PEE51_SPC_documents/latex/detailontwerp_stabilisatie.latex

\documentclass[11pt]{article}
\usepackage[a4paper, portrait, includehead, includefoot, margin=1.5cm]{geometry}

\usepackage[dutch]{babel}

\usepackage{pdfpages}

\usepackage{xcolor}
\usepackage{makecell}
\usepackage{tabularx}
\usepackage{adjustbox}

\usepackage{framed}

\usepackage{longtable}
\providecommand{\tightlist}{\setlength{\itemsep}{0pt}\setlength{\parskip}{0pt}}
\usepackage{booktabs}

\usepackage{fontspec}
\usepackage{xunicode}
\usepackage{xltxtra}

\newfontfamily\fontRoboto[]{Roboto}
\newfontfamily\fontUbuntu[]{Ubuntu}
\setmainfont{Roboto}

% \usepackage[style=ieee]{biblatex}
% \usepackage{csquotes}
% \addbibresource{bibliography.bib}

% header and footer
\usepackage{fancyhdr}
\renewcommand{\headrule}{}

\usepackage[nodayofweek]{datetime}

\definecolor{darkishyellow}{rgb}{177, 179, 173}

% for images
\usepackage{graphbox}

% add bookmarks with \hypertarget
\usepackage{bookmark}
\usepackage{hyperref}

% heading numberging
\setcounter{secnumdepth}{3}
\renewcommand\thesection{{\fontUbuntu\arabic{section}}}
\renewcommand\thesubsection{{\fontUbuntu\arabic{section}.\arabic{subsection}}}
\renewcommand\thesubsubsection{{\fontUbuntu\arabic{section}.\arabic{subsection}.\arabic{subsubsection}}}
\usepackage{sectsty}
\allsectionsfont{\fontUbuntu}
\setlength{\headheight}{14pt}

% no indent at paragraphs
\usepackage{parskip}
\usepackage{setspace}
\setstretch{1.1}
\let\tmpitem\itemize
\let\tmpenditem\enditemize
\renewenvironment{itemize}{\tmpitem\setlength\itemsep{-.4em}}{\tmpenditem}

\begin{document}
\raggedright
\pagecolor{darkishyellow}

\begin{titlepage}
	\null\vfill
	\begin{center}
		{\Huge\fontUbuntu Detailontwerp Stabilisatie \par}
		\vskip 3em
		% \includegraphics{assets/eriks.50.png}
		\vskip 3em
		{\huge\fontUbuntu Superlight Personal Carrier \par}
	\end{center}
	\vskip 25em
	{
		\large
		\lineskip .75em
		\begin{tabular}{r l}
		      gemaakt door: & Finley van Reenen (0964590@hr.nl) \\
		                    & Chris Tan (0992143@hr.nl) \\
		                    & Tijn Snijders (1001829@hr.nl) \\
		                    & Max Kappert (1030682@hr.nl) \\
		                    & Thomas Braam (0989527@hr.nl) \\\\
		          vak code: & ELEPEE51 \\\\
		 ge\"exporteerd op: & \today
		\end{tabular}
	}
	\vfill\null
\end{titlepage}

\pagestyle{fancy}
\fancyhead{} % clear all header fields
\fancyhead[LO]{\color{gray}\fontUbuntu Detailontwerp Stabilisatie}
\fancyhead[RO]{\color{gray}\fontUbuntu Superlight Personal Carrier}
\fancyfoot{} % clear all footer fields
\fancyfoot[LO]{\color{gray}\fontUbuntu E.L.F. van Reenen, C. Tan, T Snijders, M. Kappert en T. Braam}
\fancyfoot[CO]{\color{gray}\fontUbuntu }
\fancyfoot[RO]{\color{gray}\fontUbuntu \thepage}




\tableofcontents

\newpage

\section{Inleiding}\label{inleiding}

De SPC\footnote{Superlight Personal Carrier} is een twee wielig concept
eenpersoons voertuig. Zonder actieve stabilisatie gaat deze omvallen,
hiervoor is een reactie wiel ontworpen. Het aansturen van de motor voor
dit wiel is lastig, de volledige kracht moet gehaald worden vanaf
stilstand. Dit is alleen mogelijk met FOC\footnote{Field oriented
  Controll}. Er zijn niet veel motor driver op de markt voor het
vermogen (4,5 KW, 45 Nm), hierom is er een op maat gemaakte motor driver
ontworpen.

