Unidade de Acionamento de E-Bikes Pedelec e Potência sob Demanda - Parte 3/3

Nesta postagem nós trataremos, mais especificamente, da Frenagem Regenerativa, além de, evidentemente, de abordarmos, em maiores detalhes o Sistema Mid-Drive de montagem do motor, que são os assuntos a dar continuidade a partir do ponto onde paramos na postagem anterior.

Contudo, antes de tratarmos de frenagem regenerativa, que é um assunto um pouco mais complicado, convém falarmos, também, simplesmente de frenagem das e-bikes, coisa que nós ainda não abordamos, em detalhe em nenhuma das séries de postagens anteriores.

Quem viu a imagem de um controlador de e-bike que é produzido pela gigante chinesa Focan Eletronic Factory, que foi mostrado na postagem imediatamente anterior, pôde perceber, entre o complexo emaranhado de fios com conectores que saem da caixa dele (pela via dos quais o controlador se conecta às várias partes restantes do sistema elétrico da e-bike) dois conectores que, em especial, estão denominados como "Brake Signal High" e "Brake Signal Low / Reverse"

Pois então, esses conectores são devidos para se ligar ao controlador aquilo que são chamados de E-Bike Brake Sensors (sensores de freio da e-bike), ou seja, nada mais nada menos do que dois interruptores, cada um deles associado a um dos manetes de freio (dianteiro e traseiro) da e-bike. Assim, manetes de freio toda bike tem, mas, manetes de freios com sensores, isso é coisa das e-bikes.

Não obstante, é digno de nota que um equipamento de sinalização luminosa de segurança já vem se popularizando mesmo para bicicletas regulares, sob a denominação do tipo "Lanterna Luz De Freio Seta Buzina 8 Sons Kit Segurança Bike", sendo que o mesmo contém um sensor de acionamento de freio, o qual poderia, sim, ser adaptado para a funcionalidade necessária das e-bikes, contudo, para a devida segurança, é requerido sensores de freio para ambos: traseiro e dianteiro (enquanto tal Kit, embora sendo interessante e barato, só apresenta um único sensor, e que se presta, apenas, para o sistema de acionamento por cabo).

Os sinais providos por tais interruptores servem para informar ao controlador que o ciclista está acionando um (ou ambos) dos manetes de freio. O controlador precisa se informado quando o ciclista aciona algum freio a fim de que ele tome as devidas providencias necessárias. A providência mínima necessária é, simplesmente, o controlador cortar o fluxo de energia para o motor, enquanto algum manete de freio permanecer acionado pelo ciclista.

Acontece que, quando se faz a conversão de uma bicicleta regular para e-bike, os manetes de freio originais existentes nela não permitem, facilmente, a adaptação dos interruptores que servirão como sensores. Não obstante os esforços de alguns que, de fato, conseguem fazer tal adaptação engenhosa sobre os manetes originais, existe no mercado a oferta de conjuntos completos que incluem manetes novos já com os devidos sensores montados no lugar e com toda o cabeamento necessário, adequado para simplificar o retrabalho da conversão bicicleta → e-bike.

Alguns desses conjuntos ofertados podem incluir, inclusive, cabeamento para conexão do acelerador (ou mesmo o próprio elemento acelerador agregado ao conjunto) que é requerido para os casos de e-bikes tipo potência sob demanda, contudo pedelecs não requerem isso e, assim, existem conjuntos específicos para as pedelecs,

Manetes de freio para a substituição com sensores de freio (interruptor para o cortar a alimentação do motor) tipo Hall com conector e cablagem padrão Bafang.

Neste ponto, alguém poderia dizer: Ah, mas quando eu aciono algum freio, eu solto o acelerador (ou paro de pedalar - no caso das pedelecs). Só isso já garante que o controlador irá levar a potência entregue ao motor a zero!

Sim, garantiria, porém, ficando na dependência de que você realmente o faça sempre assim. Todavia, você pode querer burlar esse comportamento (correto), ou mesmo, acidentalmente fazê-lo, de modo que os sensores associados aos manetes de freio são uma real garantia de que você não conseguirá (facilmente) aplicar potência ao motor com algum freio estando acionado.

Além do mais, a resposta do controlador a ativação dos sensores de freio são mais rápidas, gerando uma interrupção total do fluxo de energia mais abruptamente do que simplesmente desacelerando ou deixando de pedalar. Enfim, sensores de freio são para maximizar a segurança da operação.

Ao fazer um retrofit, caso você resolva adquirir um kit de sensor de freios (conjunto completo) você deve ter em mente qual o tipo de sistema de freio que você já tem (se é por cabo ou se é hidráulico) pois os kits diferem quanto a isso. Deve considerar, também, o padrão e a qualidade dos elementos sensores, dos cabos e conectores  (para não chorar depois). Os mais simples e baratos podem incluir, até mesmo, interruptores elétricos bem simples (do tipo push button 1) e conectores que têm, ambos, um baixo índice de proteção, o que pode significar que umidade e sujeira entrarão com o tempo.

Já, os sensores do tipo hall são muito melhores 2 (exite, também, a possibilidade de emprego de sensor do tipo capacitivo, apesar da oferta dele ainda ser rara), pois, seus corpos são selados, com alto índice de proteção, e o imã associado a eles que fica exposto na parte externa são ímãs resistente à ferrugem para uso ao ar livre (ou, ao menos, devem ser). Melhores sensores costumam vir acompanhados de melhores cabos e melhores conectores (em e-bikes, conectores com elevado índice de proteção também são importantes).

Eu, particularmente, não trocaria os manetes (menos ainda se o sistema original for hidráulico) e adaptaria o sensor do tipo hall, simplesmente fixando as partes, externamente, com bons adesivos. As opções são muitas, mas, vejamos algumas imagens:

Acima, á esquerda um manete com sensor de freio tipo Hall com push button 1. Nas demais imagens, um sensor de freio Hall que pode ser utilizado em uma instalação sem a mudança dos manetes de freio.

Ao instalar o sensor de freio do tipo Hall, prender a extremidade do sensor tão perto do manete quanto possível e o imã sobre o manete bem próximo do sensor. Quando a manete de freio é puxado, o imã vai afastar-se do sensor e o controlador é informado que deve cortar potência do motor, quando a manete é liberado e o ímã vem para perto do sensor, o controlador é informado que deve ligar a potência de volta ao motor. É por isso que é melhor que você instale e teste um sensor de cada vez, porque se você tem um segundo sensor ligado, mas não devidamente ajustado em proximidade suficiente para com o imã, o motor será cortado, e você não poderá estar usando o operação do motor para fazer uma instalação fácil e permite-lhe afinar a distância desejada entre o ímã e o sensor.

Quando tiver concluído a instalação e teste do primeiro sensor, em seguida, conecte o segundo sensor e repita. Adesivo 3M adequado é ideal, mas cola quente funciona muito bem para esta aplicação e permite uma melhor instalação ao montar superfície não é plana ou contornos. O sensor e ímã também pode ser instalado no lado inferior da alavanca do travão para um visual mais limpo. Certifique-se de prender o cabo do sensor depois de conectado, para, no caso de ele ser desconectado ele ser impedido de ficar pendurado e enredar-se nos raios da roda dianteira.

Quanto a maneira de ligar o conector deles ao controlador, tenha cuidado, pois, controladores genéricos variam quanto aos sistemas de conectores que eles apresentam (ou seja, não há um padrão), enquanto outros (como a Bafang, por exemplo) utilizam sistemas proprietários de cabeamento e de conectores. Entre os controladores genéricos eu encontrei, basicamente, três versões de forma de conector para os sensores de freio:

• Um único conector apenas, com um par de fios: isso está presente em certos controladores de menor porte, e, em geral, corresponde a uma entrada de sinal digital que é ativa em nível baixo (nível lógico 0, ou seja, com a entrada levada ao potencial de GND) e costuma ser denominada "Brake Signal Low" (ou Brake Level Low, ou coisa semelhante).  Se são dois os seus sensores (freio dianteiro e freio traseiro), neste caso você precisará fazer a interligação dos seus dois sensores em paralelo, antes de conectá-lo aos conector do controlador. Os dois fios presentes no conector do controlador são o "SINAL" e o "GND" (GND costuma ser o fio de cor preto, enquanto o SINAL é o outro fio (sem cor padronizada), que é a entrada que avisa a atuação do freio ao controlado). Se os seus sensores forem do tipo eletrônico (muito populares, atualmente), tal como Sensor Hall ou Sensor Capacitivo (e não um simples interruptor eletromecânico), você precisará acrescentar um fio extra que, neste caso, é o positivo (Vcc, em geral de 5 V), por fora;

• Dois conectores com um par de fios em cada um: este é, de fato, o arranjo mais comum e que não causa muita preocupação, pois, é simplesmente para ligar um sensor para cada um dos conectores. Essa configuração as vezes pode mudar uma outra forma que acomoda todos os 4 fios em um mesmo conector de 4 terminais, ou, numa outra forma em que apenas dois fios saem do controlador, mas eles derivam para dois conectores de dois terminais cada (conectores ligados em paralelo). Se constatar que precisa trocar o modelo do conector para compatibilizar fisicamente a conectividade, você pode optar fazer um cabo extensor curto, ou, sendo possível, trocar do lado que o conector empregado for que menor qualidade (mas evite o costume de emendar fios e isolar com fita isolante).

