Как работает контроллер электрического велосипеда? От сигнала газа до фазного тока: что делает контроллер электровелосипеда
Краткий ответ
Контроллер электровелосипеда объединяет трёхфазный инвертор и микроконтроллер. Датчики сообщают положение ручки газа, вращение педалей и положение ротора. По этим сигналам микроконтроллер задаёт скважность шести ключей, которые преобразуют напряжение батареи в три фазные кривые. Обратная связь по току позволяет регулировать момент двигателя; остальные цепи отвечают за фильтрацию, переключение и защиту.
- Короткий ответ: инвертор с мозгом
- Проследим сигнал газа через весь блок
- Внутри моста: шесть ключей, три фазы
- Коммутация: шесть шагов или синусоида
- ШИМ, скважность и сюрприз с фазным током
- Три контура: ток, скорость и помощь
- Как контроллер решает, сколько помочь
- Датчик момента и почему он лучше каденса
- Шесть защит и что они на самом деле защищают
- Согласование контроллера, двигателя и батареи
- Как умирают контроллеры
- Почему Greensky Power
- Источники
- Вопросы и ответы
Короткий ответ: инвертор с мозгом
За дисплеем, разъёмами и заливкой находятся силовой каскад и микроконтроллер. Контроллер решает, какую часть напряжения батареи подать, а силовой каскад поочерёдно прикладывает это напряжение к трём обмоткам.
Двигатель делает управление сложнее, чем работа на чисто активную нагрузку. Ток отстаёт от напряжения, противо-ЭДС растёт со скоростью, а индуктивность сопротивляется быстрым изменениям. Контроллер должен учитывать все три фактора, чтобы давать момент и не перегружать собственные ключи.
| Блок | Что делает | От чего защищается |
|---|---|---|
| Входной фильтр | сглаживает ток батареи и подавляет помехи переключения | пульсирующий ток конденсаторов и выбросы напряжения |
| Мост из шести ключей | подключает каждую фазу к плюсу или минусу | сквозной ток и перегрузка по току |
| Драйвер затвора | включает и выключает ключи достаточно быстро | медленное переключение, которое превращается в тепло |
| Токовые шунты | измеряют ток батареи и часто фазный ток | ток выше предела полупроводника |
| Микроконтроллер | момент коммутации, скважность, защиты | собственные допущения прошивки |
| Входы датчиков | газ, датчик педалей, датчики Холла, тормоза, скорость | неисправный датчик, сообщающий бессмыслицу |
Семейство изделий, в котором эти блоки собраны под разные классы напряжения и мощности, показано на странице контроллер для электровелосипеда; эта статья о том, что происходит внутри.
Проследим сигнал газа через весь блок
Один из способов понять, как работает контроллер, — проследить путь сигнала газа. Райдер поворачивает ручку, и контроллер обрабатывает сигнал в шесть этапов, прежде чем двигатель отреагирует. Время и характер обработки на каждом этапе зависят от конструкции контроллера.
| Этап | Что происходит | Типичное значение |
|---|---|---|
| 1 Датчик | датчик Холла на ручке выдаёт от 0,8 до 4,2 В | питание 5 В, ратиометрический выход |
| 2 Оцифровка | АЦП читает сигнал и фильтрует его | каждые от 100 до 500 мкс |
| 3 Отображение задания | напряжение превращается в задание тока или момента | от 0 до номинального тока |
| 4 Контур тока | сравнивает задание с измеренным током | контур на 8 до 20 кГц |
| 5 ШИМ | скважность обновляется для моста | несущая 16 до 25 кГц |
| 6 Коммутация | какая пара ключей активна | меняется шесть раз за электрический оборот |
Разницу в фильтрации сигнала и в контуре тока райдер замечает. Сильная фильтрация делает газ менее отзывчивым, а хорошо настроенный контур тока — более прямым. Отображение «газ — ток» влияет и на то, как велосипед трогается с места, и может подпадать под местные правила.
Внутри моста: шесть ключей, три фазы
Шесть MOSFET, по два на фазу: один в верхнем плече, один в нижнем. В любой момент нормальной коммутации проводят один верхний и один нижний прибор, поэтому ток идёт от батареи через две обмотки и обратно. Третья фаза остаётся «висящей» до следующего шага.
Число транзисторов сравнивать легко, но само по себе оно не определяет возможности контроллера. Модель на шесть и модель на двенадцать MOSFET могут обе иметь номинал 25 А. При прочих сопоставимых решениях дополнительные приборы делят нагрузку и снижают нагрев; реальные характеристики зависят ещё и от самих MOSFET, охлаждения и конструкции.
