Propuesta de colaboración ESC para bicicleta eléctrica
Tabla de Contenidos 1. Integrantes del proyecto... 3 2. Antecedentes y objetivos... 4 3. Algoritmo de control... 5 4. Descripción del proyecto... 7 4.1. Microcontrolador... 7 4.2. Fuente de alimentación... 7 4.3. Puente trifásico de transistores... 8 4.4. Motor brushless y sensor de velocidad... 8 4.5. Sensor de pedaleo... 8 4.6. Sensor de corriente... 9 4.7. Sensor de temperatura... 9 4.8. Elementos de control... 9 4.9. Sensor de tensión... 9 5. Material necesario... 10 6. Planning... 11 7. Presupuesto... 12 8. Futuros trabajos... 13 8.1. Sistema de cálculo de autonomía... 13 8.2. Pantalla... 13 8.3. Freno regenerativo... 13 8.4. Control de iluminación... 14 8.5. Mejoras en el algoritmo de control... 14 8.6. Desarrollo de App para teléfono y módulo de comunicaciones... 14 9. Cláusula de confidencialidad... 15 2
1. Integrantes del proyecto El grupo de diseño del prototipo de controlador ESC para un motor de bicicleta constará de las siguientes personas: 1. José Manuel Esteiro Iglesias, como programador. 2. Borja Rodríguez Frade, como ingeniero eléctrico. 3. Iraisy Carolina Figueroa Silva, como ingeniera mecánica. 3
2. Antecedentes y objetivos Este proyecto nació con la idea de poder desarrollar un kart eléctrico para una cooperativa gallega con ingeniería 100% española. El principal objetivo era conseguir un controlador sencillo, versátil y de bajo coste para controlar los motores de inducción que se suelen usar en vehículos pequeños hasta para coches eléctricos. Otro de los puntos fuertes de este controlador es que puede ser escalable cambiando mínimamente la parte de control para la misma topología de motores, en cambio, debe seleccionarse una electrónica de potencia adecuada para los parámetros eléctricos de funcionamiento. Con la finalización de un algoritmo y el diseño de un primer boceto del circuito impreso se ha visto que hay un enorme potencial para la implantación en pequeños vehículos de tracción eléctrica con pequeñas adaptaciones en el código y en el diseño de la placa impresa. En el caso de los vehículos pequeños de tracción eléctrica como puede ser una motocicleta o bicicleta, los motores usado son los denominados brushless con imanes permanentes que difieren del diseño inicial y por lo tanto se requiere un tiempo para la adaptación. 4
3. Algoritmo de control Uno de los objetivos que tiene el proyecto es desarrollar un controlador lo más barato y customizable posible para las aplicaciones de pequeños vehículos con tracción eléctrica como la bicicleta eléctrica. Para reducir costes y hacer este controlador lo más sencillo posible se ha optado por diseñar un controlador con un algoritmo de control escalar también llamado V/f que se basa en mantener el flujo constante hasta una frecuencia nominal que en principio se fija la frecuencia para 25 km/h y de esta forma mantener el mismo valor de par para toda la gama de 0 a 25 km/h. Este tipo de control es apropiado siempre y cuando se permitan pequeñas variaciones del par como en este caso y se implementa aumentando proporcionalmente la tensión hasta la tensión máxima a la 5
frecuencia nominal, esto provoca que el valor V/f sea constante y por tanto el flujo y de esta manera se controla el motor con un par constante y potencia linealmente creciente. 6
4. Descripción del proyecto Con este proyecto se pretende desarrollar un primer prototipo que será probado en las instalaciones de emobike que constará de las siguientes funcionalidades: Microcontrolador Microchip. Fuente de alimentación. Puente trifásico de transistores. Motor brushless con sensores Hall. Sensor de corriente. Elementos de selección de nivel de ayuda. Sensor de pedaleo. Sensor de temperatura. 4.1. Microcontrolador El componente central de todo el sistema de control será un PIC de la casa Microchip de la gama 16F887 alimentado a una tensión de 5V que según encapsulado dispone de 40 ó 44 pines. El PIC tiene un buen número de pines por si más adelante es necesario añadir más funcionalidades modificando mínimamente el diseño y se mantiene un precio ajustado utilizando esta variante. 4.2. Fuente de alimentación Con el fin de no requerir una batería adicional para alimentar la parte de control, se añade un integrado para reducir la tensión de 36V de la batería a los 5V estables necesarios. Dentro de los distintos tipos que existen se ha escogido una fuente step- down conmutada por su alto rendimiento, baja disipación térmica, bajo espacio requerido y precio ajustado. 7