• Dois conectores, um com um par de fios e outro com apenas um único fio: isso foi elaborado para prover versatilidade, mas, pode acabar por complicar para alguns montadores. É neste caso que aparecem as designações: "Brake Signal Low" (conector com dois fios) e "Brake Signal High" (conector com apenas um fio). Para complicar ainda mais "Brake Signal Low" as vezes  muda de designação para "Brake Signal Low / Reverse", e, ai, o conector passa a ter três fios (como visto na figura ao lado).

Como eu já havia discursado na postagem anterior, a grande maioria dos controladores (e outras partes todas do sistema elétrico das e-bikes) made in China (até mesmo os produtos das grandes e líderes) são pobremente documentados, o que faz com que seus adquirente precisem se tornar em verdadeiros desbravadores para desvendar e entender como ligar as partes todas, como e quando os recursos ou funções dos controladores agem sob os efeitos da ativação de cada entrada que eles dispõem, e como, exatamente, ativar cada uma dessas entrada, dispondo de parcas informações (que acompanham o produto após adquirido, sendo que, na hora da escolha, isso é ainda pior), e sem que haja padrões (até mesmo para as nomenclaturas).

Diante dessa tamanha "balbúrdia em conectividade", muitos podem "pedir para jogar a toalha" e preferir algo bem mais "limpo e enxuto", tal como o que é mostrado abaixo:

Acontece que o Kit mostrado acima (The E-BikeKitTM apenas parcialmente) apesar dele ser, de fato, fácil de conectar os cabos dos sensores de freio e, de você pode, até mesmo, poder adquirir as partes mostra nele em separado, te coloca na situação de você ter que adquirir, no mínimo, tudo o que está sendo mostrado na figura (o controlador e o cabeamento, além dos manetes de freio com sensores), só para poder resolver o problema de conectividade dos cabos dos sensores de freios. Isso te colocando em outra enrascada, pois, o cabeamento todo, para conectar as demais partes, é um sistema de conexão proprietário, o que te obriga a comprar o Kit todo, que, alias, por acaso vem sem a bateria  (de modo que você terá que preocupar com a conectividade dela, também).

Fato é que existem diferentes ofertas de kits para e-bikes com sistema de cablagem e conexão proprietários (ou quase proprietários), sendo produzidos em vários cantos do mundo, sem que haja compatibilidade de conectividade entre eles, e, sem que cada um deles próprios sejam completos, o que leva alguns montadores de e-bikes engenhosamente mais habilidosos a desejarem agregar algo extra a eles, mas encontrando dificuldade de conectividade e de falta de documentação satisfatória para fazer isso.

Além disso, apelar para kits com sistema de cablagem e conexão proprietários pode não ser (e de fato não é) a solução mais barata, e te deixa limitado. Além do mais, olhando bem, alguns conectores oferecidos (como, por exemplo, os da imagem anterior) nem me parecem, assim, tão bem protegidos.

Diante disso, os genéricos podem te levar a alguma vantagem, pois, eles são oferecidos em grande variedade e te dão margem para criar, elaborar e testar arranjos de conexão com diversas partes, diferentes tipos de sensores, etc, não pela documentação deles que, como foi dito, costuma ser insatisfatória, mas, pelo simples fato que você não precisará vandalizar conectores e cabos que foram montados para serem inviolados.

Repare no diagrama de conexão apresentado ao lado: ele é associado à documentação de um controlador de e-bike fabricado pela Shenzhen Vire Silicon & Technology Co., Ltd, Empresa de Hong Kong cujo Foco Principal tem sido o de desenvolver e fabricar produtos para o mercado de decodificadores MP3 / MP4 / MP5 (controlador de e-bike é só "um lance a mais"). Repare que a conexão de freio te apenas um fio. Isso é tudo o que você pode encontrar na documentação do produto que é oferecida (e nada mais).

E olhe que esse controlador, VIRE-24-48V-2400W-01C, não é de pequeno porte nem um qualquer. Ele integra 24 MOSFETs para realizar os chaveamentos de intervalos (60° ou 120°) e de PWM da Potência (e não apenas 6 MOSTETs, como os controladores mais comuns) e tem características alegadas como adequadas scooters e triciclos (elevada potência). Contudo, a documentação dele é parca. Não informando, sequer, como ligar um simples sensor de freio a ele.

Você poderia deduzir, obviamente, que por ser apenas um único fio presente ao conector, ele só pode ser o fio para entrada do SINAL. Ok, eu também creio que isso é algo lógico, mas, falando em lógico, qual será, então, Nível Lógico que causa a ativação de tal sinal de entrada? Alto ou baixo? "1" ou "0 "(isto é, conectando o fio de SINAL ao V_CC ou ao GND)? Comumente existe ambos os casos em controladores genéricos. O que muitos acabam fazendo é, simplesmente, aplicar a "tentativa e erro", experimento as duas formas de ligação e observando o resultado. Isso é horrível!

É, deveras, uma pena a pobreza de documentação que eles costumam apresentar (independente deles não terem, também, uma padronização). Então vamos "decifrar":

Esquema de ligação entre um Sensor Hall e a entrada Brake Low Level
(ou Brake Signal Low) do Controlador

• Brake Low Level (ou Brake Signal Low): Apresenta apenas 2 fios no conector que vem do controlador: Um fio é "Sinal" e o outro é "GND". Com essa entrada do controlador estando em aberto (ou não ligada, ainda, a nenhum sensor), seu estado normal (que pode ser medido entre os dois fios,  "Sinal" e "GND" presentes nesse conector) é "nível alto" (nível lógico 1 ou uma tensão próxima equivalente a do V_CC interno do controlador, normalmente +5 V). Para que o controlador entenda que o freio foi acionado, ela precisa ser levada a "nível baixo" (nível lógico 0 ou GND, dai vem o termo "LOW" associado ao nome que a designa). A ativação dessa entrada (que resulta na ação do controlador cortar a energia para o motor), pode se feita, então, simplesmente interligando os dois pinos do conector ("Sinal" e "GND"). Entretanto, fato é que um sensor, seja ele do tipo Hall ou do tipo Capacitivo 2, apresenta 3 fios: "Vcc", "Sinal" e "GND", de modo que isso te obriga a ligar um fio extra ao conector cabo elétrico do sensor, que é o fio do Vcc (que serve para prover alimentação ao circuito eletrônico que existe interno ao invólucro do sensor).

Quando se fala em sensores para emprego em máquinas industriais, costuma-se empregar as designações Sensor NPN e Sensor PNP 3 para diferenciar quanto a dois tipos possíveis de chaveamento da saída dos sensores. Contudo, no contexto das e-bikes, eu ainda não vi tais termos sendo empregados, e ao que me parece, se não todos mas a grande maioria dos sensores empregados devem ser do tipo NPN, ligados como mostrado acima.(lembrando que, as cores dos fios também não segue o padrão industrial). Contudo, caso opcionalmente se empregue sensores do tipo PNP, então você precisará conectá-los a outra entrada:

• Brake High Level (ou Brake Signal High): Apresenta apenas 1 fios no conector que vem do controlador: o fio de "Sinal", apenas. Com essa entrada do controlador estando em aberto (ou não ligada, ainda, a nenhum sensor), seu estado normal é "nível baixo" (nível lógico 0 ou uma tensão próxima equivalente a do GND). Para que o controlador entenda que o freio foi acionado, ela precisa ser levada a "nível alto" (nível lógico 1 ou Vcc, dai vem o termo "HIGH" associado ao nome que a designa). A ativação dessa entrada , pode se feita, então, simplesmente interligando ela ao Vcc.

Contudo, há ainda, outra diferença quando se usa essa entrada, que vai além da questão do tipo de chaveamento de saída PNP / NPN dos sensores:

Ativar essa entrada não resulta na ação do controlador apenas cortar a energia para o motor, mas, sim, dele realizar uma efetiva frenagem elétrica do motor, muito mais brusca e firme, fornecendo a suficiente potência de travagem para trazer a e-bike a uma parada completa rapidamente, mesmo sem usar os freios da bicicletas em tudo, e fazendo o motor resistir à rotação da roda.