Потери проводимости можно оценить по приборам в пути тока. Если у каждого из двух MOSFET сопротивление в открытом состоянии около 3 мОм, то при фазном токе 20 А потери проводимости составят примерно 2 x 20² x 0,003 = 2,4 Вт, не считая потерь переключения. Поскольку эти потери растут как квадрат тока, удвоение тока может дать четырёхкратный рост. Номинал контроллера по току всё равно определяется всей конструкцией, а не одной надписью.
На потери влияет и драйвер затвора. Пока MOSFET переключается, он кратковременно проходит через состояние с повышенным сопротивлением и рассеивает энергию в тепло. Более быстрое переключение сокращает этот интервал, но может усилить электромагнитные помехи, поэтому в драйвере эти два эффекта уравновешивают.
Та же трёхфазная схема встречается в любом бесколлекторном применении, от мотор-колеса до промышленного насоса; общая топология описана в материале трёхфазные контроллеры BLDC.
Коммутация: шесть шагов или синусоида
Коммутация — это последовательность, которой запитываются фазы двигателя. Она должна отслеживать положение ротора, чтобы поле статора давало момент; идеальный угол зависит от двигателя и метода управления.
| Метод | Как определяется положение | Форма тока | Характер |
|---|---|---|---|
| Шестишаговый, по датчикам Холла | три датчика Холла через 120 электрических градусов | две фазы включены, одна выключена | дёшево, надёжно, слышна пульсация момента |
| Синусоидальный, по датчикам Холла | те же датчики, с интерполяцией | три фазы модулируются непрерывно | тише, плавнее, немного больше вычислений |
| Векторный | энкодер или наблюдатель | ток раскладывается на моментную и потоковую составляющие | лучшее поведение на малой скорости и лучший КПД |
| Бездатчиковый | переходы противо-ЭДС через ноль | шестишаговый или синусоидальный по наблюдателю | нет кабеля датчиков, но нет сигнала на стоящем роторе |
Шаг датчиков Холла влияет на совместимость. Многие мотор-колёса используют 120 электрических градусов, некоторые — 60; с одними и теми же настройками контроллера такие варианты могут не работать. Несовпадение даёт рывки, вращение назад или неудачный старт, и эти симптомы легко принять за неисправность двигателя.
У бездатчикового управления есть ограничение на малой скорости: противо-ЭДС растёт со скоростью, и на стоящем роторе измерять почти нечего. Поэтому пуск нагруженного прямого мотор-колеса для части бездатчиковых контроллеров затруднён. Датчики Холла дают положение ротора с самого начала. Варианты формы кривой и их компромиссы сопоставлены в материале серия синусоидальных контроллеров.
ШИМ, скважность и сюрприз с фазным током
Мост не создаёт переменное напряжение. Он переключается между нулём и полным напряжением батареи тысячи раз в секунду, а индуктивность двигателя усредняет результат. Доля времени, проведённого в подключённом состоянии, — это скважность, и произведение скважности на напряжение батареи даёт среднее напряжение на обмотке.
Аналогия с понижающим преобразователем
Индуктивность двигателя сглаживает переключаемое напряжение, но ток и напряжение масштабируются не одинаково. В модели идеального понижающего преобразователя выходной ток примерно равен входному, делённому на скважность:
I_фазы примерно равно I_батареи / D
При скважности 20 процентов идеализированный пример даёт около 50 А в обмотке при 10 А, потребляемых от батареи. Фактический ток зависит от стратегии переключения контроллера, потерь и условий работы. Соотношение отражает обмен между напряжением и током.
Это соотношение объясняет, почему номинал по току батареи сам по себе не описывает нагружение на малой скорости. При старте в горку фазный ток может существенно превышать ток батареи; фактическое значение зависит от контроллера и условий. По мере приближения скважности к 100 процентам разница между током батареи и фазным током сокращается.
Когда контроллер заявлен на 25 А, проверьте, о каком токе речь — батарейном или фазном. На малой скорости они могут отличаться значительно, и при оценке старта в горку важны оба номинала.
Три контура: ток, скорость и помощь
Контроллеры часто используют вложенные контуры регулирования. Понимание того, какой контур задаёт ограничение, помогает объяснить, почему изменение настройки не даёт ожидаемой реакции.
- Контур тока, самый быстрый. Сравнивает измеренный фазный ток с заданием и корректирует скважность. Это контур, который делает момент предсказуемым и защищает полупроводники. Типичная полоса — несколько килогерц.
- Контур скорости, медленнее. Сравнивает скорость колеса с целевой и задаёт задание тока. Здесь живут круиз-контроль и режимы с ограничением скорости.