\newpage

\section{Analyse}\label{analyse}

Tijn Stijders (student Automotive engineer) heeft de benodigde kracht
van \(45 Nm\) op een maximumsnelheid van \(1000 rpm\), dit is \(4.5 kW\)
berekent voor dit voertuig. Deze berekening is gebaseerd op
inschattingen van het gewicht van het voertuig, maar is nauwkeurig
genoeg om te gebruiken.

\subsection{Motor Keuze}\label{motor-keuze}

Het is voor ons niet toegestaan om boven de \(50 V\) te testen op de RDM
wegens veiligheid. Er zijn erg weinig motoren beschikbaar die onder deze
spanning aan de eisen voldoet. Hierom wordt er niet op volledig vermogen
getest in dit project, om meer keuze vrijheid te krijgen voor een
geschikte motor.

De volgende motor is gekozen:

\href{https://nl.aliexpress.com/item/1005006301690150.html?spm=a2g0o.productlist.main.2.6673ifiZifiZQm&algo_pvid=d6292651-bb7c-46b1-a220-6690a13ff967&algo_exp_id=d6292651-bb7c-46b1-a220-6690a13ff967-1&pdp_ext_f=\%7B\%22order\%22\%3A\%2214\%22\%2C\%22eval\%22\%3A\%221\%22\%7D&pdp_npi=4\%40dis\%21EUR\%21168.69\%21168.69\%21\%21\%211350.60\%211350.60\%21\%402103847817496360886601361e6a7e\%2112000036679171853\%21sea\%21NL\%210\%21ABX&curPageLogUid=wQDO26xezkrq&utparam-url=scene\%3Asearch\%7Cquery_from\%3A}{referentie
BLDC-motor}

De gegeven specificatie zijn:

\begin{longtable}[]{@{}ll@{}}
\toprule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
maximale spanning & 60V \\
nominaal vermogen & 3000 W \\
maximaal vermogen & 6000w \\
piek vermogen & 7000w-8000W \\
onbelaste snelheid & 3500 rpm \\
maximaal rendement & 90\% \\
maximaal koppel & 10 Nm \\
piekkoppel & 30 Nm \\
nettogewicht & 4,5 kg \\
max. stroombegrenzing & 150A \\
\end{longtable}

\begin{figure}
\centering
\includegraphics{../../latex/images/f2dbe830-87ac-4a88-95da-f53177a114a1.png}
\caption{grafiek test data van de motor}
\end{figure}

\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1754}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1228}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1228}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1228}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1053}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.0877}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1228}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.0877}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.0526}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
\(U\) (V)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
\(I\) (A)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
\(P_{in}\) (W)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
rpm
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
koppel (N.m)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
\(P_{out}\) (W)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
efficiëntie (\%)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
tijd (s)
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
onbelast & 47.49 & 3.666 & 174.1 & 3264 & 0.03 & 11.1 & 6.4 & 1 \\
test eindpunt\footnote{of wat er ook bedoeld wordt met ``测试结束点''} &
42.99 & 60.35 & 2594 & 2294 & 8.77 & 2108 & 81.3 & 71 \\
beoordeelde punten\footnote{of wat er ook bedoeld wordt met ``額定点''}
& 44.03 & 47.71 & 2101 & 2471 & 6.82 & 1800 & 84.1 & 62 \\
max. koppel & 42.99 & 60.35 & 2594 & 2294 & 8.77 & 2108 & 81.3 & 71 \\
max. \(P_{out}\) & 42.99 & 60.35 & 2594 & 2294 & 8.77 & 2108 & 81.3 &
71 \\
max. efficiëntie & 44.72 & 38.53 & 1723 & 2605 & 5.41 & 1476 & 85.7 &
55 \\
\end{longtable}

