Układ sterowania małego pojazdu elektrycznego

Wzrost gospodarczy i towarzysząca mu ciągła poprawa zamożności społeczeństwa otwiera nowe możliwości rozwoju technologii, które do niedawna dostępne były tylko dla wąskiej grupy odbiorców. Przykładem tego mogą być małe samochody elektryczne zasilane z baterii akumulatorów. Samochody takie poruszają się z niewielkimi prędkościami, zwykle nieprzekraczającymi 30 km/h, a ich masa całkowita wynosi ok. 0,5 t. Do niedawna pojazdy takie używane były do komunikacji wewnątrzzakładowej w dużych firmach. Wynikało to z ich relatywnie wysokiej ceny. Obecnie coraz częściej małe pojazdy elektryczne wykorzystywane są do celów rekreacyjnych, także przez prywatnych użytkowników.

Wieloletnie doświadczenia związane z pracami naukowo-badawczymi, dotyczącymi napędów z silnikami bezszczotkowymi prądu stałego (BLDCM), umożliwiły zespołowi pracowników Katedry (dr inż. Aleksander Bodora, dr inż. Tomasz Biskup, mgr inż. Arkadiusz Domoracki) podjęcie współpracy przy realizacji projektu komercyjnego, którego celem było skonstruowanie małego pojazdu elektrycznego. Naszym zadaniem była współpraca przy konstrukcji komutatora elektronicznego zasilającego silniki oraz opracowanie programu sterującego.

Pojazd elektryczny przystosowany został do przewozu dwóch osób oraz bagażu. Jego zdjęcie zostało przedstawione poniżej. Całkowita masa wraz z maksymalnym załadunkiem wynosi ok. 0,9 t. Źródłem zasilania pojazdu jest bateria akumulatorów o napięciu znamionowym 48 V i pojemności 225 Ah. Układ napędowy pojazdu składa się z dwóch silników bezszczotkowych prądu stałego o mocach 2 kW każdy. Silniki napędzają za pośrednictwem przekładni tylne koła pojazdu.

Pojazd elektryczny
 

Obwody główne układu napędowego zbudowano w postaci modułu, składającego się z dwóch połączonych równolegle komutatorów elektronicznych, zabudowanych na jednym obwodzie drukowanym. Komutatory sterowane są za pomocą wspólnego, centralnego układu sterowania. Ponadto z przekształtnikiem zintegrowana została przetwornica napięcia 48/12 V o wydajności 20 A, zasilająca instalację elektryczną pojazdu (sygnalizatory, światła, kierunkowskazy). Tranzystory MOSFET komutatorów i przetwornicy są chłodzone w sposób naturalny za pomocą wspólnego radiatora. Schemat blokowy całego układu napędowego przedstawiono na rysunku.

Schemat blokowy układu napędowego
 

Komutatory elektroniczne zbudowano z wykorzystaniem tranzystorów mocy MOSFET IRFB 4310. Dla uzyskania odpowiedniej wydajności prądowej zastosowano po dwa tranzystory połączone równolegle. Do wyzwalania tranzystorów wykorzystano scalony drajwer IR 2130 wraz z odpowiednimi stopniami wzmacniającymi. Zastosowany drajwer przeznaczony jest do sterowania układem składającym się z sześciu tranzystorów połączonych w konfiguracji mostka.

Komutator elektroniczny
 

Centralny układ sterowania pojazdem zrealizowano na bazie mikrokontrolera sygnałowego firmy Texas Instruments - TMS 320F2812. Pomiędzy drajwery tranzystorów a mikrokontroler włączono układ programowalny. Zadaniem układu jest formowanie impulsów sterujących tranzystorami komutatorów na podstawie sygnałów z czujników położenia wirnika oraz z układu mikroprocesorowego, w zależności od wymaganego trybu pracy silników. Zastosowanie układu mikroprocesorowego umożliwiło rozszerzenie zadań realizowanych przez układ sterowania o dodatkowe funkcje, niedostępne w scalonych drajwerach silników BLDC. Oprócz regulacji pracy silników (realizacji algorytmu regulatorów PI prądów, wyboru kierunku wirowania i trybu pracy z silnikowej do generatorowej i odwrotnie), układ sterowania realizuje dodatkowe procedury mające na celu: zabezpieczenie obwodów głównych komutatorów i silników, poprawę komfortu jazdy, komunikację z panelem wyświetlacza TFT, akwizycję przyczyn wyłączeń awaryjnych.

Przeprowadzone badania zachowania pojazdu w warunkach szosowych i terenowych pozwoliły na opracowanie dodatkowych algorytmów sterowania, które znacznie poprawiają komfort użytkowania pojazdu.

Koncepcja układu została w pełni zaakceptowana przez producenta pojazdów elektrycznych, czego wymiernym wynikiem jest przygotowanie do produkcji seryjnej.

Tomasz Biskup