Trabajo Final del Grado Ingeniera Electrnica Industrial y

Trabajo Final del Grado Ingeniería Electrónica Industrial y Automática Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica Autor: D. Iván Navalón Posadas Tutor: D. Ángel F. Perles Ivars Cotutor: D. Carlos Sánchez Díaz Valencia, septiembre de 2018

Índice 1. Objetivo 2. Funcionamiento motor brushless 3. Componentes del sistema 4. Inversor trifásico JYQD 5. Métodos de control del motor 6. Estado de carga de la batería (So. C) 7. Filtrado de señales 8. Flowchart 9. Conclusiones 10. Futuras mejoras Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 1

1. Objetivo • Controlar la velocidad de un motor brushless mediante un sistema de control en bucle cerrado Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 2

2. Funcionamiento del motor brushless • Para accionar el movimiento se requiere excitar las 3 fases del motor con un desfase de 120º Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 3

2. Funcionamiento del motor brushless • Para obtener dicha forma de onda se emplea un inversor trifásico, en conjunto con el Driver de disparo, los sensores Hall y el microcontrolador tal como se muestra en la siguiente imagen: Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 4

3. Componentes del sistema Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 5

State of Art Stealth Bomber 1500 W, ha sido diseñada desde cero con mejores prestaciones Geo. Orbital Wheel, innovación en la integración de los componentes Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 6

3. Componentes del sistema Fabricante Modelo País de fabricación Peso (kg) Tipo de motor Potencia nominal (Watios) Motor KV (RPM / V) Resistencia de la fase (Ohmios) Compatibilidad con discos de freno Nine Continent 2706 Trasero China 6. 16 Accionamiento directo 500 -1000 10. 7 0. 145 Sí, requiere eje de 138 mm Longitud del eje (milímetros) Agujeros para los radios Diámetro de los radios (milímetros) Pares de polos magnéticos Pérdidas por histéresis (N-m) Pérdidas por corriente de Eddy (N-m/rad/sec) 135 36 agujeros 232 23 0. 6 0. 0022 Distribuidor Voltaje de funcionamiento Capacidad Tasa de descarga Conector de balance Conector de descarga Dimensiones Peso Hobbyking 18. 5 V / 5 S 1 P 8000 m. Ah 30 C constantes / 40 C máximo JST-HX 5. 5 mm Bullet 165 x 69 x 52 mm (largo x ancho x alto) 1220 g (incluye cables y conectores) Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 7

3. Componentes del sistema # FUNCIONES A REALIZAR 1 Control PID en bucle cerrado de la velocidad del motor 2 Sistema de gestión de la batería y seguridad (BMS) 3 Lectura del sensor de pedaleo para realizar la asistencia al pedaleo. 4 Proceso de frenada y detención adecuados para el usuario. 5 Servir de interfaz usuario para el control además de proporcionar información sobre el funcionamiento del sistema. 6 Incorporar elementos que actúen como regulador de potencia (acelerador/interruptor, siempre como asistencia al pedaleo). 7 Conmutación de la iluminación y compatibilidad con distintos tipos de focos. opcional Implementar el sistema de freno regenerativo. STM 32 NÚCLEO opcional Conectividad con aplicaciones de otras plataformas como Android Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 8

3. Componentes del sistema Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 9

4. Inversor trifásico JYQD • Se puede observar el inversor trifásico JYQD v 6. 3 E, en sus dos modelos de alta potencia que cumplen con las características necesarias. Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 10

4. Inversor trifásico JYQD Cara trasera Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 11

4. Inversor trifásico JYQD Conmutación de las señales de control LOW y HIGH de la puerta (Gate) del MOSFET junto a la señal de control PWM que produce el tiempo de transición conocido como Dead Time Bootstrap a) Transistor Q 2 (Low) en conducción y condensador CB cargando; b) Transistor Q 1 (High) en conducción y condensador CB descargándose actuando como fuente Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 12

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5. Métodos de control del motor TRAPEZOIDAL Complejidad SINUSOIDAL VECTORIAL PRECISIÓN DE LA ALTAS EXIGENCIAS SENCILLO, FÁCIL POSICIÓN ANGULAR DE IMPLEMENTACIÓN MEDIANTE PROCESAMIENTO ENCODERS Ámbito de uso GAMA BAJA GAMA MEDIA GAMA ALTA Funcionamiento SIX-STEP CON SENSORES HALL CONTROL DE LAS 3 CORRIENTES DEL BOBINADO VECTORES DE TENSIÓN E INTENSIDAD Ventajas y desventajas RIZADO DEL PAR MOTOR A BAJAS VELOCIDADES CONTROL PRECISO ELIMINANDO EL RIZADO DEL PAR MOTOR MUY EFICIENTE Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 14

5. Métodos de control del motor Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 15

5. Métodos de control del motor Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 16

5. Métodos de control del motor Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 17

5. Métodos de control del motor Función de Transferencia Ecuación de velocidad Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 18

5. Métodos de control del motor En conclusión, se identifican 4 tareas para el control en lazo cerrado de la velocidad: 1. Obtener la frecuencia conmutación a partir de las lecturas de los sensores Hall. 2. Calcular la velocidad de sincronización en función de la ecuación anterior. 3. Calcular el algoritmo de control PI para determinar la amplitud de la señal PWM. 4. Generar la señal PWM encargada de la modulación del inversor. Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 19

6. Estado de carga de la batería (So. C) Ya que no hay forma directa de medir el So. C, se utilizan tres técnicas para su estimación: 1. Medida del voltaje en circuito abierto (OCV) 2. Cálculo de Coulomb 3. Estado de Salud (So. H) Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 20

6. Estado de carga de la batería (So. C) Variación del voltaje en una celda de litio Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 21

6. Estado de carga de la batería (So. C) • El cálculo consiste en medir a lo largo del tiempo la corriente que entra y sale de nuestra batería, para así obtener la cantidad relativa de energía almacenada. Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 22

6. Estado de carga de la batería (So. C) VOLCADO EN MEMORIA FLASH Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 23

7. Filtrado de señales Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 24

8. Flowchart Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 25

9. Conclusiones • Se ha obtenido la respuesta del motor control PI para diferentes parámetros de diseño Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 26

9. Conclusiones • Se han obtenido las características eléctricas del motor en su rango de operación para 15 A de corriente máxima según las especificaciones del controlador Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 27

10. Futuras mejoras 1. Aumentar la corriente máxima que el controlador puede entregar. 2. Incluir un sistema más complejo de sensores tales como: i. Galgas extensiométricas en los pedales de la bicicleta. ii. Encoders para conocer la posición angular del sistema con precisión. iii. Sensores de corriente en las fases del motor. 3. Desarrollar una aplicación para Android e i. OS que realice las funciones de interfaz del controlador. Diseño y programación de un sistema de control basado en microcontrolador para el motor de una bicicleta eléctrica 28

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