Elektrikli bisikletler için akıllı güç destek ünitesi tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of intelligent power assist unit for electric bikes
Yazar: OKAN UYAR
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÇUNKAŞ
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Pedelec olarak da isimlendirilen elektrik destekli bisikletler, engebeli yollarda daha rahat sürüş sağlama, hedefe daha kısa sürede ulaşma ve daha az yorularak daha uzun mesafeler kat edebilme bakımından standart bisikletlere göre avantajlara sahiptir. Ayrıca daha düşük batarya ve motor gereksinimi, bisiklet sürme zevkinin alınabilmesi ve egzersiz amacını yerine getirebilmesi açısından üstünlükleri bulunmaktadır.
Bu çalışmada Fırçasız Doğru Akım Motoru (BLDC) destekli bir elektrikli bisiklet (pedelec, ebisiklet) için mekanik sistem ve kontrol birimi tasarlanmış ve pratik uygulaması gerçekleştirilmiştir. Sistemde birçok noktadan sensörlerle bilgi toplayan bir yapı tasarlanmıştır.
Modüler olarak tasarlanan kontrol sisteminde pedala uygulanan kuvvet yük hücresi (loadcell) ile ölçülüp kızılötesi iletişim ile merkezi işlemciye iletilmektedir. Pedal miline ayrıca yerleştirilmiş bir sensör ile mildeki toplam tork ve mil hızı ölçülerek seri iletişim protokolü ile merkezi işlemciye veri aktarılmaktadır. Mikro elektromekanik sistem (MEMS) tabanlı ivme sensörü ile bisikletin anlık eğimi ölçülmektedir. Aynı modüldeki ultrasonik mesafe sensörü yardımıyla bisikletin yer ile arasındaki mesafe ölçülerek bilgiler seri iletişimle ana işlemciye gönderilmektedir. Bir diğer modülde de batarya akım, gerilim ve sıcaklık ölçülerek bu veriler ve şarj durumu bilgisi ana işlemciye yine seri olarak iletilmektedir. Ana işlemcide LCD ekranlı bilgilendirme ara yüzü, arka tekere bağlı enkoder yardımıyla bisiklet hızının ölçümü, dijital analog dönüştürücü vasıtasıyla motor sürücüye kontrol sinyali gönderip BLDC motorun istenen hızda sürülmesi, diğer modüllerden gelen verilerin toplanması ve kontrol algoritmalarının yürütülmesi işlemleri yapılmaktadır.
Sistemin Simulink ortamında modellenmesi için motor ve mekanik sistemin matematiksel modeli analitik olarak elde edilmiştir. Parametrelerin doğru olarak tespit edilmesi ve modelin basitleştirilmesi için veri temelli sistem tanıma (system identification) ile de sistemin transfer fonksiyonu elde edilmiş ve kontrol algoritmaları öncelikle bu model üzerinde test edilerek gerçek ortama aktarılmıştır. Sistem kontrolü için klasik PI, Bulanık+PI ve Hibrit Bulanık algoritmaları simülasyon üzerinde test edilmiştir. Klasik PI, Bulanık+PI algoritmaları ayrıca gerçek sistem üzerinde de test edilmiştir. Denemeler sonucunda Hibrit Bulanık algoritmasının diğerlerinden daha iyi sonuç verdiği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Electric powered bicycles, also called Pedelec, have advantages over standard bikes in terms of providing more comfortable driving on rugged roads, reaching the target in a shorter time and being able to travel longer distances with less fatigue. Compared to standard electric bicycles, they have lower battery and motor requirements, enjoy the pleasure of cycling and have the advantage of fulfilling the exercise purpose.
In this study, a mechanical system and control unit was designed and applied for an electric bicycle (pedelec, e-bike) assisted by Brushless Direct Current Motor (BLDC). In the implemented system, a structure that collects information with sensors from many nodes is designed.
In the modular control system, the force applied to the pedal is measured by the load cell and transmitted to the central processor via infrared communication. The total torque on the axle and its speed were measured by a sensor placed on the pedal shaft and transmitted to the central processor via serial communication protocol. The instantaneous inclination of the bicycle was measured with microelectromechanical system (MEMS) based acceleration sensor. The distance between the bike and the ground was measured by the ultrasonic distance sensor and this information was sent to the main processor via serial communication in same module. In another module, the current, voltage and temperature of the battery are measured and these data and state of charge information are transmitted to the main processor in series. In the main processor, information interface with LCD screen, measurement of bicycle speed by means of encoder connected to the rear wheel, sending control signal to motor driver via digital analog converter for driving BLDC motor at desired speed, collecting data from other modules and executing control algorithms were performed.
In order to model the system in Simulink environment, the mathematical model of the motor and mechanical system was obtained analytically. In order to determine the parameters correctly and simplify the model, the transfer function of the system has been obtained with data-based system identification and control algorithms have been first tested on this model and transferred to the real environment. For system control, classical PI, Fuzzy + PI and Hybrid Fuzzy algorithms were tested on simulation. Classical PI, Fuzzy + PI algorithms were also tested on real system. As a result of the experiments, it has been observed that Hybrid Fuzzy algorithm gives better results than others.