка заряда будет, но, возможно, некорректная.
Если кому то что то не понятно, то все эти манипуляции подробно показаны в видео.

Всем привет! Пока я рассказываю о велосипедах за сотни тысяч рублей, я помню, что вокруг меня катается огромное количество электрических самокатов. Обычных. Я бы даже сказал народных. Авито переполнено объявлениями продажи от пяти тысяч рублей за бывшие в употреблении и от десяти тысяч за новые.

Таким образом, миллионы людей приобрели электрический транспорт, и, полной жизнью живя, оценивают известное китайское качество, радуются и страдают. Я же собрал с нуля, полностью ремонтопригодный и с нужными мне характеристиками.

В общем я решил сделать небольшой видео ролик, на котором запечатлел ремонт собственного электросамоката, который я сделал вместе с сыном несколько лет назад.

Итак, первое, осматриваем визуально на провода, разъемы. Также не лишним будет проверить есть ли заряд в батарейке. Очень часто мы забыли зарядить, не включили зарядку в розетку, и разобрали исправную вещь будучи уверенные в своей правоте.

Далее, все ручки газа имеют в своей конструкции датчик холла. Этот датчик представляет собой радиодеталь с тремя проводами, реагирующую на наличие или отсутствие рядом магнита.

Эти три провода, красный это плюс, черный это минус, цветной, в моем случае белый, это сигнал, в зависимости от положения магнитика внутри ручки газа он варьирует напряжение от 1 до 4 вольт. Если это происходит то ручка газа исправна. В моем случае был обрыв красного провода.

Я определил это "прозвонив" провод тестером.

Контроллер же выдает 5В на выходе ручки газа. Таким образом можно подключится тестером к разъему контроллера. Если он выдает 5 вольт, то значит контроллер скорее всего исправен.

Можно также проверить ручку газа, в моем случае оказалось, что при определении неисправности ручки газа контроллер просто отключается. Однако на отсоединенном разъеме напряжение появлялось.

Определить работает ли батарейка можно по работающим потребителям, например, фарам, аксессуарам, дисплею. Или самый простой способ услышать легкий щелчок, который возникает если отсоединить силовые провода от контроллера, и через минуту подключить их обратно. Если он есть, значит произошел заряд конденсаторов контроллера от батарейки, значит она исправна.

Пока не совсем понимаю как в рамках одной заметки или ролика передать какие то полезные знания, так сказать экспериментирую. Замечания и предложения принимаются в комментариях.

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:

  • регулирует скорость вращения электромотора;
  • управляет крутящим моментом;
  • обеспечивает плавное и мягкое торможение при помощи изменения продолжительности импульсов;
  • защищает электродвигатель;
  • не допускает глубокой разрядки батареи – выясняет напряжение АКБ и при его критическом снижении отключает мотор от питания;
  • при помощи встроенного термодатчика отслеживает температуру и не допускает токовых перегрузок.

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.

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.

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:

  • Бытовая техника
  • Оргтехника
  • Электротранспорт
  • Промышленность

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


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:

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

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:


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.

  • 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.

Читайте также: