Система пропорционального управления электроприводом велосипеда Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

1А.П. Фомин, доцент кафедры «Электротехника»

ФГБОУ высшего образования «Московский политехнический университет», к.т.н.,

Е.М. Овсянников, профессор кафедры «Электротехника»

ФГБОУ высшего образования «Московский политехнический университет», д.т.н.

В статье рассмотрена задача пропорционального управления тяговым электроприводом электровелосипеда при совместном применении мускульного и электрического приводов. Оценены получаемые тяговые свойства и преимущества системы пропорционального управления. Предложена структура привода и системы автоматического управления.

образных электрифицированных индивидуальных средств передвижения. Этому способствовал существующий запрос потребителя на экологичные и компактные устройства, обладающие следующими характеристиками:

• способностью достаточно быстро преодолевать расстояния в несколько десятков километров на одной зарядке;

• отсутствием вредных выбросов;

• безопасностью работы в условиях городских улиц и в помещениях;

• достаточно малыми габаритами и массой в соответствии с их назначением;

• иметь средства пополнения запаса энергии на движение простым и безопасным путем в бытовых условиях;

• быть простыми в управлении и не требовать специальной подготовки;

• иметь невысокую цену, доступную большинству потребителей.

Особое значение здесь приобретают малые габариты и масса, позволяющие следующее:

• обеспечить высокую подвижность в разнообразных условиях (на автодорогах, велодорожках, тротуарах и так далее) при отсутствии или скоплении автотранспорта и пешеходов;

• допускать хранение в домашних условиях или в гараже;

• иметь малую потребность в площади на городской парковке или не нуждаться в парковке вовсе;

• быть удобным для транспортировки в нерабочем состоянии, в том числе «на руках».

Ключевые слова:

электровелосипед, мускульный привод, тяговый электропривод, система пропорционального управления.

оявление энергоемких тяговых аккумуляторных батарей и активное развитие электроприводов с цифровым программным управлением на базе микроконтроллеров создали предпосылки к созданию разно-

Рис. 1. Внешний вид электровелосипеда

Эксплуатационные показатели таких устройств значительно выше, чем у аналогичных с мускульным приводом, и более соответствуют показателям легких автотранспортных средств.

Сегодня потребителю предлагаются электрифицированные индивидуальные транспортные средства с разными назначением и техническими возможностями: электроскутеры, электроколяски, электросамокаты и электроскейты, элек-тромоноколеса [1, 2]. Все они имеют общие черты: питание от аккумуляторной батареи, регулируемый тяговый электропривод, зарядное устройство от однофазной сети 220 В. Самыми легкими из них являются переносные средства: моноколеса с гироскопической стабилизацией, электросамокаты и электроскейты. Их снаряженная масса не превышает 10___15 кг, мощность электропривода 350...800 Вт,

максимальная скорость 15_30 км/ч, запас хода 10_25 км. Управление движением осуществляется по положению тела или с ручного пульта. Наиболее мощные из данной группы транспортных средств (до 3_5 кВт) - электроскутеры и электроциклы - способны развивать высокие скорости движения как в обычном, так и в спортивном варианте конструкции.

Особое место занимает популярный вид транспорта - электровелосипеды.

В электровелосипедах (рис. 1) тяговый электропривод имеет мощность 200...800 Вт, что связано с небольшой скоростью движения (до 20_30 км/ч) и низкими требованиями по динамике разгона.

Обычно электропривод играет вспомогательную роль и применяется совместно с педальным приводом. Варианты подключения электропривода в работу и алгоритмы регулирования могут быть различными и зависят от выбранной функции помощи велосипедисту.

Структура тяговой электрической системы мало отличается от аналогичной структуры в электроскутерах. Она содержит тяговую аккумуляторную батарею (ТАБ), тяговый электродвигатель (ТЭД), полупроводниковый преобразователь с контроллером управления, механическую передачу. Главные отличия заключаются в принципах использования электропривода, его параметрах и методах управления при движении велосипедиста.

Тяговые батареи обычно литий-ионные, что связано с необходимостью получить легкий велосипед массой от 14 до 20 кг с достаточным запасом хода. Напряжение батареи 36_48 В, емкость 6_10 А-ч. Предполагаемое использование мускульного привода уменьшает объем запасаемой в ТАБ энергии на движение, что позволяет дополнительно снизить размеры и вес батареи.

Зарядное устройство - внешнее, входит в комплект велосипеда и обеспечивает время заряда 6_10 часов от бытовой сети 220 В.