\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.0741}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1296}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1296}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1296}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1111}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1111}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1296}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.1111}}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 16\tabcolsep) * \real{0.0741}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
编号(No.~)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
电压 (V)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
电流 (A)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
输入功率 (W)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
转速 (rpm)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
转矩 (Nm)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
输出功率 (W)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
效率 (\%)
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
时间 (s)
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
1 & 47.49 & 3.666 & 174.1 & 3264 & 0.03 & 11.1 & 6.4 & 1 \\
2 & 47.5 & 3.635 & 172.6 & 3262 & 0.03 & 11.14 & 6.5 & 4 \\
3 & 47.5 & 3.684 & 175 & 3259 & 0.03 & 11.44 & 6.5 & 7 \\
4 & 47.48 & 3.846 & 182.6 & 3256 & 0.05 & 18.52 & 10.1 & 10 \\
5 & 47.44 & 4.244 & 201.3 & 3246 & 0.12 & 42.5 & 21.1 & 13 \\
6 & 47.39 & 5.001 & 237 & 3233 & 0.23 & 79.21 & 33.4 & 16 \\
7 & 47.31 & 5.93 & 280.5 & 3214 & 0.37 & 126.7 & 45.2 & 19 \\
8 & 47.21 & 7.09 & 334.7 & 3186 & 0.55 & 184.5 & 55.1 & 22 \\
9 & 47.1 & 8.719 & 410.7 & 3154 & 0.77 & 254.5 & 62.0 & 25 \\
10 & 46.95 & 10.76 & 505.3 & 3114 & 1.04 & 341.9 & 67.7 & 28 \\
11 & 46.78 & 13.04 & 610.3 & 3076 & 1.35 & 437.9 & 71.8 & 31 \\
12 & 46.6 & 15.34 & 715 & 3040 & 1.71 & 547.4 & 76.6 & 34 \\
13 & 46.38 & 17.9 & 830.3 & 2980 & 2.12 & 662.2 & 79.8 & 37 \\
14 & 46.14 & 20.68 & 954.7 & 2917 & 2.57 & 786.9 & 82.4 & 40 \\
15 & 45.88 & 23.75 & 1090 & 2859 & 3.08 & 922.6 & 84.6 & 43 \\
16 & 45.61 & 27.55 & 1256 & 2801 & 3.6 & 1057 & 84.2 & 46 \\
17 & 45.32 & 31.6 & 1432 & 2750 & 4.16 & 1198 & 83.7 & 49 \\
18 & 45.04 & 34.65 & 1561 & 2676 & 4.75 & 1331 & 85.3 & 52 \\
19 & 44.72 & 38.53 & 1723 & 2605 & 5.41 & 1476 & 85.7 & 55 \\
20 & 44.38 & 43.17 & 1916 & 2539 & 6.08 & 1617 & 84.4 & 58 \\
21 & 44.03 & 47.71 & 2101 & 2471 & 6.82 & 1800 & 84.1 & 62 \\
22 & 43.67 & 52.13 & 2277 & 2415 & 7.48 & 1892 & 83.1 & 65 \\
23 & 43.33 & 56.41 & 2444 & 2357 & 8.13 & 2006 & 82.1 & 68 \\
24 & 42.99 & 60.35 & 2594 & 2294 & 8.77 & 2108 & 81.3 & 71 \\
\end{longtable}

Er missen wat gegevens om verder te kunnen. De hoeveelheid stroom bij
krachten groter dan \(8.77 Nm\) en hoelang de piek kracht volgehouden
kan worden.

\subsection{koppel constante}\label{koppel-constante}

Om de stroom bij grotere krachten te berekenen is de koppel constante
nodig. Dit is de hoeveelheid koppel die per Ampère levert. In dit geval
kan deze berekend worden met de volgende formule.

\[
K_T = \frac{\tau}{I-I_{noload}}
\]

\(K_T\): koppel constante in Nm/A\\
\(\tau\): koppel in Nm\\
\(I\): de stroom nodig om de koppel te halen\\
\(I_{noload}\): de stroom die verbruikt wordt als de motor vrij draait

\(\tau\) en \(I\) is gegeven in de test data. De beste inschatting voor
\(I_{noload}\) is het gemiddelde van test 1, 2 en 3. Deze hebben
allemaal \(0.03Nm\) koppel, er is geen informatie hoe deze koppel
gemeten is. Om te controleren of dit correct is is een plot gemaakt voor
elke regel van de test data.

\begin{figure}
\centering
\includegraphics{../../latex/images/4aa438b9-f968-4ed9-97f3-dfb934130f6d.png}
\caption{Plot van koppel constanten met 3.662 A voor I\_noload}
\end{figure}

x as: test nummer\\
y as: koppel constante\\
blauwe punten: berekende koppel constante vanuit de test data\\
oranje lijn: regressie van de berekende koppel constante

In deze grafiek is een duidelijke curve te zien aan het begin te zien.
Dit duidt er op dat \(I_{noload}\) te hoog is. Dit kan verklaard worden
als de meting is uitgevoerd wanneer de tegenmotor nog aangesloten was
maar uitgeschakeld. De \(0.03 Nm\) komt, als deze theorie correct is,
waarschijnlijk van de lagers van de tegenmotor. Waarschijnlijk mist ook
de weerstand van de lagers in de motor zelf.

