Bici elettrica con arduino (controller pwm)

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Ciao, da un pò di tempo stavo pensando di trasformare una vecchia mountain bike in una bici elettrica, qualcosa senza troppe pretese.
Inizialmente ho pensato al sistema a pedalata assistita ma dopo un pò ho scartato l'idea perchè sicuramente è un progetto molto ambizioso e complesso sopratutto per quanto riguarda la parte meccanica.

Alla fine sono arrivato alla conclusione di voler realizzare una bici che ha come unica sorgente di moto un motore elettrico, quindi via i pedali !

In pratica dovrà assomigliare più ad uno sccoter elettrico che ad una bici, nel senso che se finisce la carica delle batterie non ci sono i pedali che ti riportano a casa ]:D.

So che questo approccio non è corretto in termini di legge per quanto riguarda la circolazione stradale visto che le uniche bici elettriche che possono circolare sono a pedalata assistita con un limite di velocità di 25 Km/h, ma questo non mi preoccupa visto che la usero solo in strade private per lo più come "esperimento" di fattibilità.

Arrivando al sodo vorrei muovermi in questa direzione:

  • smontare i pedali
  • montare un motore elettrico adatto allo scopo collegato con una catena ad una delle corone anteriori (la mountain bike ha sia le marce anteriori che posteriori, quindi più corone)
  • realizzare mediante arduino e opportuni componenti un circuito per regolare l'accelerazione
  • montare 2/3 batterie al piombo da 10Ah 12V

Questi credo siano i passi iniziali, poi ovviamente una volta provata la fattibilità del progetto (leggasi la bici si muove con una persona a bordo :sweat_smile:) si può passare a complicare le cose con arduino con funzioni tipo:

  • controllo temperatura motore
  • contachilometri
  • tachimetro
  • autonomia residua
  • accensione automatica fari quando è sera
  • chi più ne ha più ne metta... XD

Per quanto riguarda il motore inizialmente avevo pensato di recuperarlo da una vecchia lavatrice ma studiando un pò le caratteristiche dei motori per lavatrici mi sono reso subito conto che tranne rari casi non sono per niente adatti allo scopo, parliamo di motori grandi, pesanti, con un numero di giri tra 9000-13000 :astonished:, potenza da 800W fino a 1200W, insomma niente di rassicurante !

Allora ho pensato: se già esistono scooter elettrici perchè non usare un motore creato apposta per questo scopo, cercando ho trovato questo:
http://www.ebay.it/itm/motore-elettrico-scooter-bici-da-300-w-36-v-cc-/120865187704?pt=Ricambi_e_Accessori_Scooter&hash=item1c24206778
Piccolo, leggero, 300W di potenza, alimentazione 24/32V (a seconda dei modelli), corona sull'asse già montata (credo compatibile con le catene da bici), 2750 giri e fori di fissaggio già presenti, tra l'altro ad un prezzo molto basso.

Qui altri modelli simili:

Gli scooter che equipaggiano questo motore sono come questi:
http://www.dtmsas.com/shop2008bis/catalog/product_info.php?products_id=376&osCsid=85993e565419a39dab1cd30f4a8f07b0

Quindi credo che come motore potrebbe andare, per quanto riguarda arduino la prima cosa da fare, direi la più importante, è realizzare un circuito per la regolazione dell'accelerazione.

Premetto che di circuiti di potenza non me ne intendo, la mia intenzione è quella di pilotare la corrende da fornire al motore con dei mosfet di potenza mediante controllo del gate attraverso un segnale pwm generato da arduino in base alla "lettura" di un acceleratore, che potrebbe essere anche un potenziometro o simili.

Questo a grandi linee, ora scatenatevi con suggerimenti, consigli, insulti, prese per il c**o, ecc.. :grin:

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2560 RPM sono 2560 giri al minuto... ti servirà un motoriduttore.
è fattibile la cosa, GBM in casa ha qualche bici elettrica che si è fatto da sè, sicuramente lui saprà consigliarti meglio.
la parte più costosa credo che sarà proprio la parte meccanica (motoriduttore e montaggio di motore+motoriduttore) e il pacco batterie

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Si in effetti la prima cosa da fare è verificare montando il motore direttamente su uno dei pignoni anteriori quale sia il rapporto e quindi i giri ottenibili alla massima velocità di rotazione del motore, in pratica devo contare quanti denti hanno i pignoni della bici e vedere se ottengo un buon rapporto, altrimenti devo pensare ad un motoriduttore.

Più tardi vado a controllare questa vecchia bici e mi faccio due conti, poi propongo i risultati e tiriamo le conclusioni insieme.