Традиционные электровелосипеды имеют привод на одно колесо, обычно заднее. На это колесо может приходиться до 70 % полной массы, что способствует повышению проходимости на мягком грунте. Кроме того, оно неповоротное, и к нему проще подключить механическую передачу от педалей. Мускульный и электрический приводы объединяются в общую механически связанную систему, придающую вращение заднему колесу. Наиболее удобна мотор-колесная конструкция

10 лет

журналу

71

^Соци«^''

с редуктором или без него. Блок из электродвигателя и редуктора размещают на месте задней втулки. Это позволяет сохранить обычный набор задних шестерен с переключателем передач для мускульного привода.

Возможно расположение блока электродвигатель - редуктор и в центральной части рамы. При этом ТЭД оказывается связанным с колесом через механическую передачу с переменным передаточным числом. Однако наиболее простым в компоновочном отношении выглядит вариант с передним электрическим приводом. Задняя часть велосипеда остается традиционной.

Рис. 2. Управляющие элементы системы PAS

При выборе электродвигателя пред-

почтение отдается бесконтактным машинам с магнитным возбуждением, которые характеризуются наименьшими габаритами и массой, не требуют обслуживания в эксплуатации. Электродвигатели комплектуются контроллером управления, который содержит транзисторный инвертор и обеспечивает взаимодействие с органами управления и датчиками, а также осуществляет регулирование привода.

Основное назначение тягового электропривода на электровелосипеде - помощь велосипедисту. Он может подключаться при пиковых мускульных нагрузках велосипедиста, для облегчения педалирования на средних скоростях и длительного движения в установившихся скоростных режимах, в том числе без педального привода. Подключение - автоматическое при достаточном заряде ТАБ. Система управления электроприводом при этом может учитывать разнообразную информацию: положение выключателя привода, скорость движения, скорость вращения педалей, величину тока ТЭД, напряжение и степень заряженности ТАБ и др. На основании полученной информации она должна отображать работу привода на сигнальных устройствах или дисплее.

Наиболее известна система управления PAS (Pedal Assist System) - система помощи педалированию на дороге [3, 4]. Она проста в установке и эксплуатации, предназначена для включения мотор-колеса в момент начала вращения педалей и автоматического отключения при остановке педалей. Внешний вид элементов PAS отображен на рис. 2. Система содержит немагнитный диск с установленными точечными магнитами и кольцо с датчиком магнитного потока. Диск закрепляется на подвижной части педального узла, кольцо - на раме рядом с диском. При вращении диска в датчике возникают импульсы напряжения, поступающие на контроллер управления электроприводом.

Контроллер измеряет скорость вращения педалей. При превышении порогового значения скорости он с небольшой задержкой по углу поворота педалей (обычно 180...540 градусов) подключает ТЭД. Устанавливается фиксированная сила тяги на колесе. Если перестать вращать педали, то через небольшой промежуток времени (например, через 2 секунды) электродвигатель отключается.

Чаще всего имеются три ступени управления, выбираемые велосипедистом с помощью сенсоров на небольшом дисплее. Последний устанавливается на руле и одновременно служит указателем уровня заряда аккумуляторов.

Рис. 3. Структура привода электровелосипеда:

ТАБ - тяговая аккумуляторная батарея; ТП - транзисторный преобразователь; ТЭД - тяговый электродвигатель; Р - механическая передача; К - колесо; ДУ - датчик усилия на педалях

Системой PAS оснащаются электровелосипеды в Европе и многих других странах. Отсутствие в этой системе ручки акселератора («газ») не позволяет властям отнести электровелосипед к электроскутерам и в соответствии с существующим законодательством этих стран наложить ограничения на его эксплуатацию. К недостаткам системы можно отнести отсутствие чувствительности к величине мускульного усилия, создаваемого велосипедистом, и возможное возникновение рывков при переключении ступеней.

Используется также система Е-bike, где задание мощности контроллеру осуществляется ручкой акселератора. Эта система по вышеуказанной причине более подходит к электроскутерам.

Известно, что велосипедная техника является прекрасным оздоровительным средством. В то же время проблема снижения физической активности у населения стоит достаточно остро в течение многих лет. Как показывают медицинские исследования, недостаток движения часто приводит к ожирению и многим другим заболеваниям. Даже здоровые и худые люди лучше чувствуют себя при наличии относительно небольших, но регулярных физических нагрузок. Например, положительно сказывается быстрая ходьба в течение двадцати минут (например, на работу) или поездки на велосипеде на более значительные расстояния.