Isso é feito, porém, sem significar, necessariamente, que esteja havendo alguma efetiva frenagem regenerativa (pelo menos, não nos controladores que eu pude estudar, testar e decifrar).Deste modo, acabamos descobrindo a que a diferença entre Brake Low Level (ou Brake Signal Low) e Brake High Level (ou Brake Signal High) não é, apenas, quanto a questão do Nível Lógico para a Ativação  (ligar ao V_CC ou ao GND para ativar) desses sinais, mas, sim,. que a ativação deles resultam, respectivamente, em ações do controlador que corresponde funções de frenagem bastante distintas entre si.

Outro fato importante é que se você estiver usando um motor do cubo com redutor (conforme visto na postagem anterior) dotado de Roda Livre (Freewheel ), então este freio elétrico (frenagem regenerativa) não funcionará, porque o que ele faz é, essencialmente, apenas o travamento do rotor do motor no lugar. Devido à roda livre, mesmo com essa ação, o resto da roda continuará a girar, não sendo, o resultado, diferente do que, simplesmente, cortar a potência do motor, deixando-o a mercê da inércia.

• Brake Signal Low / Reverse: Essa designação aparece somente nos casos de controladores de maiores potências (acima de 1000 W). O conector tem três fios, onde, além, de haver os dois fios referentes Brake Signal Low (conforme foi descrito acima), há, ainda, a adição de um terceiro fio que é associado a entrada de função Avante / Reverso (ou denominada, simplesmente, Reverse) que é algo se aplica para os casos como o dos triciclos, por exemplo, que podem se beneficiar de ser capaz de alternar seus sentidos de movimento entre para frente e para trás. Mantendo esta entrada em aberto, ou impondo a ela nível alto (Vcc), temos o sentido de movimento Avante (que é o padrão). Já, colocando tal entrada em nível baixo (GND), estamos selecionando o sentido de movimento reverso.

Frenagem Regenerativa:

Frenagem regenerativa já foi discutido aqui neste blog em várias postagens anteriores, contudo, não olhando para os veículos elétricos ultraleves, as e-bikes, mas, sim, sempre para veículos leves maiores, os carros elétricos. Alias, lançar o olhar para as tecnologias especificamente pertinentes às e-bikes tem sido uma grata novidade, e um desafio, para este autor, que ama aprender coisas novas.

Frenagem regenerativa é muito comum em carros elétricos, algo praticamente de emprego mandatário, mas, nas e-bikes, porque elas precisam se manter como produtos dentro de faixas de preços finais ao consumidor bem mais reduzidas para se manterem competitivas, o emprego de dispositivos que provejam tal funcionalidade ainda é muito raro.

Frenagem regenerativa significa, antes de tudo, parar de chamar o motor elétrico de "motor" e passar a chamá-lo de "máquina elétrica", pois, no contexto dos veículos com frenagem regenerativa, a "máquina elétrica" opera em ambos: tanto como no modo motor, quanto como no modo gerador.

A máquina elétrica se comporta como gerador exatamente quando ela opera durante um Regime Transitório de Desaceleração (isto e, na frenagem), efetuando uma força contrária ao da aceleração, ajudando no esforço de parar o veículo e gerando de eletricidade a partir do conjugado de frenagem.

Para muito mais detalhes veja também: Freio Regenerativo (Sistema de Recuperação de Energia Cinética). Entender o que é apresentado nesse outro artigo é altamente recomendável, pois, facilita, e muito, entender o que passamos a apresentar, em seguida, aqui.

A energia elétrica gerada pela máquina elétrica durante a frenagem pode ser (e, em muitas aplicações é) realimentada de volta para a bateria, o que aumenta sua eficiência energética do sistema e aumenta a autonomia do veículo. Contudo, atenção, pois os manuais de controladores de fabricantes realmente sérios trazem a seguinte advertência

"Apesar da Regeneração ter efeito de travagem, ela não substitui a função de um freio mecânico. Um freio mecânico é necessário para parar o veículo, sempre. "Regen" ajuda, mas não é uma característica de segurança! O controlador pode inibir a regeneração, sem aviso, tanto para proteger as si mesmo, como para proteger a bateria (Por isso, ele não tem como objetivo proteger a operação da condução, pela qual a atuação do ciclista é responsável)."

O que determina se em um sistema opera motorizado ira haver regeneração, ou não, não depende, em nada, do motor que é utilizado, pois, qualquer máquina elétrica tem a habilidade de regenerar. odo motor tem habilidade regenerativa, ou seja, construtivamente, todos os Motores são, de fato, Máquinas Elétricas (e essa é a denominação até mais adequada para se usar no contexto de frenagem regenerativa) que foram concebidas para operar em ambos os modos: Modo Motor e Modo Gerador:

• Se a Máquina Elétrica (motor) recebe energia elétrica, ela converte para energia mecânica (e está operando, de fato, no modo motor), porém;
• Se a Maquina Elétrica recebe energia mecânica (se você girar o eixo dela, externamente, de alguma forma), ela converte para energia elétrica (e, portanto, está operando no modo gerador).

Contudo, dependendo de como a máquina elétrica (motor / gerador) é montada em relação ao sistema de transmissão da bike, será possível, ou não, haver regeneração, ou seja, o motor poderá ou não ter a habilidade de operar como gerador por receber da roda da bike a energia mecânica que ela pode doar ao motor (fazendo-o operar como gerador). Isso pode ser interessante, principalmente diante daquela quantidade enorme de energia que ese dispõem, quando a bike está a descer por um declive.

Se ao descer por declives o motor estiver girando por causa do giro da roda, então a regeneração, de fato acontece e ela pode ser aproveitada. Esse é o caso de:

• Todos as e-bikes que empregam Motor do Cubo (Hub Motor) sem redutor, ou seja, que não roda livre, os chamados de acionamento direto (Direct Drive). Isso realmente permite a regeneração, e ela pode ser aproveitada (ou não, pois ainda ficamos na dependência do controlador permitir).

Contudo, tanto para o caso de e-bikes que tem seus motores instalados numa montagem Mid-Drive (acionando direta ou indiretamente o eixo da pedaleira), quanto para o caso versões de Motor do Cubo que contenham Redutores (Geared Hub Motors), estes não serão capazes de efetuar a regeneração 4, por conta de que seus motores permanecem parados, enquanto a e-bike desce por um declive, e sua roda gira livre (roda livre) não requerendo mais força de tração e, portanto, nem se está mais pedalando.

Não obstante, mesmo estas (Mid-Drive e Geared Hub Motors) versões de e-bike poderiam, sim, ser pensadas para serem dotadas, também, de controladores que possuam a função de regeneração, a fim de que, por exemplo, atender aos casos em que os ciclista também usem a e-bike para exercitar-se sem sair casa.

Muitos ciclistas (de modo geral, não apenas de e-bike) estão adotando essa prática de exercícios sendo realizada pela associação da com um simples rolo treino (de exercício) de bike, tal, como mostrado na foto  ao lado. Este rolo de treino poderia utilizar a regeneração como "efeito de carga" para ser empregada no treino, ao mesmo tempo em que ele pode encher de energia a bateria da própria e-bike, ou mesmo outra bateria qualquer (compatível em tensão) que seja ligada, externamente, até os terminais de conexão de bateria do controlador da e-bike.

Esse rolo de treinamento é algo muito simples e barato: ele faz, simplesmente, com que o ciclista pedale movendo a roda bike sobre o rolo (que não apresenta resistência considerável alguma), que é suportado há uma bem pequena elevação com relação ao solo (o que equivale a pedalar sobre um declive bem suave). Contudo, desportistas com mais elevado grau de "energia humana" decerto sentirão falta de uma maior carga para a realização de seus exercícios.

Para resolver isso, existem outros tipos de rolos semelhantes a esse, porém, que agregam ao seu eixo um Freio de Partículas Magnéticas, que não apenas permite se impor um Conjugado Resistente ao eixo do rolo, como, também, permite ajustar a intensidade desse conjugado resistente. Acontece que estes equipamentos mais sofisticados custam n vezes mais caros do que os rolos simples, ao passo que se a bicicleta for uma e-bike, isso não justifica, pois ela mesma pode prover o conjugado resistente para o treino, e ainda ter a capacidade de regeneração aproveitada..