4.3. Puente trifásico de transistores El puente de transistores está formado por 6 transistores de tipo Mosfet que pueden activarse y desactivarse muchas miles de veces por segundo comandados por el microcontrolador y de esta forma alimentar el motor. Debido a la estrategia de control escalar tan sólo se alimentarán dos fases simultáneamente y una tercera desactivada. Así que en cada momento sólo se actuará en dos transistores. El puente de transistores no puede activarse o desactivarse directamente por los pines del microcontrolador sino que es necesario un driver o elemento de desacople de la parte de control y potencia a fin de evitar estropear la etapa de control. 4.4. Motor brushless y sensor de velocidad El motor que se usa para estas aplicaciones es un motor sin escobillas que puede alimentarse desde distintos tipos de fuentes como una batería de tensión continua. Estos motores tienen 3 sensores Hall que indican la posición del rotor a intervalos de 60º conmutando entre 6 estados posibles. Estos sensores sirven para activar y desactivar los transistores con control escalar. Aprovechando estos sensores se podrá determinar la velocidad de giro sin un sensor externo adicional. 4.5. Sensor de pedaleo Por requerimientos normativos es necesario pedalear en todo momento para recibir asistencia del motor eléctrico, sin pedaleo no hay asistencia. Para saber si se está pedaleando o no, se requiere de un sensor normalmente colocado en los pedales que consta de un disco con imanes y que estos activan un sensor Hall que se comunica con el microcontrolador permitiendo que éste comience la secuencia de activación y desactivación de los transistores y proporcionando asistencia eléctrica. 8
4.6. Sensor de corriente Debido a las limitaciones normativas en cuanto a potencia, se incluye un sensor de corriente saliente de la batería. Este sensor permitirá reducir niveles de asistencia del motor si la potencia supera los 250W que para 36V son 7A. 4.7. Sensor de temperatura Algunos de los componentes pueden durante su funcionamiento disipar una importante cantidad de energía y bajo malas condiciones de refrigeración y es necesario controlar la temperatura para desactivar funciones si fuese necesario. Los sensores de temperatura son sencillos, económicos y pueden incluirse tantos como se requieran siempre que haya pines libres en el microcontrolador. 4.8. Elementos de control Se van a implementar 10 niveles diferentes de asistencia eléctrica por lo que se requiere un sistema que haga subir y bajar los niveles de asistencia. El sistema consta de dos pulsadores mecánicos uno para subir y otro para bajar los niveles de asistencia. 4.9. Sensor de tensión Incorporación de sensores de tensión para tener monitorizado el estado de la batería y la tensión con la que se alimenta el motor. 9
5. Material necesario Para la realización de estas pruebas al primer prototipo se necesitarán los siguientes materiales: Osciloscopio Multímetro Grupo de baterías Motor eléctrico Cuentarrevoluciones Material para hacer placas de circuito impreso de potencia Algunos componentes electrónicos (mosfet, drivers, etc) 10
6. Planning 2015 2016 Tarea Septiembre Octubre Noviembre Diciembre Enero Febrero Marzo Redacción de la propuesta Modificación del algoritmo Diseño e impresión de la placa Pruebas del primer prototipo Evaluación de las pruebas Pactar las nuevas funcionalidades Negociación de la nueva colaboración con un producto ad hoc Implementación de las nuevas funcionalidades Diseño e impresión de la nueva placa Pruebas de la versión final 11
7. Presupuesto A continuación se detalla el presupuesto en materiales para la realización de la placa de pruebas. En este presupuesto no está incluido el coste de la impresión de la placa. Componente Cantidad Precio ( ) Microcontrolador 1 1,5 Resistencias 30 3 Condensadores 16 2 Bobinas 3 2 Diodos 9 1 Transistores BJT 3 1 Sensor de temperatura 1 0,2 Sensor de corriente 1 1,5 Driver 1 3,5 Mosfets 6 2 Pulsadores 5 2 IC antirrebotes 1 0,3 Regulador de tensión 2 3 Displays 7 segementos 3 3 TOTAL 26 12
8. Futuros trabajos Con la idea de la mejora continua y poder sacar un producto comerciable y que atienda a demandas de los usuarios hemos pensado en futuras características, entre otras, que pueden ir implementándose gradualmente: 8.1. Sistema de cálculo de autonomía Diseño de un algoritmo para la estimación de la autonomía a través de la tensión de la batería y el nivel de asistencia. 8.2. Pantalla Incorporación de una pantalla donde se puedan ver todas las variables eléctricas, velocidad, y otras funcionalidades bajo demanda. 8.3. Freno regenerativo Se propone la implementación hardware y software de un freno regenerativo lo que con lleva un sistema DC/DC buck- boost bidireccional formado por 4 transistores, 1 bobina y varios sensores comandados por el mismo microcontrolador y que devuelva la energía a la batería en la frenada. Podría implementarse con varios niveles de frenada seleccionables con pulsadores u otro sistema. 13
8.4. Control de iluminación Control de la iluminación LED con intensidades seleccionables con una sencilla implementación nueva y sencilla de hardware y software. 8.5. Mejoras en el algoritmo de control Mejora continua de los algoritmos de control bajo demanda. 8.6. Desarrollo de App para teléfono y módulo de comunicaciones Introducción de un módulo de comunicaciones y desarrollo de una app para móviles y de esta manera monitorizar las variables de la bici. 14
9. Cláusula de confidencialidad Los integrantes de este proyectos definidos en el apartado 1, así como el personal de la empresa emobike se comprometen a no divulgar a terceras partes información técnica de este proyecto. Esta primera fase de colaboración servirá para probar el primer desarrollo y si los resultados son satisfactorios se procederá a realizar una nueva versión añadiendo las funcionalidades previamente pactadas para así sacar un producto comercial. 15