E7007E – Fördjupningskurs i elektronik 15 hp

Baldos

Drivelektronik

Olov Ershag

Anders Marklund

Elektroteknik åk 4

Luleå tekniska universitet Institutionen för systemteknik

Sammanfattning Denna rapport beskriver arbetet med att designa elektroniken och drivlinan till Baldos. Detta inkluderar att välja komponenter, designa kretskort, felsöka, simulera och optimera kretsar. En förbränningsmotor från Honda med inbyggd generator utvärderades med resultatet att generatorn behöver bytas ut. En ny generator, som är specialtillverkad för projektet, från ModelMotors, en superkondensatormodul från Maxwell och OEMelectronics och en navmotor från Velectris har valts till drivlinan. Ett utvecklingskort med en mikroprocessor med ARM7-arkitektur har utvärderats, men en mikroprocessor med AVR-arkitektur valdes eftersom en bättre utvecklingsmiljö och tidigare erfarenheter av processorn var fördelaktigt. En bromsbänk har upprättats för att kunna testa förbränningsmotorn genom att mäta bromsmoment. Elektronik för detta har utvecklats och testats med goda resultat. För att kunna kontrollera laddeffekt och motoreffekt har kretsar för detta syfte simulerats och ett kretskort designats.

Innehållsförteckning

SYSTEMVAL .................................................................................................................................................. 3

FÖRBRÄNNINGSMOTOR............................................................................................................................................. 3 GENERATOR ........................................................................................................................................................... 3 ENERGIBUFFERT ...................................................................................................................................................... 4 ELMOTOR ............................................................................................................................................................... 5 SUPERKONDENSATORN ............................................................................................................................................. 6

Tekniker för cellbalansering ........................................................................................................................... 7 Passiv balansering ........................................................................................................................................................ 7 Aktiv balansering ......................................................................................................................................................... 7

ELEKTRONIKÖVERSIKT ................................................................................................................................. 8

KRAVSPECIFIKATION ................................................................................................................................................. 8 BLOCKSCHEMA ........................................................................................................................................................ 8 BUDGET ................................................................................................................................................................. 9

UTVECKLINGSKORT .................................................................................................................................... 10

INLEDNING ........................................................................................................................................................... 10 ARM7 ................................................................................................................................................................ 10 VAL AV MIKROPROCESSOR ....................................................................................................................................... 11

BROMSBÄNK .............................................................................................................................................. 11

INLEDNING ........................................................................................................................................................... 11 LIKRIKTARBRYGGA .................................................................................................................................................. 11

Version 2 ....................................................................................................................................................... 12 LAST.................................................................................................................................................................... 12 MOMENTMÄTNING ................................................................................................................................................ 13 WHEATSTONEBRYGGA OCH MÄTKRETS ....................................................................................................................... 14 TEST .................................................................................................................................................................... 15 HALLGIVARSYSTEMET PÅ HONDAS GENERATOR ............................................................................................................ 16 UTVÄRDERING AV HONDAS GENERATOR ..................................................................................................................... 16

HÅRDVARA ................................................................................................................................................ 18

NAVMOTOR .......................................................................................................................................................... 18 GENERATOR/STARTMOTOR ..................................................................................................................................... 18 KOMPARATOR MED SUPERDIOD ................................................................................................................................ 19 HALLGIVARKOPPLINGEN I NAVMOTORN1, HÅRDVARA.................................................................................................... 19 TESTKRETS MED MOSFET-DRIVARE .......................................................................................................................... 21 SIMULERINGAR AV GENERATORN .............................................................................................................................. 23 SIMULERING AV STEP-UP-CONVERTER ........................................................................................................................ 23 NY GENERATOR ..................................................................................................................................................... 25 SPECIALTILLVERKAD GENERATOR ............................................................................................................................... 26 ELKRETSSCHEMA TILL SHELL ..................................................................................................................................... 27 EAGLE VS. ORCAD – LAYOUT .................................................................................................................................... 27

REFERENSER ............................................................................................................................................... 28

BILAGOR .................................................................................................................................................... 29

BILAGA 1 ............................................................................................................................................................. 29 BILAGA 2 ............................................................................................................................................................. 30

Blockschema v.1 ........................................................................................................................................... 30 Blockschema v.2 ........................................................................................................................................... 30

BILAGA 3. ............................................................................................................................................................ 31 Budget .......................................................................................................................................................... 31

2

Inledning Baldos är namnet på miljöbilen som under åtta månader konstrueras och tillverkas av 15 studenter vid Luleå tekniska universitet. Bilen ska delta i tävlingen Shell Eco-marathon som hålls i Frankrike i slutet av maj. Tävlingen går ut på att köra så långt som möjligt på så lite bränsle som möjligt och rekordet är över 450 mil [1] på en liter bensin. Luleå tekniska universitet deltar för första gången i år med bilen Baldos och 16 studenter från fyra institutioner medverkar i projektet och arbetar för en grönare miljö. ”Fördjupningskurs i elektronik 15 hp” är en kurs vid institutionen för systemteknik och denna kurs läses av två studenter. I kursen designas elektroniken till Baldos, huvudsakligen i form av drivkretsar till borstlösa generatorer och elmotorer. Att arbeta på detta sätt har varit mycket lärorikt och roligt för oss samt har gett en bra inblick i hur det skulle kunna vara att arbeta med att utveckla elektronik till ett projekt i verkligheten. Arbetet slutar dock inte här, utan kommer att fortlöpa i ytterligare projektkurser till dess att Baldos står klar och tävlingen är genomförd. Olov Ershag Andes Marklund Elektroteknik åk 4

3

Systemval Baldos drivlina kommer att vara en seriehybrid. Detta innebär att en förbränningsmotor driver en

generator som alstrar elektrisk energi. Energin lagras i en energibuffert och kan därifrån fördelas till

elmotorer som driver hjulen.

Fördelarna med denna typ av drivlina är att förbränningsmotorn kan arbeta på sitt mest effektiva

varvtal och moment genom att laddningsströmmen från generatorn kontrolleras steglöst med hjälp

av en mikroprocessor på ett elektroniskt styrkort. När energibufferten är full, stängs

förbränningsmotorn av och slås inte på igen förrän energinivån i bufferten är under en viss nivå.

Ytterligare en fördel är att det inte behövs någon mekanisk koppling mellan förbränningsmotor och

hjul. Detta möjliggör en friare placering av komponenter vilket är mycket fördelaktigt i ett litet

motorutrymme.

Kravet för en seriehybrid är förstås att laddningseffekten till energibufferten är större än

elmotoreffekten som dras från energibufferten.

Förbränningsmotor.

Efter att ha letat små förbränningsmotorer var det tre kandidater som skulle kunna passa till Baldos.

De två första, på 25cc resp. 35cc, var tvåtaktsmotorer från olika bensintrimmers från Husqvarna. Den

tredje var en 50cc fyrtaktsmotor med insprutning från Honda. Denna motor är en av de minsta i sitt

slag och har en högre verkningsgrad än Husqvarnas motorer. Problemet är den stora

effektutvecklingen, på ca 2000 Watt, som ställer större krav på generator och efterföljande

elektronik i form av stora strömmar (upp mot ca 50A).

