526 lines
24 KiB
Markdown
526 lines
24 KiB
Markdown
---
|
|
tags: kladjes, elektro, elektro/hr, elektro/hr/pee51
|
|
auther:
|
|
- "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)"
|
|
auther_short: "E.L.F. van Reenen, C. Tan, T Snijders, M. Kappert en T. Braam"
|
|
---
|
|
|
|
[parent](/tPb3Up1fQEuZ86yrJSkYRQ)
|
|
|
|
# Detailontwerp Stabilisatie
|
|
|
|
[toc]
|
|
|
|
## Inleiding
|
|
|
|
De SPC^[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^[Field oriented Controll].
|
|
|
|
## Analyse
|
|
|
|
Er zijn nog veel onbekenden over het voertuig. De belangrijkste parameters die
|
|
nodig zijn om de stabilisatie te ontwerpen is het totaal gewicht van het
|
|
voertuig en waar het midden van de massa is. Deze parameters kan je alleen maar
|
|
weten als het voertuig af is of exact bekent is wat en waar alles in het
|
|
voertuig komt. Dit weten we nog niet, om deze inschatting te maken hebben de
|
|
automotive studenten een inschatting gemaakt. Deze inschatting is gemaakt op
|
|
basis de het huidige frame, hiervoor zijn is het voertuig gewogen en de hoogte
|
|
van midden punt van de massa gemeten. En inschattingen van wat er
|
|
nog in het voertuig moet komen.
|
|
|
|
Met deze inschattingen is berekent door Tijn zwaar, de benodigde kracht en
|
|
snelheid om de eisen te halen. Hieruit kwam een reactiewiel van $10 Kg$ en
|
|
$45 Nm$ op een maximumsnelheid van $1000 rpm$ gehaalt moet kunnen worden.
|
|
Dit komt neer op $4.5 kW$ meganishce vermogen.
|
|
|
|
### 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 het ontwerp voor een hogere spanning ontworpen en
|
|
niet op volledig vermogen getest.
|
|
|
|
De volgende motor is gekozen:
|
|
|
|
[referentie BLDC-motor](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)
|
|
|
|
De gegeven specificatie zijn:
|
|
|
|
| | |
|
|
|---|---|
|
|
| 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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
| | $U$ (V) | $I$ (A) | $P_{in}$ (W) | rpm | koppel (N.m) | $P_{out}$ (W) | efficiëntie (%) | tijd (s) |
|
|
|----------|-------|-------|-------|------|-----|-------|-----|---|
|
|
| onbelast | 47.49 | 3.666 | 174.1 | 3264 | 0.03 | 11.1 | 6.4 | 1 |
|
|
| test eindpunt^[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^[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 |
|
|
|
|
| 编号(No. ) | 电压 (V) | 电流 (A) | 输入功率 (W) | 转速 (rpm) | 转矩 (Nm) | 输出功率 (W) | 效率 (%) | 时间 (s) |
|
|
|----|-------|-------|-------|------|------|-------|------|----|
|
|
| 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 |
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
### 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.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
### 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
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x as: test nummer
|
|
y as: spannigs error tussen test data en $U=\frac{\omega}{K_v} + \frac{\tau}{K_T} R + U_{th}$
|
|
|
|
|
|
### 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.
|
|
|
|
$$
|
|
U = \frac{\omega}{K_v} + \frac{\tau}{K_T} R + U_{th} = \frac{\omega}{69} + \frac{\tau}{0.15} \cdot 0.17 + 0.598
|
|
$$
|
|
|
|
$$
|
|
I = \frac{\tau}{K_T} + I_{noload} = \frac{\tau}{0.15} + 3.52
|
|
$$
|
|
|
|
| gearbox | snelheid | koppel | spanning | stroom | vermogen | efficiëntie[^efficentie-berekening] |
|
|
| ------- | --------:| -------:| --------:| -------:| --------:| ------:|
|
|
| 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 % |
|
|
|
|
[^efficentie-berekening]: op basis van 4.5 kW mechanisch vermogen dat berekend is door automotive studenten
|
|
|
|
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 $71.3V$.
