POROČILO PRAKTIČNEGA IZOBRAŽEVANJA

Transcript

1 VISOKOŠOLSKI STROKOVNI ŠTUDIJ Elektrotehnika - Elektronika POROČILO PRAKTIČNEGA IZOBRAŽEVANJA v Magna Powertrain - Graz Čas opravljanja: od do Študent: Vpisna številka: E pošta: Aljaž Golob E aljaz.golob1@gmail.com Telefon:

2 2

3 Kazalo vsebine 1. UVOD O podjetju Hčerinsko podjetje IZRAČUN ZAKASNITEV SIGNALA SIGNALNEGA VODA NA PCB APPCAD Načrtovanje Low-pass sita Pogoji za izdelavo sita: Filter Pro Zaključek Filter Solutions Proučevanje konkurenčnega izdelka Načina delovanja vezja Način (polnjenje kondenzatorja) Poenostavljena shema 1. Načina delovanja Način (praznjenje kondenzatorja) Poenostavljena shema 2. načina delovanja Iskanje ustrezne merilne opreme za laboratorij Sklep

4 Kazalo slik Slika 1: Vezalna shema analiziranega vezja...6 Slika 2: Glavni meni izbira področja delovanja...7 Slika 3: Podmeni izbira problematike...8 Slika 4: Vstavljanje in izračun podatkov...9 Slika 5: Izbira vrste filtra Slika 6 : Vstavljanje parametrov filtra Slika 7: Grafični izris karakteristik filtra Slika 8: Izbira topologije filtra Slika 9: Izris izvedbe filtra Slika 10: Vstavljanje parametrov, vrsto, tip ter topološko zgradbo Slika 11. Grafični izris karakteristik filtra Slika 12: Topološka izvedba filtra Slika 13: Izbira tolerančnih vrednosti kondenzatorjev Slika 14: Izbira tolerančnih vrednosti uporov Slika 15: Izbira metode simulacije Slika 16: Izbira toleranc elementov za M carlo analizo Slika 17: Grafični odziv filtra brez ter z tolerantnimi elementi Slika 18: Konceptna slika delovanja analiziranega vezja Slika 19: Elektromotor Valeo Slika 20: Krmilno vezje(continental) Slika 21: Kondenzator (Continental) Slika 22: Pokrov vezja št Slika 23: Pokrov vezja št Slika 24: Krmilno vezje zgornja stran Slika 25: Krmilno vezje spodnja stran Slika 26:Krmilno vezje; Step down pretvornik Slika 27:Krmilno vezje; shranjevalni tuljavi step-down pretvornika Slika 28: Shema načina izdelave step-down pretvornika Slika 29: Krmilno vezje: procesor,napetostni regulator Slika 30:Krmilno vezje; močnostni del Slika 31: Razporeditev priključkov Slika 32: Razporeditev nogic MOSFET-a Slika 33: Shema delovanja močnostnega dela vezja Slika 34: Delovanje vezja 1. Način Slika 35: Poenostavljena shema - 1. način delovanja Slika 36: Delovanje vezja 2. način Slika 37: Poenostavljena shema - 2. način delovanja

