Maker Fair Kyotoに出展が決まりました。
eカートのモーター制御について
eカートの最も重要なパーツであり、心臓部であるモーターコントローラーについて解説する。
eカートのモーターを制御しているモーターコントローラーはAmazonhttps://amzn.asia/d/2spl9cvで手に入る中国製の製品で、似たようなコントローラーは数多くある。この製品はLCD付きで２4V/36Vに対応する350wのタイプである。左右のモーター用に２つのコントローラーを購入した。LCDは１つあればよいが、配線が同じものであることと、予備である(実はLCDを１つ短絡して壊してしまった)。
おそらくどの製品も簡素な説明資料があるだけで、使い方はネット(動画含む)で情報を集めて試行錯誤を重ねる必要がある。
幸いにもこのコントローラーのLCDディスプレイの機能説明資料がネットhttps://m.ja.aliexpress.com/item/4000319520169.html?gatewayAdapt=gloPc2jpnMsite(中ほどのView Allの中にLCDの詳細情報がある)で入手できたので、ほとんどの機能が理解できた。
一般的な用途は普通の自転車を電動化するものであるが、値段の割にかなり多機能なものとなっており、十分リーズナブルな製品である。
モーターコントローラー自体の配線によって機能を有効化・無効化したり、LCDにより詳細な設定を保存できたりする。
ここでは、使っている機能について解説し、raspberry pi picoを使用して制御をカスタマイズする方法について述べる。
モータードライバーの機能
配線方法
配線により有効化できる機能は以下の通り
- イグニッション
常にオンの状態にしている。
- スロットル
ハンドルバーに接続し、ハンドルバーを握ることにより、小から大となる信号をスロットルへ送る。
- (リバース)
説明書と実機とのバージョンが違うのか、本体にリバースの配線はなかった。但し、モーター位相認識の配線で反転設定することはできる。
- 低電位ブレーキ信号
今のところ使っていない。積極的なブレーキではなくスロットルを無効化する機能と理解。
- ブレーキ信号
スロットルと逆向きの信号を送る。ハンドルバーを離した状態で信号がMaxになるよう設定している。
- モーター位相認識
オス-メスのコネクターを繋いで電源を入れると定速度でモーターが回る。回転方向を変えたい場合は電源を入れた状態で接続を解除する。更に電源を入れ直すと反転する。
- 外部電源
バッテリーの電源そのものの外部出力端子。充電もこの端子で行う。２つのモーターコントローラーがあるので、１つはUSB出力に、もう一つは充電ポートに接続している。
LCDディスプレイ
モータードライバー単体では制御できる機能は限られているが、LCDディスプレイを使うことで、様々な機能が使える。
全ての機能を問題なく使えるわけではないが、LCDディスプレイで制御できる機能は以下の通り。
- 速度表示、電源インジケーター、障害表示、総走行距離(ODO)、単一走行距離
- 電源・モードボタン
長押しで電源on/off。短押しでモード切り替え。設定時はパラメタ(P01〜P22)切り替え。
- ギア・設定アップ、ダウンボタン
通常はギアのアップダウン。アップ、ダウン両方のボタンを長押しすることで、設定モードに切り替わる。設定モードでは、設定値のアップダウンを行う。
- パスワードを設定する。
電源ボタンとアップボタンを同時に押すことでパスワード設定モードになる。パスワードは4文字の数字。
以下、パラメタ設定。
- P01 バックライトの明るさを設定する。
バックライトの明るさを設定する。1は最も暗く、3は最も明るい。
| 値 |
バックライト明るさ |
| 3 |
最も明るい設定とする。 |
- P02 マイルまたはメートルを設定する。
0はkm/h、1はマイルを意味する。
- P03 バッテリー電圧を設定する。
24/36/48/60v。
| 値 |
バッテリー電圧 |
| 24 |
24vに設定する。※現状のバッテリーの公称電圧は25.2vとなっているが、満充電時にはLCD上で28v以上になるので、充電ゲージがなかなか減らない状態となっている(逆に36vにすると常にエンプティとなる)。このため、バッテリーの減りは電圧で確認している。 |
- P04 自動スリープ時間を設定する。
0はスリープしない。1-60 スリープ時間 デフォルト設定 10分
- P05 ギアを設定する。
0は0-3ギア、1は0-5ギア、2は0-9ギア、3は0-4ギア、4は0-6ギア
| 値 |
ギア |
| 1 |
0-5とする。5段階の場合、通常は3で、少しパワーが必要なときに4とする。4と5にほとんど差はないため、5はほとんど使わない。 |
- P06 リムサイズを設定する。
インチで指定する。精度0.1インチ。スコープ5-50。既定値は26インチ。
| 値 |
リムサイズ |
| 6.5 |
自転車であればリムの規格で決まっているが、使用しているタイヤはリムがないため、メーカー外寸表記の6.5インチとする。 |
- P07 モーター磁極数比。
磁性鋼の数と減速比をかけた数となる。数字が大きくなるほど低速になる。
| 値 |
モーター磁極数 |
| 5 |
実際の速度(iPhoneメーターアプリ)に合わせて比率を決めている。 |
要はリムサイズと合わせて速度の基準となる。P18の速度表示比で更に調整する。
- P08 制限速度値を設定する。
速度が設定値まで上がると出力を停止し、設定値より下がると出力を再開する。
| 値 |
制限速度 |
| 100 |
説明書きでは最高速度の設定と読み取れるが、出力のパーセンテージのような動作となる。低いギアで最高速度に達しないときでも速度が低くなる。制限はしない。 |
- P09 スタートモードを設定する。
0はゼロスタート、1はノンゼロスタート。スロットルは、時速6kmまで押すことで働く。
- P10 ランニングモードを設定する。
0はペダルのみ、スロットルなし。1はスロットルのみ、ペダルなし。2はミックス。ペダルとスロットルの両方が機能する。
