Электробайк. контроллер двигателя своими руками

Что такое контроллер?

Итак, велосипед оборудованный электрической тягой предполагает наличие на борту контроллера, который регулирует работу силового агрегата. Как мы все знаем, технический прогресс на месте не стоит и развитие индивидуального электротранспорта повлекло за собой разработку новой аппаратуры, не только более эффективно выполняющей свои функции, но и занимающей намного меньше пространства на e-bike. Контроллер не имеет подвижных деталей, а команды электродвигателю передаются посредством импульсов.

На блок управления возложены такие обязанности:

1. Трансформация постоянного напряжения электронакопителей в 3-х фазный ток для моторизированного колеса.

2. Регулировка мощности электродвигателя, в зависимости от степени воздействия на рукоять газа.

3. Защита электромотора.

4. Запуск силового агрегата.

5. Снижение уровня вибраций электродвижка при старте, что позволяет продлить срок его службы.

6. Включение и выключение электроники.

7. Управление скоростью и крутящим моментом.

8. Обеспечение контролируемой остановки средства передвижения.

9. Защита электрической системы аппарата от перенапряжения, перегрева и токовой перегрузки.

10. Отображение на панели управления рабочих параметров электросистемы.

11. Контроль напряжения аккумуляторной батареи и отключение электроники при критическом понижении напряжения — для защиты электронакопителя от глубокого разряда.

12. Дополнительно, на некоторых моделях электровелосипедов, осуществляется обратное преобразование энергии в момент торможения — так называемая рекуперация. Так вот, за неё также отвечает контроллер — он должен поддерживать режим рекуперации.

Внешний вид контроллера вы вряд ли спутаете с чем-то другим — это металлическая коробка с большим количеством выходящих из неё проводов. Они в свою очередь, стыкуются с органами управления расположенными на руле, аккумуляторной батареей, электрическим двигателем, датчиками Холла и бортовым компьютером.

Иногда девайс помещают в специальный бокс, защищая его таким образом от негативного воздействия окружающей среды и вдобавок, имеет место эстетическая сторона дела — так красивее будет. Однако здесь может быть один неприятный момент: если вы используете непроветриваемый чехол, то во время интенсивной работы контроллера, его перегрева просто не избежать. Такой «накал» может повлечь за собой оплавление проводов и контактов, а в самом худшем случае, гаджет полностью выйдет из строя.

В состав контроллера входят такие компоненты:

• управляющий микроконтроллер;
• понижающие преобразователи на 12 V и 5 V, для запитки микроконтроллера и периферии;
• силовые элементы — токоизмерительные шунты, конденсаторы, транзисторы.

Особенности конструкции

Большинство контроллеров имеют различное строение. Однако, всем таким приборам присущи следующие общие компоненты:

• главная (центральная) микросхема. Она регулирует все действия, которые осуществляются между пользователем и механизмом;
• энергонезависимая аккумуляторная батарея. Нужна для того, чтобы данные при отключении питания не стирались с устройства;
• часы, показывающие реальное времени. Нужны для правильной синхронизации с другими приборами;
• интерфейс, принимающий вводные данные, а также осуществляющий передачу выходных данных. Предназначен для упрощения управления устройством;
• схема, изменяющая напряжение на выходных или входных устройствах.

Схемы работы ОВЕН ПЛК63 с другими приборами

Что учитывать перед покупкой контроллера вентиляторов

Перед покупкой нового контроллера вентилятора или концентратора вентиляторов необходимо рассмотреть несколько вещей. Некоторые контроллеры вентиляторов имеют разные характеристики, количество каналов и, разумеется, программное обеспечение.

Эстетика контроллера вентиляторов

Большую часть времени контроллер вентилятора может быть скрытым. Иногда эти контроллеры вентиляторов проектируются так, чтобы они могли находиться внутри вашей системы и не выглядеть так, будто на вашем корпусе птицы свили гнездо.

Поддержка Pin

Различные контроллеры вентиляторов поддерживают разные типы контактов вентилятора; обычно это будет трёх- или четырёхконтактный.

3-контактные модели являются более сложными, чем старые 2-контактные модели, с двумя контактами для отрицательного и положительного тока и третьим контактом для контроля оборотов.

4-контактный вывод выполняет всё вышеперечисленное, но с добавлением дополнительного четвертого контакта, который предназначен для широтно-импульсной модуляции (ШИМ), работающей как переключатель, который постоянно включается и выключается, регулируя количество энергии на вентилятор.