Met \(3.52 A\) voor \(I_{noload}\) ziet de grafiek er als volgt uit.

\begin{figure}
\centering
\includegraphics{../../latex/images/fcc86ab9-d051-411d-8379-9d4223c5f4a4.png}
\caption{Plot van koppel constanten met 3.52 A voor I\_noload}
\end{figure}

Dit is waarschijnlijk dichter bij de werkelijke \(I_{noload}\). Het is
hier ook te zien dat de koppel constante ongeveer \(0.15 Nm/A\) is.

\subsection{Snelheidsconstante en Weerstand
Stator}\label{snelheidsconstante-en-weerstand-stator}

De snelheidsconstante is het aantal rpm dat de motor draait zonder
belasting per volt. Deze kan berekend worden met de volgende formule.

\[
K_v = \frac{\omega}{U-U_{th}}
\]

\(K_v\): de snelheidsconstante in rpm/v\\
\(\omega\): de snelheid dat de motor draait in rpm\\
\(U\): de spanning\\
\(U_{th}\): de spanning waarop de motor start met draaien

Onbelast draait met \(47.49V\) (\(U\)) draait de motor 3264 rpm
(\(\omega\)). \(U_{th}\) is niet gegeven, met de gegeven die er wel zijn
is de beste methode met de volgende formules.

\[
U=\frac{\omega}{K_v} + \frac{\tau}{K_T} R + U_{th}
\]

\[
I=\frac{\omega}{K_vR} + \frac{\tau}{K_T} + I_{noload}
\]

\(U\): de motor spanning\\
\(\omega\): de snelheid dat de motor draait in rpm\\
\(K_v\): de snelheidsconstante in rpm/v\\
\(\tau\): koppel in Nm\\
\(K_T\): koppel constante in Nm/A\\
\(R\): de weerstand van de stator\\
\(U_{th}\): de spanning waarop de motor start met draaien\\
\(I\): de stroom nodig om de koppel te halen\\
\(I_{noload}\): de stroom die verbruikt wordt als de motor vrij draait

Als \(\omega = 0\) gelt \(U = \frac{\tau}{K_T} R + U_{th}\) en
\(I = \frac{\tau}{K_T} + I_{noload} \Rightarrow IR = U = \frac{\tau}{K_T} R + I_{noload} R\)
dus \(U_{th} = R I_{noload}\)

Hiermee kan de volgende formule opgesteld worden

\[
U = \frac{\omega}{K_v} + \frac{\tau}{K_T} R + R I_{noload}
\]

\[
\Rightarrow RU=R\frac{\omega}{K_v} + R^2(\frac{\tau}{K_T} + I_{noload})
\]

\[
\Rightarrow \sqrt{\frac{U}{\frac{\omega}{K_v} (\frac{\tau}{K_T} + I_{noload})}} = R
\]

Met de methode gebruikt voor het berekenen van \(I_{noload}\) komen we
op de waardes \(K_v = 69rpm/V\), \(R = 170m\Omega\) en
\(U_{th} = 598mV\). Hieronder is de grafiek van alle spannignserrors met
deze waardes

\begin{figure}
\centering
\includegraphics{../../latex/images/99a21b34-2ff8-475c-8fef-296368d93bae.png}
\caption{Grafiek van spanningserror met berekende waarde}
\end{figure}

x as: test nummer\\
y as: spannigs error tussen test data en
\(U=\frac{\omega}{K_v} + \frac{\tau}{K_T} R + U_{th}\)

\subsection{Koppel Tijdens het
Draaien}\label{koppel-tijdens-het-draaien}

Om de koppel van \(45 Nm\) te kunnen halen op \(1000 rpm\) is een
gearbox nodig. We hebben alles al berekend om de direct de benodigde
spanning en stroom te krijgen van koppel en snelheid met de volgende
formule.

\[
U = \frac{\omega}{K_v} + \frac{\tau}{K_T} R + U_{th} = \frac{\omega}{69} + \frac{\tau}{0.15} \cdot 0.17 + 0.598
\]

\[
I = \frac{\tau}{K_T} + I_{noload} = \frac{\tau}{0.15} + 3.52
\]

