Assistance électrique sur les handbikes

Présentation du projet d’Assistance électrique sur les handbikes
Le cyclisme handisport existe en France depuis près de quarante ans en solo pour les handicapés physiques, et
depuis une trentaine d’années en tandem pour les déficients visuels. À la fin des années 90, une pratique du
cyclisme adaptée pour les personnes en fauteuil roulant apparaît : le handbike. Les personnes atteintes
d’hémiplégie, les IMC peuvent également pratiquer l’activité en tricycle.
Le Handbike (Vélo à main) est destiné aux coureurs paraplégiques, tétraplégiques, ainsi qu’à certains
hémiplégiques ou amputés.
C’est un engin à 3 roues à propulsion manuelle (manivelles), composé d’un ensemble châssis/fauteuil/roues.
Les distances de courses peuvent varier de 25 à 80 km selon les classes sportives. ..

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L’objectif du projet en association avec l’APRAIH * est d’offrir une assistance électrique sur les handbikes.
Le handbike doit permettre d’effectuer un trajet en offrant la possibilité d’une aide électrique au pédalage. Il doit
aussi permettre la retranscription du trajet sur une carte géographique électronique afin d’assurer un suivi médical
des progrès de la personne par des mesures de distance parcourue et par la prise en compte de la diversité des
parcours.
Le handbike assisté doit répondre à la directive Européenne 2002/24/CE qui limite la puissance du moteur à 250
Watts et l’arrêt de l’assistance électrique dans des cas d’utilisation bien définis. L’utilisateur doit pouvoir par une
télécommande fixée au pédalier à main choisir un mode de fonctionnement de l’assistance électrique :
• Mode manuel : L’utilisateur ajuste en permanence l’assistance électrique grâce à une télécommande fixé sur
le pédalier à main
• Mode automatique : L’assistance électrique régulera la vitesse du handbikes en fonction du pédalier à main
Dans les deux cas, l’assistance électrique doit être coupée en cas de freinage, d’arrêt de fonctionnement du pédalier
à main et dans le cas où la vitesse est supérieure à 25 km/h.
L’utilisateur dispose d’un affichage pour visualiser en temps réel l’autonomie de la batterie, la vitesse, la distance
et le mode fonctionnement de l’handbike.
Synoptique de l’architecture :

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Semaine 1 du projet handbike (BTS Systèmes Numériques Lycée Livet Nantes)

Nous avons reçu la roue équipée d’un moteur brushless avec son variateur. Ces éléments sont fournis par la société Power e-bike. La livraison s’est très bien passée. Nous pouvons maintenant mettre en place cette roue sur le handbike. La société Distrame nous fait don d’une batterie 36V pour l’alimentation du système. Le projet peut commencer avec nos étudiants. La première étape consiste à étudier leur cahier des charges et ainsi de réfléchir aux différentes solutions technologiques.

les professeurs

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Handbike: support du projet Livraison du Kit LIGHT mini moteur Arrière 26 pouces RH112

Paroles d’étudiants

Groupe Lauriane, Alexandre,Angelo et Sidney

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Pour les premières heures du projet nous avons défini les différentes tâches pour chaque étudiants.

Angelo s’occupera de l’installation d’un boîtier de commande permettant le contrôle de l’assistance électrique. Cela sera réalisé, pour l’instant, avec une télécommande Wii « Nunchuk ». Le Joystick servira à réguler la puissance du moteur électrique, les boutons serviront à activer le mode Automatique ou Manuel de l’assistance. Cette assistance électrique permet de limiter l’effort du cycliste. Alexandre travaille sur la réception et le stockage des données GPS. Le module GPS captera les signaux des satellites pour ainsi tracer le parcours de l’HandBike. Ces informations seront stockées pour ensuite être traitées. Lauriane doit gérer un affichage ergonomique des données, tel que la vitesse, la distance, le niveau de batterie, ainsi qu’un menu permettant de visualiser le mode d’assistance.