Каналы

Количество каналов может варьироваться от контроллера к контроллеру

Важно убедиться, что вы получаете контроллер с нужным количеством каналов. Noctua в этом списке поддерживает только до трёх каналов, поэтому всегда следите за этим показателем!

Управление

Если какое-либо из этих устройств имеет элементы управления, они часто очень просты с ограниченными возможностями настройки. Программное обеспечение, такое как iCUE для Corsair Commander, превосходно и даёт вам реальную гибкость с конфигурациями. Другие варианты управления включают сенсорные экраны, такие как контроллер Thermaltake.

Функции

Контролеры созданы для:

1. Наблюдения за процессом зарядки. При восстановлении емкости от 0 до 10% работает предварительное накопление емкости. От 10 до 70-80% происходит увеличение скорости наполнения постоянным током. Дозарядка проходит медленнее, из-за увеличившегося сопротивления в цепи.
2. Регулировки просадок. Защищает электрическую цепь от короткого замыкания, просадок напряжения.
3. Блокировки перезаряда. У каждой батареи есть лимит максимального напряжения (у Li-Ion он составляет около 4,2 В). Достигнув указанной цифры, питание автоматически отключается, препятствуя вздутию и взрыву АКБ.
4. Защиты от глубокой разрядки. Если напряжение аккумулятора падает ниже критического значения (3 В в Li-Ion), происходит потеря номинальной емкости, уменьшается время автономной работы.
5. Балансировки. Следит за равномерной зарядкой всех звеньев электросхемы, увеличивая срок службы элемента питания.
6. Наблюдения за температурой. При перегреве или переохлаждении срабатывает терморезистор, который отключает питание, поданное на батарею.

Все параметры задают микросхеме или контролеру на этапе производства.

Типы ПЛК

Все ПЛК, выпускаемые Schneider Electric, Mitsubishi, Beckhoff, Omron, Segnetics или Unitronics, четко разделяются по типам. Это же относится к классификации российской продукции, представленной компаниями «Овен», «Контар», «Текон» и другими. Конструктивно устройства принято обозначать как моноблочные и модульные.

В первом типе содержится полный набор входных, выходных цепей, процессор, источник энергии. Во втором предусмотрена сборка готового ПЛК из отдельных частей. Согласно МЭК 61131, количество и состав модулей варьируются в соответствии с назначением, характеристиками поставляемого заказчику устройства.

Модульный микроконтроллер может управлять посредством Ethernet соединения малопроизводительным собратом, выполняющим специфично назначенные функции (диагностика состояния периметра, безопасность охраняемой зоны). Маломощный адаптер питания в этом случае является отдельным модулем. Обобщенно функциональные возможности второго вида превосходят первый. Но в отдельных ситуациях (микроконтроллер управления чайником Berghof) достаточно моноблочного ПЛК.

Главное достоинство такой конструкции — компактность. При этом полностью завершенная конструкция платы, блока контроллера оборудуется дисплеем и устройством ввода-вывода, кнопочной панелью. Типичный пример — «умный» автоматный моноблок, отвечающий за стабилизацию напряжения.

Из нескольких ПЛК, смонтированных на стандартную рейку, набирается укрупненный узел управления. Первоначально конфигурация микроконтроллеров подразумевала замену существовавших релейных, полупроводниковых схем. Со временем задачи усложнились, но и сохранившиеся ограниченно производительные 8 и 16 разрядные процессоры по-прежнему востребованы в промышленности.

Принцип работы ПЛК

По сути, микроконтроллер достаточно близок к реле. Только вместо механических контактов и катушек в нем — электронные цепи. Понять принцип действия будет легко любому инженеру, знакомому со схемами, основами электротехники.

Датчик освещенности на входе подает сигнал в блок обработки данных. В нормальном состоянии процессор не реагирует. Как только сенсор определит падение освещения, изменится его сопротивление, центральный блок задействует цепи питания электроламп.

Для управления ПЛК, его программирования используется бытовой ПК. Несколько отдельных микроконтроллеров образуют каскад с усложненными задачами. Системы «умный дом», автоматика включения двигателя насоса для закачки воды в накопительный бак давно содержат в себе подобные блоки.

Сложные микроконтроллерные устройства обеспечивают охрану, защиту периметра (квартиры), включая связь с полицией (владельцем) через модем, подъем тревоги при проникновении нарушителей, разрушении механизма закрытия двери.

Первый этап работы устройства состоит из экспресс-теста задействованного оборудования. Одновременно идет загрузка операционной среды, управляющих программ. Все как в настольном ПК при старте Windows. Предусмотрена пошаговая отработка команд (отладка), при которой допускается мониторинг, корректировка переменных.

Для простоты восприятия рабочий, шаговый режим ПЛК разбит на типовые циклы. Они повторяются во время функционирования устройства. В каждом цикле, «маршрутной карте» заключаются 3 действия:

Завершается цикл быстрым переходом к первому этапу «урока».

Pop Hi-Tech

Итак, вы решили изучать программирование ПЛК (Программируемых Логических Контроллеров). С чего стоит начать изучение программирования контроллеров? Какие учебные материалы искать, стоит ли заниматься этим самостоятельно или лучше пойти на курсы, сколько времени займёт обучение и насколько оно будет сложным? Доступно ли программирование ПЛК всем или для этого нужно быть программистом? Как быстро стоит переходить от теории к практике? Мы подготовили ответы на эти и другие вопросы.

1. Для того чтобы начать изучать программирование ПЛК, быть программистом вовсе не обязательно. Достаточно иметь так называемый логический склад ума. Если вы любили математику и информатику в школе — скорее всего, у вас всё получится. 2. Однако определённые навыки и понимание машинной логики все же необходимы. Если вы изучали в школе или институте основы программирование на Паскале, Бейсике или Ассемблере — это значительный плюс. 3. Первые шаги в программировании ПЛК можно и даже лучше всего делать самостоятельно, это позволит изучить основы в комфортном для себя темпе. Учебных материалов о ПЛК и их программировании достаточно много в интернете, а приблизительный план для самостоятельного обучения вы можете найти в этой статье. 4

А вот сразу после изучения основ следует обратить своё внимание на профессиональные курсы и руководства. От своего имени особо рекомендуем видеокурс по Simatic Step 7, который можно купить на сайте https://step7-kurs.ru

Этот курс как нельзя лучше подходит для новичков, в то же время Simatic Step 7 используется для разработки систем автоматизации для ПЛК Simatic — одних из самых популярных и востребованных на сегодня контроллеров. 5. После того как вы сделаете свои первые шаги step 7 — милости просим на специализированные форумы: здесь вы сможете не только «задачки порешать», но и уже начинать подыскивать работу или стажировку. 6. Время, необходимое для изучения программирования ПЛК, — параметр индивидуальный. Однако в любом случае это займёт у вас гораздо меньше времени, чем попытки освоить Java или C#.

Темы, которые стоит изучить самостоятельно до того, как вы приступите к изучению профессиональных курсов (т. е. на этапе самообучения):

1. Требования техники безопасности при работе с ПЛК. Хотя в начале обучения вам, возможно, будет казаться, что эта тема вам не нужна — все же потратьте некоторое время и изучите ТБ работы с ПЛК. Пригодится обязательно. 2. Назначение, функции, принципы работы и конструкция ПЛК. Условия, в которых работают ПЛК и требования к ним. Если вы раньше занимались радиотехническим конструированием — эта тема не составит для вас особого труда. 3. История ПЛК. Необязательная, но весьма интересная часть. 4. Знакомство с основными языками программирования ПЛК согласно стандарту МЭК-61131-3: Sequential Function Chart (SFC), Function Block Diagram (FBD), Ladder Diagrams (LАD), Statement List (STL), Instruction List (IL). 5. Знакомство со средой разработки, лучше всего — с двумя-тремя наиболее популярными. Например, это могут быть CoDeSys и Simatic Step 7. 6. Изучение методики программирования ПЛК. Структуризация программы, вызов подпрограмм, задание циклов и времени работы программы. 7. Основные команды (операторы). К этому моменту вы уже должны были определиться с языком программирования и средой разработки, наиболее симпатичной лично вам. 8. Функции и функциональные блоки. 9.Примеры кода работающих программ. 10. Практикум. При написании собственных программ переходите от элементарных задач к более сложным. На этом этапе нет ничего плохого в том, чтобы использоваться в своих программах части чужого кода, однако старайтесь со временем уменьшать их количество (в процентном выражении).

Виды приборов

Контроллеры для солнечных батарей представлены в нескольких видах:

• Устройства On/Off.
• PWM контроллеры.
• MPPT контроллеры.
• Устройства гибридного типа.
• Самодельные контроллеры.

Познакомимся с каждым из этих видов. На сегодняшний день самыми популярными считаются PWM контроллер и контроллер MPPT.

Устройства On/Off

Такие контроллеры заряда аккумуляторов являются самыми простыми из всех моделей, которые представлены на современном рынке. Их функциональность весьма ограничена. Устройства этого типа отключают процесс зарядки аккумулятора при достижении максимального значения напряжения. Таким образом, предотвращается перегрев и перезарядка АКБ.

Важно подчеркнуть, что контроллер такого типа не сможет обеспечить 100% уровень заряда АКБ. Этот нюанс объясняется тем, что отключение происходит по достижении максимального значения тока

На момент обесточивания уровень заряда может находиться в пределах от 70 до 90%

Чтобы загрузить аккумуляторную батарею полностью, потребуется еще несколько часов. Неполная зарядка неблагоприятно сказывается на функционировании прибора и уменьшает срок его эксплуатации.

Контроллеры типа PWM

Контроллер уровня заряда PWM (Pulse-Width Modulation) по-другому называется ШИМ. ШИМ контроллер − устройство, принцип действия которого основан на широтно-импульсной модуляции тока. Прибор разработан с целью устранения проблемы неполной зарядки. 100% уровень достигается благодаря тому, что механизм при обнаружении максимального значения тока, понижает его продлевая таким образом зарядку аккумулятора.

Описанное устройство предотвращает перегрев аккумуляторной батареи, способствует повышению принятия заряда. В общем, хорошо сказывается на ее состоянии. Прибор этого типа считается весьма эффективным, но MPPT контроллер, если сравнивать его принцип действия с PWM, является более предпочтительным вариантом по ряду функциональных возможностей.

MPPT контроллеры

МРРТ контроллер (Maximum Power Point Tracking) − устройство, которое отслеживает максимальный предел мощности заряда. С помощью сложного алгоритма устройство этого типа следит за показаниями тока и напряжения системы энергоснабжения, определяя оптимальное соотношение параметров для обеспечения максимальной продуктивности всей солнечной электростанции.

Без преувеличения можно утверждать, что именно MPPT контроллер является наиболее усовершенствованной и эффективной моделью по сравнению с другими. Для сравнения: MPPT контроллер повышает продуктивность системы энергообеспечения до 35% относительно PWM.

На сегодняшний день MPPT контроллер считается более подходящим для систем, в которых солнечные панели занимают значительные площади. Но высокая стоимость приборов данного типа вводит определенные ограничения при его использовании. Поэтому PWM модель является доступной для эксплуатации в системах энергоснабжения частных домов.

Устройства гибридного типа

Используются в случае энергоснабжения с помощью комбинирования источников энергии, например, ветра и солнца. В основу разработки гибридного прибора положен принцип работы МРРТ и PWM контроллеров. Единственное, чем он отличается от других моделей, − это вольтамперные параметры.

Главная цель моделей гибридного типа состоит в своеобразном выравнивании нагрузки на аккумуляторы. Эта проблема возникает в результате работы ветрогенераторов, которые производят ток непостоянной величины. При этом аккумуляторы работают в усиленном режиме, который значительно уменьшает срок эксплуатации.

Самодельные приборы

В некоторых случаях, при наличии соответствующего опыта и навыков, собирают контроллер аккумуляторов для солнечной панели самостоятельно. Но, скорее всего, такой прибор будет значительно уступать в плане функциональности и эффективности. Устройства подобного типа подходят только для очень маленькой системы энергообеспечения, которая работает с низкой мощностью.

Для изготовления контроллера заряда аккумуляторов вам понадобится его схема. Погрешность работы самодельного контроллера должна позволять фиксировать перепады измеряемых величин с точностью до одной десятой.

История создания

В 60 годах 20 века для управления телефонными станциями, промышленным оборудованием использовались сложные схемы с реле. Они не отличались повышенной надежностью или ремонтопригодностью. Инженерам одной из компаний, американской General Motors, была поставлена цель по созданию нового оборудования. Задачи, на которые оно было рассчитано, выглядели так:

1. Упрощение отладки, замены.
2. Относительная дешевизна.
3. Гибкость, удобство модернизации.
4. Снижение риска отказов.

Терминология, объясняющая, что такое ПЛК (PLC), внесена в международные и европейские стандарты качества МЭК, EN.

Виды контроллеров

Разделение данных приспособлений происходит по нескольким критериям.

