Впервые в истории открытый проект Axiom даёт возможность точно управлять мощными 3-фазными двигателями. Сейчас это как никогда актуально. Миллиарды тратятся на приближение эры электромобилей. Виден огромный рост разработки электрокаров. И множество мелких и крупных компаний, конкурирующих за доминирующую роль в будущем транспорта занимаются этим.
Описание
Это 3-фазный контроллер двигателя. На вход приходит напряжение постоянного тока и на выходе генерируется 3 синусоидальные волны для управления двигателем. Концептуально блок похож на небольшие ESC (регуляторы оборотов) для дронов и велосипедов. Разница в том, что этот блок может безопасно работать с батареей 400 В, которая может обеспечить 300 Ампер на выходе непрерывно.
Наша работа была сосредоточена на плате управления, которая способна выдавать напряжение более 400 В с током более 300 А, которые определяются номинальными значениями powerstage (силово�� ступенью) или силовой частью блока, а также батареей.
Мы выбрали экономичные модули IGBT, потому что это более распространённые и легко покупаемые блоки. Они бывают разных уровней напряжения и тока (от 600 В до 1700 В и от 100 А до 1000 А), от многих брендов, как по технологии IGBT, так и по технологии SiC, а также с готовыми драйверами ключей, подобранными для них.
Идея проекта
Мы хотим участвовать в самых интересных, самых впечатляющих проектах, а другой открытой платформы, способной управлять двигателем 100 кВт нет. Все, что вы можете найти на рынке - это проприетарные контроллеры с высокой ценой, без возможности настроить их в соответствии с вашими потребностями. И, что наиболее важно, вы не сможете получить исходников, чтобы оценить, соответствует ли качество вашим стандартам, как в программном, так и в аппаратном обеспечении.
Новая волна компаний, производящих электромобили, была связана с кастомными электроприводами. Этот проект предоставляет возможность глубоко интегрировать электропривод в свои системы, даёт уникальную возможность адаптации под их требования. Это экономит затраты и улучшает качество их транспортных средств.
Открытый проект Axiom также демонстрирует качество нашей работы и делает нашу команду желанным подрядчиком. В мире не так много людей, обладающих набором навыков и знаний для производства инверторов с таким КПД.
Axiom также стал возмож��ым благодаря тому, что платформа VESC неуклонно растет. Мы впервые можем вывести ее на новый уровень, от инструмента для хобби до полноценной технологии, способной поддерживать электромобили.
Для кого это?
С тех пор, как мы стали публичными, некоторые отдельные люди и целые инженерные группы по всему миру зарегистрировались для заказа Axiom. В настоящее время мы находимся на стадии бета-тестирования, поставляя продукт только наиболее опытным инженерным командам, способным предоставить нам ценную обратную связь, чтобы убедиться, что мы поставляем надежный продукт. Было обработано более сотни прямых запросов, вот некоторые из команд, у которых тестируется контроллер Axiom:
Примерно половина приложений предназначена для тяговых транспортных средств (автомобили, велосипеды, гоночные болиды), другие - для самолетов, а некоторые являются чисто научно-исследовательскими подразделениями.
Для чего подходит блок?
Практически для всего, что связано с мощными 3-фазными двигателями:
Переоборудование электромобилей
Гонки на электромобилях
Добыча полезных ископаемых
OEM EV, такие как велосипеды и квадроциклы
Подводные роверы
Авиационные системы
Пусковые установки планера
Ветряные генераторы
Исследования и разработки
Почему AXIOM?
Многие знакомы и уже используют системы VESC. Система обладает достаточно приличным уровнем. Пользователю необходим интерфейс для настройки своего проекта. И через VESC это делать очень удобно. Порог вхождения в эту систему очень низкий. Можно выразить уважение системе VESC Бенджамина:
Даже при наличии программного обеспечения и встроенного ПО, для приложения с высокой мощностью всё равно потребуется очень специфическое оборудование:
Преимущества контроллера:
Механич��ски оптимизирован для установки на EconoDual IGBT-модули. Достаточно компактный, меньше этапов сборки, меньше проводов и обжима, нет переходных частей. Всё собирается единым блоком.
На плате встроен изолированный высоковольтный DC/DC преобразователь и монитор фазы. Прямое подключение к IGBT для лучшего Signal Integrity и более быстрой сборки.
На плате установлены резисторы разряда конденсаторов. Требование безопасности, по которому резисторы разряжают конденсаторы когда плата не питается.
Высокочастотные разъемы для измерения аналоговых сигналов. Это обеспечивает качество сигналов и упрощает разработку.
Индивидуальный мониторинг неисправностей IGBT. Вы можете определить, какой конкретно IGBT неисправен.
Отдельные светодиоды неисправности для определения перенапряжения, перегрузки по току и перегрева.
Индивидуальный контроль температуры IGBT.
ПЛИС Lattice iCE40, использующая набор инструментов с открытым исходным кодом для синтеза и разработки HDL.
FPGA непрерывно контролирует все входные сигналы неисправности. При обнаружении какой-либо неисправности вся деятельность PWM прекращается.
FPGA контролирует PWM, генерируемый MCU. Отключает ШИМ при обнаружении ошибки или неисправности.
Мы внедряем этот потрясающий трюк с управлением двигателем в FPGA
Порты RJ45. Это не Ethernet, они обеспечивают экранированную проводку с витой парой стандартным способом.