5 1. UVOD Obvezno praktično usposabljanje sem mi želel opravljati v tujini, saj sem si želel spoznati delovanje podjetij tudi izven Slovenije. S to izkušnjo bi zagotovo pridobil na jezikovnem področju kakor tudi praktičnem, kar mi bi pripomoglo pri delu v nadaljnjem življenju. Za opravljanje Prakse sem si izbral podjetje Magna, saj imam med drugim prav tako interese s področja avtomobilske industrije. S strani podjetja so mi ugodili le to mesto v njihovem hčerinskem podjetju Magna Powertrain. 1.1 O podjetju Magna je bila prvotno ustanovljena v provinci Ontario, Kanada 16. novembra 1961, z prvotnim imenom Magna Electronics Corporation Limited. Pozneje 2. januarja leta 1973, se je Magna Electronics Corporation Limited, preimenovala v Magna International Inc. Magna spada med eno izmed največjih dobaviteljev/proizvajalcev avtomobilskih delov na svetu. Podjetje načrtuje, razvija in proizvaja avtomobilske sisteme, module in komponente namenjene sestavi končnih vozil. Velik delež je namenjen predvsem za prodajo originalne opreme (OEM) osebnih avtomobilov in lahkih tovornjakov po Severni Ameriki, Evropi, Aziji, Južni Ameriki in Afriki. 1.2 Hčerinsko podjetje Magna Powertrain je hčerinsko podjetje Magne international. Glavni poudarek podjetja Magna Powertrain je razviti tehnologije in proizvajati izdelke za proizvajalce avtomobilov. Ti proizvodi nudijo povečano kakovost ter zanesljivost. Podjetje spada med sam svetovni vrh razvijanja pogonskih sklopov, katera postavljajo merila, v proizvodnji in načrtovanju. Družba spada med eno izmed najbolj zaželenih partnerjev avtomobilskih proizvajalcev. 2. IZRAČUN ZAKASNITEV SIGNALA SIGNALNEGA VODA NA PCB Pri načrtovanju vezij za serijsko proizvodnjo v avtomobilski industriji je potrebno preučiti prav vsako možnost napake. V tem primeru je bilo potrebno izračunati zakasnitev signalne linije, ki krmili izhodno oz. končno stopnjo inverterja. Namen inverterja je, da bo poganjal 3-f elektro motor, ki bo služil kot alternator in pogonski motor. Zaradi izjemno hitrih preklopov, je potrebno izračunati zakasnitev signala od mikrokrmilnika (up) do posameznega Mos-feta. Saj v primeru če ne bo do vseh Mos-fetov signal prišel 5

6 istočasno bi to pomenilo, da bi lahko prišlo do tokovne preobremenitve nekaterih elementov kar bi pomenilo odpoved vezja. Slika 1: Vezalna shema analiziranega vezja Zakasnitev signala sem najprej poskušal izmeriti z osciloskopom, a brez uspeha, zato sem se odločil da se je potrebno problema lotiti na drugačen način. Podatke sem začel zbirati na internetu kjer sem prišel do podatka, ki velja pravilo»palca«da na PCB ploščici z izolacijskim materialom Fr4 potrebuje signal 1nS da prepotuje 15cm. V mojem primeru imam opravka z materialom z dielektrično konstanto ξr= 5,1. Pri nadaljnjem iskanju naletim da enačbo V p = C, pri čemer c predstavlja hitrost svetlobe, µ magnetna µ ξr permeabilnost, ter ξr dielektrična konstanta. Ker v bližini na našem vezju ni magnetnih materialov je µ=1. Če v formulo vstavimo podatke izračunamo da je hitrost signala v našem primeru 13,2 cm. V našem primeru je dolžina linije 8,2 cm, kar pomeni da potrebuje signal ns 621ps da prepotuje 8,2 cm. V času iskanja sem naletel tudi na program APPCAD. Za katerega sem spoznal da je zelo uporabno orodje pri delu z radio frekvencami, mikrovalovi, aktivnimi vezji, itd. V mojem primeru sem uporabil del programa, kateri je namenjen oddajnim linijam. 6

7 2.1 APPCAD Na levi strani izberemo (Transmission Lines) nato se nam odpre podmeni. Slika 2: Glavni meni izbira področja delovanja 7