- Контур помощи, самый медленный. Решает, на сколько умножить усилие райдера. Здесь сходятся датчик каденса, датчик момента и выбранный уровень помощи.
Внешние контуры формируют задания, которые всё равно подчиняются внутреннему ограничению по току. Если помощь запрашивает 40 А, а контур тока ограничен 15 А, контроллер выдаст 15 А. Результат может ощущаться как слабая помощь, хотя система работает так, как настроена.
То, как эти задания формируются со стороны двигателя, включая связь момента и тока, разобрано в руководстве по контроллерам BLDC. Как именно на велосипеде делят работу датчики и контроллер, изложено в материале датчики и контроллер для электровелосипеда.
Как контроллер решает, сколько помочь
На типичном педелеке задание помощи может приходить от ручки газа и от датчика каденса на каретке. Их взаимодействие объясняет часть жалоб райдеров на то, как реагирует помощь.
Датчик каденса — это кольцо магнитов и элемент Холла на каретке. Каждый оборот даёт фиксированное число импульсов, и контроллер переводит частоту импульсов в скорость вращения шатунов. Помощь пропорциональна этой скорости, поэтому двигатель помогает тем сильнее, чем быстрее крутит райдер.
Когда доступны оба входа, некоторые контроллеры берут большее из двух заданий тока, а не усредняют их. Это позволяет райдеру крутить мягко, а газом кратко добавлять мощность. Точное поведение зависит от прошивки контроллера.
Провал на старте и почему он есть
При управлении по каденсу контроллер должен получить импульс, прежде чем обнаружит вращение педалей. Это может задерживать помощь при трогании, в том числе на подъёме. Некоторая прошивка добавляет помощь на малой скорости, чтобы сократить задержку; в зависимости от настроек это может давать рывок в момент начала вращения шатунов.
Датчик момента измеряет усилие на педалях с помощью тензодатчика или магнитострикционного элемента. Это позволяет контроллеру реагировать на усилие, а не ждать импульсов каденса, хотя время реакции и пропорциональность зависят от датчика и прошивки. Варианты и их компромиссы изложены в материале что делает датчик момента на электровелосипеде.
Датчик момента и почему он лучше каденса
Датчик каденса измеряет скорость шатунов; датчик момента измеряет, с какой силой райдер давит. Это разные входы для расчёта помощи.
Каденс против момента
| Свойство | Датчик каденса | Датчик момента |
|---|---|---|
| Измеряемая величина | импульсы в секунду на каретке или колесе | деформация шатуна или оси |
| Реакция на старт с места | ждёт первого импульса | немедленная |
| Помощь пропорциональна усилию | нет, пропорциональна скорости педалирования | да, в пределах диапазона датчика |
| Стоимость и сложность | низкие: кольцо магнитов и элемент Холла | высокие: калибровка и температурная компенсация |
| Типичный отказ | кольцо магнитов сдвинулось, помощи нет вообще | дрейф, из-за которого помощь кажется тяжёлой или слабой |
Сигнальная цепь датчика момента объясняет его сложность. Мост тензодатчиков выдаёт малый дифференциальный сигнал, который нужно усилить, отфильтровать и оцифровать. Контроллер может также компенсировать температуру до использования отсчёта. Датчик Холла на корпусе двигателя может давать информацию о скорости, и её иногда объединяют с моментом при расчёте помощи.
Конструкция датчика влияет на то, как контроллер трактует усилие на педалях. Разные конструкции и производители сопоставлены в обзоре датчиков момента для электровелосипедов и в материале датчики момента для плавной езды. Примеры серийных велосипедов с датчиком момента перечислены в статье у каких электровелосипедов есть датчик момента.
Шесть защит и что они на самом деле защищают
Каждая защита реагирует на определённое электрическое или тепловое состояние. Понимание того, какая защита сработала, сужает круг причин отключения.
| Защита | Что измеряет | Что защищает | Типичный порог |
|---|---|---|---|
| Отсечка по низкому напряжению | напряжение батареи | батарею, а не контроллер | задаётся по химии, см. ниже |
| Перегрузка батареи по току | входной шунт | ячейки и входные конденсаторы | по номиналу контроллера, часто от 15 до 30 А |
| Перегрузка фазы по току | фазные шунты или контроль насыщения | MOSFET | в два-три раза выше батарейного номинала |
| Перегрев | NTC на радиаторе | полупроводниковый переход | обычно от 75 до 85 °C на корпусе |
| Отказ датчиков Холла | недопустимая комбинация сигналов | двигатель от ложной коммутации | комбинации «все нули» или «все единицы» |
| Отказ газа | сигнал вне диапазона от 0,5 до 4,5 В | райдера от самопроизвольного старта | обрыв или замыкание входа |
На что должен быть настроен порог отключения по низкому напряжению
Отсечка по низкому напряжению зависит от химии и конфигурации батареи, а контроллер может не определять их автоматически. Для примера: около 31,5 В для свинцово-кислотной сборки на 36 В (три блока по 10,5 В), около 30 В для литиевой сборки на 36 В из десяти последовательных ячеек и около 39 В для сборки на 48 В из тринадцати последовательных ячеек.
