Este circuito de E-bike ou bicicleta elétrica explicado abaixo pode ser usado como circuito de controle para construir uma E-bike caseira, com a ajuda de um motor DC de ímã permanente (motor PMDC) e uma bateria Li-Ion.
Uma bicicleta elétrica é basicamente uma bicicleta alimentada por um motor e uma bateria, que não requer pedaladas manuais para operar a bicicleta. Em algumas bicicletas também é fornecida uma assistência manual ao pedal.
Neste post, não discutiremos todo o mecanismo de roda da E-bike, mas apenas aprenderemos como construir o circuito de controle do motor e um mecanismo de acelerador de pressão de dedo.
Toda a ideia foi desenhada por mim, com perfeita compreensão e simulação cerebral. No entanto, o projeto final precisará ser testado praticamente para confirmar o bom funcionamento do circuito de bicicleta E.
A ideia é realmente pouco convencional, já que esta E-bike deve operar sem qualquer assistência no pedal. Em vez disso, a bicicleta dependerá inteiramente da energia da bateria. A bateria pode ser carregada externamente através de uma unidade de carregador de bateria adequada e energia da rede.
Trabalho Básico
O projeto E-bike basicamente inclui dois elementos, um circuito controlador de motor PWM e um circuito de acelerador ou acelerador operado por pressão de dedo. Mais informações sobre os detalhes básicos de funcionamento do sistema são fornecidas abaixo:
- Um circuito controlador de motor PWM que responde a um sinal externo e varia proporcionalmente a velocidade do motor através de uma saída PWM correspondentemente variável.
- Uma unidade aceleradora de prensa de dedo, consiste em um LED e um LDR, dispostos um ao lado do outro. A luz do LED é direcionada em um eixo e é refletida de volta para o LED. A quantidade de luz refletida do eixo é determinada pela proximidade do eixo em direção ao módulo LED/LDR, que por sua vez é determinada por quanto o eixo é pressionado em direção ao arranjo LED/LDR.
- A pressão do eixo é implementada pressionando um botão anexado, pelo piloto.
- À medida que o botão é pressionado mais profundamente, o eixo conectado se aproxima do módulo LED/LDR, causando uma maior quantidade de luz refletida no LED.
- À medida que a luz no LDR aumenta, a resistência do LDR diminui e essa informação é convertida em um sinal que faz com que a largura do PWM do controlador PWM aumente.
- O aumento na largura do PWM faz com que a velocidade e o torque do motor da E-bike aumentem, o que, por sua vez, faz com que a velocidade da E-bike acelere.
- Quando o botão do acelerador é pressionado lentamente, a resposta oposta é alcançada, o que faz com que a largura do PWM diminua e uma subsequente redução na aceleração da velocidade da E-bike.
Acelerador de pressão de dedo (acelerador)
A função do acelerador de pressão de dedo é fornecer ao motociclista uma facilidade através da qual ele ou ela pode aumentar ou diminuir a velocidade do motor da E-Bike por meio de um acionamento ou liberação correspondente do botão do acelerador.
Conforme explicado acima, o funcionamento da unidade do acelerador pressionado com o dedo pode ser entendido através dos seguintes pontos e consultando os dois diagramas a seguir.
Como pode ser visto nos diagramas acima, o acelerador de dedo para a E-Bike consiste em um eixo acionado por mola, que é conectado mecanicamente a um botão de pressão.
Também podemos ver um arranjo de LED/LDR fixado paralelamente ao eixo acionado por mola, de modo que a luz do LED possa incidir na superfície interna do eixo e ser refletida em direção ao LED. A quantidade de luz que pode ser refletida depende da proximidade do eixo em direção à configuração LED/LDR.
Devido à tensão da mola, o eixo empurra o botão para fora. Quando o botão de pressão é pressionado com o dedo, ele empurra o eixo para dentro fazendo com que ele se aproxime do módulo LED/LDR.
À medida que o eixo é empurrado com mais força, o eixo se aproxima do conjunto LED/LDR, fazendo com que uma quantidade proporcionalmente maior de luz seja refletida do LED para o LDR.
Isso faz com que a resistência do LDR diminua. Agora, se a pressão no botão for afrouxada, o eixo se afasta do conjunto LED/LDR, fazendo com que uma quantidade proporcionalmente menor de luz seja refletida em direção ao LDR. A resistência LDR agora aumenta.
O aumento e diminuição acima no valor da resistência LDR são enviados para um circuito controlador PWM.
Aqui, a resistência variável do LDR é apropriadamente convertida em um sinal que faz com que o circuito PWM gere uma saída de sinal PWM correspondentemente variável.
Circuito Controlador PWM
A função do circuito do controlador PWM é detectar a resistência variável do LDR e convertê-la em uma saída PWM correspondentemente variável. A saída PWM é então alimentada ao motor da E-bike para alcançar o controle de velocidade necessário.
O circuito é construído em torno de um par de IC 555, conforme mostrado na figura a seguir.