8 Na levi strani sem izbral možnost Microstrip, saj je del vezja katerega preučujem zgrajen tako da na zgornji plasti večplastnega vezja so signalne linije, spodnja plast pa je masa. Slika 3: Podmeni izbira problematike V progam sem vstavil vse potrebne parametre, kot so: širina, dolžina, debelina signalne linije, debeline dielektrika, ter dielektrično konstanto dielektrika. Frekvenca v mojem primeru ni pomembna saj me je zanimalo le v kakšnem času signal prepotuje od začetka do konca signalne linije. Ob pritisku tipke» calculate «mi program izračuna številne parametre, vendar mene zanima le zakasnitev signala. Kot vidimo je program izračunal da je zakasnitev signala 594 ps, če primerjamo ta rezultat z prejšnjim izračunom ugotovimo da je odstopanje med njima le 4,35%. Iz pridobljenih podatkov in izračunov lahko sklepamo da bo zakasnitev nekje 600ps, kar je pa premalo da bi vplivalo na pravilno delovanje vezja. 8

9 Slika 4: Vstavljanje in izračun podatkov 3. Načrtovanje Low-pass sita Pri razvijanju inverterja so kolegi naleteli na problem kako izmeriti tok katerega bo porabljal elektromotor. Problem je, da elektromotor deluje z napajanjem s PWM signalom. Ena od možnosti je bila, da bi naredili filter s katerim bi lahko izločili višje harmonike PWM signala, ter bi tako lahko izmerili tokovno porabo elektromotorja. Prva misel ki sem jo dobil je bila ta, da bi lahko zelo enostavno rešili problem programsko s pomočjo FIR- sita, vendar ta opcija ni prišla v poštev saj je bilo potrebno stroške izgradnje vezja kar se da zmanjšat, in dodaten čip ne pride v poštev. Zato sem se odločil da je mogoče rešitev problema s Low pass filtrom s pomočjo operacijskih ojačevalnikov, uporov ter kondenzatorjev. 3.1 Pogoji za izdelavo sita: - da zadušimo frekvence od 8 khz in prepustimo od 10kHz naprej - dušiti je potrebno vsaj 40 db - faza naj se obrne med prehodom(8khz-10khz), ali da se sploh ne obrne - uporabimo lahko maksimalno 4 operacijske ojačevalnike 9

10 Zato sem malo pobrskal po spletu in naletel na program Filter Pro od proizvajalca Texas instrumens. Program je brezplačen, ter je za pridobitev le tega potrebna le prijava. 3.2 Filter Pro Uporaba programa je preprosta saj te program vodi čez celotno načrtovanje filtra s pomočjo čarovnika. 1. Najprej izberemo vrsto filtra ki ga želimo načrtovat v našem primeru je to lowpass filter. Slika 5: Izbira vrste filtra 10

11 2. Vstavimo parametre željnega filtra Slika 6 : Vstavljanje parametrov filtra 3. Program nam izriše več različnih grafov med katerimi lahko prosto preklapljamo (ojačenje, faza, zakasnitev signala). Slika 7: Grafični izris karakteristik filtra 11

12 4. V predzadnjem koraku lahko izberemo topološko vrsto sita ki ga želimo izdelat. Slika 8: Izbira topologije filtra 5. V zadnjem koraku nam program prikaže izvedbo izbranega filtra. Slika 9: Izris izvedbe filtra 12

13 3.2.1 Zaključek Kot vidimo je Izvedba filtra izdelana iz petih stopenj kar je preveč. Obračanje faze prav tako ne ustreza našim zahtevam, saj se faza prične obračati že pri 100Hz. S programom sem poizkušal še ostale možnosti izvedb sita ter z različnimi parametri. Vendar mi želenega odziva ni uspelo doseči. 3.3 Filter Solutions Po nadaljnjem iskanju rešitve sem po priporočilih iz foruma naletel na program»filter Solutions«. Program je plačljiv vendar lahko po povpraševanju prejmeš 30 dnevno poizkusno dobo dela s programom. Program je zelo obsežen in lahko z njim simuliraš oz izračunaš ogromno stvari. Jaz sem s osredotočil na izdelavo filtrov. V uvodnem oknu program omogoča izbiro lastnosti filtra katerega želimo načrtovati. Omogoča nam izbiro: - vrsto filtra (low-pass, high-pass, band-pass, band-stop) - tip filtra (gussian, bessel, butterworth, legendre, chebyshev 1,2,hourglass, eliptic) -lastnosti filtra (red filtra, frekvenca dušenja) -implementacijo filtra (aktiv, digital, distrib, swcap) Slika 10: Vstavljanje parametrov, vrsto, tip ter topološko zgradbo Po izbiri lastnosti filtra pritisnemo gumb»frequency resp.«nam program izriše graf, na katerem lahko vidimo odziv našega filtra. V tem primeru smo sprejeli dogovor, da če ne gre drugače naj se faza spreminja kar se da linearno ali v nekem zaporedju, katerega bi lahko predvideli in nato pri odčitkih upoštevali. 13