- P11 ペダルスタート感度を設定する。スコープ1-24。
1は最も敏感。24 は最も鈍感。
| 値 |
ペダルスタート感度 |
| 1 |
ペダルモードは使用しないため、既定値のまま。 |
- P12 ペダルスタート強度を設定する。スコープ1-24。
1は最も弱い。5は最も強い。
| 値 |
ペダルスタート強度 |
| 5 |
ペダルモードは使用しないため、既定値のまま。 |
- P13 パスセンサータイプを設定する。
5/6/8/10/12
| 値 |
パスセンサータイプ |
| 6 |
PASセンサーは使用しないため、既定値のまま。 |
- P14 コントローラ電流制限。
この値<バッテリー最大放電電流である。デフォルト設定は12A。
| 値 |
バッテリー電流制限 |
| 12 |
29V(多めに見積)×12A=348Wで計算。 |
- P15 コントローラ低電圧保護を設定する。スコープは設定値+/-6vで、これよりも低いと出力が止まる。
| 値 |
バッテリー最低電圧調整 |
| 19 |
最低電圧 |
| ※20Vまで電圧が落ちると充電することにしている。 |
|
| 値 |
オートクルーズ設定 |
| 0 |
オートクルーズは設定解除が直感的にできないし、手を離したときに制御が効かないため使用しない。 |
- P18 速度表示比を設定する。
スコープ50%-150%。P06のリムサイズとP07のモーター磁極数比の組み合わせによる速度表示をより正確に調整する。
- P19 ギア、または異なるプログラム用を設定する。 |
0はギア。1はギアではない。
- P20 通信プロトコル タイプを設定する。
0はnumber 2通信プロトコル
1は5sプロトコル
2/3 はスタンバイ。デフォルト設定は0
プログラムを知っている人以外は変更しない。
- P21 スロットルギアを設定する。
0は計器制御スロットルギア。1はフルスロットル、ギア差別なし。
- P22 E-ABSを設定する。
0はE-ABSブレーキなし。1はブレーキ電源OFF時にE-ABS回生制動
※この機能の詳細情報はないため実機確認した範囲だが、坂道を下る際にバッテリーの値がわずかながら増えるところを見ると、確かに回生していると思われる。
raspberry pi pico によるカスタマイズ
やっと、ソフトウェアの登場である。
カスタマイズによる動作イメージ
-
急発進防止
スロットルバーの握り加減がわからず、急激に握ったりすると強力なモーターにより、（ウィリーのような）思わぬ動作をしてしまい、危険である。
急激な操作を抑止するため、マイコン(raspberry pi pico)で速度制御する。
-
緊急停止（未着手）
危険なときにはとにかく止まるようにしたい。以下は案である。
・キルスイッチ的なもの
・一定距離離れると止まる
・音声認識により声で止める
・画像認識による自動ブレーキ
-
楽々小回り（未着手）
左右のモーターを別々に制御して楽に旋回できるようにする。
接続方法
- 図
- 説明
一つのスロットルの入力(アナログ入力:ADC0)に２つのモーター(PWM出力:GPIO0,1)が対応している。2つのモーターに出力差がある場合でも調整が可能となるように、それぞれのモーターに独立した出力を設定した。
ソース
- 急発進防止
このプログラムは、スロットルセンサーの値を読み取り、急な操作があった場合に緩やかに加速するように制御する。具体的には、前回の読み取り値との差分が一定以上ある場合には、直前の値に戻して急な操作をキャンセルし、それ以外の場合にはスロットルセンサーの値をそのままPWMのデューティー比に反映する。
また、スロットルセンサーの値が一定の範囲を超えた場合には、それぞれ上限値と下限値に制限します。上限値は65535、下限値は18000としていますが、必要に応じて変更することができる。
さらに、急な操作をキャンセルするための閾値（diff_limit）や、緩やかに加速するための時間差（diff_term）も調整可能である。
from machine import Pin, PWM
import machine
import utime
pwm_l = PWM(Pin(0))
pwm_r = PWM(Pin(1))
pwm_l.freq(10000)
pwm_r.freq(10000)
sensor_throttle = machine.ADC(0)
before_read = sensor_throttle.read_u16()
diff_term = 0.1
diff_limit = 10000
low_limit = 18000
high_limit = 65535
limit_over = False
while True:
reading = sensor_throttle.read_u16()
if reading > high_limit:
reading = high_limit
if limit_over:
if reading < low_limit:
limit_over = False
print("limit off")
reading = before_read
else:
if reading > before_read:
if reading - before_read > diff_limit:
limit_over = True
print("limit over")
else:
pwm_l.duty_u16(int(reading))
pwm_r.duty_u16(int(reading))
else:
pwm_l.duty_u16(int(reading))
pwm_r.duty_u16(int(reading))
print(str(before_read) + " " + str(reading) + " " + str(limit_over))
before_read = reading
utime.sleep(diff_term)
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