PEE51_SPC_documents/markdown/projectdocument.md

tags
kladjes, elektro, elektro/hr, elektro/hr/pee51

parent

*[PvE]: Plan van Aanpak *[MS Exel]: Microsoft Exel *[SPC]: Superlight Personal Carier *[VCU]: Vehicle Control Unit

Superlight Personal Carier (SPC)

inhoudsopgaven

[toc]

Inleiding

Het SPC-project is een project vanuit de opleiding Automotive. Het doel is om een lichtgewicht, zelf stabiliserend persoonsvoertuig te ontwikkelen dat als een testplatform kan dienden. Bij dit test platform is het doel om een kleinere milieu vriendelijkere manier van persoonlijk transport dan een 'gewone' auto.

Analyse

Niels Groningen - de opdracht gever - wil graag een test platform hebben. Het is lastig harde eisen te stellen aan dit testplatform, aangezien nog niet exact bekend is wat er getest op gaat worden. Het is de bedoeling dat er verschillen soorten testen op gedaan kunnen worden.

Voor dit project zijn er wel duidelijke eisen nodig zodat het duidelijk is dat we allebei hetzelfde idee hebben hoe die moet werken. Hierom is er dus doorgevraagd en zijn een aantal richtlijnen uitgekomen.

• Het voertuig moet een redelijke actieradius hebben, zoals bijvoorbeeld comfortabel vanaf Amsterdam naar Rotterdam kunnen rijden.
• Het moet over de snelweg kunnen in theorie, maar hoeft niet aan alle regelgevingen te voldoen.
• Er moet actieve stabilisatie op komen.
• Beide wielen moeten gestuurd en aangedreven worden.
• Het voertuig moet zo licht mogelijk zijn, zonder te veel weg te nemen van gebruikers vriendelijkheid voor de bestuurder.
• Het voertuig moet uiteindelijk semi-automatisch kunnen rijden.

Op basis van deze richtlijnen heeft Finley een eerste concept voor het Pakket van Eisen opgesteld. Dit was in document vorm en dat werd niet heel erg gewaardeerd door automotive. Die volden het erg onoverzichtelijk, zij hebben geleerd om het in MS Exel een PvE op te stellen. Het is hier echter lastig om de onderbouwing van de eisen in te verwerken. Na veel discussie de groep over een tussen weg is er gekozen om Finleys versie te houden om het PvE verder te maken. En als die af er ook een MS Exel van te maken.

Het PvE heeft ondertussen nog een paar keer besptoken binnen de goep en met de opdracht gever om tot de definitieve versie te komen.

De definitieve versie van het Pakket van Eisen is te vinden in de bijlagen. En in het hoofdstuk Architectuur wordden de balangrijkste eisen

Architectuur

Het diagram Units is een overzicht van de units van dit project.

Vehicle Control Unit (VCU)

De VCU heeft alle ingangen voor de bestuurder voor het sturen, gas geven, remmen.

Voor deze unit gelden de volgende eisen van het PvA:

REQ-C-1[MH]: het voertuig wordt bestuurd doormiddel van een elektronisch input, zoals een joystick, die bedienbaar is door de bestuurder.
REQ-C-2[MH]: er is een noodstop aanwezig.

Stuur systeem

Zodat het voertuig niet alleen rechtuit kan rijden. Er is een nouwe samenwerking geweest tussen cd VCU en het stuursysteem, omdat de zelfde hoofd persoon de elektronica voor bijde units is.

Voor deze unit gelden de volgende eisen van het PvA:

REQ-W-3[SH]: het voertuig stuurt met beide wielen.
REQ-W-8[MH]: het voertuig heeft een draaicirkel van 6 meter in diameter of minder.

Stabilisatie

De stabilisatie is om het voertuig rechtop te houden bij bijvoorbeeld het wachten bij een kruispunt of een stoplicht.

Voor deze unit gelden de volgende eisen van het PvA:

REQ-S-1[MH]: Het voertuig wordt actief gestabaliseerd
REQ-S-2[SH]: Het voertuig kan uit zichzelf weer recht komen te zitten vanaf een roll hoek van 5 graden

Aandrijving

De aandrijving zorgt ervoor dat het voertuig zichzelf kan voortbewegen op genoeg snelheid zodat er veilig op de weg gereden kan worden. de VCU stuurt een signaal voor accelereren of remmen.

Voor deze unit gelden de volgende eisen van het PvA:

REQ-A-4[MH]: Het voertuig is ontworpen zodat de maximale snelheid 60 kilometer per uur of sneller is.
REQ-A-5[SH]: Het voertuig is ontworpen zodat die 150 kilometer per uur of sneller kan rijden in ideale omstandigheden.
REQ-A-6[SH]: Het voertuig is ontworpen zodat die 100 kilometer actieradius of meer kan bereiken in ideale omstandigheden.
REQ-A-7[CH]: Het voertuig is ontworpen zodat die 250 kilometer actieradius of meer kan bereiken in ideale omstandigheden.