Isso pode ser provido por se desligar o fornecimento de energia para o motor, por meio, por exemplo, de se emitir um "falso informe" do sinal Brake High Level (ou Brake Signal High) para um controlador. Eu digo "falso informe", pois, não se estaria acionando manete de freio algum (afinal, o ciclista estará a pedalar), mas, sim, emitindo tal sinal a partir de uma simples chave elétrica que é manobrada pelo ciclista para poder ativar o sinal Brake Signal High para o controlador, mantendo o ativado o tempo todo, enquanto o ciclista estiver pedalando, realizando o seu treino.

Na aplicação proposta, não se trata, especificamente, de regeneração, mas sim, de geração. O seu motor estará, o tempo todo que durar o exercício, operando como gerador, e girando no mesmo sentido de giro da tração que é requerida (nenhum ciclista não precisa de assistência do motor para se mover sobre o tal rolo).

Assim, seja regeneração, ou geração, o que muda é só o nome. Contudo, será que, com isso, tal geração pode ser, efetivamente, aproveitada para recarregar a bateria (da e-bike ou outra, externa). A resposta tanto pode ser sim, quanto pode ser não, pois ela depende da "arquitetura" (hardware e software) que é adotada no controlador que está sendo empregado (ou seja, se o tal controlador é, ou não, dotado da função REGEN).

Quanto aos controladores, antes de tudo é preciso entender que, até mesmo os de arquitetura mais simples, são dotados de (alguma) capacidade regenerativa, pelo simples fato de que cada um dos MOSFETs de sua ponte trifásica apresentam, internamente aos encapsulamentos deles, um diodo retificador, o qual é ligado de modo a poder conduzir no sentido inverso ao da condução do transistor (corrente do dreno para a fonte do MOSFET).

Fato é que, os diodos internos aos MOSFET, só conseguem conduzir, efetivamente, no caso do valor do F_CEM (Força Contra Eletro Motriz) 5 gerada pelo motor (perdão, máquina elétrica operando como gerador) conseguir ser maior do que a tensão da bateria (tensão presente no barramento CC).

Comportamento da corrente produzida pela FCEM (corrente de regeneração) num dado instante. Neste instante, as bobinas A e B estão , respectivamente, em seus picos positivo e negativo de FCEM, de modo que elas são as responsáveis pela condução, enquanto os diodos em condução são os associados ao MOSFET T1, na parte superior da ponte, e ao MOSFET T5, na parte inferior da ponte. A corrente entra pelo polo positivo da bateria, provendo carga de energia para a mesma.

No entanto, uma vez que um motor pode estar classificado para XX volts, e a tensão no terminal da bateria pode, também, ser dos mesmos XX volts, para gerar XX volts a partir do motor (perdão, de novo, máquina elétrica operando como gerador) ela deve girar à sua velocidade nominal (em rpm). Já, para gerar um maior tensão, rotação também superior será necessária.

Assim, a não ser que a bateria esteja muito descarregada, ao se pedalar, mesmo com bastante energia, somente com a arquitetura regular dessa ponte de MOSFETs, que é o que existe na maioria dos controladores (ou controladores mais simples), muito provavelmente, não se conseguirá fazer a F_CEM do motor suplantar a tensão dos terminais da bateria, de modo que não se obtém regeneração, efetivamente.

Por outro lado, tal coisa já é em algo bom, pois, ela ajuda a evitar que a sua bateria se descarregue demais, pois, com você pedalando, ao menos a carga da bateria será mantida acima de um certo patamar seguro (que depende da potência das sua pedalada). Por outro lado, alguns controladores possuem uma arquitetura diferente, que envolve eles serem dotados de mais circuitos de eletrônica de potência e, também, de softwares de controle mais complexos.

A configuração da ponte de MOSFETs trifásica pode ser estendida port adicionar um circuito de freio simples, baseado em SCR / IGBT. Todavia, apesar disso tornar hábil a frenagem elétrica, que pode ser reostática (jogando a energia fora, para cima de uma resistência), tal incremento não habilita para que haja aproveitamento da regeneração.

É necessário o incremento do circuito de eletrônica de potência e do software de controle, de modo que torne possível uma maneira de aumentar a F_CEM gerada pelo motor. Somente assim será possível, mesmo operando em velocidades mais baixas (quando a geração / regeneração é de baixa intensidade), o motor pode operar, de forma adequada, no modo de regeneração, como freio e propiciar, também, o aproveitamento adequado da energia regenerada de volta para a bateria.

Para prover isso construímos um Conversor CC/CC de Elevação (também chamado de Conversor Elevador de Tensão ou, Conversor Boost, ou, ainda, Conversor Step-Up) junto da ponte de MOSFET trifásica. Conversor CC/CC elevador envolve, tipicamente, além de elementos reativos (indutor e capacitor, fundamentais ao seu funcionamento), também elementos chaveadores (MOSFETs), para, pela variação de largura dos pulsos (ciclo de trabalho) de PWM, a tensão de saída possa ser elevada para diferentes magnitudes, adequando-se, assim, ao nível ideal de tensão para recarregar a bateria.

O PWM pode ser inserido em um de controlo PID com o objetivo de ser alcançado um controle para uma força de frenagem constante,  onde a malha de PID tentará manter uma força de frenagem constante para diferentes velocidades do motor, visando o usuário obter uma resposta linear da força de travagem. Nesse caso, o sistema requer um sensor de freio que seja analógico (em geral, fornecendo sinal variando de 0 ~ 5 V).

Notas:

1. Sensor Push button, mas não necessariamente do tipo interruptor eletromecânico, podendo ser, inclusive, com uma alavanca de atuação exterior empurrando (movendo), internamente, um pequeno imã. O imã, por sua vez, aciona um sensor de efeito hall (montado internamente). A alavanca de atuação retorna a posição de repouso por mola (que existe, também, internamente. Isso dá ao sensor o aspecto de um simples interruptor eletromecânico, mas, ele é, de fato, um sensor do tipo hall.                                                                                  
2. Existe, também, a possibilidade de se empregar Sensor do tipo Capacitivo. Esse tipo de sensor permite detectar a ativação do freio por meio da detecção do movimento interno do cabo de acionamento. Fácil de instalar e pode
   
   ser montado em qualquer das extremidades (ou em algum local intermediário) do cabo do freio da bicicleta tornando desnecessário mudar manetes do freio de sua bicicleta quando você converter bicicleta para um e-Bike. Basta enfiar o cabo de freio através do corpo do sensor. Contudo, existe uma posição correta para montagem dele em relação ao sentido de movimento do cabo de freio e, por isso, existem dois modelos com relação ao lado que sai o cabo dos fios condutores elétricos. O conector desse que é mostrado na figura ao lado é padrão de cablagem Bafang (mas existem outras ofertas de produtos similares com diferentes tipos conectores como, por exemplo, o HWBS-1 king meter). Eles também são conhecidos, genericamente, pela sigla HWBS ( Hidden Wire Brake Sensor).                                                                                    
   
3. Se o sensor for do tipo de saída NPN, o sinal de saída dele, quando ele estiver ativado é "baixo", ou "nível lógico 0". Nesse modelo, a ligação da carga (que equivale à entrada do controlador) deve ser feita entre o sinal e o positivo (V_CC). Já, se o sensor for do tipo de saída PNP, o sinal de saída dele, quando ele estive ativado é "alto", ou nível lógico 1". Nesse modelo, a ligação da carga (que equivale à entrada do controlador) deve ser feita entre o Sinal e o negativo (GND).                                                                                                                                                   
4. Eu tão somente ouvi alguma breves referências a um Motor do Cubo com Redutor (Geared Hub Motor) que não fosse roda livre, mas, pelo que eu pude constatar, depois de algumas poucas aplicações, ele foi logo descartado, porque o arrasto das engrenagens e do motor era muito alto, enquanto a regeneração foi pouco significativa, ele se tornou impopular. As aplicações tratavam-se das e-bikes Giant new Twist modelos 1 e 2 (modelos de produção descontinuada) empregando Motor do Cubo com Redutor da Sanyo.                                                                                              
5. F_CEM é um acrônimo para o termo Força Contra Eletromotriz, que é um fenômeno elétrico associado à comutação do estado de condução em indutores, algo que é muito recorrente nos assuntos abordados neste blog. Vá para as NOTAS da postagem titulada "Motor CA Síncrono ou Motor CC Sem Escovas???" para ver a definição.

Veja Também:

Bicicletas Elétricas (e-Bikes) e Ciclomotores Elétricos (e-Mopeds) - Parte 1/3

Unidade de Acionamento de E-Bikes Pedelec e Potência sob Demanda - Parte 1/3

Unidade de Acionamento de E-Bikes Pedelec e Potência sob Demanda - Parte 2/3

Sobre Motocicletas, Triciclos, Scooters, Bicicletas, Skates e Patinetes Elétricos (Parte 1/3)

Unidade de Acionamento de E-Bikes Pedelec e Potência sob Demanda - Parte 1/3

Este artigo corresponde ao início de uma nova série postagens de artigos, a qual, contudo, corresponde a uma parte final, que complementa em um nível avançado, uma série de outros três outros artigos que foram produzidos e publicados anteriormente neste mesmo blog. Muitos dos termos e dos conceitos empregados aqui talvez requeiram conhecimentos relacionados aos artigos anteriores.

