PEE51_SPC_documents/markdown/detilontwerp_stabilisatie.md

Detilontwerp Stabilisatie

[toc]

Inleiding

De SPC^[Superlight Personal Carrier] is een twee wielig conept een persoons voertuig. Zonder active sabilisatie gaat deze omvallen, hiervoor is een reactie wiel ontworpen. Het aanstuuren van de motor voor dit wiel is lastig, de voledige kracht moet gehaald worden vanaf stilstand. Dit is alleen mogenlijk met FOC^[Field oriented Controll]. Er zijn niet veel motor driver op de markt voor het vermogen (4,5 KW, 45 Nm), hierom is er een opmaat gemaakte motor driver ontworpen.

Analyse

Tijn Stijders (student Automotive engineer) heeft de benodigde kracht van 45 Nm en vermogen van 4,5 KW berekent voor dit voertuig. Deze berekening is gebaseerd op inschattingen van het gewicht van het voertuig, maar is naukeurig genoeg om te gebruiken.

motor keuze

Het is voor ons niet mogenlijk om boven de 50 V te testen, wegen gebrek aan deskundigen om dit vijlig boven deze spanning te gaan. Er zijn erg weinig motorgen beschikbaar dit onder deze spanning aan de eisen voedoet. En zijn tot de conclusie gekomen om niet op het voleig vermogen te gaan testen, maar een lager vermogen te testen met een motor dit meer op een hogere spanning meer vermogen heeft.

De volgende motor is gekozen om de motor driver op te baseren:

referentie BLDC motor

Deze motor is maar voor 3 KW, maar dit is continu, voor minder dan een secode kan die het vermogen wel halen. Ditzelfde geldt voor de kopple.

Hier vooe is een 1:4 vertraging nodig, maar dit is volgen de automotive engeneers geen probleem.

specs

• De drijver moet minimaal 60 V aan kunnen, met voorkeur 120 V ^[1]
• de drijver moet minimaal 50 A continu kunnen leveren (\frac{3 KW}{60 V}) ^[1]
• maakt gebruik van field orented controll, om het voledige vermogen te kunnen halen vanaf stilstand.
• De hoek van het voertuig moet gemeken worden.
• Er is een regel loop tussen de hoek sensor en de kracht van de motor.
• Er is een SPI client connector waarmee verschillende instellingen ingesteld mee kan worden, waaronder het maximaal vermogen.

ontwerp

componenten

FET

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

Een andere optie is GaNFET's, hier hebben we een fabrikant gevonden die veel redelijkere max stroom geven (Effitiont Power Converters). De EPC3207 lijkt met meerst geschik voor dit project. Deze kan 62A aan volgens de datasheet, en diepeert ongeveer 15W bij 50A. Dit vermogen is goed te deciperen met een koelblok.

gate driver

EPC geeft een lijst aan aangeraade gate drivers IC's. Er is gekozen voor de NCP51820 van On-Semi. deze kan hoge spanningen aan, de schakelilng er om heen is makkelijk te maken door een aparte source en sync pinnen, en is goed verkrijgbaar voor een goede prijs.

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.

hoek sensor

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

• afstand sensoren naar de grond

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

• MEMS gieroscoop

Meet direcht de hoek en is snel. Naadeel is dat die weg kan lopen van de nul posistie en de nul positie verliest bij een reset.

• MEMS acceleromiter

meet de zwaarte kracht direct, dus verliest de nul posistie niet bij een reset, maar wordt verstoord bij een stoot.

De beste optie is een combinatie van een MEMS gieroscoop en een MEMS acceleromitor. de acceleromitor zorgdt er voor dat de nul positie niet veloren gaat. en de giroscoop voor naukeurige meting van de hoek.

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.

Uiteidelijk 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 aalle benodigde componenten.

encoder

schema

Het ontwerpen van het schema is gedaan in KiCAD.

PCB

• spoor breede
• 4 lagen
• layout

productie

• PCB besteld bij JLCPCB
• zelf soldeeren in SMD lab