Свинцово-кислотная отсечка может разрядить литиевую сборку слишком глубоко, а более высокий литиевый порог сокращает доступный запас свинцово-кислотной сборки. Любое несовпадение легко принять за неисправность контроллера.
Согласование контроллера, двигателя и батареи
Выбор контроллера и двигателя начинается с согласования напряжения, тока, угла датчиков Холла и порядка фаз. Остальные требования зависят от применения.
| Пункт | Что должно совпадать | Что будет, если не совпадёт |
|---|---|---|
| Класс напряжения | 36, 48, 52 или 72 В номинала | отсечка срабатывает невпопад, или мост получает перенапряжение, на которое не рассчитан |
| Номинал по току | длительный ток батареи плюс запас по фазе | тепловое отключение на подъёмах или короткий срок службы |
| Угол датчиков Холла | 120 или 60 электрических градусов | не запускается, дёргается или крутится назад |
| Порядок фаз | три провода в правильном порядке | те же симптомы, что при неверном угле датчиков |
Три числа, которые должны сходиться
Электрическая частота рассчитывается по скорости двигателя и числу пар полюсов, хотя в паспортах её указывают не всегда. Прямое мотор-колесо с 46 полюсами (23 пары полюсов) при 200 об/мин имеет электрическую частоту около 77 Гц. Редукторное колесо при 1000 об/мин двигателя и пяти парах полюсов даёт около 83 Гц. Контур тока контроллера должен быть достаточно быстрым для рабочей частоты двигателя.
Этот расчёт тот же, что и для любой трёхфазной машины, а лежащее в основе соотношение полюсов и скорости изложено в статье число полюсов двигателя. Для грузовых и среднемоторных сборок компромиссы самого двигателя по моменту и каденсу разобраны в материалах выбор среднемоторного двигателя для электровелосипеда и типы двигателей для электровелосипедов. Сторона напряжения того же решения, включая вопрос, почему система на 48 В стала обычным компромиссом, разобрана в руководстве по выбору контроллера на 48 В.
Как умирают контроллеры
Большая часть отказов контроллеров укладывается в несколько широких категорий. Симптомы подсказывают, с чего начать, но причину подтверждают измерениями.
| Симптом | Наиболее вероятная причина | Что подтверждает |
|---|---|---|
| Умер после старта в горку | перегрузка фазы по току, пробой MOSFET | проводимость между фазой и минусом батареи |
| Работает, затем отключается через минуты | перегрев или просадка батареи | температура корпуса и напряжение батареи под нагрузкой |
| Двигатель дёргается с места | отказ датчиков Холла или неверный угол | картина сигналов при прокрутке колеса рукой |
| Газ не действует, индикация горит | сигнал газа вне допустимого окна | напряжение на сигнальном проводе, от 0,8 до 4,2 В |
| Работает всухую, отказывает в сырость | вода в месте ввода кабеля | коррозия на контактах разъёма, а не на плате |
| Помощь отключается на 25 км/ч | не неисправность, а законодательное ограничение | настройка прошивки, если рынок это допускает |
Влага попадает внутрь через кабельные вводы и уплотнения разъёмов, а перепады температуры способствуют конденсации внутри корпуса. Степени защиты определяет IEC 60529; при оценке контроллера, закреплённого возле заднего колеса, важны условия испытаний.
Почему Greensky Power
Мы производим двигатели и можем подобрать к ним контроллеры для проектов, которым нужна готовая пара. До выпуска проектная команда согласует класс напряжения, длительный и пиковый фазный ток, угол датчиков Холла и электрическую частоту на максимальной скорости.
Несовместимый угол датчиков Холла может не дать двигателю запуститься, а настройки контура тока влияют на реакцию контроллера. Несогласованная отсечка батареи тоже может сократить срок её службы. Проверка этих требований на этапе проектирования сокращает последующую диагностику.