14 Slika 11. Grafični izris karakteristik filtra V nadaljevanju izberemo Izvedbo sita ter pritisnemo «Synthesize Filter«. Program nam izriše topološko izvedbo našega filtra. Kot je razvidno, je naš filter sestavljen iz štirih operacijskih ojačevalnikov. Kar ustreza našim zahtevam. Slika 12: Topološka izvedba filtra V nadaljevanju je potrebno izbrati tolerance elementov. Za upore sem izbral 1%, za kondenzatorje pa 10 %, kajti ob izbiri nižjih toleranc bi stroški izdelave narastli. 14

15 Slika 13: Izbira tolerančnih vrednosti kondenzatorjev Slika 14: Izbira tolerančnih vrednosti uporov Sedaj ko smo izbrali tolerance elementov je še potrebno filter zasimulirat. V levem zgornjem kotu pritisnemo Mcarlo(montecarlo) metodo. Slika 15: Izbira metode simulacije Odpre se nam novo okno v katerem izberemo»user defined elements«ter nato»apply«slika 16: Izbira toleranc elementov za M carlo analizo 15

16 V novem oknu se nam prikaže opravljena simulacija. Rumeno ter zeleno obarvana grafa nam prestavljata simulacija opravljena z tolerantni elementi, medtem ko v modri barvi je razvidna simulacija brez toleranc. Slika 17: Grafični odziv filtra brez ter z tolerantnimi elementi Kot je razvidno iz grafa lahko sklepamo in hkrati ugotovimo da z low-pass filtrom tega problema ne bomo rešili. Zadevo sem se kar nekaj dni preizkušal, ter simuliral številne možnosti vendar če je simulacija z točnimi elementi obetavna, se je vedno izkazalo da z realnimi elementi v resničnem svetu dobimo prevelika odstopanja od želenega odziva filtra. S tem sem jaz svoje delo na tem področju zaključil in prešel na nov izziv. 16

17 4. Proučevanje konkurenčnega izdelka Da uspeš v avtomobilski industriji je zelo pomembno da izveš kaj na trgu ponuja konkurenca. V tem primeru se je preučeval elektromotor znamke Valeo ter krmilno vezje znamke Continental. Sistem se v kombinaciji vgrajuje v vozila znamk Citroën, ter Peugeot, kot Start - Stop sistem. Sistem je sestavljen iz elektromotorja, krmilnega vezja, ter kondenzatorja. Naloga je bila da ugotovimo kako vezje deluje saj je bil prisoten sum da bi naj vezje prištevalo napetost kondenzatorja k napetosti akumulatorja. Slika 18: Konceptna slika delovanja analiziranega vezja Elektromotor (Valeo) Slika 19: Elektromotor Valeo 17

18 Krmilno- vezje (Continental): Slika 20: Krmilno vezje(continental) Kondenzator (Continental): Slika 21: Kondenzator (Continental) 18