Bicicletas Elétricas (e-Bikes) e Ciclomotores Elétricos (e-Mopeds) - Parte 1/3

Bicicletas Elétricas (e-Bikes) e Ciclomotores Elétricos (e-Mopeds) - Parte 2/3

Bicicletas Elétricas (e-Bikes) e Ciclomotores Elétricos (e-Mopeds) - Parte 3/3

Sobre os Motores e Seus Controladores em E-Bikes:

Independente de como eles são instalador, ou seja, se eles tracionam diretamente as rodas, ou se eles tracionam a coroa / pedaleira, as e-bikes, em geral, e as do tipo Pedelec, em especial, empregam motores que são Máquina de Imãs Permanentes. 

Existe alguma controvérsia sobre qual a denominação adequado para um motor que é uma Máquina de Imãs Permanentes: eles são chamados tanto Motor CA Síncrono, quanto de Motor CC Sem Escovas.

Fazer escolha correta entre esses dois nomes pode parecer não muito não é tão importante, dado ao fato de que a fonte de energia elétrica em uma e-bike é um pacote de baterias que fornece uma tensão de saída CC, então parece lógico afirmar que ela deva empregar um Motor CC Sem Escovas.

Contudo, fato é que essas "duas" maquinas elétricas (essas duas denominações de motor), em si, são, de fato, a mesma máquina, podendo ser constituída e construída de formas exatamente iguais.

Além do mais, a Máquina de Imãs Permanentes, que é a denominação mais adequada para designar ambos esses "dois tipos" de motores, é concebida, já de uma cera longa data, especialmente para atender as aplicações em que haja a necessidade de se operar com velocidade variada.

Para se variar a velocidade de Máquinas de Imãs Permanentes empregamos circuitos de comutação de eletrônica de potência e, em qualquer caso, isso resulta em velocidade síncrona e variável em um Motor Eletronicamente Comutado.

A arquitetura do circuitos de comutação de eletrônica de potência também pode ser a mesma para qualquer caso, porém, o que muda, de fato, é se o projeto do sistema de tração do veículo elétrico fez uma escolha pela técnica de comutação sinusoidal, ou se, diferentemente, fez uma escolha pela técnica de comutação trapezoidal.

Olhar para a máquina elétrica (motor) ou mesmo olhar para a arquitetura de hardware (os circuitos eletrônicos) do controlador, não revela nada que permita saber, ao certo, se é comutação sinusoidal ou se é comutação trapezoidal.

Para saber sobre o tipo de comutação, tem que se olhar para o algorítimo de controle do controlador e para a técnica de PWM empregada, combinado com o tipo de sensoriamento que é requerido (ou escolhido) para o controle do circuito de comutação eletrônica.

Até aonde eu estou conseguindo pesquisar, tanto nas nas e-bike prontas de fábrica, quanto nos Kits para conversões de bicicletas em e-bikes, controladores de motores com técnicas de comutação que resultam em ambos, tanto uma F_CEM (Força Contra-eletromotriz) 1 de forma sinusoidal, quanto uma F_CEM de forma retangular são ampla e igualmente empregados.

Acontece que, por razões comerciais, e por razões de tradição e orgulho (hehehe), mesmo o pessoal da engenharia eletroeletrônica dos sistemas para mobilidade continuam persistindo em  falar em termos de Motor CA Síncrono ou Motor CC Sem Escovas. 

Não obstante, eu volto a dizer, os motores das e-bikes são, predominantemente, Máquina de Imãs Permanentes (e ponto), salvo raros projetos que têm sido implementos com Motor de Indução, este, sim, uma máquina estruturalmente diferenciada, concebida para operar estritamente em CA e de custo de fabricação bais baixo (pois não requer os, ainda caros, imãs permanentes no rotor). 

Contudo, porque motores de imãs permanentes de potência nominal na faixa de 250 W ~ 500 W são pequenos o bastante para o custo extra dos imãs nem ser algo tão considerável e, porque o motores de imãs permanentes apresentam maior densidade de energia, maior torque em velocidades baixas e maior pico de torque na partida, além de, comparativamente, maior eficiência quando em tamanho pequeno, o emprego de Motor de Indução é, deveras, muito raro em e-bikes.

Sensores para as Malhas de Controle do Motor (E-Bike Pedelec):

Em se tratando de e-bikes, estamos falando de um Veículo Elétrico Leve (levíssimo) que (no meu modo de ver) deve ser pensado para ter um sistema de controle do motor (o máximo possível) simples e barato, Creio que isso deva ser algo para ser assumido como uma meta (ou uma baliza), mesmo em se tratando de projeto de e-bikes do tipo Potência Sob Demanda (as e-bikes cujo acionamento do motor é provido por um acelerador manipulado pelo ciclista). Contudo, é claro que isso deve ser atingido sem deixar de atender aos requisitos técnicos da aplicação.

Motores de imãs permanentes podem ter um controlador que, a princípio, o ponha em movimento com velocidade síncrona e variável, de modo que ele opere como um motor eletronicamente comutado, com o emprego de NENHUM SENSOR (Sensorless Control), independente da escolha que se faça pela técnica de comutação a ser implementada: sinusoidal ou trapezoidal.

Neste caso, eu estou me referindo, mais especificamente, ao trio de sensores de efeito hall que são empregados para o controle pela comutação de seis vetores sequenciais para modulação de 120°, que é feita com base nos estados dos três sensores de efeito Hall, que são lidos pelo controle. Essa é uma sofisticação para ser usada em máquinas e equipamentos de alta qualidade concebidos para aplicações de alto desempenho que exigem alta confiabilidade e eficiência, de modo que, na minha opinião, nós devemos questionar, seriamente, se a aplicação de e-bikes, de fato, a requer. 

Entretanto, eu posso ver, de antemão, que é considerável o número de projetos de e-bikes Power on Demand (tanto de fábrica quanto customizados) que persistem em contemplar essa arquitetura, porém, também vejo que eles podem estar sendo elaborados sem um critério consistente quanto a custo-benefício, e sem uma preocupação maior quanto a limitação de custos, o que resulta em hardware extra, volumoso e pesado (e mais itens para constar de uma eventual manutenção).

Por outro lado, nas e-bikes do tipo Pedelec, porque elas, por definição, não devem dispor de acelerador algum ser acionado pelo ciclista, isso determina um contexto em que elas devem operar Potência Sob Demanda Automática e, consequentemente torna necessário o emprego de certos sensores específicos para e-bikes Pedelec que vão além dos sensores dos sensores típicos de aplicações de e-bikes dotadas de um acelerador acionado pelo ciclista.

Em geral, ao menos um sensor extra deve ser empregado. Esse sensor, comercialmente denominado Sensor PAS 2 (do inglês Pedal Assist Sensor), comumente também é um sensor de efeito hall, que detecta se há rotação da pedaleira e qual é a velocidade dela, de modo a informar ao controlador de que ele deve liberar energia para por o motor em marcha, assim que o ciclista começar a pedalar.

Para realizar isso, e-bikes do tipo Pedelec atuais têm, tipicamente 3, um disco fixado ao eixo da pedaleira, o qual tem peças de imãs permanentes incrustadas perto da borda da periferia. Quando o disco gira, como os ímãs estão acoplados ao sensor de efeito hall, isso dá origem a uma série de pulsos da saída do sensor. A frequência desses pulsos é proporcional à velocidade de pedalada (dai, este sensor também ser conhecido pelo título da sua função: Sensor de Cadência4).

O custo deste sistema sensor é determinado, predominantemente, pelo número de peças de imãs permanentes empregados, que costuma variar entre 4 a 12 peças. Quanto maior for o número de imãs, maior a quantidade total de pulsos que ocorre em cada revolução da pedaleira. Quanto mais pulsos ocorrerem, isso permite realizar um controle de resolução mais apertada, e com um mais rápido tempo de resposta do acionamento. Contudo, toda vez que você cogita empregar imãs permanentes (ímãs de neodímio, ímãs de terras raras), seja para implementar sistemas sensores, ou seja para constituir máquinas elétricas, você está lidando com uma questão geopolítica delicada, porque a produção desses imãs é praticamente um monopólio da China, com cerca de 90% do mercado.

