Cadeira de rodas motorizada

A ideia é simples, transformar uma cadeira de rodas comum em uma cadeira de rodas motorizada gastando o mínimo possível.
Já havia comentado sobre este projeto no Projeto bicicleta motorizada. Hoje vou tentar detalha-lo mais.

Mecânica

Foi utilizada uma cadeira de rodas parecido com esta abaixo.

A ideia para fazer isso funcionar era utilizar um motor com redução para cada roda, uma bateria de carro (ou de gel) e um joystick de fliperama. Com um motor em cada a roda a cadeira poderia girar em seu próprio eixo se seus motores funcionarem em sentidos contrários e se movimentar para frente e para trás funcionarem no mesmo sentido.

Aqui são poucos passos, mas não se enganem, a parte de montagem é a mais trabalhosa.

Depois de quebrar muita cabeça a cadeira ficou assim.

A relação de redução motor/roda foi de aprox. 4:1 (Essa relação de redução detonou o projeto). Foi escolhida essa relação de redução pela facilidade de adaptação e o baixo custo, afinal só foi necessária poucas adaptações na cadeira. Uma coroa de bicicleta na roda da cadeira e uma peça semelhante a peça do Projeto bicicleta motorizada.

O motor escolhido foi o motor de ventoinha de carro pelo baixo custo. 

A corrente é uma corrente comum de bicicleta. 

O braço direto da cadeira abriga o joystick. 

Foi soldado a cadeira suportes para segurar os motores e a bateria.

Eletrônica

Para criar o diagrama, foi utilizado os conceitos de eletrônica digital.
A primeira coisa a fazer é definir as entradas e saídas do sistema, tabela verdade, mapa de carnot e desenhar o diagrama com as portas lógicas.
O joystick possui quatro saídas que são colocadas em nível alto conforme a posição da manopla, esquerda,direita,frente e ré. O sistema também possui quatro saídas, duas saídas para cada motor. Para cada posicionamento da manopla há uma saída específica.
Exemplo Entrada: Frente. Saída:1010 isto é (+motor1-)(+motor2-).

Obs. Importante: É possível utilizar microcontroladores para fazer a parte lógica do circuito, contudo não acho recomendável. Sempre que for possível utilize a eletrônica analógica ou portas lógicas para solucionar os problemas. Os microcontroladores são muito mais sensíveis a variações de tenção e corrente,são mais difíceis de realizar manutenções e encarecem o projeto.

Depois que o diagrama está feito veja se não é possível simplificar mais.
Nesse caso foi possível. Como o diagrama só possuía portas OR, substitui os CIs por diodos o que torna o circuito muito mais simples, fácil manutenção e confiável, uma vez que o diodo consegue suportar um range maior de tenção e corrente.
O diodo usado foi o 1N4001 que é bastante comum. (50V 1A Datasheet)
Para fazer a comutação de corrente nos motores foi escolhido relês de potência comuns, 12V 30A, encontrado aos montes em ferro-velho.
O esquema ficou assim:

Ps: Esqueci de colocar o disjuntor no diagrama. Coloquei um de 30A na saída de um dos conectores da bateria. A amperagem do disjuntor pode variar muito.

Conclusões

Este projeto ainda não está concluído. Ele apresentou alguns defeitos.
A bateria se descarrega muito rápido, em alguns minutos ela descarregar completamente.
O motor esquenta muito e muito rápido.
A vida útil da bateria é muito curto. A bateria usada foi de carro, esse tipo de bateria não foi feita para descargas profundas.
Acredito que a solução desses problemas esteja na escolha correta da redução.
Se você estiver fazendo um projeto parecido, por favor compartilhe o desenvolvimento do seu projeto comigo. Meu email é felipebrasil93@gmail.com

Dimensionamento da redução

        Por coincidência, encontrei um motor bem parecido esteticamente com o que possuo.

Clique aqui para visualizar o catálogo de motores elétricos da bosh.