19 Medtem ko je sodelavec pričel z razstavljanjem elektromotorja sem jaz pričel razstavljati krmilno vezje. Vezje je bilo zaščiteno z dvema pločevinastima pokrovoma ki sta bila zlepljena na ohišje krmilnega vezja. Slika 22: Pokrov vezja št. 1 Slika 23: Pokrov vezja št. 2 Po odstranitvi pločevinastih pokrovov razkrijemo krmilno vezje ki je sestavljeno iz dveh PCB vezij. Prvo vezje je obojestransko vezje katero sem na prvi pogled ocenil da gre verjetno za krmilno vezje. Ko sem vezje malo boljše pogledal sem ugotovil da je to res, saj se na njem nahaja mikroprocesor, step-down pretvornik, napajalnik za mikroprocesor, ter številni»driverji«in filtri. Slika 24: Krmilno vezje zgornja stran 19

20 Slika 25: Krmilno vezje spodnja stran Step down pretvornik ter shranjevalni tuljavi. Step- Down P- MOSFET 2 x Shranjevalni N_Power Slika 26:Krmilno vezje; step- down pretvornik Slika 27:Krmilno vezje; shranjevalni tuljavi step-down pretvornika 20

21 Slika 28: Shema načina izdelave step-down pretvornika 21

22 Procesor, napetostni regulator. Procesor Napetostniregulator Slika 29: Krmilno vezje: procesor,napetostni regulator Drugo vezje Krmilnega vezja pa predstavlja močnostno vezje katerega s pomočjo prvega vezja krmilimo in s tem poganjamo elektromotor. Slika 30:Krmilno vezje; močnostni del. 22

23 Kot lahko vidimo imamo na drugem vezju 5 priključkov prvi trije od leve proti desni so označeni z GND, BAT- ter DLC+. Četrti priključek služi komunikaciji Vloga 5. Priključka pa še je trenutno neznana. Slika 31: Razporeditev priključkov Ko sem pregledal notranjost je bilo potrebno ugotoviti kako vezje deluje. Ob odkritju drugega vezja sem najprej zasledil»polje«dvanajstih N-Kanalnih MOSFETOV oznake: STV 270N4F3. Ker me je zanimala razporeditev kontaktov sem pogledal v datasheet in ugotovil sledeče: Slika 32: Razporeditev nogic MOSFET-a 23

24 Nato sem uporabil multimeter in celotno vezje»prepiskal«, ter nastalo je naslednjo vezje. Slika 33: Shema delovanja močnostnega dela vezja Sedaj ko mi je znano delovanje obeh vezij sem lahko pripravil celotno shemo delovanja sistema. Med drugim sem prav tako ugotovil funkcijo doslej neznanega priključka, ta služi za Vin napetost Step-down pretvornika, kateri nato polni kondezator. 4.1 Načina delovanja vezja Način (polnjenje kondenzatorja) Levi del risbe predstavlja kontrolno ploščo ter desni del predstavlja močnostno vezje. Stikalo S1= 6xN-Channel MOSFET SR 270N4F3 (razklenjeno) Stikalo S2= 3xN-Channel MOSFET SR 270N4F3 (sklenjeno) Stikalo S3= 3xN-Channel MOSFET SR 270N4F3 (sklenjeno) Stikalo S4= 1xP-Channel MOSFET SUM110P04-04L (sklenjeno) 24

25 Na sliki je vidno da je stikalo S4 sklenjeno to pomeni da step down regulator dobi referenčno napetost, ter na izhodu Vout se pojavi napetost 5V. Stikalo S1 je razklenjeno s tem preprečimo da bi se tokokrog zaključil z akumulatorjem, zato se tokokrog zaključi preko kondenzatorja. Ker sta stikali S2 in S3 sklenjeni pomeni da je sklenjen tokokrog med elektromotorjem in akumulatorjem to pomeni da elektromotor polni oz prazni akumulator. Slika 34: Delovanje vezja 1. Način 25