\begin{longtable}[]{@{}
  >{\raggedright\arraybackslash}p{(\columnwidth - 12\tabcolsep) * \real{0.1228}}
  >{\raggedleft\arraybackslash}p{(\columnwidth - 12\tabcolsep) * \real{0.1579}}
  >{\raggedleft\arraybackslash}p{(\columnwidth - 12\tabcolsep) * \real{0.1404}}
  >{\raggedleft\arraybackslash}p{(\columnwidth - 12\tabcolsep) * \real{0.1579}}
  >{\raggedleft\arraybackslash}p{(\columnwidth - 12\tabcolsep) * \real{0.1404}}
  >{\raggedleft\arraybackslash}p{(\columnwidth - 12\tabcolsep) * \real{0.1579}}
  >{\raggedleft\arraybackslash}p{(\columnwidth - 12\tabcolsep) * \real{0.1228}}@{}}
\toprule\noalign{}
\begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedright
gearbox
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedleft
snelheid
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedleft
koppel
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedleft
spanning
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedleft
stroom
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedleft
vermogen
\end{minipage} & \begin{minipage}[b]{\linewidth}\raggedleft
efficiëntie\footnote{op basis van 4.5 kW mechanisch vermogen dat
  berekend is door automotive studenten}
\end{minipage} \\
\midrule\noalign{}
\endhead
\bottomrule\noalign{}
\endlastfoot
1:1 & 1000 rpm & 45.0 Nm & 66.1 V & 303.5 A & 20060 W & 22.4 \% \\
1:2 & 2000 rpm & 22.5 Nm & 55.1 V & 153.5 A & 8456 W & 53.2 \% \\
1:3 & 3000 rpm & 15.0 Nm & 61.1 V & 103.5 A & 6323 W & 71.2 \% \\
1:4 & 4000 rpm & 11.3 Nm & 71.3 V & 78.5 A & 5600 W & 80.4 \% \\
1:5 & 5000 rpm & 9.0 Nm & 83.3 V & 63.5 A & 5289 W & 85.1 \% \\
\end{longtable}

Met een 1:4 gearbox kan een maximale snelheid van 875 rpm halen (de
motor kan maximaal 3500 rpm draaien). Dit is iets onder de eisen, maar
een betere motor hebben wij niet gevonden voor een redelijke prijs.

voor \(3500rpm\) met \(11.3 Nm\) is een spanning nodig van \(64V\).

\begin{quote}
Er is zat een grote fout in eerdere berekeningen. Terug regekent was dat
voor 25 Nm i.p.v. 45 Nm. Dan is er maar ongeveer 45 A met de 1:4 gearbox
nodig. De motor driver is dus ontworpen voor 50 A (inclusief een marge)
i.p.v. de 80 A die het eigenlijk had moeten zijn. Volgende keer de
berekeningen beter controleren. Verder in dit document zal de \(50 A\)
gebruik worden
\end{quote}

\subsection{Specificaties}\label{specificaties}

\begin{itemize}
\tightlist
\item
  De drijver moet minimaal \(72 V\) aan kunnen, met voorkeur van
  \(120 V\) \footnote{Er wordt tot \(50 V\) getest, deze waardes word
    het voor ontworpen, maar niet tot de limiet getest.}
\item
  de drijver moet minimaal \(50 A\) continu kunnen leveren (wat
  eigenlijk \(80 A\) had moeten zijn) \footnote{Er wordt tot \(50 V\)
    getest, deze waardes word het voor ontworpen, maar niet tot de
    limiet getest.}
\item
  maakt gebruik van Field Orented Controll, om het volledige vermogen te
  kunnen halen vanaf stilstand.
\item
  De hoek van het voertuig moet gemeten worden.
\item
  Er is een regel loop tussen de hoek sensor en de kracht van de motor.
\item
  Er is een SPI-client connector waarmee verschillende instellingen
  ingesteld mee kan worden, waaronder het maximaal vermogen.
\end{itemize}

\newpage

\section{Ontwerp}\label{ontwerp}

\subsection{Componenten}\label{componenten}

\subsubsection{FET's}\label{fets}

MOSFET's was de eerste waar naar gezocht is. Van bijna alle FET's is de
maximale stroom in de datasheet is niet realistisch haalbaar, dit
vereist veel koeling dat erg lastig is te realiseren. Dit maakt het
vinden van een geschikte MOSFET lastig, de meeste kunnen het niet aan
alleen. Het is mogelijk om meerde parallel te zetten, maar dit vereist
goede thermisch beheer.

Een andere optie is GaNFET's, hier hebben we een fabrikant (Efficiënt
Power Converters; EPC) gevonden die veel redelijkere maximale stroom
geven. De EPC3207\footnote{\url{https://epc-co.com/epc/products/gan-fets-and-ics/epc2307}}
lijkt met meest geschikt voor dit project. Deze kan \(62A\) aan volgens
de datasheet, en verliest ongeveer \(15W\) bij \(50A\). Dit vermogen is
goed te koelen met een koelblok.