Groupe Malo,Christopher, Riadh, Dorian

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Notre groupe est celui qui est chargé du système de contrôle et de gestion micro-programmé. Malo est chargé de gérer l’alimentation du système via une batterie 36V/15Ah fourni par la société DISTRAME et de mesurer la tension et le courant. Riadh doit piloter le moteur brushless et mesurer la vitesse du moteur. Christopher doit mettre en œuvre un capteur de déclivité de pente pour piloter l’assistance en mode automatique. Dorian est chargé de capter la rotation du pédalier pour calculer sa vitesse et de transmettre et recevoir les données système de l’autre groupe, en charge du boîtier de commande et d’affichage.

Groupe Aliaume, Arnaud, Alexandre, Raphael

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Pour réaliser notre projet, nous nous sommes divisé le travail, chaque personne du groupe s’occupe d’une partie avec des relations entre les membres du groupe. Nos objectifs sont de calculer la vitesse de rotation du pédalier, de détecter le freinage, de mesurer la pente et de calculer la déclivité de la route. L’ensemble de ces informations doit agir sur le pilotage du moteur . Nous devons mesurer le courant et la tension de la batterie pour vérifier sa capacité. Nous allons aussi étudier la possibilité de récupérer l’énergie dans la batterie. Étant donné que nous travaillons en parallèle avec un autre groupe. Nous devons transmettre et recevoir les modes de fonctionnement de la carte système de contrôle de commande et d’affichage.

Groupe Clément,Aubin,Quentin,Quentin

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Nous nous sommes réparti le travail à 4. L’un d’entre nous doit permettre a l’utilisateur de gérer le degré d’assistance du moteur et le choix du mode d’assistance (automatique et manuel). Un autre doit enregistrer les coordonnées du parcours, pour cela il doit traiter les données GPS et assurer la mémorisation de ces données. Ensuite il faut gérer la quantité d’énergie de la batterie, informer l’utilisateur sur la vitesse et la distance parcourue et le mode d’assistance manuel ou automatique. Enfin nous devons restituer les coordonnées du parcours et permettre une lecture des données mémorisées.

à bientôt pour la semaine 2 !

première Mesures sur le variateur Brushless

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le handbike est maintenant équipé avec le Kit LIGHT mini moteur Arrière 26 pouces RH112. Après quelques réglages mécaniques tel que le frein de parking et le frein classique le handbike est opérationnel. Pour effectuer des essais sur le moteur et le variateur, les étudiants ont monté l’ensemble batterie, variateur et l’accélérateur manuel. Les premières mesures de vitesses sur le variateurs sont réalisées ( 44 impulsions par tour de vélo). Il devient simple de compter le nombre de tour de la roue et donc de déterminer la distance parcourue. Le calcul de la vitesse nécessite une donnée temps qui est déterminée sur la carte électronique. Le calcul de la vitesse roue et aussi pédalier est donc réalisable.

Kit power-e-bike rh112 et batterie sur HANDBIKE

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Un étudiant à réalisé des mesures de courant sur la batterie. Nous pouvons observer une pointe à 15 A au démarrage ( frein activé pour simuler une force résistante). On observe que le courant est inférieur à 1 A lorsque la roue ne touche pas le sol. Le courant devrai se situer autour de 2 A lors de l’utilisation sur route ( soit une autonomie de 6 à 7 h pour une batterie 15A/h).

L’ensemble des étudiants testent leurs composants électronique pour valider chaque fonction du projet. Lorsque la solution est validée, Ils Produisent à l’aide de la CAO (conception assisté par ordinateur) les schémas structurels des carte électroniques.

Dans les prochaines semaines nous vous présenterons les schéma structurels. Cette étape est importante pour la réalisation des circuits imprimés (plan de réalisation des cartes électroniques toujour sur CAO). Lorsque que ces plans seront réalisés, nous pourrons fabriquer les cartes électroniques

Schéma structurel électronique Circuit imprimé

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paroles d’étudiants

équipes ARDUINO

Groupe Lauriane, Alexandre,Angelo et Sidney

Boitier de commande et affichage

Après tests et analyse, nous avons déterminé quels composants seraient les plus adaptés à notre projet.

Lauriane qui s’occupe de la partie affichage et calcul a choisi un afficheur graphique E-paper « EA-LCD-009 » car il était disponible directement et les dimensions sont adéquates au projet.

afficheur

Kopiowanie i przetwarzanie bez pisemnej zgody firmy www.tme.eu zabronione.

