Электровелосипед своими руками: контроллер

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Контроллер определяет положение ротора по датчикам и коммутирует напряжение батареи в нужный момент на нужную обмотку двигателя.

В тех случаях, когда двигатель должен стартовать со значительной нагрузкой на валу (в нашем случае нужно сдвинуть с места велосипед с наездником) используются двигатели с датчиками.

Если же на старте нагрузки нет или она незначительная (например, вентиляция), используются так называемые бездатчиковые двигатели. Хотя, в некоторых случаях и на электровелосипеды малой мощности ставят бездатчиковые двигатели.

Соответственно, и контроллеры бывают как для двигателей с датчиками, так и для двигателей без датчиков положения.

Теперь давайте поговорим об исполнении, то есть о корпусе и размещении контроллера.

И здесь мы снова переводим акцент на двигатели, которые устанавливаются либо в колесо (вместо втулки), либо в кареточный узел.

В случае мотор-колеса, то есть мотора, заспицеванного в обод, контроллер является отдельным блоком со своим собственным корпусом, и размещается отдельно от двигателе (за исключением нескольких специфических решений).

В случае же центрального (кареточного) мотора контроллер устанавливается внутри корпуса двигателя, что позволяет сократить количество видимой проводки на электровелосипеде.

Есть ещё одна важная характеристика контроллера, которая влияет на дальность поездки, или, другими словами, на эффективность использования энергии, накопленной в батарее.

Я имею в виду тип ассистента, или помощника, поддерживаемого контроллером.

Самый распространённый - PAS (Pedal Assist Sensor). Данное исполнение представляет собой пару из датчика Холла и кольца с магнитами. При вращении педалей магниты движутся мимо датчика и последний отправляет соответствующий сигналы на контроллер.

То есть PAS регистрирует сам факт вращения педалей, независимо от того, насколько быстро их крутит велосипедист и насколько сильно на них давит.

Менее распространён другой тип - Torque sensor, или датчик крутящего момента. Он-то как раз измеряет усилие, прилагаемое к педалям, и сообщает его контроллеру.

Несложно догадаться, что второй вариант более эффективен в плане экономичности использования заряда батареи, так как он не даст велосипедисту крутить педали вхолостую.

Более того, отпадает необходимость использования ручки газа, ведь при сильном нажатии на педаль контроллер подаст на двигатель максимальную мощность.

Теперь давайте взглянем на рынок контроллеров для электровелосипедов. Начнём с одного из самых заказываемых на Aliexpress контроллеров.

Если верить заявленным на этикетке характеристикам, он рассчитан на работу с напряжением 36 или 48 вольт и максимальный ток 30 ампер. Габариты контроллера 8 см х 15 см.

Рассмотрим провода, которые из него выходят, и разберёмся для чего каждый из них предназначен. В общем-то, продавец расписал что есть что в описании товара, но не всем эти надписи будут понятны.

Итак, по порядку:

1. Motor (синий, зелёный и жёлтый) - три силовых провода для подключения мотора. О них я писал выше.

2. Speed meter - сигнальный провод к датчику измерения скорости. Но ведь у датчика скорости два провода! Правильно. Второй провод ("земля", или GND) придётся взять от другого разъёма, например, от разъёма PAS.

3. PAS - три провода к датчику педального ассистента. Как правило, чёрный провод - это GND, так что его можно использовать как второй провод датчика скорости.

4. Alarm - два разъёма для подключения сигнализации.

5. H-brake и Low-brake - провода для подключения датчиков тормоза. В одном случае датчик (или кнопка) срабатывает при замыкании сигнального провода на "землю" (GND), в другом - при подаче +5 вольт.

6. Cruising - подключение функции круиз-контроль.

7. Throttle - три провода для подключения ручки газа: "земля" (GND), +5В и сигнальный, напряжение на котором меняется в зависимости от положения ручки газа.

8. Battery and Ignition - два силовых провода для подключения к батарее и один сигнальный для включения контроллера. Когда батарейное напряжение подаётся на сигнальный провод, контроллер запускается.

9. Reverse - два провода, при замыкании которых двигатель будет крутиться в обратном направлении.

10. Hall sensor - разъём для подключения мотора, а точнее - датчиков положения, установленных в моторе. О них я писал выше.