Исходя из этого дальнейшее развитие электровелосипедов можно связывать не только с улучшением технических характеристик, но и с приобретением ряда дополнительных функций, в частности, с созданием средств для получения при педалировании дозированной физической нагрузки, которая не будет вызывать существенного утомления велосипедиста.

Таким средством может стать система пропорционального управления электроприводом велосипеда, в которой электропривод выступает в роли усилителя мускульного усилия велосипедиста (рис. 3).

Предполагается, что сила тяги на колесе в такой системе создается в виде суммы мускульной и электрической составляющих:

10 лет

журналу

73

Научные разработки и исследования

ш

\

Р = Рм + Р , (1)

где Рм - мускульная составляющая; Рэ - электрическая составляющая.

Величина необходимой силы тяги для движения в установившемся режиме определяется известным выражением

Р = mg /и) + 0,5 Сх р ,

(2)

где т - полная масса велосипедиста с велосипедом;/ - коэффициент сопротивления качению; I - дорожный уклон; Сх - коэффициент аэродинамического сопротивления; р - плотность воздуха; 5 - лобовая площадь; V - скорость движения.

При пропорциональном управлении электроприводом приращения составляющих силы тяги связаны между собой:

АРЭ = кР ДРм ,

(3)

где кР - коэффициент пропорциональности.

Можно определить указанный коэффициент по данным текущего режима:

кр = Рэ / (Рм - Рмо) ,

(4)

где Рмо - начальная сила тяги мускульного привода.

Электропривод должен подключаться в работу при небольшом исходном мускульном усилии Рмо , соответствующем началу устойчивого движения велосипеда. Это начало дополнительно характеризуется вращением педалей с минимальной пороговой частотой и соответствующей ей скоростью движения У0. В качестве такого исходного режима можно принять движение на горизонтальной дороге (=0) со скоростью 3...5 км/ч.

Выражая Рэ и подставляя в (1) имеем

Р = Рм (1+ кр) - кр Рмо . Отсюда можно найти составляющие:

Рм = (Р + кР Рмо) / ( 1+ кР); Рэ = Р - Рм .

(5)

(6)

Для примера была определена взаимосвязь действующих сил для электровелосипеда и велосипедиста полной массой 130 кг с коэффициентами / = 0,011 и Сх = 0,6, лобовой площадью 5 = 0,7 м2. Приняты начальная скорость включения электропривода У0 = 5 км/ч, максимальная скорость движения - 25 км/ч при комфортной частоте вращения педалей 45.55 об/мин. На подъеме

Значения действующих сил в характерных режимах

V, км/ч 1, % р, Н Рм, Н Р., н

5 0 15,1 15,1 0

20 7 111,2 27,0 84,2

25 0 27,0 16,6 10,4

Рис. 4. Взаимосвязь сил тяги

с уклоном I = 7 %, соответствующим максимальному значению основных уклонов на автодорогах, взята скорость 20 км/ч. Результаты расчета приведены в таблице.

По данным первой и третьей строк таблицы определены, согласно (4)-(6), коэффициент кР = 7,08 и значения сил тяги. Номинальная мощность электродвигателя составила 468 Вт.

Взаимосвязь сил тяги мускульного и электрического приводов представлена на рис. 4.

Отрезок 0 < Рм < 15,1 соответствует зоне нечувствительности электропривода, далее идет режим усилительного действия. Верхняя точка соответствует максимальному значению силы тяги электропривода и номинальной мощности электродвигателя.

Педалирование на горизонтальной дороге и малых подъемах мало отличается по мускульному усилию. Сила тяги делится примерно в равных долях между мускульным и электрическим приводом, что позволяет экономить энергию аккумуляторной батареи и увеличивать запас хода. На подъемах основную часть силы тяги принимает на себя электропривод (до 75%).

Дальнейший рост силы тяги, иногда требуемый на крутых подъемах, возможен за счет переключения механической передачи, кратковременного повышения мускульного усилия и форсирования электропривода. Увеличение номинальной мощности электродвигателя представляется нецелесообразным из-за малой его загруженности в среднем при езде и соответствующего снижения КПД.

Для работы электропривода требуется датчик усилия на педалях или датчик крутящего момента на педальном узле. Возможная конструкция бесконтактного датчика крутящего момента представлена ниже. В ней учтено, что величина момента пульсирует, максимум наблюдается два раза на один оборот шатунов.

Педальный узел содержит педальный диск с шатунами и осью (рис. 5), свободно вращающуюся на оси ведущую звездочку. Упругая связь между ними устанавливается цилиндрическими пружинами. При нажатии на педали происходит сжатие пружин и сдвиг диска относительно звездочки.