Vehicle Control Unit (VCU) / Stuursysteem

De VCU is een belangrijk onderdeel van het systeem, hiermee kunnen we het voertuig in een richting sturen en vooruit bewegen. De belangrijkste keuzes hierin zijn in welke taal we willen gaan programmeren en wat voor soort microcontroller we willen. De reden hiervoor is zodat de volgende team makkelijker kan omgaan met de code en het systeem makkelijker kunnen uitbreiden. Het makkelijkst is dan om met de Arduino IDE en framework verder te gaan, omdat het een bekent en veel gedocumenteerd systeem is waar je veel over kan vinden op internet tegenover veel andere IDE's, programmeertalen en microcontrollers. Verder moet het ook draadloos verbinding kunnen maken met een console controller zodat de volgende teams eventueel een andere keuze kunnen maken hoe ze willen sturen. Daarom hebben we voor de ESP32 gekozen omdat het alles aantikt met een gezond aantal GPIO pinnen.

Actuator

De actuator hebben we nodig om de wielen in een richting te kunnen sturen. Volgens Max Kappert(student automotive engineer) hebben we de volgende parameters gekregen die we nodig hebben om het voertuig te kunnen sturen.

Parameter	Waarde	Eenheid	Opmerking
Voertuigspanning	12 - 14	V_{DC}	typisch voor auto-VCU's
Stuurspanningdemperkle	0 - 5	V_{DC}	naloge regeling
PWM-signaal frequentie	25000 - 30000	Hz	Typische range voor aansturing
PWM duty cycle	10 - 90	\%	10%: minimale demping, 90%: maximale demping^[demping voor de ophanging via de interne actuator demper]
Stroomverbruik klep	0.5 - 2	A	Afhankelijk van de interne weerstand
Wielsnelheid	0 - 250	km/h	Meet snelheid per wiel
Karrosserieversnelling	-3 tot +3	g	Laterale en verticale versnellingen
Axiale potentiometer (veerweg)	0 - 50	mm	Meet veeruitslag
Temperatuur werkbereik	-40 tot +85	^\circ C	Automobielstandaard

Voor de Actuator is er een keuze gemaakt voor CDC (Continuous Damping Control) demper van SACHS, Maar vanwege de besteltijden van dit soort componenten kunnen we dit niet gebruiken. Daarom gebruiken we een actuator die er al staat, de A0-01/M van S-LINE. om de actuator te besturen gebruiken we een motordriver, de MDD20A. Dit is omdat we het al hebben en werkt met de huidige actuatoren en voldoende de parameters van de actuatoren behaald, daarom hebben we besloten om niet een nieuwe te kopen of te ontwerpen. Om ervoor te zorgen dat de actuatoren niet te ver gaan gebruiken we de AS5600 magnetic encoder. Dit is omdat de encoder een absoluut positie meegeeft en daarom voor minder problemen zorgt als het voertuig opnieuw opstart.

Stabilisatie

De groepen voor ons hebben al een klein schaal model voor een reactiewiel gemakakt en een, wat op een voledige schaal, vliegwiel opstelling gemaakt.

Documentatie over de vliegwiel opstelling hebben wij niet terug gevoenden. Maar wel van het kleine schaal model, de opstelling is pas gevonden aan het einde van het project - Voor onze opvolgers, in het proto lab tussen de planten en de 3d printers is de linker kast -

Voor de Stabilisatie is er een motor driver ontworpen. De specificaties van deze zijn groten deels gebaseerd op specifieke motor. Samen met Automotive is deze uitgekozen.

[!TODO] toevoegen Automotive dee lang over het gerekenen van kracht en vermogen voor de stabilisatie. Finley heeft hier regelmatig naar gepushed en heeft zelf ook het huidige frame gewogen om het wat sneller te laten gaan. en heeft tussendoor ook rond gekeken naar motoren en drivers, onderzoek naar FOC gedaan in de hoop dat ik dat kan gebruiken. Helaas was alles max 10% van wat nodig is.

De Motor

Het is er een die gevonden is op Aliexpress, niet een heel erg betrouwbare verkoper, maar we kunnen geeb andere geschikte vinden voor een redelijke prijs. Deze motor kan de kracht net niet continu aan, maar wel voor korte duur. De snelheid is wel iets ingeperkt ten opzichte van de berekende 1000 rpm dat nodig is, deze kan maar tot 875 rpm. Dit is de reden geweest dat we geen motor gaan inkopen, maar een testen met een motor uit de voorraad. Deze zal waarschijnlijk niet voldoende vermogen kunnen halen, maar we kunnen wel testen of het concept werkt voordat er grote bedragen uitgegeven gaan worden aan een geschikte motor.