O sensor PAS pode ser montado de ambos os lados da e-bike: do lado esquerdo (lado da coroa), ou do lado direito, contudo, ambas as montagens exigem o desmonte da pedaleira. Pensando nisso, alguns fabricantes fornecem o sensor PAS na forma de um disco bipartido (duas metades separadas para serem unida na montagem). Isso evita o desmonte da pedaleira para instalá-lo. Basta juntar as duas metades sobre o suporte inferior (da pedaleira) e prender as duas partes em seu lugar com um anel elástico.

Além do mais, o Sensor de Cadência é o sensor mínimo obrigatório que uma e-bike pedelec possui. Este sensor, sozinho, resulta num controle que costuma a apresentar alguns problemas comuns, tais como:

• O ciclista pode levar um tranco quando, simplesmente começar a pedalar e o motor pretender entrar com excessiva potência;
• Ao iniciar um aclive mais abrupto a cadência cai, muito rapidamente, dizendo ao motor para entregar menos potência, quando o que você precisa, de fato, é de mais potência.

Assim, há uma tendência para que, num número cada vez maior de casos, com a finalidade de melhorar a performance do controle e o desempenho do motor, para que mais de um sensor sejam empregados, em combinação, para determinarem, concomitantemente, a quantidade de potência variável que o motor deve entregar ao longo da operação. Em certos casos chega-se a combinar as informações de até três senhores diferentes, instalados em pontos de sensoriamentos diferentes, para se obter uma performance de controle e um desempenho do motor ótimos.

Este é o caso, por exemplo, da proposta (e aposta) feita pela Yamaha em seus sistemas de e-bikes, num sistema muito mais recente em que ela combinou três sensores para obter a potência variando suavemente e sempre na direção certa. Os três sensores são:

1. Um Sensor de Torque, que detecta a Força da pedalada;
2. Um sensor de Cadência, que detecta a Velocidade de Rotações da pedalada, e;
3. Um sensor de Velocidade que detecta a velocidade (da roda) da bicicleta,

Equipar a e-bike (pedelec) com os três sensores informando simultaneamente as suas condições para a unidade de controle, permite que o piloto seja apoiado pelo motor com uma assistência contínua e adequado em todas as condições de condução. O auxiliar contínuo e adequado é o que permite que o conceito de "potência variando suavemente e sempre na direção certa" durante a operação, uma vez que o acréscimo, principalmente, do sensor de torque resulta grande melhoria na resposta, propiciando uma melhor assistência com sincronismo através de ajuste fino do controle do motor.

Isso permite, inclusive, a liberação de variação suave, porém de intensidade elevada do conjugado (torque) tanto na partida, quanto na transição do terreno sem inclinação para um aclive mais acentuado, com níveis de assistência que podem ser ajustados em até 4 faixas: Alto, Normal, Econômico e Super-Econômico (além da assistência do motor poder ser, simplesmente, desligada), que podem ser selecionadas pelo ciclista enquanto enquanto ele pilota:

De fato, a introdução do Sensor de Torque que detecta a Força da pedalada, combinado com o sensor de Cadência, elevou as e-bikes pedelecs a um novo patamar de desempenho global, permitindo uma experiência de condução mais intuitiva.

Para entender isso, basta recorda o que já vimos em uma postagem anterior: Potência (P) é definida para ser igual ao Torque (τ) multiplicado pela Velocidade Angular (ϖ), (a velocidade de rotação), ou seja:

Assim, com o controlador tendo a sua disposição ambas as informações, a do Torque e a da Cadência ele tem como determinar a exata Potência que está sendo entregue.

Com o intuito de medir a quantidade de torque que está a ser aplicado durante o pedalar, que pode ser, opcionalmente, montado em várias formas diferentes: No suporte inferior da pedivela, para o eixo da pedaleira, montado para dentro do interior dos rolamentos, tornado invisível, garantindo assim uma perfeita proteção contra influências ambientais (vibrações, óleo, água, pó).

Ele pode sentir a força aplicada apenas por um dos pedais (em geral o pedal esquerdo), ou ambos pedais, fornecendo um sinal de saída que é proporcional à tensão aplicada pela pedaleira para a corrente, funcionando muito bem quando se necessita de um Modo Pedelec ágil, sem a preocupação da potência exata entregue pelo ciclista.

O sensor de torque trata-se de uma tecnologia que ainda está em desenvolvimento e, por isso, não há, ainda, um padrão aparentemente prevalecendo sobre outro. Você irá se deparar com termos como Sensor de Torque BB, Cartucho BB, e marcas como Thun, X-CELL, TDCM, ISIS, etc, cada qual requerendo uma determinada adaptação da pedaleira e adaptação da programação do controlador.

Opcionalmente, podemos nos deparar, também, com um arranjo de uma roda intermediária acionando um braço de torção como sensor de torque medido diretamente na corrente.

Opcionalmente, ainda, podemos ter um sensor que mede o torque do eixo da roda traseira, de modo que o sensor de torque pode estar perto da ranhura da extremidade do garfo no quadro da bicicleta onde o eixo da roda traseira está ligado (em geral, um medidor de tensão no eixo traseiro, construído junto ao motor do cubo, quando se opta por ter um sistema de tração direta, com um motor direct-drive.

De qualquer forma, combinando tais sensores com os componentes eletrônicos e com o programa acompanhados no controlador, tem-se um sistema quase ideal para a operação da e-bike. O sistema ótimo é alcançado quando um sensor de torque é combinado com um sensor de cadência e um sensor de velocidade. Este trio é capaz de dar ao controlador do motor um quadro completo de como você está conduzindo a e-bike para que ele possa entregar a potência, apenas na quantidade certa e no momento certo.

Pesquisando, chamou-me a atenção, em especial, um sensor que é capaz de medir o torque e a cadência da pedaleira, concomitantemente, podendo ele ser empregado como único sensor, montado no suporte inferior (eixo da pedaleira), como medidor de potência. Eu suponho que medir potência possa ser realizado, também, com os demais sensores vistos anteriormente, mas, isso só é alegado, explicitamente (e fica claro pela explicação do funcionamento) para o caso desse sensor, o Ergomo® Pro Sensor, cujo fabricante apresenta um Manual de Instruções de Operação envolvendo todo o sistema bastante detalhado.

Medições ideais do torque e da velocidade angular do pedal são determinadas ambas no mesmo local e a potência é calculada pelo controlador usando a fórmula: P = τ · ω [em W]. Isso posto, evidentemente que trate-se de um sensor de Potência (e não de apenas Torque). Isso cria uma vantagem não apenas por reduzir as peças necessárias, como tende a tornar a programação do controlador facilitada, mas sem levar em conta o custo de aquisição relativo ao mesmo (que me desconhecido), de modo que eu o estou apresentando por ele ser tecnicamente interessante e fácil de explicar.

O Ergomo® Pro Sensor possui uma estrutura construtiva que inclui, de fato, dois sensores óticos S1 e S2. Os sensores S1 e S2 produzem sinais de onda quadrada, simultaneamente, e de uma mesma frequência, os quais são gerados a partir dos anéis transmissores G1 e G2. Apesar da mesma frequência, as formas de onda dos dois sinais estão em uma relação de fase φ.

Quando um torque τ é aplicado sobre o eixo, o eixo é torcido por um ângulo de γ, enquanto a posição do ângulo de fase φ é proporcionalmente alterada. A posição de fase deslocada φ determina o torque τ.

Já a velocidade angular (ω), é determinada pela frequência dos pulsos (de S1 ou de S2), que são produzidos na taxa de 72 pulsos por volta da pedaleira.

Assim, temos o torque (τ) e a velocidade (ω) produzidos e, com isso, o controlador pode determinar a potência.

O torque pode ser medido na faixa de 0 ~ 300 N·m e a cadência na faixa de 20 ~ 250 rpm, o que bastante adequado (e com folga) para o caso de uma e-bike com potência do motor limitada a 350 W e um ciclista de elevado desempenho de bicicleta, uma vez que os melhores esforços humanos para produção de energia ao longo de uma hora em uma bicicleta são em torno de 300 ~ 400 Watts (ver How many Watts can you produce?), de modo que, mesmo picos de torque (motor + ciclista) dificilmente superam a marca de 200 N·m, enquanto a cadência dificilmente alcança 120 rpm.

Uma desvantagem desse sensor é a sua baixa sensibilidade: ângulos de torção são medidos a partir φ = 0,0025°, e isto é equivalente a uma força de F = 2,5 N sobre o pedal. Assim, um torque 80 N·m, que corresponde a uma força de 320 N aplicada através de um pedal de 25 cm provoca um deslocamento de fase de meros 0,32° (um valor deveras pequeno de defasagem para ser convertido num relativamente grande valor de torque), A precisão da medição é de aprox. 1%.