Sidney qui travaille sur la partie communication entre les deux cartes Arduino et l’envoi de données GPS a déterminer que le Module Bluetooth™ « FB155BC » était le moyen le plus adapté de transmettre des données GPS au PC du kinésithérapeute.

Alexandre qui s’occupe de la réception et du stockage des données GPS a décidé d’utiliser le récepteur GPS OEM « EM-506 » car il est simple d’utilisation, rapide, précis et peu coûteux.

Récepteur GPS MESURE des signaux GPS

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Angelo doit contrôler l’assistance électrique à l’aide d’une télécommande. La solution retenue est finalement la nunchuk qui est le plus pratique à utiliser puisque la manette communique en I2C (donc n’utilise que deux broches) et a suffisamment de boutons pour les options voulues sur le Handbike.

Wii_nunchuk_controller_side

Groupe Malo,Christopher, Riadh, Dorian

Carte système de contrôle du variateur

Notre groupe a choisi les composants électroniques à mettre en oeuvre pour le bon déroulement du projet :

  • Christopher a choisi un accéléromètre de type numérique ( un ADXL362). Ce composant permet de mesurer la pente de la route pour démarrer automatiquement l’assistance électrique

  • Dorian utilise un PAS, plus précisément, un capteur de pédalage à 8 aimants et un frein v-brake à coupure électrique. Le PAS permet au micro-contrôleurs de calculer la vitesse du pédalier. Le frein à coupure électrique permet d’arrêter l’assistance électrique au pédalage

  • Malo doit mettre en oeuvre un capteur de courant et un amplificateur opérationnel pour mesurer le courant en sortie de la batterie. un pont diviseur pour mesurer la tension, un régulateur à découpage 42V vers 5V, un régulateur 5V vers du 3,3V ainsi qu’un relais électronique pour permettre à la batterie de se recharger lors de forte descente. L’objectif est de déterminer la capacité de la batterie

  • Riadh utilise un CNA (Convertisseur Numérique Analogique) qui lui permettra de piloter le variateur . Les premiers tests de mesure de vitesse son concluant ( vitesse max mesurée de km/h sur la roue sans frottement).

 

Calcul ET mesure de vitesse moteur et pédalier sur carte ARDUINO (vitesse max 39km/h)

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Groupe Clément,Aubin,Quentin,Quentin

équipes PSOC

Boîtier de commande et affichage

Dans notre projet :« HandBike », nous avons réussi à afficher des commandes tels que la vitesse, la distance et le pourcentage de charge de la batterie. Nous avons également réussi à afficher un logo du lycée Livet.

Nous avons effectué un bon de commande pour tout le groupe ( ex : afficheur, module bluetooth SPI, module GPS, bouton poussoir.. )

Nos schémas structurels sont également terminés et complétés avec des points tests. Nous avons commencé les algorithmes de chaque tâche et nous commençons la programmation sur CyPress.

Actuellement nous rencontrons des difficultés sur la tâche du GPS car il n’y a pas de librairie sur PSOC.

afficheur

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Groupe Aliaume, Arnaud, Alexandre, Raphael

Carte système de contrôle du variateur

Nous avons dû choisir nos structures pour pouvoir répondre à nos fonctions respectives. Pour la partie capteur de rotation du pédalier, la solution choisie a été un capteur doté de 8 aimants. Pour la partie capteur de freinage, il s’agit d’une poignée spéciale doté d’un interrupteur normalement ouvert.
Pour la partie mesure de la déclivité de la pente j’ai choisis un capteur 12 bit I2C : le MMA8452Q.
J’ai étudié sa documentation en détail afin de la simuler avec un exemple de programme trouver sur internet .

Afin de calculer le nombre de pulsations émises par le moteur en un tour de roue, nous avons utilisé un oscilloscope. Puis pour obtenir le résultat, nous avons fixé un aimant sur la roue, puis grâce à un capteur, nous avons pu voir le nombre de pulsations pour un tour sur 2 courbes sur l’oscilloscope.

