Generatore Turbo Trainer: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Generare elettricità a pedali mi ha sempre affascinato. Ecco la mia opinione su di esso.

Passaggio 1: punto di vendita unico

Sto usando un controller motore VESC6 e un outrunner 192KV che funziona come freno rigenerativo. Questo è abbastanza unico per quanto riguarda i generatori di pedali, ma c'è un'ulteriore parte di questo progetto che penso sia nuova.

Quando si pedala su strada si ha inerzia e questo mantiene la rotazione dei pedali molto costante durante una rivoluzione. I trainer turbo hanno pochissima inerzia, quindi quando si spingono sui pedali la ruota accelera/decelera rapidamente e questo sembra innaturale. I volani sono impiegati nel tentativo di appianare queste fluttuazioni di velocità. Per questo motivo i trainer per cyclette pesano una tonnellata.

Ho pensato a una soluzione alternativa a questo problema. Il controller del motore è configurato per far girare l'outrunner in "modalità a velocità costante". L'Arduino si collega al VESC6 tramite UART e legge la corrente del motore (che è direttamente proporzionale alla coppia della ruota). L'Arduino regola gradualmente il setpoint del motore RPM per simulare l'inerzia e il trascinamento che sperimenteresti pedalando su una strada. Può persino simulare la corsa a ruota libera in discesa funzionando come un motore per mantenere la ruota in rotazione.

Funziona egregiamente come evidenziato dal grafico sopra che mostra i giri del motore. Ho smesso di pedalare poco prima dei 2105 secondi. Puoi vedere nei prossimi 8 secondi, la velocità della ruota diminuisce gradualmente proprio come se smettessi di pedalare su una leggera pendenza.

Ci sono ancora lievissime variazioni di velocità con i colpi di pedale. Ma questo è anche vero e simulato correttamente.

Passaggio 2: test della potenza in uscita

La bicicletta è il modo più efficace per eseguire lavori meccanici. Ho usato lo strumento VESC per misurare la potenza in tempo reale. Ho azzerato le letture prima di pedalare per esattamente 2 minuti. Ho pedalato ad un'intensità che credo avrei potuto mantenere per circa 30 minuti.

Dopo 2 minuti puoi vedere che ho prodotto 6,15 Wh. Che corrisponde a una potenza media di 185 W. Penso che sia abbastanza buono date le perdite coinvolte.

Puoi vedere le correnti del motore nel grafico sopra. Sono rapidamente regolati dal VESC6 per mantenere un regime motore costante nonostante la coppia fluttuante esercitata dalla pedalata.

Quando la pedalata si ferma, il motore inizia a consumare una piccola quantità di energia per mantenere la ruota in rotazione. Almeno fino a quando Arduino non si accorge che non stai pedalando e ferma del tutto il motore. La corrente della batteria sembra essere quasi zero appena prima dello spegnimento, quindi la potenza deve essere al massimo di un paio di watt per far girare effettivamente la ruota.

Passaggio 3: guardare all'efficienza

L'uso del VESC6 migliora enormemente l'efficienza. Converte la corrente alternata del motore in corrente continua notevolmente meglio di un raddrizzatore a ponte intero. Penso che sia efficiente oltre il 95%.

La trasmissione a frizione è probabilmente il punto debole per quanto riguarda l'efficienza. Dopo aver pedalato per 5 minuti ho scattato alcune immagini termiche.

Il motore è arrivato a circa 45 gradi Celsius in una stanza di 10 gradi. Anche la gomma della bici avrebbe dissipato il calore. I sistemi con trasmissione a cinghia supererebbero questo turbogeneratore in questo senso.

Ho fatto un secondo test di 10 minuti con una media di 180 W. Dopodiché il motore era troppo caldo per essere toccato per molto tempo. Probabilmente circa 60 gradi. E alcuni dei bulloni attraverso la plastica stampata in 3D sono stati allentati! C'era anche una sottile pellicola di polvere di gomma rossa sul pavimento circostante. I sistemi di trasmissione a frizione fanno schifo!

Passaggio 4: simulazione dell'inerzia e del trascinamento

Il software è abbastanza semplice ed è qui su GitHub. La funzione complessiva è determinata da questa riga:

RPM = RPM + (a*Motor_Current - b*RPM - c*RPM*RPM - GRADIENTE);

Questo regola in modo incrementale il successivo setpoint RPM (cioè la nostra velocità) in base alla forza simulata esercitata. Poiché viene eseguito 25 volte al secondo, integra efficacemente la forza nel tempo. La forza complessiva è simulata come segue:

Force = Pedal_Force - Laminar_Drag - Turbulent_Drag - Gradient_Force

La resistenza al rotolamento è essenzialmente inclusa nel termine gradiente.

Passaggio 5: alcuni altri punti noiosi

Ho dovuto regolare i parametri di controllo della velocità PID del VESC per ottenere una migliore tenuta degli RPM. È stato abbastanza facile.

Passaggio 6: cosa ho imparato

Ho imparato che i meccanismi di azionamento dell'attrito fanno schifo. Dopo soli 20 minuti di pedalata posso vedere l'usura dei pneumatici e la polvere di gomma visibili. Sono anche inefficienti. Il resto del sistema funziona come un sogno. Ritengo che un generatore con trasmissione a cinghia potrebbe ottenere un'efficienza extra del 10-20%, specialmente con RPM più elevati. RPM più alti ridurrebbero le correnti del motore e produrrebbero tensioni più elevate che penso migliorerebbero l'efficienza in questo caso.

Non ho abbastanza spazio in casa per installare un sistema di trasmissione a cinghia atm.