\subsubsection{Gate Driver}\label{gate-driver}

EPC geeft een lijst aan aangeraden gate drivers IC's\footnote{\url{https://epc-co.com/epc/design-support/gan-first-time-right/drivers-and-controllers}}.
Er is gekozen voor de NCP51820 van On-Semi uit deze lijst. Deze kan hoge
spanningen aan, de schakeling er om heen is makkelijk te maken door een
aparte source en sync pinnen, en is goed verkrijgbaar voor een goede
prijs.

\paragraph{Verliezen in de FET}\label{verliezen-in-de-fet}

De EPC2307 kan tot \(62A\) continu schakelen volgens EPC.

\[
P_{loss} = I^2R_{DS(on)} + P_{loss,sw}
\]

\(P_{loss,sw}\): schakel verliezen

\(R_{DS(on)} = 10m\Omega\) dus bij \(50A\):

\[
P_{loss} = 50^2 \cdot 0.01 + P_{loss,sw} = 25W + P_{loss,sw}
\]

\(P_{loss,sw}\) is voor GaNFET's erg laag, in de simulatie - die
gebaseerd is op de voorbeeld simulatie van EPC - schakelt die binnen
\(4ns\). Als we vanuit gaan van linieer schakelgedrag met liniare
oplopende stroom (wat tot veel hogeve verliezen lijd dan de
werkelijkheid)

\[
P_{loss,sw} = \frac{UIt}{2} \cdot 2f_s
\]

\(U\): voedings spanning \(I\): stroom \(t\): schakeltijd \(f_s\): de
schakel frequentie

Als je dit invult:

\(U = 120V\), \(I = 50A\), \(t = 4 ns\), \(f_s = 50 kHz\) dan is
\(P_{loss,sw} = 1.2 W\).

Dit geeft een totaal van \(P_{loss} = 16.2W\). Dit is berekent met een
ruime schakelverlies met bijna \(100\%\) PWM. De werkelijkheid zal het
minder zijn.

\subsubsection{Stroom Meting}\label{stroom-meting}

Heel eerlijk, deze was ik een beetje vergeten, dus heb snel de ACS724
toegevoegd. Nu hopen dat die de piek stromen aan kan.

\subsubsection{Hoek Sensor}\label{hoek-sensor}

Het meten van de hoek hebben we drie manieren voor gevonden:

\begin{itemize}
\tightlist
\item
  afstand sensoren naar de grond
\end{itemize}

Als de grond wat scheef is zal het reactiewiel het voertuig scheef (ten
opzichte van zwaartekracht), waardoor het wiel steeds sneller gaat
draaien tot die de maximale snelheid bereikt, dan valt het voertuig om.
Niet heel handig dus.

\begin{itemize}
\tightlist
\item
  MEMS-Gyroscoop
\end{itemize}

Meet direct de hoek en is snel. Nadeel is als deze afwijkt veranderd de
nul positie en gaat die balanceren op het verkeerde punt.

\begin{itemize}
\tightlist
\item
  MEMS-Versnellingsmeter
\end{itemize}

Meet de zwaartekracht direct, dus verliest de nul positie niet, maar
wordt verstoord bij een stoot.

De beste optie is een combinatie van een MEMS-gyroscoop en een
MEMS-versnellingsmeter. De versnellingsmeter zorgt er voor dat de nul
positie niet verloren gaat. En de gyroscoop voor nauwkeurige meting van
de hoek. Deze combinatie wordt ook een IMU (Inertial measurement unit)
genoemd.

Uiteindelijk is de M5Stack IMU Pro Mini gekozen, dit is een module in
behuizing met een connector. Dit is erg handig, omdat deze goed
schokvrij bevestigt moet worden. Er zit ook nog een kompas en luchtdruk
sensor op, maar er zijn geen plannen om deze te gebruiken.

In deze module zit de BMI270\footnote{\url{https://www.bosch-sensortec.com/products/motion-sensors/imus/bmi270/}}
van Bosch. De I\textsuperscript{2}C bus van deze IC is direct verbonden
met de connector naar buiten toe.

\subsubsection{Microcontroller}\label{microcontroller}

Er zijn niet veel vereisten voor de microcontroller, bijna alle
microcontrollers hebben SPI, I2C interfaces en een ADC voor de stroom
meting. Het belangrijkste is dat die genoeg rekenkracht heeft voor de
FOC berekeningen.