De manière à pouvoir voir le niveau de batterie restant dans cette dernière, nous avons du faire un pont diviseur de tension, et relier la sortie à une broche du PSOC qui feras la conversion Analogique à Numérique pour traiter l’information.

Pour mesurer l’intensité qui sort de la batterie nous avons opté pour un module LEM qui sera branché en série à la borne (+) de la batterie.

projet handbike (vidéo HANDBIKE avec KIT power-e-bike)

Rendez vous dans 3 semaines ( et oui les étudiants sont en vacances ) pour la présentation des schémas électroniques!!!!

Les schémas structurels projet 3 et 4: Carte Arduino

schéma-p3

Alexandre Rousselot :

Je m’occupe de la partie GPS du système. Le module GPS EM-506, permettant de récupérer les coordonnées géographiques, est alimenté en 5 V. Il est connecté à une Arduino Nano par une liaison UART RX(réception) / TX (transmission). La carte Arduino ne possédant qu’un port UART, je dois adapter le programme pour que la connexion s’opère de manière logicielle.

Les données GPS (trame NMEA) doivent être stockées. Pour cela j’utilise une mémoire EEPROM de 256ko de capacité reliée en I2C ,SDA / SCL, à la carte Arduino.

Angelo Beroud :

Ma partie consiste à régler l’assistance électrique avec une commande. J’ai choisi d’utiliser un manette nunchuk de la console Wii car elle fonctionne en liaison I2C, ce qui permet d’économiser le nombre de broche utilisé sur la carte Arduino, puisque l’I2C n’utilise que 2 broches. Cependant comme plusieurs modules utilisent l’I2C, il faut affecter à chacun une adresse esclave, celle de la nunchuk étant 0x52.

Les données modifiées par le nunchuk doivent être traitées de sorte à être affichées sur l’écran LCD programmé par Lauriane Gaillard, nous devons donc collaborer afin de mettre en œuvre cette liaison. Elles doivent également être traitées afin de définir un mode manuel/automatique de l’assistance ainsi que réguler l’assistance en mode manuel, il faut donc communiquer avec le moteur géré par Riadh Salmi.

Lauriane Gaillard :

Je dois mettre en place l’afficheur. J’ai choisi le TFT LCD Arduino car il peut se câbler en SPI, il a un temps de réponse court ce qui permet un affichage des données en temps réel, de plus, il est simple d’utilisation grâce aux bibliothèques.

Je dois afficher la vitesse et en permanence le niveau de la batterie puis créer un menu pour que l’utilisateur puisse sélectionner :

  • le mode manuel ou automatique de l’assistance électrique
  • la puissance du vent pour adapter l’assistance électrique lorsque l’assistance est en mode automatique
  • la distance totale parcours par le vélo un compteur kilométrique que l’utilisateur pourra remettre à zéro

Sidney Boutin :

Ma partie consiste à communiqué en I2C ( 2 fils une horloge et un fil de données ) avec la carte contrôle pour permettre d’envoyer les commandes de la nunchuk vers le moteur et inversement avec la vitesse qui vient du moteur vers l’afficheur. Le module Bluetooth communique en liaison UART (TX (émission) / RX (réception)) avec Arduino ce qui va permet d’envoyé les données GPS stocké dans la mémoire et de les transmettre en liaison sans-fil vers le PC du kiné pour ensuite avec un logiciel afficher les parcours sur une carte.

 

schéma-p4

 
Ma partie consiste à mesurer le courant et la tension de la batterie. Dans le carré 1 j’ai mis en place un régulateur 42V vers du 5V et un autre qui convertie le 5V en 3,3V. Le carré 2 est un pont diviseur de tension qui permettra de mesurer la tension de la batterie. Le carré 3 est le schéma d’un module capteur de courant et qui va permettre de mesurer le courant de la batterie. Et pour finir, le dernier carré, le 4, est le schéma d’un amplificateur opérationnel qui comme son nom l’indique va servir à amplifier le signal en sortie du capteur de courant et donc augmenter la précision des mesures.
cette partie est utilisée pour mesurer la pente à l’aide d’un accéléromètre. Pour les bornes SCLK / MOSI / CS, j’utilise un pont diviseur de tension pour convertir le 5V en 3,3V.
Les parties entourées sont des borniers connectés respectivement au Frein et au PAS.