Dimensionamento da redução

Dados:

• Considerando que o motor que eu tenha  seja esse;
• Pneu da bike tem 64 cm diâmetro;
• Perímetro da roda = 2*Pi*R = 2*Pi*0,64/2 = 2,01 metros ou aproximado 2 metros;
• Peso da bike mais bateria, controlador, motor e eu 100 Kg;
• Redução 1,5:1 (do motor á roda);
• Força de atrito Fa=15N.

          Para calcular a força de atrito, fiz um experimento simples: Pedalei até chegar a uma velocidade de 5 km/h e contei o tempo que ela demorava para parar. Ela demorou cerca de 7,5 segundos e meio em uma pista quase sem inclinações.

• 5 km/h = 5/3,6 = 1,4 m/s
• A=V/T => A=1,4/7,5 => Aceleração= 0,18 m/s²
• F=m*a => F=80*0,18 = 15N

Obs: 80 kg é o peso aproximado da bike com eu em cima.

Vamos calcular: 

           Velocidade final:

• Peso 80 Kg (Bike e eu) + Peso 20 Kg (Baterias, controlador e motor) =100Kg

Obs: Força de atrito é proporcional a força normal e há também a força de atrito gerada pelo vento que vai ser proporcional a velocidade, então a Fa será maior que 15N, contudo, como estamos querendo apenas fazer uma aproximação, vamos utilizar 15N.

• A força na roda vai ser igual a força de atrito na velocidade máxima.
• Torque na roda => T=d*F => T=15*0,32(raio da roda) = 4,8 Nm
• 4,8/1,5(redução)=3,2 Nm
• 3,2 Nm = 320 Ncm

               Isso significa que o motor estará com uma rotação de 800 RPM. Na roda a rotação vai ser: 800/1,5 = 533 RPM. 533*2(Perímetro da roda) = 1066 m/min ou 64 Km/h.

           Aceleração inicial:

• Torque do motor(Tm) a 0 RPM = 355 Ncm
• Ta=320 Ncm
• Toque do sistema = Tm-Ta = 35 Ncm
• 35*1,5(redução) = 52 Ncm
• Torque na roda = 0,52 Nm
• T=F*d => 0,52=F*0,32 = 1,7 N
• F=m*a => 1,7=100*a => a=0,017 m/s²

               É importante lembrar que a curva de aceleração e velocidade são curvas exponencial, portanto a velocidade máxima nunca será atingida.

               Corrente do motor:

               Bom pelo gráfico podemos ver que a rotação vai passar de 0 a 800 RPM, então a corrente irá variar ,aproximadamente, de 70A no início a 47A quando atingi-se a velocidade final. Com uma corrente tão alta, o motor iria super aquecer e queimar, isso sem contar que o motor vai perdendo força a media que esquenta.

           

             Solução:

            Para que seja prolongada a vida útil do motor e das baterias, é preciso uma redução que faça o motor trabalhar perto da faixa de rotação e torque nominal. Pensando nisso, o ideal seria colocar uma redução de 11:1. Assim o torque inicial será mais forte e o motor vai passar menos tempo consumindo essa corrente absurda

           Velocidade final:

• Torque na roda => T=d*F => T=15*0,32(raio da roda) = 4,8 Nm
• 4,8/11(redução)=0,44 Nm
• 0,44 Nm = 44 Ncm
• Torque nominal = 75 Ncm

          Quando o motor atingir a velocidade máxima, a rotação na roda vai ser: 2655/11 =  240RPM. 240*2(Perímetro da roda) = 480 m/min ou 28,8 Km/h.

           Aceleração inicial:

• Torque do motor(Tm) a 0 RPM = 355 Ncm
• Ta=44 Ncm
• Toque do sistema = Tm-Ta = 311 Ncm
• 311*11(redução) = 3421 Ncm
• Torque na roda = 34,21 Nm
• T=F*d => 34,21=F*0,32 = 107 N
• F=m*a => 107=100*a => a=1 m/s²

               Ou seja, ao final do primeiro minuto, a velocidade será quase igual a velocidade máxima. 