Согласовываете двигатель и контроллер? Пришлите напряжение и химию батареи, размер колеса или передаточное отношение, массу райдера с грузом, уклон, который нужно брать, и желаемое поведение помощи. Мы вернёмся с подходящим номиналом тока, схемой датчиков Холла и настройками отсечки. Свяжитесь с инженерной командой.
Источники
- International Electrotechnical Commission. (2022). IEC 60034-1:2022 Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance. webstore.iec.ch/en/publication/65446
- International Electrotechnical Commission. (2014). IEC 60034-2-1:2014 Rotating electrical machines – Part 2-1: Standard methods for determining losses and efficiency from tests. webstore.iec.ch/en/publication/121
- International Electrotechnical Commission. (2018). IEC 60034-14:2018 Rotating electrical machines – Part 14: Mechanical vibration of certain machines with shaft heights 56 mm and higher. webstore.iec.ch/en/publication/59889
- International Electrotechnical Commission. (2013). IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 Degrees of protection provided by enclosures (IP Code). webstore.iec.ch/en/publication/2452
- International Electrotechnical Commission. (2023). IEC 61800-9-2:2023 Adjustable speed electrical power drive systems – Ecodesign for power drive systems, motor starters, power electronics and their driven applications. webstore.iec.ch/en/publication/111276
- National Electrical Manufacturers Association. (2024). NEMA standards for motors and generators. nema.org/standards
- European Commission. (2019). Commission Regulation (EU) 2019/1781 laying down ecodesign requirements for electric motors and variable speed drives. eur-lex.europa.eu/eli/reg/2019/1781/oj
- European Parliament and Council. (2013). Regulation (EU) No 168/2013 on the approval and market surveillance of two- or three-wheel vehicles and quadricycles. eur-lex.europa.eu/eli/reg/168/2013/oj
- U.S. Consumer Product Safety Commission. (2024). 16 CFR Part 1512 – Requirements for bicycles. ecfr.gov/title-16/part-1512
- U.S. Department of Energy. (2024). Motors and drives systems – advanced manufacturing office resources. energy.gov/eere/amo/motor-systems
Вопросы и ответы
В: Как работает контроллер электровелосипеда?
Он превращает сигнал задания малого тока в три переключаемые фазы. Датчики сообщают положение газа, вращение педалей и положение ротора; микроконтроллер превращает это в скважность для моста из шести ключей, который нарезает напряжение батареи в три синусоидальные или шестишаговые кривые. Обратная связь по току замыкает контур, поэтому двигатель получает заданный момент, а не заданное напряжение.
В: Почему фазный ток выше тока батареи?
Потому что мост ведёт себя как понижающий преобразователь. При частичной скважности выходной ток равен входному, делённому на скважность, поэтому 10 А от батареи при скважности 20 процентов соответствуют примерно 50 А в фазной обмотке. Именно поэтому контроллер с номиналом 25 А может вывести из строя двигатель или сам себя при старте на крутом подъёме.
В: Чем отличается синусоидальный контроллер от прямоугольного?
Прямоугольный контроллер запитывает каждую фазу за шесть дискретных шагов: это просто и дёшево, но даёт пульсацию момента и слышимый шум. Синусоидальный контроллер, обычно с векторным управлением, модулирует все три фазы непрерывно, и ток следует по плавной кривой. Езда тише и плавнее, а тот же двигатель при том же моменте потребляет немного меньший ток.
В: Что защищает отсечка по низкому напряжению?
Батарею, а не контроллер. Порог должен соответствовать химии: около 31,5 В для свинцово-кислотной сборки на 36 В, около 30 В для литиевой сборки на 36 В из десяти последовательных ячеек и около 39 В для сборки на 48 В из тринадцати ячеек. Отсечка, настроенная под свинец, переразрядит литиевую сборку и сократит её ресурс.
В: Можно ли ставить любой контроллер на любое мотор-колесо?
Нет. Должны совпадать три вещи: класс напряжения, номинал по току и угол датчиков Холла. Двигатель на 120 градусов с контроллером на 60 градусов не будет работать чисто, а бездатчиковый контроллер может отказаться запускать нагруженное прямое мотор-колесо. Цвета фазных проводов тоже не стандартизованы, поэтому порядок нужно подтвердить до первого поворота ручки газа.
В: Почему контроллеры отказывают в сырую погоду?
Вода доходит до электроники через кабельный ввод, а не через корпус. Слабое место — гермоввод, уплотнительная втулка и уплотнения разъёмов, а контроллер с защитой только от брызг будет собирать конденсат внутри герметичного бокса при нагреве и остывании. Степени защиты определены в IEC 60529, и степень без условий испытаний говорит очень мало.