Grazie

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considera che quelli sono i giri a vuoto, dovrebbero esserci le tabelle nel datasheet di reali RPM in base alla spinta generata

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Allora il motore in questione dovrebbe essere questo:

Come si vede dal video sembra abbastanza potente, ora cerco il datasheet per avere informazioni più tecniche a riguardo.

inoltre ho dato uno sguardo alla vecchia bici e ci sono un pò di cose da fare:

  • cambio copertoni
  • cambio pasticche freni
  • cambio rinvii in acciaio
  • registrare il cambio

non so se mi conviene ripararla oppure prenderne una nuova, devo vedere quanto mi costano le riparazioni.

Ho contato i denti dei pignoni anteriori e posteriori:

Anteriori:
48 - 40 - 32 - 26

Posteriori:
28 - 24 - 20 - 17 - 14

Il mio intento e collegare con una catena il pignone del motore, che ha 11 denti, direttamente ad un pignone anteriore, credo quello con più denti.

Ora cerco il datasheet del motore e ne riparliamo dopo...

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Ho trovato un altro paio di video che propongono soluzioni diverse per l'installazione del motore

A trazione posteriore con motore collegato direttamente ad un pignona posteriore:

A trazione anteriore:

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Allora non ho trovato un vero e proprio datasheet, ma credo che le seguenti informazioni possano bastare:

Model No : MY1016

Voltage/V 24V/36V
Rated Power/W 250W
No-load Current/A ?1.6/1.2
No-load Speed/RPM 3350
Rated Torque/N•m 0.90
Rated Speed/RPM 2650
Rated Current/A ?13.4/8.9
Eff./% ?78

Come giri non a vuoto stiamo sui 2650 con un assorbimento che va dai 8.9 a 13.4 A .

Ora dopo aver visto i video il dilemma che mi assale è come monto il motore, al posto dei pedali, sulla ruota anteriore oppure dirrettamente sulla ruota posteriore ?

Forse se non voglio toccare la parte relativa ai pedali e al cambio mi conviene montarlo sulla ruota anteriore, ma sinceramente è proprio brutto da vedere...

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Ho fatto 2 conti, per favore date un occhiata ai calcoli e ditemi se ci sono errori, grazie.

Con questa configurazione:

  • motore(11 denti) montato al centro della bici, collegato con una catena alla corona più grande (48 denti)
  • con un altra catena collego la corona più piccola(26 denti) al pignone posteriore più grande(28 denti)

Il rapporto tra il pignone del motore(11) e la corona(48) dovrebbe essere 1:0,23, cioè ad ogni giro del motore corrispondono 0,23 giri della corona.
Quindi se il motore al massimo dei giri, considerato il carico, va a 2650RPM la corona dovrebbe fare 610RPM.

Calcolando lo sviluppo che ottengo con una pedalata, cioè quanti metri faccio con una pedalata, ossia un giro della corona corona(48 denti) collegata al motore, considerando la circonferenza della ruota (26" di diametro corrispondono ad una circonferenza di 207,24cm):

ottengo 192cm/pedalata ossia 1,92m/pedalata, ora se faccio 610 pedalate al minuto (610RPM) ottengo una distanza di 1171,2m/minuto ossia una velocità massima approsimata di 70Km/h :sweat_smile:

Ora questi sono calcoli eseguiti con rapporti fissi, considerando che con questa configurazione posso variare solo le marce posteriori ottengo con la marcia più corta (pignone da 28 denti) una velocità minima al massimo dei giri motore(2650RPM) di 70Km/h.
Invece con la marcia più lunga (pignone da 14 denti) ottengo una velocità massima al massimo dei giri motore(2650RPM) di, udite udite, 141Km/h. :fearful: :fearful:

Ovviamente sono solo calcoli teorici, considerando che il motore vada a 2650RPM, più vicino alla realtà credo che il motore faccia meno giri e che forse la corona da 48 denti che mi assicura un rapporto 1:0,23 sia troppo piccola per garantire una coppia decente, ora vedo se trovo una corona con più denti e rifaccio qualche calcolo...

Spero di non aver scritto una marea di s*******e XD

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un'alternativa per lasciare la bici intatta è usare il motore in 'appoggio' sulla gomma della ruota. in questo modo puoi fare un inserimento/disinserimento meccanico, con una molla che lo tiene spinto sulla gomma.

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un'alternativa per lasciare la bici intatta è usare il motore in 'appoggio' sulla gomma della ruota. in questo modo puoi fare un inserimento/disinserimento meccanico, con una molla che lo tiene spinto sulla gomma.

Si è un alternativa ma non mi piace proprio come soluzione, preferisco un collegamento con la catena e pignone.

