Давно хотел написать что-нибудь для Хабра и вот это время пришло.
Contents
Предисловие
Сразу скажу, что к электровелосипедам статья отношения не имеет и наоборот, в рядах велосипедистов в основном противники использования электротяги для велоспорта. Разрешается преобразовывать мускульную энергию в электрическую только с помощью динамо-машины и других устройств.
Начнем с велосипеда. В 2017 году, вот уже несколько лет, у меня была идея построить титановый туристический велосипед на планетарной втулке Rohloff с шоссейным рулем «таран». Этот рукав используется довольно многими туристами уже более 30 лет, и его конструкция практически не изменилась. Он имеет 14 передач, все обслуживание заключается в замене масла два раза в сезон, которая выполняется примерно за 10 минут. Ram – лично для меня это необходимость в дальних поездках, т.к. еще планировалось использование патентов (пробеги 200, 300, 400, 600, 1200…км за раз) и очень важно иметь свободу сцепления в дальних поездках. Титан? В общем так и получилось, выбирал много вариантов типа карбон, сталь, люмин. В общем, просто так Рохлофф на велосипед не поставишь, а рама моего размера в какой-то момент появилась в продаже по доступной цене и была тут же куплена. Потом были найдены гильзы, все остальное куплено, и вот велосипед
Сразу большой минус – это переключение передач. Делается это с помощью грифтшифта (твист) и двух прочных тросов, проходящих через весь велосипед, дико мешающих спереди, неудобного расположения переключателей и т.д. Для “барана” оригинальные переключатели не разработаны, есть только сторонние решения (не очень удачные). А так как я инженер с мамой, то я и решил создать этот проект.
Часть 1. Общая схема
-
Динамо-втулка SonDelux (обозначение DH). Пожалуй лучшая розетка на рынке. Выдает переменное напряжение номиналом 6В и 0,5А. Но есть два нюанса:
-
Напряжение холостого хода пропорционально скорости мотоцикла и при 80 км/ч будет больше 120 В, это нужно учитывать
-
Ток не синусоидальный, а импульсный до 3 А пик, разный в зависимости от рабочей точки генератора – ступичной динамо-машины
-
-
Втулочный динамо-преобразователь переменного напряжения в постоянное, пригодный для питания устройств, выполнен в виде зарядки литий-ионного аккумулятора 2S 21700. Используемое напряжение подается непосредственно от аккумулятора через драйвер BMS.
-
Налобный фонарь Fenixbtr20 – на момент покупки аналогов не было, питается напрямую от аккумулятора. Поменял в нем диод на новый шестивольтовый XHP50B-00-0000-0D0BJ40E5 и впаял один из токовых шунтов для уменьшения тока – мощность та же.
-
главный контролер. Питание напрямую от аккумулятора. Подключается к переключателям Shimano Di2 (точнее к кнопкам) по одножильному коаксиальному проводу. Расположение кнопок выполнено по топологии DAC R2R: проводные кнопки идут на две кнопки вместо трех, и распознается любая комбинация нажатий на эти кнопки. Выход на коммутатор также идет по одножильному коаксиальному проводу, передающему сигнал 1Wire по силовой линии.
-
Переключатель выполнен в 3D-печати и использует мотор-редуктор, купленный на Али.
-
Задний свет. Питание от линии с выключателем для удобства. Питание развязано катушкой индуктивности, чтобы не подавлять сигнал мощностью 1 Вт.
Для этого есть два основных требования:
-
проводка должна быть простой и надежной, долго находиться на солнце, быть устойчивой к камням, деревьям, трению и т. д. Поэтому был выбран тефлоновый коаксиальный провод и все сделано по принципу 1-wire.
-
все должно быть предельно просто, переключатель должен быть съемным, легко настраиваемым и, главное, все должно быть водонепроницаемым
Часть 2. Динамо-втулка и его мощность
Эпопея с зарядкой от динамо-розеток длилась у меня более 7 лет. Было много вариаций. Изначально я хотел использовать его как зарядное устройство с выходом USB. На рынке есть такие решения, но основные проблемы — это низкий КПД, проблемы с высокой скоростью и плохая водонепроницаемость. Года три назад появилась микросхема импульсного зарядного устройства с напряжением питания 9…24 В. И наиболее надежным оказался вариант с постоянной зарядкой аккумулятора 2С 21700 и использованием его энергии.
При этом был использован опыт по повышению КПД и защите преобразователя от высокого напряжения.