Uiteindelijk is gekozen voor een RP2040 van Raspberry Pi, deze heeft
twee ARM Cortex M0+ cores die tot 150 MHz aan kunnen. Het grote voordeel
van deze microcontroller is dat ik al een ontwerp klaar heb liggen met
alle benodigde componenten.

\subsubsection{Encoder}\label{encoder}

Voor FOC moet de positie van polen (magneten) in de rotor ten opzichte
van de slots (elektro magneten) in de rotor. Hoe nauwkeuriger dit is hoe
effectiever de FOC is om met maximale vermogen uit de motor te kunnen
halen.

Veel motoren worden geleverd met drie hall-effect sensoren die deze
relatieve positie direct meten, allen zijn deze niet heel nauwkeurig op
lage snelheden.

Een Relatieve rotary encoder, zoals een optische die sloten telt in een
schrijf die gemonteerd is aan de rotor, kan veel nauwkeuriger. Het
nadeel is dat deze gekalibreerd moet worden elke keer als de stroom er
afgaat.

Een absolute rotary encoder hoeft maar 1 keer gekalibreerd te worden. De
meeste. Er zijn twee soorten absolute encoders die veel gebruikt worden,
een die om een as gemonteerd worden (zoals de AMT212B-V\footnote{\url{https://www.sameskydevices.com/product/motion-and-control/rotary-encoders/absolute/modular/amt212b-v}})
of een die de oriëntatie van een magneet meet (zoals de
AS5600\footnote{\url{https://ams-osram.com/products/sensor-solutions/position-sensors/ams-as5600-position-sensor}}).

Er is gekozen voor een breakout board te kopen van de AS5600, deze is
het makkelijkst de monteren en goed verkrijgbaar van de absolute
encoders.

\subsection{Schema}\label{schema}

Het schema is gemaakt in KiCad

\subsubsection{Half-bridge}\label{half-bridge}

Voor een BLDC-motor driver zijn drie half-bridges nodig. Bij een ontwerp
van een half bridge zijn twee belangrijke dingen, naast component keuze.
De gate driver en de power filtering.

\paragraph{Power Filtering}\label{power-filtering}

In dit ontwerp worden GaNFET's gebruikt, deze schadelijk binnen enkele
nanosecondes. Eleke hoeveelheid aan inductie vanaf de voeding vertraagt
deze snelheid, en is een antenne voor de honderden MHz dat door deze
schakelsnelheid gegenereerd wordt. Er moeten dus condensatoren zo dicht
mogelijk bij de FET's om de inductie zo minimaal mogelijk te maken. Deze
moeten ook keramische zijn door de lage ESR. Een nadeel is dat deze voor
veel motor drijvers eigenlijk te groot zijn waardoor de afstand tussen
de condensator en FET's te groot wordt als de filtering in 1 stage gaat.

Om te berekenen hoeveel stages nodig zijn, moet eerste de layout gemaakt
worden (hier meer over in het hooftstuk PCB). Bij de layout is het geluk
om \(7.2 \mu F\) (5 x \(1\mu F\) en 1 x \(2.2\mu F\)) in de eerste stage
te plaatsen.

\begin{quote}
TODO: ref to hooftstuk pcb needed!
\end{quote}

Na veel experimenteren in een simulatie in LTspice lijkt \(7.2\mu F\)
wel weinig, het zal een stuk beter zijn als er \(20\mu F\) zal passen.

De tweede stage is wat klein gehouden, om in inschakelstroom beperkt te
houden. Dit betekent wel dat er erg dikke kabels nodig zijn om het
volledige vermogen aan te kunnen.

Helaas is de simulatie gecrasht en het bestand corrupt geraakt. Het is
hierna niet meer gelukt om de simulatie stabiel opnieuw op te bouwen
(vermogens van honderden KW bij een kleine aanpassing). Onder staat is
de schakeling van de opnieuw opgebouwde schakeling die dus niet werkt.

\begin{figure}
\centering
\includegraphics{../../latex/images/7f783ce7-ee05-4193-844f-240cbec98bce.png}
\caption{Schakeling simulatie power filter}
\end{figure}

C2 zijn de keramische condensatoren vlak bij de FET's (eerste stage), C3
en C1 zijn solid polymer aluminum capacitors voor de tweede stage. L4 is
een ingeschatte inductie van de verbinding tussen de condensatoren en L5
is de inductie van de kabels vanaf de accu.