Efter många diskussioner beslutade vi att ändå använda oss av Hondas motor vilket förhoppningsvis

kommer ge Baldos en bättre bränsleekonomi samtidigt som det ger oss i elektronikgruppen en

utmaning.

Generator

Generatorn behöver omvandla den mekaniska energin från förbränningsmotorn till elektrisk energi

och vice versa eftersom den även ska användas som startmotor.

Att hitta en generator som passar till vårt projekt visade sig inte vara en enkel uppgift. Två

huvudkriterier behöver uppfyllas.

För det första behöver generatorn klara att omvandla ca 2000 Watt effekt utan att lindningarna blir

för varma så att lacken på koppartrådarna smälter. För det andra så är det bra om generatorn ger en

spänning på mer än 48 Volt vid ca 5000 varv per minut, vilket är den spänning som vår valda

energibuffert har när den är fulladdad. Om en lägre spänning genereras måste den omvandlas till rätt

spänning i en step-up-omvandlare vilken bara har en verkningsgrad på ca 80 %.

En tredje detalj, som är specifikt för borstlösa motorer, är att det behövs ett sensorsystem som kan

mäta generatorns rotationsvinkel så att det elektroniska styrsystemet vet när det ska skicka ström

genom en viss motorlindning. Ett vanligt sätt är att använda sig av magnetsensorer, eller Hallgivare,

som detekterar permanentmagneternas position.

4

Det finns styrsystem som kan känna av generatorns rotationsvinkel genom att mäta den inducerade

spänningen i motorlindningen, även kallad Back-EMF eller counter electromotive force. Detta kräver

dock att motorn redan snurrar och fungerar alltså inte vid stillastående eller mycket låga varvtal.

Eftersom generatorn även ska användas som startmotor, krävs ett sensorsystem. Hondas

förbränningsmotor levererades med en inbyggd generator/startmotor som satt direkt på

motoraxeln. Generatorn var borstlös, med permanentmagneter och hade en specifikation på 200

Watt. Det fanns även ett sensorsystem i form av Hallgivare.

Test av denna generator visade att den genererade ca 50 Volt vid 5000 varv per minut, men att den

inte klarade av att leverera nog med ström vid detta varvtal.

En ny, specialdesignad, generator beställdes från en motortillverkare i Tjeckien. Denna generator har

precis de egenskaper vi behöver; den klarar den höga effekten samtidigt som den genererar rätt

spänning.

Mätningar och resultat på generatorerna presenteras senare i rapporten.

Energibuffert

Vid val av energibuffert finns det två viktiga aspekter att beakta. Det första är hur mycket energi den

kan lagra per massenhet. Eftersom mer massa på Baldos kommer att innebära högre rullmotstånd

och därmed sämre bränsleekonomi, är det viktigt att hålla nere viken.

Det andra är att energibufferten måste klara att ta emot en laddeffekt på ca 2000 Watt från

förbränningsmotorn.

Det finns huvudsakligen tre alternativ att välja bland. Det första är ett återuppladdningsbart batteri

av typen nickel-metallhydrid, NiMH, som kan sägas är en förbättring från det vanliga nickel-

kadmiumbatteriet, NiCd med ca 50% längre drifttid. Batteritypen lider och av den så kallade

”memory-effekten” vilket innebär att batteriet tappar laddningskapacitet om det inte urladdas helt

eller inte laddas helt.

Den andra batteritypen, som inte lider av den s.k. ”memoryeffekten” är Litiumjonpolymer, LiPo, som

även har en högre verkningsgrad vid laddning/urladdning. Den kanske främsta fördelen med LiPo är

dess höga energitäthet och därmed låga vikt.

Det tredje alternativet är att använda sig av en superkondensator som har ungefär samma

verkningsgrad vid laddning/urladdning som LiPo, men klarar betydligt högre laddeffekt (endast

begränsad av värmeutveckling i det interna motståndet). Den stora nackdelen med

superkondensatorer är att de har låg energitäthet och väger därmed mycket vilket är en nackdel för

Baldos. Mer om superkondensatorer kommer senare i rapporten.

De tre typerna jämförs i tabellen nedan i tabell 1.

5

Tabell 1. Jämförelse mellan olika energibuffertar. [2] [3] [4]

NiMH LiPo Superkondensator

Energi/massa [Wh/kg] 30–80 130–200 6

Energi /volym [Wh/l] 140–300 300 7

Effekt/massa [W/kg] 250–1000 2800 >200000

Verkningsgrad vid (ur)laddning 66% 99.8% 99%

Energi/kostnad [J/SEK] 680 1800 7

Självurladdningstakt [/månad] 30% 5% 30%

Hållbarhetstid [år] 3 20

Max antal laddningscykler 500–1000 500–1000 >1 M

Nominell cellspänning [V] 1.2 3.7 2,7

Baldos energibuffert kommer att vara i form av en superkondensator. Dels för att en

superkondensator klarar att leverera höga strömmar, men också på grund av att den klarar många

laddningar/urladdningar utan att tappa verkningsgrad. Nackdelen är att den blir betydligt tyngre och

tar mer plats än ett LiPo-batteri, men med tanke på de stora strömmar som generatorn kommer att

generera så kommer superkondensatorns strömkapacitet att vara nödvändiga.

Elmotor

För att kunna välja elmotor till Baldos behövs en uppskattning av vilken effekt som krävs för att driva

bilen framåt med avseende på de krafter som verkar på bilen på grund av rullmotstånd och

luftmotstånd. En uträkning från våra uppskattade värden utfördes av företaget PML Flightlink [5] och

gav följande resultat som visas i tabell 2. Fordonsvikten är exklusive förare. Förarviken borde ha

tagits med i beräkningarna, men detta underlag är ändå tillräckligt för en grov uppskattning.

Tabell 2. Uppskattade värden från Team Baldos

Max speed 30 km/h

Hjuldiameter 64 cm (26”)

Fälgdiameter 40 cm (16”)

Fordonsvikt 50 kg

Rullmotståndskoefficient 0,0013

6

Främre Area 1,2 m²

Max väglutning 5,7

Batterispänning 48 V

Tabell 3. Uträknade värden från PML Flightlink

För att ytterligare förbättra verkningsgraden valdes en borstlös elmotor med många poler för att

klara av att ge högt vridmoment och jämn gång vid låga varvtal (ca 300 rpm). Genom att välja en

motortyp som kallas navmotor och som monteras i hjulet, kan ytterligare kopplings- och

lagerförluster undvikas. Motormodellen i Baldos heter Super Phantom och kommer från företaget

Velectris [6] i frankrike. Motorn väger 6 kg, har ett hölje av aluminium och kan utan problem ge 300

Watt med en verkningsgrad på ca 86 %. För att ytterligare förbättra verkningsgraden kommer vi att

byta lager till keramiska lågfriktionslager från SKF. Axeln kommer eventuellt även att bytas ut mot en

mer hållfast axel, eftersom motorn inte har något fäste på utsidan hjulet.

