LailaTheElf
c63fa968f7
All checks were successful
generate pdf files / build (push) Successful in 2m39s
392 lines
18 KiB
Markdown
392 lines
18 KiB
Markdown
---
|
|
tags: kladjes, elektro, elektro/hr, elektro/hr/pee51
|
|
---
|
|
|
|
[parent](/tPb3Up1fQEuZ86yrJSkYRQ)
|
|
|
|
*[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](ref: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](#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.
|
|
|
|
[^1]: Er wordt tot $50 V$ getest, voor deze waardes wordt het ontworpen, maar niet tot het limiet getest.
|
|
|
|
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](#verliezen-in-de-fet)
|
|
|
|
> Voor meer informatie over hoe de vermogens filtering is gedaan zie bijlagen
|
|
Detailontwerp Stabilisatie hoofdstuk [Power Filtering](#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](#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
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|