По типу обратной связи:

1. Для работы с датчиками Холла.

2. Без них.

3. Универсальные контроллеры. Они совмещают в себе первый и второй пункты.

По типу выходного сигнала:

1. Прямоугольная форма (меандр). Подобные гаджеты применяются на более дешёвых моделях электровелосипедов, да и сами недорогие. Они дают возможность пользователю получить большую скорость вращения, но в то же время, это ведёт к повышению шумности работы электродвигателя. А шумит движок по причине возникновения микровибрации обмоток под действием сигнала такой формы.

2. Сигнал в виде синусоиды. Скорость вращения меньше, зато и звук вращения электромотора полностью отсутствует.

3. Имеет место и промежуточное исполнение — «модифицированная синусоида». Эту вариацию можно назвать «сглаженный меандр». Однако такая разновидность не возымела популярности у юзеров.

Контроллеры могут иметь разную реакцию на сигналы поступающие от рукояти акселератора: в одном случае вы будете регулировать скорость, в другом — мощность или тягу движка.

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.

Итог

Выбирая контроллер, рекомендуется обращать внимание на число точек (вывод и ввод), потому что этот параметр говорит о возможности прибора в коннекте с дополнительными устройствами. Рекомендуется заблаговременно определиться с минимальным числом коммуницирующий техники

Важно учесть, что приборы малой категории располагают не внушительным числом разъемов

Если покупатель заинтересован в технике с количеством разъемов более 8 единиц, стоит заострить внимание на моделях средней и большой мощности. При интеграции конкретной модели в производство с уже предустановленной техникой необходимо проверить возможность совместимости нового контроллера и работающего оборудования

В случае несовместимости между старой и новой техникой, обмен информацией и исполнение задач исключены. В редких случаях допускается контакт с мелкой электрикой и предустановленным аппаратом, но коннект с полноценным устройством, зачастую, невозможен.

Контроллеры средней и большой мощности предоставляют владельцу широкий спектр возможных моделей для совместной работы. Электроника малой группы подобных возможностей не предоставляет, а оператору допускается подключать лишь мелкие приборы, вроде датчиков, но лишь на конкретных моделях.

В старые времена, контроллеры считались маломощным и медлительным оборудованием для произведения автоматизации. Современные реалии позволяют осуществлять автоматизацию без лишних промедлений, а мощностных показателей хватает даже у наиболее бюджетных приборов. Оператору стоит учитывать, что оценка скорости работы конкретного контроллера возможна только при осуществлении работы техникой. Проще говоря, необходимо составить тестовую программу и проверить скорость работы на предмет соответствия требованиям производства. На рынке существуют бренды, которые интегрируют функцию оценки цикличной скорости в продукцию.

Также, программные возможности в контроллерах ограничиваются по определению, но, чтобы уложиться в оные границы, необходимо располагать гигантским производством (вряд ли в мире существуют производства подобного масштаба). Статистические данные говорят о том, что четверть объемов мощностей среднего контроллера уходит на обслуживание техпроцесса, а остальной потенциал задействован в обработке вышеупомянутой операции (выявление и устранение ошибок). Также, рабочий баланс напрямую связан с манерой составления программы. Грамотный оператор способен произвести расчёт, который обеспечит автоматизацию и на контроллере малой мощности, а новички, нередко, чрезмерно загружают и передовых представителей подобной техники.

Рекомендуется заострять внимание также и на вопросах среды при составлении программ для контроллера. Если опираться лишь на функционал прибора, существует вероятность ошибиться с выбором

Отправляясь покупать ПЛК, соискателю стоит придерживаться следующих пунктов:

1. Выяснить наименование бренда и серии предустановленной на производстве электроники.
2. Исходя из предыдущего пункта выбрать конкретный бренд (либо соответствующий предустановленному, либо располагающий возможностью к совместной работе).
3. Убедится в наличии достаточного числа разъемов у выбранной модели.
4. Учесть сетевые возможности электрики работающей и новой.
5. Учесть совместимость выбранного оборудования и пункта управления.
6. Учесть мнение оператора (если оный располагает достаточным опытом) о выбранной технике.

Остальные критерии зависят от платежной способности покупателя и личных взглядов его на ПЛК. Также, стоит учитывать, что подобные приборы нередко отсутствуют на складах дистрибьютора, поэтому необходимо заранее рассчитывать время на покупку (возможно придется ждать завоза на склад) и установку оборудование.