Turbo Trainer Generator: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Gerar eletricidade por pedal sempre me fascinou. Aqui está minha opinião sobre isso.

Etapa 1: argumento de venda exclusivo

Estou usando um controlador de motor VESC6 e um outrunner 192KV funcionando como um freio regenerativo. Isso é bastante único no que diz respeito aos geradores de pedal, mas há uma outra parte neste projeto que eu acho que é nova.

Ao pedalar na estrada, você tem inércia e isso mantém a rotação dos pedais muito constante durante uma revolução. Os treinadores turbo têm muito pouca inércia, por isso, ao empurrar os pedais, o volante acelera / desacelera rapidamente, o que não parece natural. Volantes são empregados na tentativa de atenuar essas flutuações de velocidade. Os treinadores de bicicletas estacionárias pesam uma tonelada por esse motivo.

Eu pensei em uma solução alternativa para este problema. O controlador do motor está configurado para girar o outrunner no “modo de velocidade constante”. O Arduino se conecta ao VESC6 via UART e lê a corrente do motor (que é diretamente proporcional ao torque da roda). O Arduino ajusta o ponto de ajuste de RPM do motor gradualmente para simular a inércia e o arrasto que você experimentaria andando de bicicleta em uma estrada. Ele pode até simular uma roda livre descendo uma colina, operando como um motor para manter a roda girando.

Funciona de forma brilhante, conforme evidenciado pelo gráfico acima, que mostra as RPMs do motor. Parei de pedalar pouco antes de 2105 segundos. Você pode ver que nos próximos 8 segundos a velocidade da roda diminui gradualmente, exatamente como se você parasse de pedalar em uma ligeira inclinação.

Ainda existem variações de velocidade muito pequenas com os movimentos do pedal. Mas isso também é verdadeiro e simulado corretamente.

Etapa 2: Teste de saída de energia

Andar de bicicleta é a maneira mais eficaz de fazer trabalho mecânico. Usei a ferramenta VESC para medir a potência em tempo real. Zerei as leituras antes de pedalar por exatamente 2 minutos. Pedalei a uma intensidade que acho que poderia manter por cerca de 30 minutos.

Após 2 minutos, você pode ver que produzi 6,15 Wh. O que corresponde a uma potência média de 185 W. Acho que é bastante bom, dadas as perdas envolvidas.

Você pode ver as correntes do motor no gráfico acima. Eles são ajustados rapidamente pelo VESC6 para manter uma rotação constante do motor, apesar do torque flutuante exercido pela pedalada.

Quando a pedalada para, o motor começa a consumir uma pequena quantidade de energia para manter a roda girando. Pelo menos até que o Arduino perceba que você não está pedalando e pare o motor completamente. A corrente da bateria parece ser quase zero antes do desligamento, então a energia deve ser de no máximo alguns watts para realmente girar a roda ativamente.

Etapa 3: Olhando para a eficiência

Usar o VESC6 melhora enormemente a eficiência. Ele converte a energia CA do motor em energia CC consideravelmente melhor do que um retificador de ponte completa. Acho que é mais de 95% eficiente.

A unidade de fricção é provavelmente o ponto fraco no que diz respeito à eficiência. Depois de pedalar por 5 minutos, tirei algumas imagens térmicas.

O motor atingiu cerca de 45 graus Celsius em uma sala de 10 graus. O pneu da bicicleta também teria dissipado o calor. Os sistemas acionados por correia superariam este turbo gerador neste aspecto.

Fiz um segundo teste de 10 minutos com média de 180 W. Depois disso, o motor ficou quente demais para tocar por um longo tempo. Provavelmente cerca de 60 graus. E alguns dos parafusos do plástico impresso em 3D foram soltos! Havia também uma fina camada de poeira de borracha vermelha no chão ao redor. Os sistemas de acionamento por fricção são uma merda!

Etapa 4: Simulação de inércia e arrasto

O software é bastante simples e está aqui no GitHub. A função geral é determinada por esta linha:

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

Isso ajusta incrementalmente o próximo ponto de ajuste de RPM (ou seja, nossa velocidade) com base na força simulada exercida. Uma vez que funciona 25 vezes / segundo, está integrando efetivamente a força ao longo do tempo. A força geral é simulada assim:

Force = Pedal_Force - Laminar_Drag - Turbulent_Drag - Gradient_Force

A resistência ao rolamento está essencialmente incluída no termo gradiente.

Etapa 5: alguns outros pontos enfadonhos

Tive que ajustar os parâmetros de controle de velocidade PID do VESC para obter melhores retenções de RPM. Isso foi bastante fácil.

Etapa 6: O que eu aprendi

Eu aprendi que os mecanismos de acionamento de fricção são uma merda. Depois de apenas 20 minutos de bicicleta, posso ver o desgaste dos pneus e poeira de borracha. Eles também são ineficientes. O resto do sistema funciona como um sonho. Eu acho que um gerador acionado por correia poderia obter uma eficiência extra de 10-20%, especialmente com RPMs mais altos. RPMs mais altos reduziriam as correntes do motor e produziriam tensões mais altas, o que eu acho que melhoraria a eficiência neste caso.

Não tenho espaço suficiente em minha casa para configurar um atm com sistema acionado por correia.