De specificaties van de motor:

• K_T = 0.15 Nm/A - motor koppel constante
• I_{noload} = 3.52 A - Stroom verbruik bij geen koppel
• K_v = 69 rpm/V - motor snelheidsconstante
• V_{th} = 598 mV - threshold voltage
• I_{max} = 78.5 A - maximaal stroom verbruik voor onze applicatie (11.2Nm met 1:4 gearbox)
• U_{max} = 64 V - maximaal spanning benodigd voor onze applicatie

berekeningen voor deze waardes staan in het Detailontwerp Stabilisatie in hoofdstuk Motor Keuze (zie bijlagen)

Er is helaas iets fout gegaan bij de berekeningen die eerder gedaan zuhb om de specificaties vast te stellen. Er is per ongeluk met 25 Nm gerekent i.p.v. 45 Nm. Dit betekent dat de motor driver is ontworpen voor 50 A i.p.v. 80A. Dit kan opgelost worden door een motor gearbox combie die te vinden is met 50A maar met een hogere spanning het vermogen haalt. Er is veel ruimte aan spanning, dus dit zal geen groot probleem moeten zijn.

Motor Driver

specificaties

• De drijver moet minimaal 64 V aan kunnen, met voorkeur van meer dan 120 V ¹

De 120V komt van de vorige groep die aan dit project hebben gewerkt. Dit is de spanning van de accu die zij hadden gebruikt om dingen mee te berekenen. Er is nog geen besluit wat deze spanning werkelijk gaat worden.

• De drijver moet minimaal 50 A continu kunnen leveren (wat eigenlijk 80 A had moeten zijn) ¹
• Maakt gebruik van Field Oriented Control, 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.

Met deze specificaties is het erg lastig om een motor driver voor te vinden. Zo lastig dat - zonder een bedrijf één te laten ontwerpen - we er geen gevonden hebben. Hierom is gekozen om zelf een motor driver te ontwerpen.

De SPI-client is afgesproken met de andere elektrotechnische ingenieurs als algemeen communicatie protocol nadat was besloten om een eigen motor driver te ontwerpen.

Ontwerp

Het ontwerp is gemaakt door Finley, zij heeft op haar stage al een motor driver ontworpen. Hier heeft ze heel veel geleerd over het ontwerpen van een motor driver. Hier komt ook veel van de kennis vandaan. Deze motordriver is niet gebaseerd op die motor driver, deze kan maar 3A aan, dus compleet opnieuw beginnen is makkelijker.

Half-bridges

De motor is een BLDC motor de volledige naam is een permanent magneet borstelloze 3 fase synchrone motor. Dit betekent dat er permanente magneten in zitten, geen borstels, aangestuurd met 3 fase en synchrone draait met deze 3 fases.

De motor driver wordt gevoed van een accu, dus DC. Om deze synchrone 3 fases te genereren zijn drie half-brdiges nodig. Een voor elke fase.

Voor de FET's voor deze Half-bridges is gekozen voor de EPC2307, Dit zijn GaNFET's in tegenstelling to de vaker gebruikte MOSFET's. MOSFET fabrikanten hebben een gewoonte om de maximale stroom te berekenen met perfecte koeling. Dit is dus niet realistisch haalbaar. Om achter te komen wat wel haalbaar is is een thermal analyses nodig, dit is grof weg gedaan voor een redelijk wat MOSFET's, maar geen enkel was geschik om de 50A te schakelen. EPC (Efiction Power Converter; de fabrikant van de EPC2307) is een van de weinige fabrikanten wel een realistisch beeld van de maximale stroom.

Om te bevestigen is een berekening vermaakt hoeveel de FET's aan vermogen verliezen in deze applicatie. Dit is gedaan met de volgende formule.

P_{loss} = I^2R_{DS(on)} + \frac{UIt}{2} \cdot 2f_s

I: stroom
U: voedingsspanning
t: schakeltijd
f_s: de schakel frequentie

U = 120V, I = 50A (uit specificaties motor driver)
t = 4 ns (berekent in simulatie)
f_s = 50 kHz (frequentie is gekozen omdat die buiten menselijk gehoor licht)

P_{loss} = 26.2 W.