Para um controle ótimo, o Ergomo® Pro Sensor precisa trabalhar em conjunto com apenas mais um sensor: o sensor de velocidade (veja na imagem o Speed Sensor) que, por meio de uma única peça de imã a ser instalada na roda traseira, produzirá um sinal de tão somente um único pulso por cada rotação daquela roda, o que permite ao controlado realizar uma adequada medição da velocidade dela.

Controle do Motor em E-Bike tipo Potência sob Demanda Precisa de Sensores?

As desvantagens da comutação sensorless (sem sensores) são que requer um algoritmo de controle relativamente complexo e, quando a magnitude das F_CEM induzida se torna baixa, ele não consegue suportar as velocidades baixas do motor.

E-bikes exigem torque inicial alto e quando uma aplicação de um motor de imãs permanentes exige alto torque, quando o motor está funcionando em baixa velocidade, ou quando o motor está se movendo na partida, as técnicas de comutação por meio de sensores Hall é uma escolha adequada.

Um motor usado em uma aplicação de bicicleta elétrica, por exemplo, exige torque inicial elevado e, portanto, ele é, sim, uma aplicação perfeita para a comutação por meio de sensores Hall.

Além disso, ambas as duas técnicas de aplicação de tensão (Senoidal e Trapezoidal) podem ser aplicadas, com base na configuração dos enrolamentos da fonte para a motor:

• Senoidal: a tensão sinusoidal é continuamente aplicada às três fases. A tensão senoidal proporciona uma rotação do motor suave e menores ondulações.

• Trapezoidal: a tensão CC é aplicada a duas fases de cada vez, e a terceira fase permanece inativa. O algoritmo para a tensão trapezoidal é menos complexo de implementara. A fase inativa está a gerar a F_CEM induzida pelo ímã do rotor que está passando pela fase inativa (desenergizada) e fornece os dados do F_CEM quando ela está passando no cruzamento de zero de seu valor de magnitude.

Para entender melhor como a "comutação por sensor Hall" funciona, vamos ver como ele é implementado com um motor de dois pólos simples. Seis diferentes estados de comutação são necessários para fazer tal motor rodar o rotor em uma revolução:

Relação Sequencial entre os Estados de Saídas dos Sensores Hall e as Comutações das Fases:

Operações de comutação das fases (Gif animado adaptado, corrigido e atualizado, a partir do site da Townbiz, a quem agradeço):

Controle de velocidade em em Malha Fechada

No estator do motor de dois pólos há apenas três enrolamentos, os quais podem estar conectados em um arranjo em estrela (Y), de modo que cada um dos enrolamentos têm um de seus terminais conectados a um ponto comum (centro da estrela). As formas de ondas das tensões de fases Ф_A, Ф_B e Ф_C que estão representadas na figura animada acima, são, apenas, para efeito ilustrativo (elas ocorreriam assim apenas caso o PWM fosse desligado).

O Estado 2, por exemplo, é definido como posição 60°, porém, 60° é, na verdade, o centro de um intervalo que vai desde 30º até 90°. Ao longo de todo esse intervalo (de 30° a 90°) as condições são as seguintes:

• A fase Ф_A está sendo alimentada e conduzindo, com a corrente sendo puxada, saindo pelo terminal do respectivo enrolamento (dai a cor azul, pois, com a corrente saindo, significa que a tensão presente no terminal de acesso desse enrolamento é negativa em relação ao ponto comum (o centro da estrela);
• A fase Ф_B está sendo alimentada e conduzindo, com a corrente sendo empurrada, entrando pelo terminal do respectivo enrolamento (dai a cor vermelha, pois, com a corrente entrando, significa que a tensão presente no terminal de acesso desse enrolamento é positiva em relação ao ponto comum (o centro da estrela);
• A fase Ф_C está morta (não conduzindo corrente 5).

Sendo assim, para este intervalo (de 30° a 90°) vamos olhar, apenas para as fases Ф_{A e} Ф_B, que são as que estão conduzindo: elas estão conduzindo em série, ou seja, conduzem a mesma corrente. Contudo, para que elas estejam, de fato, conduzindo, é preciso que duas chaves (dois transistores MOSFETs) estejam, simultaneamente ativados: um na parte alta da Ponte de MOSFETS, empurrando a corrente para as fases, e outro puxando a mesma corrente, na parte baixa da Ponte de MOSFETs.

Isso é uma coisa que ocorrerá, de modo semelhante, para todos os demais estados subsequentes, ou seja, para todos os demais intervalos, Só que ao longo do tempo o Controlador vai mudando as chaves que são ativadas (num momento mudando a chave que está ativada na parte alta da Ponte, noutro momento mudando a chave que está ativada na parte alta da Ponte).

De qualquer modo, em qualquer intervalo, há sempre um certo par de chaves MOSFETs é que estão ativadas, mas a mudanças delas resulta na mudando do par de fases que estão conduzindo simultaneamente. Isso funciona por seis Estados, fechando um período completo, e ai, volta a se repetir, ou seja, é cíclico.

Se fosse só isso os desenhos das formas de ondas da figura ilustrativa animada estaria correto, mas ai entra a ação do PWM, que modifica tais formas. Vejamos:

O controle de velocidade em malha fechada é implementado usando um regulador PI (Proporcional Integral, ver na próxima figura), que funciona por atuar visando, sempre, a eliminação de qualquer erro entre a velocidade definida pelo potenciômetro (ω desejada) e a velocidade real do motor (ω atual).

Um erro pode acontecer, por exemplo, quando há mudança na condição do terreno por onde a e-bike será (por exemplo, mudança de terreno sem inclinação para começar um aclive). No aclive a velocidade da e-bike tende a cair e o erro (entre a ω desejada e a ω atual), pois, é a ω atual que esta a cair. Contudo, um erro pode aparecer, também, num terreno plano, pois, se o ciclista acelerar (manipulando o acelerador) é a ω desejada que está a subir.

A saída deste regulador PI altera o ciclo de trabalho do PWM, mudando assim a tensão média para o motor, e, finalmente, alterando a entrega de potência. O regulador PI ajusta a velocidade à mesma taxa que a frequência do sensor de Hall (um dos três sensores).

Como isso é feito? As tensões de fase para o motor são recortadas por ação dos pulsos do PWM, Os pulsos do PWM são multo rápidos (o PWM opera a uma frequência muito alta) de modo que, a cada intervalo (como aquele de 30° a 90°, por exemplo), muitas dezenas de recortes (pulsos do PWM) podem ocorrem. Variando-se a largura dos pulsos (ou seja, o ciclo de trabalho) do pulsos de PWM, teremos recortes mais largos ou recortes mais estreitos. Isso afeta o Valor Médio das tesões de fase que estão sendo aplicadas para o motor.

O controle de comutação trapezoidal é o mais simples (em contra ponto ao controle de comutação sinusoidal) pois ele permite que apenas uma chave MOSFET seja a responsável por aplicar os recortes (lembre-se que dissemos que as chaves MOSFETs estavam operando de par em par).

Ou seja, porque a condução é feita em série, pois, temos um MOSFET que empurra a corrente para um enrolamento de fase do motor, que está ligado pelo centro da estrela ao outro enrolamento de fase do motor, que por sua vez está ligado a um outro MOSFET que está puxando a mesma corrente, se nós aplicarmos os recortes de PWM a apenas um dos dois MOSFETs que estão em operação num dado intervalo de comutação. O segundo MOSFET (que trabalha em par com o primeiro) fica dependente do primeiro, pois ele não poderá conduzir sem que o outro também conduza.

Assim, é bastante comum a arquitetura em que a parte os MOSTETs da parte inferior da ponte recebam, apenas, pulsos que são devido aos intervalos de COMUTAÇÃO, ao passo que, os MOSFETS da parte superior da ponte recebam os pulsos de PWM, tal como o exemplo apresentado na figura a seguir:

Diagrama da Ponte de MOSFETs Trifásica do Controlador de Motor KU63 (Made in China)

Já o controle de comutação sinusoidal (ou senoidal) é mais complexo, pois, os recortes aplicados pelo PWM têm de ser controlados, de forma contínua, em todas as três fases. Isso reque comutação de PWM complementar. Com este esquema, o par de transistores MOSFET (no lado de baixo da ponte e no lado alto da ponte) estão sempre em estados de recorte opostos para cada fase do motor.

Assim, eu vou mostrar as formas de onda das correntes de fase apenas para o caso de controle de comutação trapezoidal (que é o mais simples, portanto mais barato, e é o que se aplica para os casos dos controladores para as e-bikes).