               Corrente do motor:

               A rotação vai passar de 0 a 2655 RPM rapidamente, por conta do torque, então o motor passará pouco tempo consumindo 70A. Apesar disso, o valor inicial da corrente ainda é alto, portanto é necessário que o controlador controle a potência do motor de forma que a corrente não ultrapasse um valor máximo. Esse valor máximo é o limite de corrente que o conjunto baterias pode fornecer.

Quanto mais elevada for a corrente de descarga da bateria, mais rápida será a de deterioração e a desagregação do material ativo das placas dos elementos. Por exemplo, uma bateria descarregada em regime de 30 minutos dura aproximadamente 70% de uma bateria similar descarregada em regime de cinco horas.

Osciloscópio para PC

A ideia é usar o conversor A/D da placa de som para visualizar o sinal.

É mais uma gambiarra, mas funciona.

Link -> http://www.eletromaniacos.com/modules.php?name=News&file=article&sid=70

Meu teste:

Como eu não quero arriscar minha placa, fiz uma modificação no circuito reduzir mais a tensão.

Resistor de 1K Ohm, Diodo PH4148 e obtive uma dedução de 1:0,05

A tensão fica um pouco imprecisa, mas da pra quebrar um galho.

Software -> http://www.zelscope.com/

Dimensionamento do conjunto de baterias

Tipo:

              Para definir o tipo da bateria se deve levar em conta, em primeiro lugar, a aplicação em que a mesma será utilizada. No caso do meu projeto é uma aplicação de ciclagem, onde a bateria está submetida, com alguma frequência, a ciclos de carga e descarga. Dentro desse grupo, existem as bateria tracionárias, utilizadas em tração elétrica (empilhadeiras elétricas, carros elétricos, etc.) e estacionárias, utilizadas para armazenar energia não convencional (energia solar ou eólica). Uma das principais diferenças entre as duas é a resistência à vibração.

Obs: Baterias automotivas, chumbo ácido, não servem para tal função, pois são projetadas para utilização em sistemas de ignição de veículos automotores. Esta condição lhe impõe descargas elevadas de corrente em períodos de tempo da ordem de 10 a 20 segundos. Elas não ser descarregadas mais que 5% de sua capacidade total. Uma descarga profunda pode danificar rapidamente este tipo de bateria. Há também baterias de íon-lítio que, sem dúvida, são as melhores, pois possuem uma grande capacidade de armazenamento, são muito leves e suportam mais ciclos, contudo o seu preço ainda é muito alto. 

Capacidade nominal (Ah):

              É a capacidade definida em condições estabelecidas de temperatura ambiente, duração de descarga e tensão final. O valor de capacidade está indicado em Ah(amperes hora) referido a uma duração de descarga. Ex:100Ah em 10hs. Esse valor indica o valor total da corrente que a bateria ira fornecer em um determinado tempo.
              Para calcular a capacidade para um determinado sistema, deve-se consultar as tabelas ou curvas de descargas oferecidas pelos fabricantes para determinar o tempo durante o qual se pode obter a corrente requerida, pois uma bateria tende a uma capacidade diferente da capacidade nominal se o regime da corrente de descarga escolhido não for o nominal. Para calcular com a corrente de descarga nominal, faça o seguinte calculo:

• Capacidade Nominal (Ah)

• Corrente Nominal (I)

• Tempo de descarga (T)

• Ah = I*T

• Ex: Bateria de 33Ah conectada a uma carga com corrente constante de 6A => 33/6 = 5,5h OU 5:30h para uma descarga total.

Fatores que diminuem o tempo de vida da bateria:

      1.  Profundidade de Descarga

              Quanto maior for a profundidade de descarga da bateria, maior será a quantidade de deterioração e desagregação do material ativo das placas dos elementos. Uma descarga mais profunda resulta também em uma corrente proporcionalmente maior do carregador, que resulte por sua vez em sobrecarregar e que resulte por sua vez em sobrecarregar e em uma corrosão mais severa da placa positiva. No geral, quanto mais profunda a descarga, mais baixo o número dos ciclos que uma bateria pode atender. Por exemplo, na profundidade de 50% da descarga, uma bateria tracionária pode dar aproximadamente 2000 ciclos, mas na profundidade de 80% da descarga, somente 1500 ciclos podem se esperar.

