Estudo e implementação de técnicas de controlo para um motor BLDC de uma bicicleta elétrica

Abstract

Desde os tempos remotos da sua história o homem sentiu necessidade de desenvolver e aperfeiçoar meios de transporte para uma maior segurança, conforto e diminuição do tempo de viagem. No entanto, esta evolução levou a que os mesmos se tornassem nas maiores fontes de libertação de poluentes atmosféricos que, por conseguinte, causam o aquecimento global. Nas grandes metrópoles dos países desenvolvidos, medidas têm vindo a ser implementadas de modo a reduzir tanto o número de veículos que nelas circulam assim como o grau de poluição que esses meios acarretam para o ambiente. Deste modo, a necessidade de criar uma alternativa séria, que vise substituir os veículos movidos a combustíveis fósseis, e viável a curto prazo, torna-se mais evidente. No Grupo de Eletrónica de Potência e Energia (GEPE) da Universidade do Minho, tem-se apostado no programa da mobilidade elétrica, e é nesse âmbito que foi proposto o desenvolvimento de uma bicicleta elétrica que tenha várias funcionalidades de acordo com o desejo do utilizador. Nesta Dissertação de Mestrado, foram estudados o motor de corrente contínua (CC) e o motor Brushless Direct Current (BLDC), as duas soluções mais utilizadas no mercado para aplicações de bicicletas elétricas, concluindo-se que o motor BLDC apresenta mais vantagens em relação àquilo que é o conceito de bicicleta elétrica. No que diz respeito às simulações computacionais, estas permitiram a validação dos algoritmos propostos e estudar o comportamento do motor BLDC sob diferentes condições e parâmetros. Com esse objetivo, foram simulados controlos de velocidade, binário e métodos de travagem regenerativa, assim como sistemas de proteção da bateria elétrica. Relativamente à implementação, foi desenvolvido hardware que visou a validação dos algoritmos que foram propostos e simulados nesta Dissertação de Mestrado, sendo que ficou comprovado com sucesso, através de resultados experimentais presentes neste documento, o controlo de binário e método travagem regenerativa propostos.

Since ancient times in its history the man felt the need to develop and improve transport for greater safety, comfort and reduced travel time. However, this development led to the same becoming the largest source of release of pollutants, consequently causing global warming. In the large cities of developed countries, measures have been implemented in order to reduce the number of vehicles circulating in them and the degree of pollution that these means entail for the environment. Thus, the need to create a serious alternative, which aims to replace vehicles powered by fossil fuels, and feasible in the short term, becomes more evident. In the Group of Energy and Power Electronics (GEPE) of the University of Minho, research has been done in the electric mobility program, and in this context it was proposed the development of an electric bicycle that has several features according to the desire of the user. In the scope of this Master Thesis, the direct current (DC) motor and the Brushless DC (BLDC) motor were studied, being the most attractive solutions for electric bicycle applications. It was concluded that the BLDC motor is advantageous over the DC motor in the referred context. Concerning the computational simulations, these ones allowed the proposed algorithms validation and the study of the BLDC motor under different parameters and operating conditions. With this purpose, speed control, torque control and regenerative braking systems were simulated, as well as protection circuits for the electric battery. Regarding the implementation, hardware was developed that validated the proposed and simulated algorithms for this Master Thesis work. The proposed torque control and regenerative braking system were successfully validated through experimental results presented in this document.