O funcionamento do circuito controlador PWM do motor pode ser entendido com os seguintes pontos.
IC1 é configurado como um simples circuito multivibrador astável 555 que gera uma saída de onda retangular de 80 Hz em seu pino 3.
Esta frequência de 80 Hz é enviada para o pino 2 do IC2 que é outro IC 555 configurado como gerador PWM.
A frequência de 80 Hz é primeiro convertida em onda triangular de 80 Hz com a ajuda de um integrador RC construído em torno de R4/C3 via T1.
Esta onda triangular é alimentada ao pino 6 e ao pino 7 do IC2, que é posteriormente comparado com a tensão no pino 5 do IC2 para gerar os PWMs correspondentes no pino 3.
Assim, dependendo do nível de potencial no pino 5, o pulso de saída no pino 3 do IC2 pode variar de PWMs mais finos a mais largos e vice-versa.
O potencial no pino 5 do IC2 é determinado pela tensão do emissor de T2.
T2 sendo configurado como um seguidor de emissor, produz uma tensão de emissor perfeitamente equivalente e em sincronia com sua tensão de base.
A tensão de base de T2 é determinada pela resistência do LDR, que por sua vez é determinada pela iluminação refletida da lâmpada LED adjacente.
Como a luz do LED é refletida no LDR já foi explicado anteriormente, nos parágrafos do “acelerador de pressão do dedo”.
Portanto, como explicado anteriormente, quando o eixo dentro da unidade do acelerador do finger press é empurrado para mais perto do conjunto LED/LDR, a luz no LDR diminui, causando maior quantidade de diferença de potencial a ser gerada na base de T2.
T2 sendo configurado como seguidor de emissor, faz com que este potencial crescente seja enviado para o pino 5 do IC2.
IC2 agora traduz o mesmo em um PWM crescente em seu pino 3.
Ocorre exatamente o contrário, ou seja, a redução do PWM ocorre quando o eixo do acelerador é liberado lentamente, devido à diminuição da iluminação no LDR.
Como implementar o circuito de bicicleta elétrica
Implementar o circuito de bicicleta elétrica proposto é apenas conectar o motor controlado por PWM às rodas traseiras de uma bicicleta.
A bicicleta pode ter um pedal assistido, no entanto, ao contrário das E-bikes convencionais, aqui a pedalada não é usada para iniciar o circuito PWM.
O controlador do motor PWM pode ser iniciado simplesmente pressionando o botão do acelerador.
No entanto, se a bicicleta não for iniciada pela primeira vez através de pedaladas manuais, pode causar muita tensão no motor e na bateria, e o motor pode não conseguir empurrar a bicicleta para a frente.
Portanto, é necessário gerar alguma energia cinética inicial na bicicleta através da pedalada e só então acionar o acelerador, para que o motor possa auxiliar ainda mais o ciclista, permitindo que a pedalada fique mais fácil.
Especificações do motor
O motor sugerido para o projeto de E-bike acima é um motor DC de ímã permanente de 24 V e 250 watts (PMDC), conforme mostrado abaixo:
Uma caixa de engrenagens anexada não é necessária para a aplicação proposta, pois o circuito é baseado em PWM e a inicialização do motor será suave e lenta, em vez de rápida e abrupta.
Usando o resistor de força para o controlador de aceleração
Para a unidade do acelerador de prensa de dedo, se você achar a mecânica de montagem do LED/LDR um pouco complicada, poderá substituí-la facilmente por um resistor de detecção de força para obter os mesmos resultados com maior eficiência e de maneira mais compacta. O projeto modificado pode ser testemunhado no diagrama a seguir.
Quando a pressão é aplicada no resistor de detecção de força através da pressão do dedo, a resistência do resistor de detecção de força cai de forma bastante linear, o que é traduzido em PWMs com largura crescente. Assim, o motor ganha velocidade e aceleração.
Quando o dedo é liberado, a pressão é retirada do resistor de detecção de força, fazendo com que os PWMs fiquem mais estreitos. A velocidade e aceleração do motor da E-bike agora diminui proporcionalmente.
Como o resistor de detecção de força pode ser bastante sensível a mudanças de pressão, é recomendável usar uma almofada de borracha grossa sobre o resistor, para atenuar um pouco a resposta.
Especificações da bateria
A bateria recomendada para o circuito de E-bike acima é uma bateria de íons de lítio de 24 V 10 Ah. Uma bateria de 15 Ah pode ser ainda melhor do que uma bateria de 10 Ah. O exemplo da bateria pode ser visto na imagem a seguir.
A tensão da bateria precisará ser monitorada através de um circuito indicador de bateria fraca, ou através de um voltímetro digital ou ambos.
Quando a voltagem da bateria estiver abaixo de 22 , ela deve ser removida da E-bike e carregada em casa por meio de um carregador de íon de lítio com classificação adequada.
Isso conclui os detalhes de construção do nosso circuito controlador simples de E-bike.
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