Диск и звездочка имеют немагнитные вставки, расположенные по радиусу с первоначальным сдвигом относительно друг друга. При полном нажатии на педали сдвиг устраняется. Во вставках диска установлены постоянные магниты, во вставках звездочки - магнитопроводы (рис. 6).

Рис. 5. Схема педального узла: 1 - рама; 2 - ведущая звездочка; 3 - пружина; 4 - педальный диск с шатунами и осью

10 лет

журналу

75

76

Научные разработки и исследования

х\\\\\\\\\\\

\

Рис. 6. Расположение элементов датчика момента:

1 - пружина; 2 - приемник сигнала; 3 - цепь; 4 - ведущая звездочка; 5 - педальный диск; 6 - постоянные магниты с магнитопроводом; 7 - шатун с педалью

Рис. 7. Магнитная цепь датчика: 1 - датчик Холла; 2 - магнитопроводы;

3 - корпус приемника сигнала;

4 - ведущая звездочка; 5 - педальный диск; 6 - постоянный магнит

На раме велосипеда имеется приемник сигнала с аналоговым датчиком Холла. Магниты, магнитопроводы и датчик Холла образуют магнитную цепь, магнитный поток в которой зависит от взаимного расположения элементов (рис. 7). При отсутствии нажатия на педали сдвиг вставок диска относительно вставок звездочки максимален, и магнитный поток наименьший. При полном нажатии сдвига нет, и магнитный поток имеет максимальную величину.

На величину потока реагирует датчик Холла, причем используется информация как по амплитуде его выходного сигнала, так и по частоте импульсов. Считывание информации производится два раза на оборот при горизонтальном расположении педалей, когда нажатие на педали максимально.

Функциональная схема электропривода, которую можно выполнить на базе единого микроконтроллера, представлена на рис. 8.

Бесконтактный двигатель постоянного тока М питается от аккумуляторной батареи ОВ. Управление инвертором ведется цифровым блоком управления БУИ. Схема содержит датчик тока ВА, входящий в замкнутый контур автоматического регулирования тока электродвигателя, а также нелинейные элементы с указанными на рисунке взаимосвязями входных и выходных сигналов.

При работе схемы с датчика ДХ поступает сигнал на элементы ДА и ДЧ, где формируются сигналы по амплитуде крутящего момента М и частоте вращения педалей п. Эти сигналы сравниваются с их пороговыми значениями М0 и п0. При отрицательных разностных сигналах ток в электродвигателе отсутствует. При положительном сигнале ДМ определяется сигнал задания тока 1з, сигнал управления Д1 и скважность инвертора 7. Максимальное значение тока ограничивается

10 лет

журналу

77

Рис. 8. Функциональная схема электропривода:

ДХ - датчик Холла; ДА, ДЧ - датчики амплитуды и частоты вращения; НЭ1...НЭ4 - нелинейные элементы; ОВ - аккумуляторная батарея; ВА - датчик тока; И - транзисторный инвертор; М - двигатель; БУИ - блок управления инвертором

с помощью порогового элемента НЭ4.

Представленная схема позволяет реализовать рассмотренные принципы пропорционального управления. В ней могут использоваться традиционные узлы электровелосипеда: цепная переключаемая передача, инвертор с электродвигателем и цифровой контроллер с программным управлением.

Используя систему пропорционального управления электроприводом, велосипедист способен преодолевать на электровелосипеде значительные расстояния без существенного утомления и при этом получать полезную физическую нагрузку.

Кроме оздоровительного эффекта, подобный электровелосипед имеет еще одно преимущество: экономит электроэнергию за счет мускульного привода, что позволяет либо увеличить запас хода, либо снизить емкость аккумуляторной батареи и стоимость электропривода.

_ Использованные источники

1. Овсянников Е.М. Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных средств с тяговыми электроприводами. - М., Форум, 2016. - 280 с.

2. Корчак С.А., Фомин А.П. Чтобы велосипед стал велотроном // Автомобильная промышленность. - 1998. - № 1. - С. 16-18.

3. Электронный ресурс http://www.eltreco.ru> articles/19453/ Выбор электровелосипеда: дроссель или PAS? Дата обращения 15.07.2018.

4. Электронный ресурс http://www.velomasterclass. ru>sistema-upravleniya-motor... pas / Система управления мотор колесом PAS. Дата обращения 15.07.2018.

АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)

! MÊ