Deze formule is erg pessimistisch, deze gaat uit van 100\% PWM terwel de uitgang een sinus is dus gemiddeld is het altijd 50\% en de schakelverliezen worden ook overschat. Voor meer informatie over deze berekening zie bijlagen Detailontwerp Stabilisatie hoofdstuk Verliezen in de FET

Voor meer informatie over hoe de vermogens filtering is gedaan zie bijlagen Detailontwerp Stabilisatie hoofdstuk Power Filtering

Sensoren

Er zijn drie sensoren nodig, stroom meting, positie van de motor en de hoek van het voertuig.

stroom meting

De stroom meting wordt gedaan met de ACS724xLCTR-50AB. Dit is een stroom meting IC die van -50A tot +50A kan meten. Deze komt tussen de motor en de uitgang van de half-bridges. Het is ook mogelijk om aan de lage FET in de half-bridge te meten met een shunt, maar omdat het nog niet heel duidelijk is hoe het FOC algoritme werkt, lijkt dit een makkelijkere manier om het algoritme te implementeren.

Er is niet gekozen voor een shunt met een versterker, omdat er 200V op deze uitgang komt te staan. De versterkers die dit aankunnen zijn erg duur en de ACS724xLCTR-50AB wordt dan een goedkopere optie.

Hoek van de motor

de motor hoek is nodig voor FOC. Hoe nauwkeuriger deze sensor is hoe efficiënter FOC wordt. De AS5600 is zowel makkelijk te monteren als nauwkeurig zonder dat die elke keer bij het opstarten hoeft gekalibreerd hoeft te worden.

Meer informatie waarom deze keuze is gemaakt, zie de bijlagen Detailontwerp Stabilisatie hooftstuk Encoder

Hoek van het voertuig

Een MEMS Gyroscoop kan verandering in de hoek meten, deze is erg snel hierin maar bij afwijking verliest die de nul positie. Hiervoor is een combinatie gekozen met een MEMS-acceleratiemeter. Deze kan met de zwaartekracht meten zolang het voertuig niet te veel beweerd.

Om het makkelijk te maken is er gekozen voor de M5Stack IMU Pro Mini. Deze is makkelijk te monteren, omdat die al in een behuizing zit met montage gaten. Deze sensor komt met de BMI270 van Bosch die zowel een MEMS-acceleratiemeter als gyroscoop heeft.

Meer informatie warom deze keuze is gemaakt, zie bijlagen Detailontwerp Stabilisatie hoofdstuk Hoek Sensor

Productie en Testen Motor Driver

De PCB en stencil zijn geproduceerd door JLCPCB en de componenten zijn geplaatst 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 opnieuw met de hand erop geplast. De microcontroller had te veel tin op de grondpad aan de onderkant, waardoor deze omhoog kwam en de pinnen aan de zijkant boven de PCB zweefde onder contact.

Tot hoever er getest is werkt alles, de FET's schakelen en de PWM wordt correct gegenereerd. Helaas heb ik geen foto's van de scope kunnen maken, ik had beide handen vol met de probes en het lukte me niet om met mijn neus de scope te triggeren. Ik ga maandag 23 juni iemand om hulp vragen terwel ik verder ga testen.

Project Verloop

Aan het begin was het vooral lastig om duidelijk te maken wat de vereisten van beide opleidingen en tot een format te komen van het Plan van Aanpak en Pakket van eisen die voor beide opleidingen voldoet. Het is ons niet gelukt om tot een enkel Pakket van Eisen te komen, bij Automotive moet het in een Exel bestand. Dit is alleen lastig om te exporteren naar bestand dat geschik is om te kunnen ondertekenen. Daarbij is het ook lastig om er onderbouwing van de eisen bij te zetten, dit is niet nodig voor Automotive.

We hebben uiteindelijk ons eigen Pakket van Eisen gemaakt op onze manier en deze vertaalt naar een Exel bestand voor Automotive.

Na deze twee documenten zijn er weinig 'conflicten' geweest tussen de eisen van Elektrotechniek en Automotive.

Een van de projectleden, Mohamed, is erg weinig komen opdagen. En heeft de drie waarschuwingen gekregen dat volgens de samenwerkingsovereenkomst dat wij hebben opgesteld en getekend (inc. Mohamed), waar na die uit de groep gezet kan worden. i.p.v. dit direct te doen hebben wij als groep samen met Joris Straver een gesprek gehad, wat er toe heeft geleden dat die de groep heeft verlaten. Rond deze tijd had Gryvon ook aangegeven dat die de groep verliet wegen te veel stress met andere vakken.

Vanaf school week 4.1 waren we totaal nog maar met 5 personen i.p.v. 7. Dit heeft er tot geleid dat de aandrijving van de wielen hebben laten vallen en de motor driver voor de stabilisatie wat is uitgelopen.

bijlagen

---

1. Er wordt tot 50 V getest, voor deze waardes wordt het ontworpen, maar niet tot het limiet getest. ↩︎