Nas formas de onda mostradas aparecem, também, os sinais aplicados à porta (gate) dos MOSFETs e, então você pode ver o efeito do PWM recortando (pulsos rápidos). Você pode ver, ainda, que, do par de fazes que conduzem simultaneamente, apenas o MOSFET ligado a uma delas esta recebendo os pulsos de recorte de PWM (formas de onda de cor verde na figura a seguir), enquanto ao outro MOSFET cabe recebe um pulso largo estável, sem os recortes de PWM (formas de onda de cor vermelha na mesma figura).

Na figura acima (Controle da Comutação Trapezoidal do Motor) temos: As três correntes de fase do motor estão, cada qual, representadas pelas formas de onda de cor azul, os respectivos pulsos de ativação dos MOSFETs, no lado alto da ponte estão em vermelho, enquanto os pulsos de ativação dos referente aos seis diferentes estados de comutação por rotação, aplicados aos MOSFETs no lado baixo da ponte estão em cor verde.

Alguém mais atento poderia, agora, indagar: Mas os degraus da comutação e os recortes de PWM não deveriam aparecer, também, nas formas de ondas das correntes de fase? (e, no entanto, vê-se que elas crescem e decresce em formas de rampas, formando figuras trapezoidais, sem degraus e sem recortes!!!)

Existe uma explicação para isso: os enrolamentos do motor são indutores (elementos que têm a propriedade de indutância) e, assim, os mesmo reagem, naturalmente, a qualquer variação brusca da corrente. Quando comutamos indutores, mesmo que a tensão sobre eles varie bruscamente, eles tendem a causar o "alisamento" da corrente (quanto maior a Constante de Tempo do indutor, mais ele alisa a corrente), de modo que as formas de ondas apresentadas são muito próximas das reais.

Os recordes acabam refletindo, sim, na inclinação das rampas, fazendo a corrente, por exemplo, crescer mais rapidamente ou mais lentamente. Deste moto, os recortes afetam a corrente média das fases, mas sem que apareçam recortes (pulsos). Vale notar que a forma de onda trapezoidal tende a não ficar muito longe da forma de onda senoidal pura. Com comutação de forma senoidal pura, o motor operaria com muito pequena trepidação, mas com a comutação trapezoidal uma trepidação ligeiramente maior é observada (mas, de qualquer modo, motores de imãs trepidam um pouco, por natureza).

Em geral, nesta aplicação (e-bikes), a operação em Malha Aberta (isto é, sem sensor ou sensorless) deve, também, estar prevista, e ser selecionada no software por padrão, porque qualquer ciclista de e-bike será capaz de controlar, também, por si só, a velocidade dela. A vantagem da comutação baseada em sensor Hall é que o algoritmo de controle é simples e fácil de entender (ao contrário da comutação senoidal).

A comutação baseada em sensor Hall também tem a vantagem de permitir controlar o motor (com bom torque) em velocidades muito baixas (coisa impraticável sem o emprego de sensores). As desvantagens, obviamente, são que a sua aplicação requer ambos, ter ao menos um trio de sensores Hall dentro da carcaça do motor e hardware adicional para realizar a interface do sensor (o que implica em custos adicionais).

Alguns produtos típicos disponíveis no mercado para a conversão de bicicletas comuns em e-bikes são controladores que podem trabalhar tanto com motores com os sensores Hall, quanto com motores sem sensores. Contudo, alguns funcionam, apenas, para motores com sensores Hall, como, por exemplo, o caso mostrado na figura abaixo, no qual a variação da velocidade deve ser provida por um acelerador (throtlte) pela variação desde 0 V até 4 V.

36V 17A 350W Silvery Electrocar Brushless Motor Controller Accessories for Electric Scooters for Electric Bicycles

Notas:

1. 1. F_CEM é um acrônimo relativo ao termo "Força Contra Eletromotriz" que é um fenômeno relativo a Física da eletricidade (ou dos fenômenos eletromagnéticos) que significa uma força eletromagnética (uma tensão elétrica) que surge sobre um elemento de circuito elétrico denominado indutor (ou elemento indutivo, cuja principal característica éopor-se a qualquer variação brusca na corrente elétrica que flui por ele), em apenas parte do seu processo operativo. Como todo elemento armazenador de energia, o processo operativo do indutor (que acumula e armazena energia em seu campo eletromagnético) envolve, sempre, duas etapas:
   • A de receber energia (etapa de carga ou de carregamento), e;
   • A de ceder energia (etapa de descarga).
   A F_CEM ocorre, somente, durante a etapa de descarga, e se manifesta na forma de uma tensão que surge repentinamente sobre o indutor, e que é sustentada pelo próprio indutor, pelo fato dele ter armazenado energia durante a etapa de carregamento, permitindo que ele opere como fonte de tensão na etapa de descarga. A tensão (F_CEM) tem a mesma intensidade, porém polaridade contrária, com relação á tensão da fonte que, antes, alimentava o indutor durante a etapa de carga, Por ter polaridade contrária, dai vem o termo Força Contra Eletromotriz. Havendo um caminho para circulação de corrente, na etapa de descarga a corrente pelo indutor fui no mesmo sentido em que fluía enquanto a fonte o alimentava (na etapa de carga), e com a mesma intensidade máxima em que ela se encontrava antes. A diferença é que, agora, é o próprio indutor que está operando como fonte de alimentação, fornecendo corrente, o que o faz ele ir se descarregando aos poucos. Assim a corrente irá decrescendo (aos poucos, pois o indutor se opõem a qualquer variação brisca da corrente), até que, com o indutor já plenamente descarregado, a corrente, em fim, cessa, desaparecendo, também, a F_CEM.
   
   
   Se você achar que precisa conhecer melhor o processo envolvendo a carga e a descarga do indutor e sobre a sua ,F_CEM consulte sobre isso nas NOTAS da postagem do artigo Máquinas Elétricas de Imãs Permanentes (Parte 1/2);                                                                                                                                                                           
2. O acrônimo PAS tem sido empregado para designar, ainda, outros significados no mundo das e-bikes. Em algum contexto PAS pode significar, por exemplo, Power Assist System, enquanto em outro pode significar, também, Pedal Assist Systems, pois, cada autor ou fabricante se apropria desse acrônimo da sua própria maneira e interesse;                                                                                                                                   
3. Em e-bikes mais antigas (primitivas) empregou-se um mais simples Sensor Indutivo, capaz de gerar pulsos (não retangulares) pela detecção da proximidade (e afastamento) do material ferroso com o qual são feitas as próprias coroas da transmissão, uma vez que elas apresentam recortes na forma de seus desenhos. Esta me parecia uma solução melhor do ponto de vista custo efetivo, pois dispensava o emprego dos imãs permanentes;                                                                                                 
4. Para entender melhor o significado de Cadência (ou taxa de pedalagem) no contexto das bicicletas, leia o artigo anterior titulado Bicicletas Elétricas (e-Bikes) e Ciclomotores Elétricos (e-Mopeds) - Parte 2/3, e faça  nele a busca por tal verbete. Alguns fabricantes de partes para e-bikes, principalmente dentro do contexto de aplicação de Motor do Cubo da Roda (Hub Motor) também costumam empregar a denominação Direct Pedal Assist Sensor (Sensor de Assistência Direta ao Pedal) ou Crank Sensor (Sensor do Pedivela) para o sensor de cadência (sensor PAS). Entretanto, a que se tomar o cuidado de observar que o empregos dessas designações estão mudando rapidamente com o tempo, de modo que, ao se falar em Direct Pedal Assist Sensor (Sensor de Assistência Direta ao Pedal) ou Crank Sensor (Sensor do Pedivela) pode se estar falando de um sensor mais complexo e completo, que integra, em si, ambas funções: sensor torque e de cadência (que é algo que vem ao encontro da real necessidade da aplicação de e-bike Pedelec);                                                                                                                                                                 
5. Porque os enrolamentos de fases dos motores são indutores (elementos que têm a propriedade de indutância) reagem, naturalmente, a qualquer variação brusca da corrente, quando comutamos indutores, mesmo que a tensão sobre eles varie bruscamente, eles tendem a causar o "alisamento" da corrente (e quanto maior for a Constante de Tempo (L / R) do indutor, mais ele alisa a corrente. Assim, a corrente, de fato, nunca permanece morta de modo estável, mas, antes, nós dizemos que ela está morta naquele intervalo de tempo em que, exatamente no meio dele, a corrente, variando de valor, passa por seu valor zero (portanto, a corrente média naquele intervalo é zero). Enquanto as tensões são comutadas com variações bruscas, as correntes crescem e decresce em formas de rampas, formando figuras trapezoidais (sem degraus, sem variações bruscas). 

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