De condensator waardes zijn een stuk groter dan op het evaluatiebord.
Hier zitten 7 condensatoren van \(22nF\) op (\(125nF\) totaal). Ik
vermoed dat mijn simulaties wat pessimistischer zijn dat de
werkelijkheid.

\paragraph{Gate Driver}\label{gate-driver-1}

Het simulatiemodel van de gate driver IC is alleen beschikbaar voor
Simplus. Het is mij niet gelukt om de gratis versie van deze software
werkend te krijgen of het model te converteren naar een ander format.
Dus het berekenen of simuleren voor gate driver gaat niet lukken. Dus ik
heb een referentieontwerp van EPC overgenomen met een \(0\Omega\)
weerstand bij de sync (hier is wel een \(0\Omega\) jumper gebruikt zodat
die later vervangen kan worden met een weerstand) en \(0.39\Omega\) voor
de source.

\subsubsection{Microcontroller}\label{microcontroller-1}

De microcontroller schakeling is een kopie van een hobby project, deze
schakeling is al getest. Er is niks veranderd aan dit ontwerp voor dit
project, behalve dat er andere io pinnen gebruikt worden.

\subsection{PCB}\label{pcb}

\subsubsection{Stroom Distributie}\label{stroom-distributie}

Vijftig ampère is erg veel voor een PCB.

\begin{quote}
KiCad Calculator Tools:\\
``The calculations are valid for currents up to \(35 A\) (external) or
\(17.5 A\) (internal), temperature rises up to \(100^\circ C\), and
widths of up to 400 mils (10mm)''
\end{quote}

Deze tool heeft voor \(35A\), \(150mm\) spoor lengte en
\(10^\circ C\Delta\) met \(70\mu m\) koper een spoor breedte van
\(20.2mm\). De spoorbreedte is al buiten het berijk van deze tool. Als
we toch de stroom verandert naar \(50A\) wordt dit \(33.1mm\).

Met dezelfde instellingen voor \(50A\) in de calculator van DigiKey
keeft die dezelfde resultatie. En die van AdvancedPCB, PCBWay en OMNI
calculator. Of ze gebruiken allemaal dezelfde beperkte formule of het
klopt redelijk.

Er is gekozen om een spoor breedte van \(40mm\) te gebruiken om iets
marge te hebben als deze rekenmachines afwijken. Dit is erg breed, dus
dit verdeeld gedaan over een buiten laag en een binnen laag plus nog een
extra marge omdat binnenlagen minder goed koelen. De lagen zijn om en om
gedaan, zodat het beetje capaciteit tussen deze lagen de inductie ietsje
compenseert.

\subsubsection{Half-bridges}\label{half-bridges}

Gelukkig heeft EPC (de fabrikant van de FET's) een aantal aangeraden
layouts.

\begin{figure}
\centering
\includegraphics{../../latex/images/e4a587e6-798b-4fed-8518-9574473bdf79.png}
\caption{Aangeraden PCB layout van EPC}
\end{figure}

Bij dit project worden de high-side (HS) en low-side (LS) FET's ongeveer
hetzelfde belast, dus ze hebben dezelfde koeling nodig. Dus er is voor
de middelste optie gekozen.

\begin{figure}
\centering
\includegraphics{../../latex/images/43a7f9a1-a3d6-4f2b-844e-be65623e1b12.png}
\caption{3D render van een van de half-brdige layouts}
\end{figure}

Hierboven is de layout te zien. De rij condensatoren in het midden
tussen de twee FET's (met veel vias er omheen). Rechts daar van de
SOIC-8 is de stroom meting IC en rechts onderin de gate driver.

De uitgang van de FET's voor de stroom meet IC is er ook in de binnen
laag direct onder de top laat (de render is van de top laag). Deze zit
er om de stroom loop zo'n klein mogelijk oppervlak te geven met de
condensatoren, door er onder door te gaan. Hierom stoppen de vias van de
voeding ook zo abrupt.

\newpage

\section{Productie}\label{productie}

De PCB en stencel zijn gepoduceert door JLCPCB en de componenten zijn
gelaats en in de reflow oven gegaan in het SMD-lab op Accademiplein.

Na dat die uit de over kwam zijn er een aantal soleer balletjes
weggehaald, twee soldeer bruggen weg gehaald bij een van de gate driver
IC's en de microcontroller opnieuwe met de hand erop gelaast. De
microcontroller had teveel tin op de groundpad aan de onderkant,
waardoor deze omhoog kwam en de pinnen aan de zijkant boven de PCB
zweefde onder contact.




\end{document}