La partie Frein est connectée à la carte Arduino sur la pin 4. La réglementation fait que si le moteur est activé et que le Frein est utilisé, l’assistance électrique doit obligatoirement s’arrêter. Cette partie permet de capter si le Frein est activé ou non. Le niveau haut (+5V) correspond au Frein quand il n’est pas utilisé et le niveau bas (0V) correspond à l’activation du Frein.

La partie PAS (Capteur de Pédalage) est connectée à la carte Arduino sur la pin 2 en interruption. L’interruption permet simplement de ne pas bloquer le programme principal et de faire un programme parallèle afin de traiter les informations reçus du PAS. La réglementation indique que si l’utilisateur arrête de pédaler, l’assistance électrique doit s’arrêter. Le câble d’alimentation doit être relier au câble du signal avec une résistance de 10k sinon aucune donnée n’est reçu.

Ma partie est de faire contrôler les 3 vitesses (vitesse 100% ,vitesse 60% et la vitesse 30% ) par des transistors de types NPN. Un CNA (Convertisseur Numérique Analogique) permet de piloter le variateur.

Les schémas structurels projet 1 et 2: Carte Psoc

CONCEPTION CARTES ELECTRONIQUES

CARTE GESTION AFFICHAGE

Après des phases de tests et de conceptions, la carte que nous avons réalisé permet de rassembler tout les composants et toutes les parties de notre projet. Sidney BOUTIN ainsi que Angelo BEROUD, ont réalisés le schéma STRUCTUREL grâce au logiciel Proteus ISIS. Lauriane GAILLARD s’est occupée du routage sur le logiciel ARES. Le circuit est dimensionné pour pouvoir être placé sur le pédalier devant l’utilisateur. Un boîtier en réalisation 3D est envisagé pour placer la carte électronique de la nunchuk. La carte électronique Gestion affichage possede 4 connecteurs

J5 afficheur : Liaison avec l’afficheur

J4 : liaison type I2c avec la carte gestion du variateur

J1 : nunchuk

J2 : module GPS

Schéma version finale : CARTE GESTION AFFICHAGE

schémacartecommande

 

PRODUCTION PROTOTYPE

Carte GESTION AFFICHAGE

Nous avons ensuite imprimé le typon sur une plaque epoxy pré-sensibilisée afin de réaliser le circuit imprimé . Pour cela, nous avons percé et soudé les composants tour à tour, en ayant au préalable testé le circuit, à savoir la continuité des pistes avec un multimètre. Une fois les composants soudés, nous avons tester qu’il n’y avait aucun court-circuit et le bon fonctionnement des composants intégrés. Actuellement tout les composants fonctionnent correctement et nous continuons à élaborer et à améliorer nos programmes afin de créer un programme principal rassemblant et gérant toutes les parties du projet.

 

Routage CARTE GESTION AFFICHAGE

circuitimprimé

PROTOTYPE CARTE GESTION AFFICHAGE

cartecommande

Nous pouvons observer une LED verte qui permet de vérifier la présence de l ‘alimentation de la carte). La LED bleu représente indique le bon fonctionnement du microcontrôleur ARDUINO. Nous observons les connecteurs ( noir à droite pour l’afficheur et blanc pour le GPS, noir à gauche sur le haut de la carte pour la nunchuck et noir en Bas pour la liaison I2c. La LED blanche permet de vérifier la communication vers le module Bluetooth. Le circuit vert représente le module Bluetooth. Le circuit noir entre le module Bluetooth et le microcontrôleur représente la mémoire qui stocke les données du parcourt captées par le GPS.

 

MENUS UTILISATEUR

L’objectif est d’établir sur l’afficheur un menu utilisateur pour faciliter la configuration du handbike. En résumé, l’utilisateur peut utiliser le handbique en mode manuel ou automatique.

Mode manuel : l’utilisateur pilote l’assistance à partir de la nunchuk.

Mode automatique : la carte gestion variateur pilote l’assistance en fonction de la pente et de l’action de utilisateur sur le pédalier.