      2.  Corrente de Descarga

              Quanto mais elevada for a corrente de descarga da bateria, maior será a quantidade de deterioração e desagregação do material ativo das placas dos elementos. Por exemplo, uma bateria descarregada em regime de 30 minutos dura aproximadamente 70% de uma bateria similar descarregada em regime de cinco horas. A corrente de descarga aplicada para cada regime de operação não deve ultrapassar os valores especificados pelo fabricante, o não cumprimento causará redução do tempo de vida da bateria.

      3.  Corrente de Recarga

              Quando o valor da corrente é mais elevado, a temperatura do eletrólito aumentará, ocasionando  corrosão e desagregação do material ativo das placas positivas. Estes fatores encurtarão basicamente a vida útil da bateria. As baterias devem ser recarregadas com 10% a mais dos ampere-hora consumido durante o ciclo de descarga. A corrente inicial deve ser entre 18 a 20% da capacidade nominal da bateria, sendomelhor aplicada quando a bateria estiver com temperatura abaixo de 35ºC. A corrente final deve ser entre 3 a 5% da capacidade nominal da bateria, dependendo do tempo de vida da bateria, sendo melhor aplicada quando a bateria estiver com temperatura abaixo de 35ºC.

      4.  Temperatura de operação

              A temperatura pode influenciar tanto no rendimento como na vida útil da bateria. Consulte o manual do fabricante para saber a temperatura de operação.

Pratica:

              Bom, no meu projeto, a corrente do sistema irá variar, com auxílio do controlador, de 40A a 10A, porem, em média, a corrente ficar em torno de 25A. Como não pretendo gastar muito nesse projeto, vou escolher baterias de gel. Baterias de gel não são tão apropriada para esse tipo de aplicação, pois não possuem boa resistência à vibrações e operam com correntes de carga e descarga menores que as tracionárias, mas possuí um ótimo custo-benefício para pequenos projetos.
http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-482834783-bateria-gel-vrla-33ah12v-no-break-sistemas-d-seguranca-etc-_JM

              Com duas baterias dessa em paralelo e considerando que a profundidade da descarga seja de 70%, a autonomia da bike será de, aproximadamente:

Obs: Como foi dito acima, 33Ah é a capacidade nominal. Como a corrente de operação de cada bateria será  em torno de 10A, essa capacidade irá diminuir. Não levei isso em conta no calculo a seguir, pois não encontrei o datasheet dela na internet.

• Capacidade: 66*0,7= 46,2 Ah ou aprox. 45 Ah
• C=I*t => 45Ah = 25A * t => t= 1,8h ou aprox. 1 hora e 50 minutos.
• Considerando que a velocidade média da bike será de 20 Km/h, ela percorrerá cerca de 36 Km.
• Peso do conjunto de baterias = 26 Kg
• Preço do conjunto = 400,00R$

              Outra opção seria comprar bateria 14 baterias UP1270 com um total de 392,00R$ e coloca-las em paralelo. Peso do conjunto de baterias 30Kg.

http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-485648938-bateria-7ah12v-alarme-brinquedo-cerca-eletrica-nobreak-_JM

              Dessa forma ficaria: 20A/14 = 1,4A por bateria. Segundo o datasheet dela, com uma corrente de descarga de 1A a capacidade diminui para 5,3 Ah.

• 5,3*14 = 74 Ah
• Profundidade da descarga até 70% => 74*0,7 = 51 Ah
• Autonomia: C=I*t => 51Ah = 25A * t => t= 2 hs
• Distância média: 40 Km
• Peso do conjunto de baterias = 30 Kg
• Preço do conjunto = 398,00R$