Turbo Trainer Generator: 6 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Elektriciteit opwekken met trapkracht heeft mij altijd gefascineerd. Hier is mijn kijk erop.

Stap 1: Uniek verkoopargument

Ik gebruik een VESC6-motorcontroller en een 192KV-outrunner die als een regeneratieve rem werkt. Dit is vrij uniek aangezien pedaalgeneratoren gaan, maar er is nog een ander deel van dit project waarvan ik denk dat het nieuw is.

Bij het fietsen op de weg heb je traagheid en dit houdt de rotatie van de pedalen tijdens een omwenteling zeer constant. Turbotrainers hebben zeer weinig traagheid, dus bij het indrukken van de pedalen versnelt/vertraagt het wiel snel en dit voelt onnatuurlijk aan. Vliegwielen worden gebruikt in een poging om deze snelheidsfluctuaties glad te strijken. Om deze reden wegen hometrainers een ton.

Ik heb een alternatieve oplossing voor dit probleem bedacht. De motorcontroller is geconfigureerd om de outrunner in "constante snelheidsmodus" te laten draaien. De Arduino maakt via UART verbinding met de VESC6 en leest de motorstroom (die recht evenredig is met het wielkoppel). De Arduino past het instelpunt van het motortoerental geleidelijk aan om de traagheid en slepen te simuleren die je zou ervaren als je op een weg fietst. Het kan zelfs freewheelen van een heuvel simuleren door als motor te werken om het wiel draaiende te houden.

Het werkt uitstekend, zoals blijkt uit de bovenstaande grafiek die het motortoerental laat zien. Ik stopte net voor 2105 seconden met fietsen. Je kunt zien dat in de komende 8 seconden de wielsnelheid geleidelijk afneemt, net zoals het zou zijn als je zou stoppen met trappen op een lichte helling.

Er zijn nog steeds zeer kleine snelheidsvariaties met de pedaalslagen. Maar ook dat is levensecht en correct gesimuleerd.

Stap 2: Uitgangsvermogen testen

Fietsen is de meest effectieve manier om mechanisch werk te doen. Ik heb de VESC-tool gebruikt om het realtime vermogen te meten. Ik heb de meetwaarden op nul gezet voordat ik precies 2 minuten fietste. Ik trapte met een intensiteit die ik denk dat ik ongeveer 30 minuten had kunnen volhouden.

Na 2 minuten zie je dat ik 6,15 Wh heb geproduceerd. Dat komt overeen met een gemiddeld uitgangsvermogen van 185 W. Ik denk dat dat redelijk goed is gezien de verliezen die ermee gemoeid zijn.

U kunt de motorstromen in de bovenstaande grafiek zien. Ze worden snel aangepast door de VESC6 om een constant motortoerental te behouden, ondanks het fluctuerende koppel dat wordt uitgeoefend door het trappen.

Wanneer het trappen stopt, begint de motor een klein beetje kracht te verbruiken om het wiel draaiende te houden. Tenminste totdat de Arduino merkt dat je niet trapt en de motor helemaal stopt. De batterijstroom lijkt net voor het uitschakelen bijna nul te zijn, dus het vermogen moet maximaal een paar watt zijn om het wiel daadwerkelijk actief te laten draaien.

Stap 3: Kijken naar de efficiëntie

Het gebruik van de VESC6 verbetert de efficiëntie enorm. Het zet het wisselstroomvermogen van de motor aanzienlijk beter om in gelijkstroom dan een volledige bruggelijkrichter. Ik denk dat het meer dan 95% efficiënt is.

De frictieaandrijving is waarschijnlijk het zwakke punt wat betreft efficiëntie. Na 5 minuten fietsen heb ik wat warmtebeelden gemaakt.

De motor kwam tot ongeveer 45 graden Celsius in een ruimte van 10 graden. De fietsband zou ook warmte hebben afgevoerd. Riemaangedreven systemen zouden in dit opzicht beter presteren dan deze turbogenerator.

Ik deed een tweede test van 10 minuten die gemiddeld 180 W bedroeg. Hierna was de motor lange tijd te heet om aan te raken. Waarschijnlijk rond de 60 graden. En sommige bouten door het 3D-geprinte plastic waren losgedraaid! Er was ook een dunne film van rood rubberstof op de omringende vloer. Wrijvingsaandrijfsystemen zuigen!

Stap 4: Inertie en slepen simuleren

De software is vrij eenvoudig en staat hier op GitHub. De algemene functie wordt bepaald door deze regel:

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

Dit past stapsgewijs het volgende RPM-instelpunt (dwz onze snelheid) aan op basis van de gesimuleerde uitgeoefende kracht. Aangezien dit 25 keer per seconde wordt uitgevoerd, integreert het de kracht in de loop van de tijd effectief. De totale kracht wordt als volgt gesimuleerd:

Kracht = Pedal_Force - Laminar_Drag - Turbulent_Drag - Gradient_Force

Rolweerstand is in wezen inbegrepen in de term gradiënt.

Stap 5: Een paar andere saaie punten

Ik moest de PID-snelheidsregelingsparameters van de VESC aanpassen om betere RPM-houdingen te krijgen. Dat was gemakkelijk genoeg.

Stap 6: Wat ik heb geleerd

Ik heb geleerd dat frictie-aandrijfmechanismen zuigen. Na slechts 20 minuten fietsen zie ik zichtbare bandenslijtage en rubberstof. Ze zijn ook inefficiënt. De rest van het systeem werkt een droom. Ik denk dat een riemaangedreven generator een extra efficiëntie van 10-20% kan krijgen, vooral bij hogere RPM's. Hogere RPM's zouden de motorstromen verminderen en hogere spanningen produceren, waarvan ik denk dat het in dit geval de efficiëntie zou verbeteren.

Ik heb niet genoeg ruimte in mijn huis om een pinautomaat met riemaandrijving op te zetten.