Два ��налоговых входа для управления.
Два изолированных интерфейса CANbus.
Поддержка абсолютного энкодера BiSS.
Поддержка энкодера Sin / Cos.
Имеет источник питания 15 В постоянного тока для драйверов силовых модулей. Имеет контроль этих напряжений.
2 выхода ЦАП с ВЧ разъемами для визуального контроля алгоритмов управления.
2 выхода открытый сток для управления небольшими нагрузками или реле, например, для насоса.
Больше предохранителей, TVS диодов, больше фильтрации электромагнитных помех.
Вот несколько изображений с высоким разрешением:
Старый прототип, который может продемонстрировать зазоры изоляции. В новых платах не удастся такого увидеть из-за толстой паяльной маски.
Бессенсорное управление скоростью двигателя с силовым каскадом на IGBT (жёлтый канал - исследуемая фаза, выводимая на канал ЦАП):
Много полных изменений скорости:
Это управление по сигналу на плате, на практике мы настоятельно рекомендуем использовать абсолютные датчики на силовых агрегатах.
Идеально чистые сигналы, измеряемые прямо на выводах АЦП, передаваемые через ЦАП в осциллограф. Обратите внимание, как угол наклона вектора, идеально отслеживается при переходе без двигателя —> с управлением двигателем.
Четкое сообщение о неисправностях также присутствует в виде индикации на плате. Все индикаторы имеют подписи для удобства и скорости интерпретации события.
Схематический верхний уровень:
Спецификацию блока можно посмотреть в браузере.
Дополнительные данные, техническое описание платы и изображения будут доступны по адресу: www.powerdesigns.ca , а также схематические и другие файлы дизайна.
Блок, изображённый на фотографиях рассчитан на непрерывную работу 400 В 300 А.
Как это работает?
На вход блоку подаётся напряжение источника питания (высокое напряжение постоянного тока) и с помощью PWM создается 3 синусоидальные волны со сдвигом 120° для управления двигателем. На самом деле, он использует модуляцию SVM, что уменьшает количество требуемых переключений и, следовательно, потери при переключении.
Несмотря на то, что VESC поддерживает приводные двигатели как в трапециевидном, так и в векторном управлении, наши платы работают только в режиме FOC (управление, ориентированное на поле). Он просто лучше подходит для применения.
FOC заключается в выравнивании синусоидальных волн с фактическим полем внутри двигателя и управлении им с помощью векторного сигнала, состоящего из тока, генерирующего крутящий момент, в квадратуре с потоком (Iq) и тока, генерирующего поток (Id). Есть много хороших ресурсов по этой теме, и вы можете увидеть фактические строки кода, выполняющие преобразования.
Тут есть описание истории проекта и перспективы развития, не очень относящиеся к техническим аспектам статьи.
Самая большая новость об этом проекте - официальная презентация команды, которая сделала это возможным. HighHopes и Arlo1 активно участвуют в разработке, мы вместе работали над выпуском этой платы управления, и мы основали www.powerdesigns.ca чтобы централизовать всю работу по проекту, которую мы выполняли вместе.
Arlo1 предоставляет опыт работы в полевых условиях благодаря своим потрясающим, рекордным сборкам и инструментам, в то время как HighHopes обеспечивает сложную математику для каждого проектного решения, в то время как Maxi и я делаем то, что у нас получается лучше всего: проектирование, САПР, прошивка и производство. И помните, что это результат многолетней разработки встроенного программного обеспечения Бенджамином Веддером, с которым мы уже сотрудничаем.
PowerDesigns должна предоставить собранные платы всем заинтересованным лицам. Мы можем предложить печатные платы без покрытия по запросу, но риск очень высок, и я не видел успешной сборки, когда людям приходится собирать платы самим. Поэтому лучше, если мы позаботимся о сборке. Еще лучше, если мы предоставим законченный контроллер двигателя, мы работаем над предоставлением такого решения.
Maxi (инженер-соучредитель paltatech) и я несколько месяцев назад переключились на разработку и тестирование прошивки, когда был решен дизайн аппаратного обеспечения. Весь код, который мы предоставляем для этих приложений, тщательно разработан для прямой интеграции в кодовую базу VESC, поэтому он остается общедоступным и поддерживается в хорошем состоянии.
С точки зрения аппаратного обеспечения у нас есть математика для точной настройки точек отключения, которые мы можем легко настроить по желанию, меняя резисторы, а FPGA является очень мощным дополнением для совместной обработки и функций безопасности.
Это потрясающая платформа для исследований и для мощных сборок, я не знаю ни одного контроллера с таким уровнем мощности, с таким качеством и вниманием к деталям, при этом пользователь может изменять прошивку по своему усмотрению.
Axiom еще не прошел квалификацию для авиационных / аэрокосмических применений.
А теперь можно посмотреть видео про этот проект.
Проект является открытым и все необходимые исходники его можно найти в интернете в открытом доступе.
https://github.com/vedderb/bldc
http://www.powerdesigns.ca/files/Datasheet-Axiom-control-board.pdf
https://endless-sphere.com/sphere/threads/axiom-a-100kw-motor-controller.89056/#p1458465
https://cdn.hackaday.io/files/1649327056450688/Axiom_Rev1_schematic.pdf