Superkondensatorn

Superkondensatorn, eller elektrisk dubbelskiktskondensator (EDLC) som den också kallas, fungerar

ungefär som en vanlig kondensator, men har en betydligt högre energitäthet. Jämfört med en

elektrolytkondensator kan den lagra ca 10000 gånger mer energi [10]. Superkondensatorn bygger

inte, som elektrolytkondensatorn, på en kemisk princip [11] och kan därför hantera många och

snabba urladdningar. Den klarar till och med en kortslutning vilket ger mycket höga strömmar. En

superkondensatorcell kan hålla ca 2,5 Volt (2,7 max) vilket innebär att celler måste placeras i serie

och bilda en modul för att kunna användas i kommersiella sammanhang så som i bilindustrin eller

som avbrottsfri kraftförsörjning, UPS (Uninterruptible power supply). Vid snabb uppladdning fördelar

sig spänningen lika över cellerna förutsatt att kapacitansen är lika. Det finns dock två problem med

seriekoppling av celler. Det första är att toleransen på kapacitansen är ±20%. Det andra är att den

interna resistansen i cellerna varierar från cell till cell. Dessa två fenomen innebär att spänningen

över cellerna kommer att fördela sig olika, dels vid snabb laddning pga. skillnad i kapacitans, och dels

med tiden pga. skillnad i internt motstånd.

Om en superkondensator laddas till för hög spänning kommer elektrolyten att börja brytas ner och

bildar genom det en gas. Om spänningen hålls för hög under lång tid kommer denna gasbildning att

Vridmoment (acc 0,14 m/s²) 4,22 Nm

Vridmoment (hålla max hastighet) 7,6 Nm

Vridmoment (klara lutning 5,7 º) 16,22 Nm

Genomsnittlig strömstyrka 7,4 A

Genomsnittlig effekt 317 W

7

orsaka att säkerhetsventilerna kommer att öppnas och gasen kommer släppas ut i luften.

Nerbrytningen av elektrolyten medför att den interna resistansen kommer att öka och till slut

kommer det att bli så högt att det inte går att dra någon ström genom kondensatorn.

Vid seriekoppling av kondensatorceller kommer den totala spänningen att vara lika med summan av

spänningarna över varje cell. Kapacitansen kommer dock att minska lika många gånger som antalet

celler (förutsatt att alla celler har samma kapacitans).

För att förhindra överladdning måste alltså cellerna balanseras och i Jung, 2002 [7] presenteras olika

sätt att göra detta.

Tekniker för cellbalansering

Passiv balansering

Den kanske enklaste metoden för balansering är passiv balansering i form av resistorer som placeras

parallellt med cellerna. Kopplingsschema för detta visas i figur 1. Resistorerna behöver vara valda så

att läckströmmen genom dem är två till tio gånger större än läckströmmen genom cellen som kan

vara upp till 3mA.

Fördelen med denna typ av balansering är att den är mycket billig och enkel. Nackdelen är att den

kommer att ladda ur cellerna med tiden.

Figur 1. Passiv balansering med resistorer

Ett annat alternativ kan vara att montera en zenerdiod över varje cell för att inte överladda cellerna,

eventuellt med någon form av strömbegränsning.

Aktiv balansering

Genom att montera en transistorswitch i serie med motstånden och implementera en

spänningsmätare, kan switchen slutas då spänningen är över tröskelspänningen och öppnas då

spänningen är under tröskelspänningen och på så sätt skapa en aktiv spänningsövervakning. En

principskiss på denna typ av uppkoppling visas i figur 2.

Fördelen med detta är att switchen öppnas när spänningen är under tröskelvärdet, vilket förhindrar

urladdning. Nackdelen är att en individuell krets måste monteras på varje cell och därmed öka

kostnaden.

Figur 2. Aktiv balansering med transistorswitchar

8

Elektroniköversikt

Kravspecifikation

En preliminär kravspecifikation gjordes i ett tidigt skede utifrån 2007 års regler, då reglerna för 2008

ännu inte fanns tillgängliga. Kravspecifikationen specificerar de krav som Shell ställer på bilens

elektronik samt några av våra egna målsättningar som till exempel vibrationståliga kontakter. Se

bilaga 1

Blockschema

En viktig del i elektronikarbetet är att bestämma vilka funktioner som ska implementeras samt hur

dessa ska kopplas ihop för att fungera på bästa sätt. Många förslag på olika (mer eller mindre

nödvändiga) funktioner har kommit på tal, men eftersom detta är universitetets första bil i projektet

har många ”extra” -funktioner utelämnats.

För att få en bättre överblick av vad som ska implementeras och hur allt ska kommunicera med

varandra, gjordes ett preliminärt blockschema över de mest övergripande delarna i elkretssystemet,

som kan ses i bilaga 2.

I detta blockschema används två stycken elmotorer (en för högersida och den andra för vänstersida)

för att eliminera sneddragning vid elektrisk inbromsning och acceleration.

Båda elmotorerna har varsitt kontrollerkort som styrs av en mikroprocessor. Dessa mikroprocessorer

kommunicerar sedan med en huvuddator som även kontrollerar belysning, dataloggning, trådlös

dataöverföring samt displayen i förarmiljön.

Om det finns tid över kommer eventuellt även en GPS-modul att implementeras.

Vid valet av elmotor gjordes en hel del efterforskningar och resultatet blev att en högre

verkningsgrad (se figur 3) uppnås om bara en elmotoranvänds istället för två. Den högre

verkningsgraden beror på att den uppskattade lasten, för varje elmotor, kommer närmare elmotorns

optimala arbetspunkt om bara en motor används.

9

Figur 3. Graf över verkningsgraden (lila kurva) som funktion av vridmoment.

Detta innebär en del sneddragning vid acceleration och inbromsning, och därmed energiförluster,

men p.g.a. de låga hastigheterna och en styv bottenplatta kommer dessa krafter att bli förhållandevis

små.

Ett nytt, mer detaljerat blockschema gjordes med endast en elmotor vilket också kan ses i bilaga 2.

Budget

Att uppskatta en tidig budget för elektroniken var inte lätt då många komponenter fortfarande var

obestämda. Hela budgeten kan ses i bilaga 3.

Det första problemet var att uppskatta ett pris på energibufferten (superkondensatorn). I detta skede

var det fortfarande oklart om det skulle löna sig att bygga en egen superkondensatormodul eller om

det var bättre att köpa en färdig. Efter att ha läst på lite mer om hur man bygger en

superkondensatormodul beslöt vi att det inte fanns tid till att bygga en egen. Dessutom saknas

tidigare erfarenheter inom området och då superkondensatorn är en så kritisk punkt i drivlinan är det

säkrare att köpa en färdig modul som har testats utförligt och finns med bra dokumentation.

Under sökandet av en lämplig superkondensator valde vi Maxwell som den mest lämpliga

tillverkaren. Deras moduler kostar mellan 12-18 tusen kronor, viss sponsring uppskattades (då

information om att Maxwell tidigare samarbetat med andra universitet fanns på deras hemsida) och

därför budgeterades 10 000 kr för en energibuffert. Senare visade det sig dock att vi fick sponsring på

hela beloppet.

Uppskattning av kostnaden för att tillverka de kretskort som ska användas gjordes bara grovt

eftersom antalet kort som behöver tillverkas fortfarande är oklart. Priset på olika mikroprocessorer

kollades upp men övriga komponenter var fortfarande obestämda och klassades som övrig

elektronik.

Budget för elmotorn var också svårt att uppskatta då det inte var beslutat exakt vilken elmotor som

skulle användas. En grov uppskattning gjordes utifrån priser från diverse återförsäljare av

navmotorer på internet.

2 Motorer 1 Motor

10

Möjligheten att tillverka en egen navmotor diskuterades, men i brist på tid så kommer detta inte att

bli aktuellt. Det skulle däremot kunna vara ett förslag på en förbättring (eller forskningsområde) till

nästa års projekt.

Även budgeten för generatorn visade sig vara svår att göra, då vi inte kunde hitta någon generator

som matchade våra krav. Därför avsattes 5000 kr till att införskaffa en generator.

Den display som ska visa data till föraren (så som hastighet, energinivåer m.m.) var ännu helt

obestämd, en gissning på 5000 kr fick utgöra denna post i budgeten.

Batterier för att driva elektroniken (inte elmotorn) budgeterades till 500 kr. Även batterierna var

ännu obestämda och detta innebar ännu en gissning.

Många av komponenterna till mikrokontrollerkorten, belysningen och många andra delar är

fortfarande inte specificerade, därför avsattes 5000 till ”Övrig elektronik”.

Utvecklingskort

Inledning

För att kunna optimera den elektroniska styrningen av elmotorn och generatorn behöver vi använda

oss av mikroprocessorer. Mikroprocessorerna bör ha en snabb klocka, 16-bitars timerar med PWM-

utgångar (pulsbreddsmodulering), CAN-modul, några A/D-omvandlare (analog-till-digital-

omvandlare) och ett antal pinnar med möjlighet till externa avbrott. De styrkretsar som vi har valt att

undersöka närmare är AT90CAN128 (AVR- arkitektur) och AT91SAM7X256 (ARM7-arkitektur).

ARM7

För att få en djupare förståelse för hur elmotorn fungerar och hur den ska kopplas in användes ett

utvecklingskort, SAM7-EX256 med processorn AT91SAM7X256 som programmerades med några

enkla testprogram .

Då ARM7-arkitekturen var ganska främmande gjordes några enkla program för att testa de

funktioner som skriver till olika register, samt tester av olika konfigurationer för att kunna använda

den display och de knappar som fanns på utvecklingskortet. När en grundläggande förståelse för

funktionerna uppnåtts påbörjades mjukvara för att styra navmotorn.

För att få realtidsstöd i mjukvaran för styrningen till navmotorn, användes Tiny Timber. Första

versionen av styrningen gjorde så att motorn kunde stegas fram med hjälp av knapparna på

utvecklingskortet. Ett knapptryck öppnar nästa transistorpar och strömmen skickas till nästa

motorlindning, så att magnetfältet vrids ett ”steg”.

När detta fungerade var det dags att gå vidare till att driva motorn direkt från mikroprocessors klocka

och på så vis uppnå en smidig rotation utan ”steg”. På utvecklingskortet fanns även två stycken

potentiometrar som användes för att ställa in önskad rotationshastighet som även visades på den

inbyggda displayen på utvecklingskortet.

11

För att få motorn att snurra med hjälp av processorns klocka krävs en låg begynnelsehastighet så att

inte magnetfältet flyttar sig för långt innan rotorn har hunnit vrida sig. Då spänningskuben som

användes hade en strömbegränsning på 2 A kunde vi bara testa motorn på låga hastigheter. När

rotationshastigheten ökades började motorn att ”slira” och hängde inte med magnetfältet eftersom

den inte fick nog med ström. Det var dock nog för att se att det fungerade.

I navmotorn satt 3 stycken Hallgivare monterade som kunde användas för att avläsa i vilket läge

rotorn befann sig och därmed bestämma när det är dags att vrida magnetfältet. Hallgivarna

kopplades in som externa avbrott till mikroprocessorn och för varje gång som en Hallgivare ändrade

tillstånd (går från hög till låg, eller låg till hög) aktiverades nästa transistorpar. På så vis fås en motor

med mycket högre vridmoment, även vid låga varvtal, än om motorn endast drivs från

processorklockan. Det är på det här sättet som navmotorn kommer att drivas i den slutliga versionen

av styrkretsen.

Val av mikroprocessor

Då tidigare erfarenheter ansågs vara tillräckliga för att jämföra det två olika processortyperna gjordes

inga tester utav AVR-processorn med motorn.

Båda processorerna uppfyller våra grundkrav och även om AT91SAM7256 (ARM7) är en vassare

processor med fler funktioner än AT90CAN128 (AVR) så valdes AVR-processorn. Detta p.g.a. det finns

en mer välutvecklad utvecklingsmiljö till AVR (AVR-studio) samt att AVR-processorer använts i

tidigare kurser vilket har gett bra erfarenheter och en större insyn i AVR-arkitekturen.

Bromsbänk

Inledning

För att kunna testbromsa förbränningsmotorn på bromsbänken tillverkades en del kringutrustning i

form av likriktare samt en last att bränna effekten från generatorn i.

Likriktarbrygga

För att kunna utvärdera den generator som satt på förbränningsmotorn byggdes en temporär

likriktarbrygga. Denna kopplades sedan till ett effektmotstånd och spänningen över detta mättes för

att beräkna den likriktade effekten som generatorn klarade av att generera. Denna likriktarbrygga

klarade tyvärr inte av de strömmar som generatorn producerade vid en längre testkörning. Detta

uppmärksammades då lödtennet smälte och komponenterna började falla isär! Se figur 4.

12

Figur 4. Trasig likriktarbrygga.

Version 2

En ny likriktarbrygga konstruerades enligt figur 5, den här gången med kraftiga likriktardioder

monterade på en stor kylfläns. Varje komponent innehöll 2 dioder och dessa dioder var specificerade

att tåla 6A vardera. Därför parallellkopplades totalt 6 dioder (totalt 36A) per fas (3 faser), för att klara

den ström som genereras. Dessa monterades sedan på en stor kylfläns för att leda bort värme.

Figur 5. Ordentlig, fungerande likriktare.

Last

Lasten i testbänken måste vara variabel under körning för att kunna reglera det bromsande

momentet. Därför designades lasten som en MOSFET-transistor där gaten kopplades till en

potentiometer och matningsspänning. På så vis kunde spänningen vid gaten, och därmed den ström

som transistorn släpper igenom, enkelt ökas eller minskas. I den verkliga uppkopplingen av lasten

parallellkopplades 4 transistorer för att kunna klara av de strömmar som genereras. Dessa

monterades på en kylfläns av samma typ som likriktarbryggans dioder monterades på.

Vid den första testkörningen upptäcktes oscilleringar i lasten och för att motverka dessa placerades

ett 100 Ω motstånd i serie med varje gate för att dämpa bort svängningarna. Se figur 6.

13

Figur 6. Transistorlast med gate-motstånd (under eltejpen)

Momentmätning

Universitetet hade en gammal elektronikutrustning i form av en bromsbänk där det satt en 400V

trefasmotor och en borstförsedd liktrömsgenerator med både rotor- och statorlindningar. Eftersom

den inte längre användes kunde vi ta den till projektet.

Genom att kortsluta rotorlindningarna och justera strömmen genom statorlindningarna, som

fungerar som elektromagneter, kan ett steglöst bromsmoment skapas. Desto mer ström som går

genom statorlindningarna ju starkare blir elektromagneten och en större ström kommer induceras i

rotorlindningen och generatorn utsätts därmed för ett större bromsande moment.

Generatorn sitter bara monterad på axeln och kan alltså snurra fritt runt axeln. För att kunna mäta

bromsmomentet byggdes ett mothåll i form av ett plattstål som då kommer fungera som en fjäder

och böja sig olika mycket beroende på vilket bromsmoment man har.

Genom att montera två trådtöjningsgivare på varsin sida om plattstålet kan böjningen och därmed

bromsmomentet mätas. Trådtöjningsgivarens funktion visas i figur 7.

Figur 7. Principskiss på en trådtöjningsgivare.

En trådtöjningsgivare är egentligen en tunn tråd som limmas fast på ytan på vardera sidan av

plattstålet. När plattstålet böjs kommer den ena sidan att bli längre och den andra att bli kortare.

Trådtöjningsgivaren på ena sidan kommer alltså också att bli längre och trådens tvärsnittsarea

kommer minska och därmed kommer också trådens elektriska resistans att öka. Motsvarande händer

på andra sidan, men där minskar resistansen. Resistansen är också beroende på temperatur och

luftfuktighet, men genom att använda en sensor på varje sida av plattstålet och göra en differentiell

mätning kan detta kompenseras bort.

14

Wheatstonebrygga och mätkrets

Resistansen i våra trådtöjningsgivare är 351 Ω vid normalt läge [8] och förändras bara med ett fåtal

ohm när de utvidgas maximalt. För att kunna översätta skillnaden i resistans till en skillnad i spänning

används en uppkoppling som uppfanns på 1800-talet [9] och som kallas wheatstonebrygga. Vår

uppkoppling av wheatstonebrygga visas i figur 8.

Figur 8. Trådtöjningsgivarna, KFG5_1, uppkopplade i en wheatstonebrygga

Bryggan justeras genom att ställa in R1 så att Vout är 0 V vid normalt läge. När plattstålet böjs åt ena

hållet kommer resistansen i KFG5_1 att öka och resistansen i KFG5_2 att minska. Vout kommer då att

bli negativ. För att kunna mäta den lilla spänningen krävs en differentialförstärkare med ställbar

förstärkning. Det finns en typ av differentialförstärkare som är speciellt lämpad för detta och det är

en instrumentförstärkare vars kretsschema visas i figur 9 .

Figur 9. En standard instrumentförstärkare

Instrumentförstärkaren har hög ingångsresistans och mycket hög common-mode rejection ratio

(CMRR) som i princip bara uppkommer på grund av missmatchning av resistorerna med lika

beteckning.

Förstärkningen i kretsen beskrivs med följade samband.

2

31

12

21

R

R

R

R

VV

V

gain

out

+=

− (1)

Och genom att välja Ω=== kRRR 10321 kan ekvationen förenklas till

gain

out

RVV

V 200001

12

+=−

(2)

15

Med Rgain = 30 Ω fås en förstärkning på ca 670 gånger. Genom att skapa en offset på utspänningen på

halva matningsspännigen, med hjälp av Roffset, kan både positiva och negativa förändringar mätas.

Kretsschemat för vår krets visas i figur 10 och det färdiga kretskortet i figur 11.

Figur 10. Hela momentmätningskretsen med wheatstonebrygga och instrumentförstärkare

Figur 11. Det färdiga kretskortet för momentmätning

Ett kretskort designades i Orcad Layout och tillverkades genom etsning i XP-ELs lokaler. Kortet

fungerade bra och uppfyllde de förväntningar vi hade. R1 och Rgain var båda justerbara motstånd i

form av potentiometrar och därefter kunde kretsen justeras för att ge +5V vid 10Nm och 0V vid -

10Nm.

Vid kalibreringstillfället monterades en arm på generatorn där kända vikter hängdes på och på så sätt

skapade ett känt moment.

Test

För att testa bromsbänken användes först den trefasmotor som satt på bromsbänken. Motorn gick

tyvärr bara upp till 1500 rpm, men vid den hastigheten fungerade bromsningen och

momentmätningen bra. För att kunna testa vid högre varvtal användes en elmotor från Kalevi

Hyyppäs garage. Motorn var egentligen inte avsedd för så höga effekter men pressades till sitt

yttersta när den kördes på 30V, 12A och fick då generatorn att rotera med varvtalet 3200 rpm.

Generatorn hade ett givet maxvarvtal som var 3998 rpm (!) och förbränningsmotorn skulle kunna

komma upp i varvtal kring 7000 rpm, dessutom var inte lagren dimensionerade för det varvtalet och

16

en koppling till förbränningsmotorn skulle kunna orsaka onödigt stora böjkrafter på vevaxeln. Därför

beslutade vi att inte använda den gamla generatorn som broms.

Hallgivarsystemet på Hondas generator

Grundtanken med generatorn från Honda var att kunna utnyttja de Hallgivare som redan fanns

inbyggda. Hallgivarna sitter monterade i ett svart helgjutet plasthölje, med 6 tillhörande kablar, 3

Hallgivarsignaler, jord, samt en kabel märkt ”OUT” och en märkt ”PUL”.

I verkstadshandboken till förbränningsmotorn står inget om hur Hallgivarna ska kopplas in, men efter

några experiment fungerade i alla fall de 3 Hallgivarna om matningsspänningen och ett pull-up-

motstånd kopplades på den kabel som var märkt ”OUT”. Vad ”PUL” ska användas till är fortfarande

oklart, mest troligt används den till att bestämma rotationsvinkeln för generatorn då den används

som startmotor. Generatorn innehåller 2 rader med magneter, den ena raden innehåller 6 lika stora

magneter (12 poler) som används av Hallgivarna. Den andra raden är lika som den första raden

förutom att den har en magnet som är större och en magnet som är mindre. Se figur 12. Den andra

raden används för att bestämma rotationsvinkeln på vevaxeln då generatorn används som

startmotor.

Figur 12. Hallgivarsystemet på Hondas generator

Exakt hur den nedre raden används är inte klart då detta aldrig fungerade i de experiment som

gjordes och Honda vill inte ge ut den informationen.

Hondas generator kommer inte att användas i bilen då den inte klarar av att bromsa med tillräckligt

hög effekt, däremot kommer en av Hallgivarna från generatorn att användas till motorstyrningens

mjukvara för att bestämma när motorn har nått övre dödpunkt då generatorn används som

startmotor.

Utvärdering av Hondas generator

För att utvärdera om vi skulle kunna använda Hondas originalgenerator som satt i

förbränningsmotorn, riggade vi upp förbränningsmotorn i testbänken och kopplade lindningarna från

generatorn till vår hemmabyggda likriktare och sedan vidare till vår hemmabyggda last enligt figur

13.

17

Figur 13. Transistorlast, likriktarbrygga och tångamperemeter.

En tångamperemeter användes för att mäta strömmen, och spänningen mättes med ett oscilloskop.

Förbränningsmotorn accelererades till 5000rpm, som är den grovt uppskattade arbetspunkten som

motorn kommer att arbeta vid, sedan mättes spänning och ström vid olika laster. Vid minimal last

(transistorn knappt ledande) uppmättes en spänning på 46V men strömmen blev för liten för

amperemetern att registrera. Vid maximal last (transistorn fullt ledande) uppmättes en ström på ca

20A men en spänning nära 0V. Generatorn klarar alltså inte av att generera tillräcklig effekt vid detta

varvtal för våra ändamål, och en ny generator måste införskaffas. Den största effekten som Hondas

generator kunde generera uppkom vid en medelstor belastning. Då uppmättes ca 12A och ca 20V

d.v.s. en effekt på ca 240W vilket är rimligt då generatorn är specificerad till 200W. I efterhand var

det nog ganska uppenbart att förbränningsmotorns uppskattade effekt på ca 2kW inte kan bromsas

med en generator som är specificerad till en tiondel av den effekten.

18

Hårdvara Vilka komponenter som skulle användas till H-bryggorna i drivlinan har diskuterats mycket och

många olika förslag har kommit på tal. Stepup/down-converts har diskuterats i samband med dessa

idéer, men det visade sig att dessa har en dålig verkningsgrad och har därför undvikits.

Navmotor

H-bryggan som kontrollerar effekten till navmotorn består av 6 transistorer. Dessa transistorer

aktiveras i en särskild sekvens som bestäms av Hallgivarnas signaler för att skicka strömmen till rätt

motorlindning och därmed vrida motorn. Signalen till de 3 övre transistorerna pulsbreddsmoduleras

(pwm) av mikrokontrollern för att kunna styra mängden ström till motorn.

När motorn används som elektrisk broms stängs de 3 övre transistorerna helt och de 3 nedre

aktiveras med en gemensam pwm-signal. Se figur 14. När de nedre transistorerna är öppna byggs en

ström upp som cirkulerar i motorn, när sedan transistorerna stängs trycks strömmen upp genom

frihjulsdioderna och vidare in till superkondensatorn. Genom att justera tiden som transistorerna är

på eller av kan den bromsande effekten styras från mikrokontrollern.

Figur 14. Stömmens väg i kretsen när navmotorn används för att bromsa. Öppna transistorer (t.v.) samt

stängda (t.h.).

Generator/Startmotor

Kretsen för att styra generatorn både som startmotor till förbränningsmotorn och som generator för

att ladda superkondensatorn, är uppbyggd med en kombination av transistorer och tyristorer. Den

nere delen av H-bryggan består av transistorer medan övre delen både består av transistorer och

tyristorer. Transistorerna i den övre delen är kopplade till batteriet (14.8V) och används för att starta

motorn. Tyristorerna är kopplade till superkondensatorn och används för att styra strömmen till

superkondensatorn. Se figur 15.

19

Figur 15. Principschema för generator- och startmotorstyrningen

Den genererade strömmen regleras med hjälp av att aktivera tyristorerna vid olika tillfällen för att

reglera den ström som flyter till superkondensatorn. När mikrokontrollern får en signal från en

Hallgivare betyder det att den genererade spänningen för fasen passerar 0V. Om spänningen har en

ökande flank, går från negativ till positiv, kan tyristorn aktiveras direkt från mikrokontrollern och den

börjar därefter leda leda så fort spänningen stigit till ca 1.4V ovanför superkondensatorns aktuella

spänning och leder fram tills att den genererade spänningen sjunkit under det gränsvärdet. På detta

sätt fås en maximal laddström per period. En mindre ström (och bromsande verkan) kan

åstadkommas genom att vänta med att aktivera tyristorn även om den genererade spänningen är

mer än 1.4V över superkondensatorns spänning, detta leder till att superkondesatorn laddas under

en kortare tid per fas och därmed en minskad bromsande effekt.

Komparator med superdiod

Ett förslag med en superdiod och en komparator på de nedre transistorerna för att helt automatisera

kontrollen av de nedre transistorerna utan inkoppling av microkontrollern, har påbörjats men inte

färdigställts ännu. Tanken var att jämföra spänningen mellan drain och source på transistorerna och

när spänningen blir lägre på drain sidan ska transistorn aktiveras, om den är högre ska transistorn

stängas av. På detta vis fås även mindre förluster p.g.a. att spänningen över transistorerna är mindre

än över dioderna.

Hallgivarkopplingen i navmotorn1, hårdvara

Borstlösa elmotorer fungerar inte på samma sätt som borstförsedda likströmselmotorer. För att

kunna magnetisera rätt spole i statorn så att den attraherar rätt magnet i rotorn och därmed får

motorn att snurra, krävs ett sensorsystem som kan känna av rotorns position, relativt statorn. Ett

vanligt sätt att realisera detta är att använda sig av Hallgivare. Hallgivarna monteras fast i statorn och

placeras så att magnetfältet från rotormagneterna passerar genom Hallgivaren. På så sätt kommer

Hallgivaren att känna skillnad mellan ett nordligt magnetfält och ett sydligt.

Genom att använda tre Hallgivare som placeras på ett sådant sätt att alla tre Hallgivare hinner byta

signal efter varandra innan den första byter igen kan strömmen styras. Se figur 16. Genom att

invertera en av givarsignalerna kan man skapa en säkerhet på så sätt att det aldrig kommer inträffa

att alla givare är hög eller låg samtidigt. Om motorn har 14 magneter (poler) så kommer alltså en

20

Hallgivare att växla läge 14 gånger per varv. Lågvarviga motorer har alltså flera poler för att kunna

skapa högt moment och jämn gång.

Det finns alltså sex olika kombinationer av Hallgivarsignaler innan mönstret upprepas och d

Detta kommer motsvara sex olika sätt att skicka ström genom trefasmotorns olika lindningar. För att

kunna styra vilken väg strömmen ska gå genom motorn behövs en trefasbrygga eller mer formellt, en

inverter. Se figur 17.

Figur 17. Trefasbryggans utseende

Tabell 4. Transistoraktiveringssekvenensen mappat till Hallgivarsignalerna

Hall 1 Hall 2 Hall 3 Aktiverade transistorer

1 0 0 Q1 och Q2

1 1 0 Q2 och Q3

1 1 1 Q3 och Q4

0 1 1 Q4 och Q5

0 0 1 Q5 och Q6

0 0 0 Q6 och Q1

Hall 1

Hall 2

Hall 3

Figur 16. Hallgivarsignalerna från en trefas, borstlös elmotor.

21

För att börja utveckla en motorstyrningskrets för trefas, borstlösa, elmotorer, beställdes en

testmotor av modellen HBM-36 från Electro-Mobile i Kista. Se figur 18.

Figur 18. Den första navmotorn från Electro-Mobile.

Motorn har 16 poler vilket innebär att den har 8 magneter med nordpolen riktad mot statorn och 8

magneter med sydpolen riktad mot statorn. De sex Hallgivarsignalerna kommer alltså att upprepas 8

gånger per varv och detsamma gäller aktiveringen av transistorer enligt tabell 4.

Testkrets med MOSFET-drivare

För att en MOSFET-transistor ska leda fullt måste spänningen mellan gate och source vara över ca 5-

15 Volt, beroende på modell. Detta är inget problem på de tre nedre transistorerna (Lo-side)

eftersom det bara är att applicera 15 volt på gaten. De tre övre transistorerna (Hi-side) har däremot

inte jord direkt kopplad till source och potentialen på source kan därför variera från nära noll volt till

nära matningsspänningen.

Det går alltså inte att bara applicera 15 volt på gaten på hi-side, utan det måste vara 15 volt högre än

sourcepotentialen.

För detta används en drivkrets som har en flytande utgång som kopplas in både på source och gate.

Vi har valt att använda en drivkrets som är gjord för trefasbryggor och som har tre hi-side och tre lo-

sideutgångar. Kretsen heter IR2130 och kommer från International Rectifier och dess

inkopplingsschema kan ses i figur 19.

Figur 19. Funktionen hos drivkretsen IR2130

Det fungerar på så sätt att först aktiveras den nedre transistorn (på en annan kanal) så att

spänningen vid VS blir ca 0 Volt. Då laddas kondensatorn mellan VB och VS upp till 15 volt

22

(matningsspänning, VCC) via dioden. När sedan den övre transistorn ska aktiveras kopplas VB ihop

med HO och därmed kommer HO att nå 15 volt över Vs och transistorn slår på. När detta händer

kommer spänningen på VS att stiga till nära matningsspänningen men kondensatorn kommer att

fotsätta hålla 15 volt så att gatespänningen kommer att stiga lika mycket. Kondensatorn kommer

dock att laddas ur med tiden och det går olika fort beroende på hur stor kondensatorn är. En större

kondensator kan hålla transistorn ledande under en längre tid, men den tar också längre tid att ladda

upp och begränsar på så sätt den maximala växlingsfrekvensen.

IR2130 har även inbyggt överströmsskydd som stänger av alla transistorer om strömmen blir för hög.

Överströmsskyddet aktiveras när spänningen på Itrip blir mer än 0.5 Volt. Detta kan uppnås med att

använda ett shuntmotstånd som all ström till H-bryggan måste passera genom. Vi har dock valt att

inte använda detta strömbegränsningsskydd, utan istället implementera ett eget i mikrokontrollern.

Det finns även ett annat viktigt skydd i denna IC-krets. Det går inte att aktivera två transistorer som

är kopplade till samma motorlindning (till exempel hög 1 och låg 1) vilket skulle innebära

kortslutning.

I figur 20 visas hur vi kopplat upp IR2130 tillsammans med sex transistorer.

Figur 20. Uppkoppling av motorstyrninskrets på labkort.

Genom att koppla IO-portar från mikrokontrollern till ingångarna på drivkretsen kunde en

motorstyrningsalgoritm programmeras. I första skedet kopplades inte Hallgivarna in utan

transistorerna växlades efter en viss justerbar tid och genom att gradvis öka klockfrekvensen kunde

vi öka varvtalet. Ökningen kunde inte ske för snabbt, det gick heller inte att belasta motor särskilt

mycket utan att den hamnade ur fas och tvärt stannade och fastnade i ett vibrerande oroligt läge. Ett

annat fenomen var att motorn gav upphov till missljud och det är för oss osäkert på vad detta

berodde på eftersom det bara uppstod när vi körde motorn på klocka.

Slutsatsen är att det inte går att köra på klocka på grund av att momentet blir alldeles för lågt och att

det blir för känsligt för variationer i moment.

När sedan signalerna från Hallgivarna fick bestämma när nästa transistorpar skulle aktiveras kunde

en tyst, jämn och fin gång skådas och maxmomentet blir nu proportionellt mot vilken

strömbegränsning spänningskuben har.

Hallgivarna kopplades in till mikrokontrollern på avbrottsingångar och systemet blev på så sätt

mycket snabbt. När vi använde en 32 bitars ARM-mikroprocessor på 16 MHz var tiden från ändring i

Hallgivarsignal till ändring i gatesignal drygt 6 µs viket innebär att maxvarvtalet på motorn med 16

23

poler kommer, med avseende på elektroniken, vara i storleksordningen 100 000 varv per minut vilket

känns tillräckligt för våra behov.

Simuleringar av generatorn

Figur 21. Hondas generator

Förbränningsmotorn levererades med en inbyggd trefas, borstlös startmotor/generator med

inbyggda Hallgivare. Se figur 21. Frågan var om denna generator skulle gå att använda till att ladda

superkondensatorn med hela laddeffekten på ca 2000 W. Det hade varit mycket smidigt att slippa

leta reda på en ny generator. För att kunna simulera olika laddkretsar mättes induktans och resistans

i generatorn upp. Resistansen kan inte mätas med en vanlig ohmmeter för att resistansen är för låg

men genom att skicka en konstant ström på 5 A genom lindningen och mäta spänningen kan

resistansen beräknas. Induktansen däremot kan enkelt mätas med en multimeter.

Generatorns lindningar var Y-kopplade och varje fas bestod av 3 lindningar i serie som satt parallellt

med 3 lindningar i serie. Se figur 22.

Figur 22. Lindningen i Hondas generator

Resistansen i varje lindning var ca 37 mΩ och induktansen var ca 58 µH.

Simulering av step-up-converter

Om den genererade spänningen skulle vara för låg för att ladda superkondensatorn till 48 V krävs en

spänningsomvandlare. Den typ av omvandlare som höjer spänningen kallas step-up-omvandlare. Det

intressanta är att se vilken verkningsgrad en sådan omvandling har. En enkel krets simulerades i

Pspice med en spänningskälla på 15V som skulle ladda en kondensator på 500 µF. Kresschemat visas i

figur 23. Den fulladdade kondensatorn kommer att ha en spänning som beror av duty cycle (dc) hos

transistorn, Q1. Dc anger alltså under hur stor del av tiden som Q1 leder. R1 och L1 är valda så att de

motsvarar 3 lindningar i Hondas generator. Kretsen simulerades med två olika värden på dc, 40% och

80%. Simuleringsresultaten visas i figur 24, 25 och 26.

24

Figur 23. Enkel step-up-omvandlare

Figur 24. Procentuell effektförluster i transistorn.

Vid en spänningshöjning till 250 % (dc=80%) är förlusterna i transistorn ca 5 %. Vid en

spänningshöjning till 510 % (dc=40%) är förlusterna i transistorn ca 17 %.

Figur 25. Strömutvecklingen i simuleringskretsen.

Det enda som begränsar hur mycket ström som genereras begränsas bara av de inre motstånden i

generatorn samt superkondensatorn. Strömmätning bör implementeras för att få en återkoppling av

strömstyrka till mikrokontrollern som kan reglera pulsbredden på signalen till transistorn och därmed

den ström som skickas till superkondensatorn.

25

Figur 26. Spänningen i superkondenstorn vid laddning med olika pulsbredder.

När dessa simuleringar utfördes var det okänt hur mycket spänning generatorn skulle ge, men

eftersom vi ska använda oss av en elektronisk broms, dvs köra navmotorn som generator, så kommer

vi hursomhelst att behöva en step-up-converter eftersom den genererade spänningen inte kommer

att vara över 50 Volt.

Vi kan konstatera att det är bra om generatorn ger ca 50 Volt så att man slipper en step-up-

omvandlare som avsevärt kan minska verkningsgraden i systemet.

Ny generator

Tester visade att Hondas generator inte var tillräckligt kraftfull och att en ny behövde beställas. Det

visade sig dock vara svårt att hitta en motor/generator som passade våra behov. Johan Eriksson,

doktorand på LTU, visade sig ha erfarenhet av borstlösa elmotorer till radiostyrda flygplan. Dessa

motorer är mycket kraftfulla med en specificerad effekt på upp till 5000 Watt. Problemet med dessa

motorer var att de just var anpassade till att driva en propeller och därmed inte behövde så höga

moment vid låga varvtal. På grund av detta kunde motorerna drivas med elektronik som använde sig

av back-EMF för drivning. Det var alltså nödvändigt för oss att implementera ett sensorsystem om vi

skulle använda oss av dessa motorer.

Eftersom förbränningsmotorn kommer rotera med ca 4500 rpm vill vi ha en motorkonstant, kv, som

motsvarar 80 rpm/Volt för att kunna generera tillräckligt mycket spänning för att kunna ladda

superkondensatorn utan någon step-up-omvandlare.

Den generator vi beställde från mft.nu hade dock en motorkonstant som motsvarade 171 rpm/Volt

vilket skulle innebära att den vid 4500rpm bara skulle ge 26 Volt. Tanken var att vi skulle modifiera

motorn genom att antingen koppla om lindningarna till Y-koppling istället för Δ-koppling och därmed

öka den genererade spänningen med 73,13 ≈ , eller linda om kopparn så att vi kan komma ner i 80

rpm/Volt. Nackdelen med att modifiera till högre spänning är att motorn klarar mindre ström och

därmed har lättare för att brinna. Dessutom blir det svårare att snabbt byta ut den mot en ny.

När motorn väl anlände visade det sig att det var mycket tunna trådar som var parallellkopplade och

att det skulle bli mycket svårt att modifiera lindningarna manuellt. Vi kunde dock koppla på den på

förbränningsmotorn och prova bromsa vilket fungerade mycket bra.

26

Vi testade också att limma på Hallgivare som kände av magneterna på utsidan av rotorn vilket

fungerade bra förutom att limment hade svårt att fästa på motorn. Lösningen kändes inte helt robust

eller lämplig för automotive-miljö. Se figur 26.2.

Figur 27.2. Limmade Hallgivare på utsidan på generatorn.

Specialtillverkad generator

Efter ett telefonsamtal med elmotortillverkaren Model Motors i Tjeckien, beställde vi en ny

generator som hade precis de specifikationer som önskades. Motorkonstanten motsvarade

77rpm/Volt vilket innebär at den genererade spänningen vid 4500 rpm blir 58 Volt. Generatorn klarar

att leverera ca 2300 Watt under 60 sekunder beroende på kylning.

Problemet med att generatorn inte har några sensorer består, men vi planerar att göra ett optiskt

sensorsystem med läsgafflar istället för Hallgivare. Eftersom generatorn har 14 poler kan vi genom

att tillverka en sju-tandad skiva som monteras på axeln, uppnå precis samma signaler som från

Hallgivarna.

27

Elkretsschema till Shell

I ett tidigt skede krävde Shell att ett elkretsschema skulle skickas in. Schemat, som visas i figur 27,

visar hur drivelektroniken fungerar och hur belysningen är inkopplad.

Figur 28. Elkretsschemat som beskriver drivelektroniken i stora drag och som har lämnats in till Shell.

Eagle vs. Orcad – Layout

Vid tidigare design av kretskortslayouter finns erfarenheter från Orcads program Layout. Layout är

ett kraftfullt verktyg om man vet hur man ska hantera det, men det kan fort bli väldigt krångligt och

svårt att hitta bland alla funktioner om man inte har erfarenhet av programmet sedan tidigare.

Den stora fördelen med Layout är att man direkt från Orcad Capture kan importera den krets man

har simulerat till Layout och direkt börja designa kretskortet.

Eagle är ett program som är helt dedikerat till design av kretskortslayouter, d.v.s. man kan inte

simulera sina kretsar som i Orcad Capture. Däremot är Eagle mycket mera användarvänligt och inte

lika invecklat som Layout. Många funktioner som t.ex. att rotera en komponent görs med ett enkelt

högerklick i Eagle och många andra kritiska funktioner är mer lättåtkomliga i Eagle än i Layout.

Även verktyget för att dra kopparbanorna är mer användarvänligt i Eagle än i Layout, viahål skapas

automatiskt när man byter lager, växling mellan 90º, 45º, diagonala eller runda kopparbanor görs

enkelt med högerklick.

28

Trots att ingen tidigare erfarenhet av Eagle fanns så har Eagle valts till det program som designen av

alla kretskort görs i. Den överlägsna användarvänligheten i Eagle gör att det går fortare trots att

kretsen måste ritas om i ett annat program än det som kretsen har simulerats med.

Referenser [1] Wikipedia. (u.d.). Hämtat från http://en.wikipedia.org/wiki/Microjoule

[2] Battery University. (u.d.). Hämtat från www.batteryuniversity.com

[3] Maxwell. (u.d.). Hämtat från www.maxwell.com

[4] Digital Camera Resource forum. (u.d.). Hämtat från

http://www.dcresource.com/forums/showthread.php?t=29562

[5] http://www.pmlflightlink.com

[6] http://www.velectris.com

[7] Jung, D. Y. (2002). Shield Ultracapacitor Strings From Overvoltage Yet Maintain Efficiency.

Electronic Design [0013-4872] , s. vol:50 nr:11 sid:81.

[8] Omega. (u.d.). Hämtat från KFG-5-350-C1-11L1M2R:

http://www.omega.com/Pressure/pdf/PREWIRED_GP_STRAIN_KFG.pdf

[9] Wikipedia. (u.d.). Hämtat från http://en.wikipedia.org/wiki/Wheatstone_bridge

[10]Wikipedia. (u.d.). Hämtat från http://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor

[11] ars technica. (u.d.). Hämtat från http://arstechnica.com/news.ars/post/20070904-

supercapacitor-battery-could-lead-to-instant-charging-long-charge-life.html

29

Bilagor

Bilaga 1

LTU SPECIFIKATION Elektronik

Ändringsdatum K/Ö Krav och Önskemål Ansvarig

2008-01-24

2008-01-24

2008-01-24

2008-01-24

2008-01-24

K

K

K

K

K

1. Extern utrustning. Tuta Belysning:

- 2 framljus - 2 blinkers fram - 2 röda lyktor, kombinerade

bromsljus/blinkers Nödstopp Kontakter för mätning av superkondenstorns spänning Lampa för indikering av startmotordrift

ECO

ECO

ECO

ECO

2008-01-25

Ö

2. Elektriska begränsningar. Genererad effekt från generatorn: ca 2000W

2008-01-24

2008-01-25

2008-01-25

K

Ö

Ö

3. Övrigt Dokumentation av batteriets egenskaper (i nytt skick). Minimera kabellängder Vibrationssäker kontakt- och kretskortsmontering

ECO

30

Bilaga 2

Blockschema v.1

Blockschema v.2

31

Bilaga 3.

Budget

Superkondensator 10000:- (??) Mikrokontrollrar (bara mikrokontroller, ej utv. kort) - AT91SAM7X256 250:- - AT90CAN128 140:-/st (2 st = 280:-) Generator - generator 5000:- Elmotorer - Electro-mobile 3000:-/st - bygga egen? ??:-/st Display - Handdator (?) 5000:- Batteri - batteri 500:- Övrig elektronik tillverkning av kretskort Signalhorn lysdioder kablar 5000:- ---------------------------------------------------------------- Totalt: 29030:- (19030:- + superkondensator) (1 motor) 32030:- (22030:- + superkondensator) (2 motorer)