26 4.1.2 Poenostavljena shema 1. Načina delovanja Slika 35: Poenostavljena shema - 1. način delovanja Način (praznjenje kondenzatorja) Stikalo S1= 6xN-Channel MOSFET SR 270N4F3 (sklenjeno) Stikalo S2= 3xN-Channel MOSFET SR 270N4F3 (razklenjeno) Stikalo S3= 3xN-Channel MOSFET SR 270N4F3 (razklenjeno) Stikalo S4= 1xP-Channel MOSFET SUM110P04-04L (razklenjeno) V tem primeru je razvidno da je stikalo S4 razklenjeno, to pomeni da step - down regulator ne dodi referenčne napetosti zato se kondenzator v tem trenutku ne polni. Stikali S2 in S3 sta razklenjeni kar pomeni da je tokokrog med med akumulatorjem in elektromotorjem prekinjen. Razvidno pa je da je stikalo S1 sklenjeno kar pa če podrobno pogledamo vezje pomeni da se napetost iz kondenzatorja prišteva k akumulatorju in s tem poganjamo elektromotor. 26

27 Slika 36: Delovanje vezja 2. način Poenostavljena shema 2. načina delovanja Slika 37: Poenostavljena shema - 2. način delovanja

28 5. Iskanje ustrezne merilne opreme za laboratorij V času mojega praktičnega usposabljanja, so se izvajale priprave za fizično selitev oddelka na novo lokacijo. Tako je bil del mojih nalog tudi pomoč pri iskanju nove primerne opreme za laboratorij. Del oddelka, ki je bil usmerjen v načrtovanje mehanskih delov hibridnega motorja je razvijal sklopko, katera bi delovala s pomočjo spreminjajočega se magnetnega polja. Problem je v tem, da se mora sklopka premikati kar se da linearno, da ne pride do trenutnih sunkov, kateri bi lahko občutno skrajšali življenjsko dobo mehanskih delov. Potrebno bi bilo v realnem času meriti zračno režo med 0 mm - 0,8 mm. Razlog za uporabo senzorja je ta, da pri razdalji 0-0,3mm ob procesu sklenjevanja sklopke potrebna zelo velika natančnost pri tokovnem napajanju. Kajti pri spremembi tokovnega napajanja je potrebno le nekaj ma, da se sklopka v trenutku združi, in povzroči šok na ostale mehanske dele. Aktualen je bil senzor z naslednjimi zahtevami: - Vzorčna hitrost: 1ms - Natančnost merjenja: 10µm - Merilno območje: 0-800µm - Temperaturno obstojen: -40 C do +200 C - Obstojen na magnetno polje večje kot 1,6 T - Čim manjše velikosti Po daljšem razmisleku in raziskovanju sem našel naslednje tipe senzorjev: - induktivni senzor - optični senzor - hallov senzor - kapacitivni senzor Že takoj po pregledu sem ugotovil, da bo daleč najprimernejši kapacitivni senzor saj je odporen na nečistoče, na vpliv magnetnega polja, je zelo natančen in se ga je možno izdelati v zelo majni izvedbi. Napisal sem povpraševanje, ter po skupnem pregledu z sodelavcem sva povpraševanje poslala na podjetje Micro - Epsilon. Na poslano povpraševanje sem v zelo kratkem roku dobil tudi odgovor ponudbo, katero sem posredoval sodelavcu v nadaljnjo obdelavo. 28

29 6. Sklep Pri podjetju Magna powertrain sem imel edinstveno priložnost spoznati ter izkusiti, delovanje večjega podjetja, na področju načrtovanja pogonskih start stop sistemov. V času praktičnega usposabljanja, menim da sem pridobil veliko znanja ter izkušenj, s področja načrtovanja in raziskovanja, katera mi bodo v življenju ter pri zaposlitvi šteta v velik plus. Med usposabljanjem sem potrdil svoje dosedanje razmišljanje da brez znanja tujih jezikov(angleščina, nemščina),v življenju težko uspeš. Glede na to da na fakulteti nismo imeli predmeta nemškega jezika, menim da sem izredno pridobil predvsem na strokovnem izrazoslovju nemškega jezika. 29