Pour le mode manuel l’information assistance sera transmise par la liaison I2C sur la carte gestion Variateur qui pourra ainsi piloter le variateur et donc le moteur.

Visualisation des Menus pour l’utilisateur.

Menu utilisateur MODE MANUEL

ecran3

L’affichage permet de visualiser la vitesse de l’handbike, le mode de fonctionnement (manuel M ) l’état de la batterie et la consigne de la nunchuk représenté par le barregraphe. Ce barregraphe donne à l’utilisateur la consigne d’assistance. Le maximum étant de 200 Watt.

MENU de CONFIGURATION

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L’utilisateur peut choisir les conditions climatiques suivant la force du vent. Cette consigne pourra permettre d’augmenter l’assistance.

MENU utilisateur MODE AUTOMATIQUE

ecran2

L’utilisateur Observe le mode (automatique A). Il visualise toujours la vitesse et l’état de la batterie. L’assistance n’est pas affiché car elle est gérée par la carte GESTION VARIATEUR.

L’objectif est de réussir maintenant à connecter cette carte avec la carte GESTION VARIATEUR et de pouvoir valider la communication inter-carte. Nous pourrons ainsi tester et valider notre carte sur le handbike.

CARTE GESTION VARIATEUR

Après des phases de tests et de conceptions, la carte que nous avons réalisé permet de rassembler tout les composants et toutes les parties de notre projet. Malo et RIADH ont réalisés le schéma STRUCTUREL et le routage sur le logiciel ARES. Le circuit est dimensionné pour pouvoir être placé à côté de la batterie. . La carte électronique Gestion variateur dispose d’un ensemble de connecteurs pour relier les organes important du système. Cette carte est donc relié au variateur, à la batterie et à la carte GESTION de l’affichage. Nous avons aussi adapter les borniers du variateur pour pouvoir la relier à notre carte.

Schéma version finale : CARTE GESTION AFFICHEUR

cartevariateur

PRODUCTION PROTOTYPE

Carte GESTION VARIATEUR

Nous avons ensuite imprimé le typon sur une plaque epoxy pré-sensibilisée afin de réaliser le circuit imprimé . Pour cela, nous avons percé et soudé les composants tour à tour, en ayant au préalable testé le circuit, à savoir la continuité des pistes avec un multimètre. Une fois les composants soudés, nous avons tester qu’il n’y avait aucun court-circuit et le bon fonctionnement des composants intégrés. Actuellement tout les composants fonctionnent correctement et nous continuons à élaborer et à améliorer nos programmes afin de créer un programme principal rassemblant et gérant toutes les parties du projet.

 

Routage CARTE GESTION AFFICHAGE

cartecuivrevariateur2

cartecuivrevariateur

Nous visualisons les deux faces du circuit imprimé. La face appelée cuivre ( en haut) et la face côté composant (en bas)

PROTOTYPE CARTE GESTION AFFICHAGE

cartevariateurcomp

Les connecteurs blanc sont donc reliés aux variateurs. Le connecteur noir au centre de la carte permet de réaliser la communication I2c avec la carte GESTION AFFICHEUR.

Nous avons testé et corrigé dans un premier temps les liaisons cuivres sur le circuit imprimé et supprimé les court-circuits. Nous commençont la phase de test de chaque composant avec les programmes. L’objectif est de piloter le variateur dans le deux modes de fonctionnement ( manuel et automatique).

_ pour le mode manuel : nous devons récupérer la consigne par la liaison I2C de la carte GESTION AFFICHAGE.

_pour le mode automatique : L’accéléromètre piloté par le microcontrôleur pourra détecter la pente et ainsi en fonction de l’action sur le pédalier définir une consigne d’assistance

Cette consigne sera transmise par le microcontrôleur au convertisseur numérique analogique et ainsi piloter le variateur. La tension de commande du variateur varie entre 1V et 3,8V. Le variateur pourra ainsi commander le moteur brushless (200Watt d’assistance pour l’utilisateur).

cartevariateurcms

L’objectif est de réussir maintenant à connecter cette carte avec la carte GESTION AFFICHAGE et de pouvoir valider la communication inter-carte. Nous pourrons ainsi tester et valider notre carte sur le handbike.

à suivre dans la prochaine publication.

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