Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica

Abstract

[ES] En el presente proyecto se realiza un diseño desde cero de lo que viene a ser un vehículo eléctrico de gama baja a partir de una bicicleta ordinaria. Esto es posible mediante la incorporación de sistemas electrónicos en la bici, cuya parte principal es el controlador, que se encarga de mover un motor brushless alimentado por una batería de litio (Li-ion). El fin de una bicicleta eléctrica es el de proporcionar un aumento en la distancia que podría recorrer y la velocidad máxima alcanzable, disminuyendo el trabajo necesario a realizar por el conductor para su desplazamiento e incluso aumentar sus capacidades en terrenos muy inclinados o montañosos. El objetivo consiste en hacer más accesible la adquisición de una e-Bike o bicicleta eléctrica como alternativa al transporte urbano, de tal forma que aumente su popularidad entre la sociedad y se impulse así el ecologismo y la sostenibilidad. Para ello la idea es que no sólo sea posible fabricar de cero este tipo de bicicletas, sino incluso transformar cualquier bicicleta ordinaria a una eléctrica, equipando un kit de componentes electrónicos. Además se pretende resolver las carencias que se encuentran en las bicicletas eléctricas actuales y que este trabajo sirva como guía y como modelo de referencia para otras personas interesadas en obtener un vehículo de esta clase, ya que actualmente en España es un sector que apenas está empezando a emerger y se hace notar la falta de información técnica en cuanto a este tipo de sistemas. Como resultado de la realización del proyecto, se ha obtenido un sistema de bajo coste mediante la implementación de una modulación trapezoidal de un inversor trifásico con un sistema de control PID de la velocidad en bucle cerrado, el cual es barato y fácil de realizar sin embargo es de los métodos de control más ineficientes. Este modelo mantiene la transmisión mecánica de la bicicleta tradicional y se utiliza un sensor Hall para detectar el pedaleo y así ofrecer un trabajo de asistencia al pedaleo considerando las normativas que afectan a este tipo de vehículos para cumplir con lo establecido legalmente en la DIRECTIVA 2002/24/CE del Parlamento Europeo. Así como la modulación del inversor es controlada a partir de la conmutación de los sensores Hall instalados en el interior del motor. Por otro lado se ha implementado un algoritmo para la gestión de la batería (BMS), permitiendo estimar la cantidad de energía disponible (SoC) en esta a partir de mediciones de la corriente y voltaje que son integradas en el tiempo realizando el cálculo de Coulumb. Así como también el BMS se encarga de proteger frente a sobrecorrientes, bajas tensiones o ciclos de descarga profunda, informando al usuario del estado del sistema mediante una pantalla LCD.

[EN] In this project is made a design from scratch about a low-end electric vehicle from an ordinary bicycle. This is possible by incorporating electronic systems in the bike, which main is the controller that moves a brushless motor powered by a lithium battery (Li-ion). The purpose of an electric bicycle is to provide an increase in the distance that it could travel and the maximum speed reachable, reducing the work required by the driver to travel around and even increase it capacity on very steep or mountainous terrain. The objective is to make more accessible the purchase of an e-bike or electric bicycle as an alternative to urban transport, so that it becomes more and more popular among society and in this way promotes ecology and sustainability. But the idea is that not only would be possible manufacture these bicycles from zero but also to transform any ordinary bicycle into an electric one equipping it with an electronic kit. Furthermore, it also wants to solve the problems that are found in the current electric bicycles and that this work serves as a guide and as a reference model for other people interested in obtaining a vehicle from this class, since currently Spain is a sector that is beginning to emerge and it is important to note the lack of technical information about these types of systems. As a result of the project a low-cost system has been obtained by implementing a trapezoidal modulation of a three-phase inverter with a PID closed loop speed control system, which is inexpensive and easy to implement but one of the most inefficient control methods. This model maintains the mechanical transmission of the traditional bicycle and a Hall sensor is used to detect pedalling and thus offer a work of assistance to pedalling considering the regulations that affect this type of vehicle to comply with the legally established at DIRECTIVA 2002/24/CE from European Parliament. As well as the inverter modulation is controlled by the switching of the Hall sensors installed inside the motor. On the other hand, a battery management system (BMS) has been implemented, allowing the estimation of the amount of energy available (SoC) in the battery from current and voltage measurements that are integrated over time by performing the Coulumb counter. The BMS also protects against overcurrent, undervoltage or deep discharge cycles, reporting to the user data about the system conditions via an LCD display.

[CA] En el present projecte es realitza un disseny des de zero del que ve a ser un vehicle elèctric de gamma baixa a partir d'una bicicleta ordinària. Açò és possible mitjançant la incorporació de sistemes electrònics en la bici, de la qual la part principal és el controlador, que s'encarrega de moure un motor brushless alimentat per una batería de litio (Li-ion). La fi d'una bicicleta elèctrica és el de proporcionar un augment en la distància que podria recórrer i la velocitat màxima assolible, disminuint el treball necessari a realitzar pel conductor per al seu desplaçament i fins i tot augmentar les seues capacitats en terrenys molt inclinats o muntanyosos. L'objectiu consisteix a fer més accessible l'adquisició d'una e-Bike o bicicleta elèctrica com a alternativa al transport urbà, de tal forma que augmente la seua popularitat entre la societat i d’aquesta manera s'impulse l'ecologisme i la sostenibilitat. Per a açò la idea és que no solament siga possible fabricar de zero aquest tipus de bicicletes, sinó fins i tot transformar qualsevol bicicleta ordinària a una elèctrica, equipant un kit de components electrònics. A més es pretén resoldre les carències que es troben en les bicicletes elèctriques actuals i que aquest treball servisca com a guia i com a model de referència per a altres persones interessades a obtenir un vehicle d'aquesta classe, ja que actualment a Espanya és un sector que a penes està començant a emergir i es fa notar la falta d'informació tècnica en quant a aquest tipus de sistemes. Com a resultat de la realització del projecte, s'ha obtingut un sistema de baix cost mitjançant la implementació d'una modulació trapezoïdal d'un inversor trifàsic amb un sistema de control PID de la velocitat en bucle tancat, el qual és barat i fàcil de realitzar no obstant això és dels mètodes de control més ineficients. Aquest model manté la transmissió mecànica de la bicicleta tradicional i s'utilitza un sensor Hall per a detectar el pedaleig i així oferir un treball d'assistència al pedaleig considerant les normatives que afecten a aquest tipus de vehicles per a complir amb l'establit legalment a la DIRECTIVA 2002/24/CE del Parlament Europeu. Així com la modulació de l'inversor és controlada a partir de la commutació dels sensors Hall instal·lats a l'interior del motor. D'altra banda s'ha implementat un algorisme per a la gestió de la bateria (BMS), el qual permet estimar la quantitat d'energia disponible (SoC) en aquesta a partir de mesures de la corrent i voltatge que són integrades en el temps realitzant el càlcul de Coulumb. Així com també el BMS s'encarrega de protegir enfront de sobrecorrents, baixes tensions o cicles de descàrrega profunda, informant a l'usuari de l'estat del sistema mitjançant una pantalla LCD.