Ко входам Вин1 и Вин2 подключается втулка. Далее идет полусинхронный мостовой выпрямитель, у которого верхние плечи выполнены на диодах Шоттки, нижние на полевых транзисторах с топологией идеальный диод при напряжении питания выше 6В. Все сделано для максимальной эффективности и надежной работы. Все сделано на элементах 100В, есть дополнительный супрессор VD5 45В для защиты выпрямителя от перенапряжений.
На транзисторе Q2 организовано напряжение питания зарядной микросхемы SY6912, R3 и C1 нужны для отвода тока от втулки динамо при закрытом Q2.
Q3 работает как ограничитель обратного тока, чтобы уменьшить потребление батареи при отсутствии тока. Потом сама нагрузка, схема берется из техпаспорта на микросхему.
Корпус герметичный склеенный с запаянным четырехвыводным разъемом (было всего пять, так что – пять) с Али. При длительной эксплуатации лучше всего дополнительно смазать литиевой смазкой для защиты от окисления.
Часть 3. Электронное переключение передач
Выше я указал, что все должно быть просто, водонепроницаемо и на одножильных тефлоновых коаксиальных проводах. С преобразованием R2R DAC общая картина совершенно ясна. Топология стандартная, хотя используется на изломе вместо подтягивания вверх-вниз. В итоге имеем четыре состояния на входе АЦП: 100% при открытых кнопках, 66% при нажатии первой кнопки, 50% при нажатии второй, 33% при нажатии обеих. Резисторы были припаяны последовательно внутри грипс Shimano Di2 ST7950 непосредственно к ручкам, затем к основному контроллеру были выведены два провода.
C “1Wire over Power line” немного сложнее. Не скажу, что это честно и можно использовать в других проектах. Наоборот, сейчас я бы использовал «RS485 по линии электропередач», потому что он более универсальный и более документированный. Такой же интерфейс я сделал сам и для себя, и в данном случае его использование вполне допустимо. Итак, схема:
Преобразователь основан на триггерном генераторе Schmidt SN74LVC2G14 D2B и буфере SN74LVC1G126 D1 с тремя выходными состояниями. При RX=0 на входе схема генерирует меандр с частотой около 2 МГц – доминирующее состояние линии, при RX=1 – генерации нет. Схема стабильно работает для 3-4 устройств на линии до 2 метров, но
так как линия оказалась непоследовательной, ее использование очень ограничено.
Главный контроллер находится под фарой — небольшая плата
плата залита лаком, обмотана термоусадкой с термосоплями внутри, и для надежности закреплена к тормозному тросу изолентой.
Та же плата используется для привода двигателя с немного другими разъемами:
Для снятия колеса в случае пробития и для удобства другого обслуживания предусмотрен водонепроницаемый разъем, а также возможность простого снятия переключателя с колеса.
Двигатель выбран из есть на али. Помимо мотора вам также понадобится подшипник 6705 и шайба к ней, которую я вырезал из консервной банки.
Важным условием для мотора является наличие датчика обратной связи, в данном случае трех датчиков Холла, и редуктора, способного отдавать 0,6 (а лучше 1) Нм.
Для передачи крутящего момента на механизм переключения в гнезде сконструирована коническая косозубая шестерня. Я сделал это в FreeCAD. Пластиковая версия была напечатана первой.
Но через несколько месяцев сломалась большая шестерня, а примерно через год и первая:
К счастью, у JLCPCB есть возможность печатать металлом, что она и сделала. И все это стоит 16 долларов + доставка.
При включении переключатель калибруется по упору в крайнее положение, затем работает в штатном режиме.
Предусмотрен и режим низкого потребления, основное потребление теперь приходится на датчики Холла. Небольшое рабочее видео.
Исходные коды представлены в необработанном виде как есть. Это далеко не внешний вид продукта, а для повторной реализации требуются базовые знания в области программирования и схемотехники. Мне даже стыдно смотреть на программы, написанные почти 4 года назад, но в целом все работает и ничего менять не собираюсь.
На данный момент в таком виде (включая пластиковые шестерни) я уже проехал на ней более 13000 км.
Кстати, рама окрашена в этот цвет методом анодного электроокисления с использованием источника питания, ваты и уксуса. Напряжение для цвета 78 В (Осторожно!). Хотя цвет планировался немного другой, но и это тоже хорошо.
Происхождение проекта:
