Σχεδίαση και κατασκευή ηλεκτρονικού μετατροπέα και συστήματος τηλεμετρίας ηλεκτρικού οχήματος «Πυρφόρος»

Transcript

1 Σχεδίαση και κατασκευή ηλεκτρονικού μετατροπέα και συστήματος τηλεμετρίας ηλεκτρικού οχήματος «Πυρφόρος» Παπαμανώλης Πάντελής (Σπουδαστής Σχολής ΗΜ&ΜΥ, ΕΜΠ) 1

2 Δομή της παρουσίασης 1. Ο ρόλος των ηλεκτρονικών ισχύος στα ηλεκτρικά οχήματα 2. Χαρακτηριστικά - Απαιτήσεις ηλεκτρονικών ισχύος στο όχημα του πυρφόρου 3. Σχεδίαση ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος 4. Υλοποίηση ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος 5. Μετρητικό σύστημα θέσης (encoder) 6. Σύστημα Τηλεμετρίας 7. Μετρητικό σύστημα Τηλεμετρίας 8. Προκλήσεις ομάδας ηλεκτρονικών ισχύος στη φετινή προσπάθεια 9. Πρακτικές δυσκολίες σε συνθήκες αγώνα 10. Συμπεράσματα 2

3 Τα ηλεκτρονικά ισχύος στα ηλεκτρικά Ρόλος: Μέσο μεταξύ πηγής - κατανάλωσης Μετατροπή τάσης μπαταριών Αυτόματος έλεγχος κινητήρα σε συνεργασία με οδηγό Προστασία (ηλεκτρική) κινητηρίου συστήματος από σφάλματα οχήματα 3

4 x2 u1 Τα ηλεκτρονικά ισχύος στο κινητήριο σύστημα του «Πυρφόρος» Καλωδιώσεις ισχύος Γκάζι οδηγού Optocoupler x1* / * Καλωδιώσεις ηλεκτρονικών σημάτων επικοινωνίας - ελέγχου Μπαταρίες Mosfet- Αντιπαράλληλη δίοδος Τριφασικός Αντιστροφέας dspic M Σύγχρονος Κινητήρας Μονίμων Μαγνητών 4

5 Απαιτήσεις Ιδιαίτερα Χαρακτηριστικά ηλεκτρονικών ισχύος Απόδοση > 90% Μεθοδολογία ελέγχου Τοπολογία Αξιοπιστία Κατασκευή τυπωμένου κυκλώματος Μείωση μεγέθους Μείωση αριθμού κολλήσεων Εξωτερικές συνδέσεις 5

6 Φάση σχεδίασης Στρατηγικές διαμόρφωσης τάσης εξόδου μετατροπέα Συμβατική τεχνική Pulse-Width Modulation (PWM): Σύγκριση σήματος αναφοράς με τριγωνικό φορέα Υψηλές επιδόσεις Απλότητα στην υλοποίηση Δεδομένη διακοπτική συχνότητα Space Vector Modulation: Δε χρησιμοποιεί συγκριτές Καλύτερη αξιοποίηση τάσης μπαταριών Μεταβλητή διακοπτική συχνότητα Hysteresis Modulation: Σύγκριση ρεύματος με ένα έυρος ζώνης γύρω από δεδομένη αναφορά Απλότητα Ευρύ αρμονικό περιεχόμενο 6

7 Φάση σχεδίασης (2) Μοντελοποίηση Προσομοιώσεις Συστήματος Μοντέλο οχήματος Απόκριση σε εντολές ταχύτητας w m 40 1 Van 2 Vbn 3 Vcn Van Vds s Vbn Vqs s Vcn Vabc to Vdqss [Theta _m] Vds s Vds Vqs s Vqs Theta_m Vdqss to Vdqs Vds Vqs Iqs Ids Iods Psi_f Constant Iqs Psi_f Ids Te Iods Ioqs Ioqs Flux Estimation Electromagnetic Torque 4 Tload Te Theta_m Tm wm Mechanical Part [Theta _m] Goto 1 wm [wm] w m w m * From 2 [wm ] wm Ioqs Goto 1 From 1-20 Current Estimation Iqs Idss Idss Ia 2 Ia -30 Κυμματομορφές ρευμάτων κινητήρα I abc 25 [Theta _m] From 3 Ids Theta_m Iqss Idqs to Idqss Iqss Ib Ic Iqdss to Iabc 3 Ib 4 Ic Κυμματομορφή τάσης μετατροπέα Van I a I b I c

8 x2 u1 Φάση Υλοποίησης Throttle Είσοδος ΣΡ: 48V Μπαταρίες LiFePO 4 Θερμική προστασία Optocoupler x1* / * Τριφασικός αντιστροφέας πηγής τάσης: Τεχνολογία MOSFET με αντιπαράλληλες διόδους Bateries 3 Half-Bridges with feedback diodes dspic M PMSM Μικροεπεξεργαστής: Βαθμωτός Έλεγχος Κλειστού Βρόχου Είσοδοι: Γκάζι (Ψηφιακό ή αναλογικό) Τάση ΣΡ (optocoupler) Θέση δρομέα (δίσκος encoder) Αναδράσεις ρευμάτων (LEM) Έξοδοι: Παλμοί στους διακόπτες MOSFET Encoder disk Optocoupler Three-Phase Inverter Throttle dspic30f4011 MOSFET Pulses LEM 8

9 Φάση Υλοποίησης (2) Σχέδιο Τυπωμένης Πλακέτας Τυπωμένη Πλακέτα 90 mm 170 mm Μετρημένες Παράμετροι: Ονομαστική Ισχύς: 1.5 kw Μέγιστο ρεύμα γραμμής: 15 A Μέγιστη Τάση εισόδου: 100 V Μέγιστη διακοπτική συχνότητα: 8 khz Βαθμός απόδοσης (πλήρες φορτίο): 94% 9

10 Τάση εξόδου αντιστροφέα Φάση Υλοποίησης (3) Μετρήσεις Ρεύμα εξόδου αντιστροφέα Σήματα encoder 10

11 Εξελιγμένο Μετρητικό Σύστημα Θέσης (Encoder) Σχεδιασμένο εξ ολοκλήρου στο εργαστήριο ηλεκτρικών μηχανών και ηλεκτρονικών ισχύος Ακρίβεια Ανεπηρέαστο από φως Πακτωμένο στον άξονα του στάτη Αμετάβλητη γωνία μεταξύ πεδίων B Στάτη Δρομέα. s Μεγάλη λεπτομέρεια μετρήσεων Δυνατότητα περισσότερων σημείων και μικρότερου δίσκου Ψηφιοποίηση σημάτων παραμετροποίησης ελέγχου εν κενώ ή σε πλήρες φορτίο B r 11

12 Σύστημα Τηλεμετρίας Σύστημα τηλεμετρίας Επικοινωνία με υπολογιστή σε ζωντανό χρόνο μέσω RF σημάτων 3 Αναλογικές εισόδους Ρεύμα Τάση Συχνότητα Αξελερόμετρα σε 3 άξονες (x,y,z) Δέκτης GPS με στίγμα του οχήματος σε Google Maps Μετρητή ταχύτητας μέσω GPS Καταγραφή όλων των δεδομένων σε ενσωματωμένη flash memory για μελέτη και επεξεργασία μετά τον αγώνα 12

13 Interface λογισμικού Τηλεμετρίας 13

14 Μετρητικά Τηλεμετρίας Μετρητική διάταξη Καλή γνώση σχεδίασης αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Σχεδιασμός αναλογικής μετρητικής διάταξης Κατάλληλο tuning στις απαιτούμενες τάσεις και συχνότητες Άμεσο μέλλον σχεδιασμός ψηφιακής μετρητικής διάταξης Πολυ μεγαλύτερη ακρίβεια 14

15 Ανανέωση Νέα πρόσωπα Εξάμηνο παρακολούθησης Απαιτήσεις Περιορισμένος χρόνος Δυσκολίες στην ανεύρεση υλικών Καθυστερήσεις στην παραλαβή Ατυχήματα με υλικά κατά τις δοκιμές 15

16 Πρακτικές δυσκολίες σε συνθήκες αγώνα Πίστα σε συνθήκες δρόμου - Στροφές, ανισόπεδο οδόστρωμα μεγαλύτερη κατανάλωση ισχύος. Υγρό οδόστρωμα κατά τις πρώτες προσπάθειες Λάσπη, υγρασία στον κινητήρα και στα ηλεκτρονικά. Έντονη κακοκαιρία - δοκιμαστικές προσπάθειες Αποτυχία στις δύο πρώτες επίσημες προσπάθειες. 16

17 Πρακτικές δυσκολίες σε συνθήκες αγώνα (2) 17

18 Πρακτικές δυσκολίες σε συνθήκες αγώνα (3) Ομαδική δουλειά Πρόβλεψη Οργάνωση 18

19 19