Ho fatto altri due calcoli per trovare un buon compromesso tra i rapporti e sono giunto a conclusione che con una corona da 53 denti collegata al motore e un altra corona da 22 denti collegata ad un pignone da 36 denti si ottiene una velocità minima con il massimo dei giri motore di 42 Km/h, direi accettabile.

Ciò significa che devo cambiare sia le corone che il pacco pignoni della mia bici perchè non dispone di questi rapporti è a questo punto diventa sconveniente, magari vedo se trovo qualchè bici nuova economica con questi rapporti, oppure devo cambiare strada...

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ulver85:
Alla fine sono arrivato alla conclusione di voler realizzare una bici che ha come unica sorgente di moto un motore elettrico, quindi via i pedali !

Giusto per tua informazione, la direttiva Europea 2002/24/CE (articolo 1, punto h), recepita in Italia con decreto del 31 gennaio 2003 del Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti, stabilisce quanto segue:

Potenza massima continua del motore elettrico: 250 Watt
Alimentazione del motore progressivamente ridotta e quindi interrotta al raggiungimento dei 25 km/h
Alimentazione del motore interrotta prima dei 25 km/h se il ciclista smette di pedalare

Se la bicicletta risponde a questi requisiti, e parliamo di pedalata assistita, non è necessaria nessuna omologazione, in caso contrario deve essere omologata e immatricolata.
Quanto sopra significa che se ti fermano con una bicicletta elettrica che non soddisfa i requisiti oltre al sequestro c'è una pesante sanzione pecuniaria.

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@astro:
ma lui ha specificato di usare la bici in area privata quindi non è soggetto ai limiti di legge per la circolazione su strade aperte al pubblico.

Detto questo, scordati quelle velocità!
Aumentando la moltiplica e diminuendo il pignone aumenti in modo considerevole la forza necessaria per una semplice questione di rapporto di coppia. Se la bici ha un rapporto fisso con moltiplica del 48 e pignone del 14, partirai così lentamente che a 20 Km/h il tuo motore ti avrà già svuotato la batteria :stuck_out_tongue:

Devi o calcolarti un rapporto che sia un buon compromesso fra velocità e accelerazione oppure conservarti almeno la possibilità di cambiare rapporto tenendo al pignone dietro più corone dentate.

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scusa, ma se parliamo di sperimentazione, e vuoi togliere i pedali, allora attaccati direttamente alla corona e usa il cambio della bici.

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Ma scusate li avete letti gli ultimi post, la mia intenzione è proprio quella di collegare il motore con una catena alla corona da 48 denti, oppure una da 53 che devo comprare, e poi usare un altra catena che collega la corona più piccola 26, con il pignone più grande 28 denti o 36 se compro il pacco pignoni nuovo.

In questo modo ottengo il rapporto che da più coppia e fa sforzare di meno il motore e allo stesso tempo posso usare le marce posteriori.

L'unica alternativa è calcolare un rapporto ottimale e farsi realizzare le corone e i pignoni più adatti.

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Aggiornamento:

Dopo varie ricerche e considerazioni ho deciso di montare il motore esattamente in questo modo:

Cosi non tocco la parte meccanica del cambio, rimanendo il tutto nelle condizioni originali potendo cosi sfruttare anche la pedalata, il lato negativo è che non posso sfruttare le marce attraverso il motore ma non è un problema.
In sintesi la bici parte con qualche pedalata e poi entra in funzione il motore, evitando di partire da fermo direttamente con il motore.

Questa mattina ho comprato dalla germania il motore MY1016 250W, due corone una da 70 denti e l'altra da 76, la catena.

Ora nel frattempo che arrivi tutto e che sistemo la bici dovrei cominciare a pensare al circuito per regolare la velocità.

La mia idea è realizzare un acceleratore con un potenziometro da 10K collegato ad un ingresso analogico di arduino, poi leggendo lo stato del potenziometro regolare con dei segnali pwm la tensione tra gate e source di uno o più mosfet di potenza che erogano cosi la corrente al motore.

Visto che non ho esperienza con circuiti di potenza avrei bisogno di qualche consiglio, come mosfet ho trovato questo, leggendo le caratteristiche sembrano andar bene tenendo presente che il motore ha un assorbimento massimo di 14A è tensione 24V:

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non ne so di mosfet, ma credo che come minimo serva un'aletta per disperdere il calore

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non ne so di mosfet, ma credo che come minimo serva un'aletta per disperdere il calore

bè sicuramente visto che parliamo di potenza assorbita fino a 250w dal motore, infatti pensavo di mettere oltre al dissipatore anche una ventola come quelle del pc, ora faccio delle ricerche ma vorrei se possibile delle conferme da qualcuno che ne sa più di me onde evitare di acquistare materiale sbagliato o far danni :smiley:

D'altronde i mosfet sono semiconduttori pilotati in tensione tipo i bjt che però vengono pilotati in corrente, con i normali transistor bjt ci so lavorare ma di circuiti di potenza e mosfet ne so ben poco...