|
|
|
|
> 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
|
|
|
|
### Specificaties
|
|
|
|
- De drijver moet minimaal $72 V$ aan kunnen, met voorkeur van $120 V$ [^1]
|
|
- de drijver moet minimaal $50 A$ continu kunnen leveren [^1]
|
|
- maakt gebruik van Field Orented Controll, om het volledige vermogen te kunnen
|
|
halen vanaf stilstand.
|
|
- De hoek van het voertuig moet gemeten 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.
|
|
- Er is een mogenlijkheid om later de SPI-client te kunnen vervangen met een
|
|
CAN-bus.
|
|
|
|
CAN-bus is de sandaart communicatie potocol in autos, maar er is gekozen om dit
|
|
protocool nog niet te implementeeren, wegens de complexitijd van dit protocool.
|
|
|
|
[^1]: Er wordt tot $50 V$ getest, deze waardes word het voor ontworpen, maar
|
|
niet tot de limiet getest.
|
|
|
|
## Ontwerp
|
|
|
|
Motordrivers die dit vermogen aan kunnen en FOC ontersteunen zijn erg schaarst,
|
|
op de markt. We hebben geen driver kunnen vinden die niet op maat gemaakt wordt.
|
|
Zelf een maken is goedkoper, aangezien er geen certificeertingen gedaan hoeven
|
|
worden en geen abrijds kosten hoeven te rekenen voor onszelf.
|
|
|
|
Daarbij heeft het team ook al ervaring. Finley heeft al een motor driver
|
|
ontworpen op haar stage. Dat was ook een grote factor in het maken van deze
|
|
keuze.
|
|
|
|
### Componenten
|
|
|
|
Een FOC BLDC motor driver bestaat minimaal uit drie half driver en een
|
|
controller voor de FOC. Eleke halfbridge driver bestaat uit twee transistoren
|
|
en een gate driver.
|
|
|
|
#### Transistoren
|
|
|
|
Tyristoren werken niet, omdat de voeding direct van een accu komt dus geen 'zero
|
|
crossing' om ze uit te zetten. BJT's zijn niet bepaalt geschikt voor grote
|
|
stromen. De stroom is zelf erg hoog voor FET's, maar dat is eigenlijk onze enige
|
|
optie.
|
|
|
|
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^[[https://epc-co.com/epc/products/gan-fets-and-ics/epc2307](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.
|
|
|
|
#### Gate Driver
|
|
|
|
EPC geeft een lijst aan aangeraden gate drivers
|
|
IC's^[[https://epc-co.com/epc/design-support/gan-first-time-right/drivers-and-controllers](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.
|
|
|
|
##### 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.
|
|
|
|
#### 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 manieren voor gevonden:
|
|
|
|
- afstand sensoren naar de grond
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
- MEMS-Gyroscoop
|
|
|
|
Meet direct de hoek en is snel. Nadeel is als deze afwijkt veranderd de nul
|
|
positie en gaat die balanceren op het verkeerde punt.
|
|
|
|
- MEMS-Versnellingsmeter
|
|
|
|
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^[[https://www.bosch-sensortec.com/products/motion-sensors/imus/bmi270/](https://www.bosch-sensortec.com/products/motion-sensors/imus/bmi270/)]
|
|
van Bosch. De I^2^C bus van deze IC is direct verbonden met de connector naar
|
|
buiten toe.
|
|
|
|
#### 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.
|
|
|
|
#### 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^[[https://www.sameskydevices.com/product/motion-and-control/rotary-encoders/absolute/modular/amt212b-v](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^[[https://ams-osram.com/products/sensor-solutions/position-sensors/ams-as5600-position-sensor](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.
|
|
|
|
### Schema
|
|
|
|
Het schema is gemaakt in KiCad
|
|
|
|
#### 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.
|
|
|
|
##### 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.
|
|
|
|
> TODO: ref to hooftstuk pcb needed!
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
##### Gate Driver
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
#### Microcontroller
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
### PCB
|
|
|
|
#### Stroom Distributie
|
|
|
|
Vijftig ampère is erg veel voor een PCB.
|
|
|
|
> 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)"
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
#### Half-bridges
|
|
|
|
Gelukkig heeft EPC (de fabrikant van de FET's) een aantal aangeraden layouts.
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
|
|
|
|
## 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.
|