11. 3 Speed - три провода для выбора максимальной скорости движения.

12. Self learn - два провода, при замыкании которых включается режим самообучения контроллера. После того, как контроллер выполнил процедуру обучения, провод размыкается.

Кстати, данный контроллер, судя по набору проводов, не подразумевает подключение дисплея, хотя в самой плате, возможно, есть места для впайки дисплейного разъёма (TX, RX, DM, B+, GND - при это я расскажу в одной из будущих статей).

Дело в том, что когда мы соединим все провода с остальными элементами системы, у нас получится приличная вязанка, и её надо будет где-то прятать.

Как правило, контроллер вместе с вязанкой прячут в велосипедной сумке, подвешенной на раме. Но, как показала практика, со временем от вибраций и воздействия влажной окружающей среды происходит окисление контактов и нарушение соединений.

Также есть вариант использования герметичного пластикового корпуса, с того же Aliexpress, но тут возникает другая проблема.

В данном контроллере установлено 12 силовых транзисторов, прикрученных к корпусу контроллера для охлаждения. То есть подразумевается, что контроллер будет находиться в окружающей среде, а в идеале - обдуваться потоком набегающего воздуха.

Однако в закрытом герметичном корпусе охлаждение будет затруднено, и контроллер может выйти из строя в результате сгорания транзисторов.

Для решения данной проблемы используют герметичные разъёмы и интеграционный кабель.

Это более предпочтительный вариант, так как количество выходящих проводов значительно меньше, а значит проще произвести диагностику в случае возникновения неисправности.

На данном фото слева направо расположены следующие разъёмы:

1. Интеграционный кабель - это кабель, объединяющий в себе все провода, идущие на руль: для подключения дисплея, ручки газа и датчиков тормоза.

2. Разъём для подключения фонаря.

3. Разъём для подключения PAS-сенсора.

4. Разъём для подключения двигателя. Объединяет в себе три силовых провода, пять проводов на датчики положения и 1 провод на датчики температуры и скорости.

5. Жёлтый разъём предназначен для подключения батареи.

Несмотря на то, что данный контроллер менее мощный (22 ампера против 30 ампер в первом случае), стоит он в три раза дороже.

Но эта разница в цене полностью оправдана, так как надёжность и долговечность конструкции позволит один раз собрать электровелосипед и эксплуатировать его на протяжении нескольких лет без каких-либо проблем.

Примерно так же, как опытные монтажники выбирают профессиональный надёжный инструмент чтобы быть в нём полностью уверенным и работать с удобством и удовольствием.

Кроме контроллеров с Aliexpress в продаже имеются контроллеры Kelly, представленные на официальном сайте kellycontrollers. Это хорошие контроллеры, но они стоят дороже.

Например, версия на 25 ампер на момент написания статьи имеет цену 141,54 евро, что примерно в 3 раза дороже предыдущего рассматриваемого нами варианта.

Также следует упомянуть об отечественной разработке. Компания Electronbikes представила компактную модель контроллера, и обещает начать серийный выпуск до конца текущего года.

На фото представлен новый контроллер (снизу) в сравнении с китайским аналогом (сверху), оба рассчитаны на ток 45 ампер.

Конечно, нижний контроллер будет помещён в корпус, служащий радиатором, но очевидно, что его габариты не сравнятся с китайским аналогом.

Особенно интересна новая разработка тем, что контроллер будет поддерживать Torque-сенсор.

И конечно в данной статье нельзя не упомянуть о контроллерах, установленных в центральных моторах Tongsheng, представленных на Aliexpress. Эти контроллеры также поддерживают Torque-сенсор.

Многие начинающие сборщики электровелосипедов заметят, что я не стал рассматривать мощные контроллеры, рассчитанные на большие токи.

Дело в том, что мощные контроллеры подразумевают мощные батареи, мощные двигатели и, как следствие, очень крепкие (часто стальные) пространственные рамы, которые способны выдержать большие весовые нагрузки.

Тогда это уже будут не электровелосипеды (весом до 25 кг), а электромотоциклы, вес которых достигает 50 кг и более, и кручение педалей теряет смысл.

Я же всё-таки являюсь сторонником лёгкого и компактного оборудования, и придерживаюсь мнения, что электровелосипед должен оставаться велосипедом.