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Circumnavigando il web alla ricerca di qualche informazione sui circuiti di potenza ho notato che questo argomento è trattato pochissimo, sarà forse per la sua complessità o perchè non interessa molto alla fine ho capito che non è possibile usare mosfet di potenza direttamente con un uscità di un microcontrollore come l'atmega328.

Quindi bisogna utilizzare un circuito mosfet driver, sia esso un ic oppure realizzato con componenti discreti, in pratica il pwm va applicato al mosfet driver che si occupa di fornire la giusta tensione tra gate e source per aprire un canale per il passaggio di corrente e allo stesso tempo si occupa di gestire la grande capacità parassita del mosfet.

Tra l'altro navigando ho trovato un intervento di Astrobeed, credo sia la stessa persona del nostro forum, molto chiaro riguardo questo argomento:

05-01-2007, 07:33 AM
**Utente:**Normalmente puoi collegare il gate del mosfet direttamente al pin del PIC tramite un partitore di tensione e usi direttamente l'onda quadra generata dal pic...

Astrobeed: Mica tanto, stiamo parlando di un mospower e sebbene sia vero che il gate ha un'elevata impedenza è altrettanto vero che la capacità parassita presente ha valori relativamente alti.
Se applichi un'onda quadra al gate di un mospower devi necessariamente poter caricare e scaricare la capacità parassita in tempi molto brevi, quanto dipende dalla frequenza, in modo da evitare di far lavorare il canale in zona lineare con conseguente surriscaldamento del componente e spreco di potenza.
Tipicamente un driver per mospower provvede a fornire i 10-12 volt per aprire il gate, i 5 volt del pic non bastano, e la necessaria corrente per caricare/scaricare la capacità parassita, tale corrente arriva facilmente a valori istantanei di oltre 1A, corrente che nessun micro è in grado di fornire.
Anche se usi dei mospower logical level, cioè che si aprono con 5 volt, se vuoi lavorare con frequenze maggiori di poche centinaia di Hertz è necessario ricorrere ad un adeguato stadio driver per il gate.
Tutti i principali produttori di componenti hanno a catalogo svariati modelli di driver per mos, quale scegliere dipende solo dalle caratteristiche tecniche richieste e dalla loro reperibilità.

Poi all'utente forniva altri consigli tra cui quali mosfet comprare, driver, ecc.

Prendendo spunto dal consiglio di astro ho controllato i datasheet dei componenti consigliati, come mosfet un IRFZ44N, direi che potrebbe andare perchè regge 49A con tensione Vds max di 55V, considerando che la tensione massima del circuito e 24V e che la corrente, anche di spunto, non superera (credo) i 25-30A.

Come driver lui consiglia un TC1428, ma purtroppo l'ho trovato solo SOIC e preferirei un DIP, quindi con caratteristiche simili ho trovato un TC4428AEPA che penso vada bene.

Ora se qualcuno, magari proprio astro, può confermare gentilmente accendiamo la risposta e prendiamo i componenti per sperimentare...

Grazie

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Ho aggiunto un sottotitolo al post, visto che gli argomenti trattati sono diversi e dipendono dalle varie fasi di realizzazione del progetto.

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Oggi ho ricevuto il motore MY1016 da 250W, due corone da 70 e 76 denti e la catena.

Monterò sicuramente la corona da 76 denti che, con il pignone del motore da 11 denti, mi garantisce un buon rapporto di riduzione in modo da avere una buona coppia.

Ora si passa all'acquisto dei componenti elettrici, i principali sono:

  • Mosfet IRFZ44N (49A 55V)
  • Mosfet driver TC4428AEPA

Inoltre ho trovato questo schema da un progetto già realizzato di bici elettrica chiamata EBE, ho linkato un video in prima pagina, la bici in questione monta lo stesso motore da me acquistato e da quanto sembra la stessa corona, inoltre l'autore ha previsto anche un controllo della pedalata(rispettando cosi i termini di legge):

L'unico problema è che lo schema è troppo piccolo per essere letto correttamente, però si capisce che l'autore ha realizzato il mosfet driver con componenti discreti, dei transistor bjt, io preferisco usare un mosfet driver ic, infine ha usato per realizzare il controllo pwm un timer 555, io ovviamente usero arduino.

Qualche consiglio prima di acquistare i componenti sarebbe moooolto gradito :grin:, confido nella vostra esperienza e gentilezza come supporto per realizzare il progetto.

Grazie a tutti