Long live the Altium Koningin

Hoi!

In deze blog zal ik meer vertellen over hoe de hardware development (PCB’s) wordt uitgevoerd door het electronics department van het Solar Boat Team.

Een groot deel van de tijd zal je ons vinden achter de computer, gelukkig dichtbij het koffiezetapparaat. Mensen lopen constant langs, zien ons bezig op de computer met veel kleurtjes wat er professioneel uitziet en zeggen “lekker bezig!”.
Maar wat doen wij nou eigenlijk?

Om te beginnen staat PCB voor Printed Circuit Board. Dit is een boardje (meestal groen) waarover spoortjes  koper lopen die op verschillende punten bij elkaar komen. In de foto hieronder zie je bijvoorbeeld de PCB van de logger.

Wij vinden het belangrijk dat we precies weten hoe elk onderdeel werkt en om deze reden ontwerpen wij dan ook de meeste elektronische componenten van de boot zelf. Zo hebben we ons eigen Battery Management System, Energy Management System, 24V distribution, height control, MPPT switch, dashboard en stuur en een logger, allemaal zelf ontworpen!

Wanneer je begint met ontwerpen moet er eerst nagedacht worden over welke functies het ontwerp precies moet hebben. De logger neemt bijvoorbeeld de data afkomstig van de CAN bus en slaat deze op een MicroSD -kaartje op voor het testen. Maar het boardje moet ook gevoed worden. In het geval van de logger wordt dit gedaan met een 24V spanningsbus. Echter, omdat de componenten werken met 5V of 3.3V zal je een paar buck-converters moeten installeren. Ook zal er een sub systeem moeten komen waarin de microcontroller wordt geplaatst en een subsysteem voor het debuggen en programmeren van deze microcontroller.

De volgende stap is het vertalen van deze design functies naar een schematisch circuit. Bijna iedereen kan de specifieke functies bedenken voor een ontwerp, maar alleen electrical engineers hebben de expertise en kennis voor het ontwerpen van de complexe circuits van de boot.
Veel ontwerpaspecten krijg je enkel onder de knie door veel oefening. Om deze reden is de hulp van Luc Does van het oude team hard nodig! Het schematische ontwerp is het meest uitdagende onderdeel van het PCB ontwerp en neemt ook de meeste tijd in beslag.

Wanneer het schematisch ontwerp uitgewerkt is zal het echte boardje ontworpen moeten worden. In deze fase plaatsen we componenten zoals weerstandjes en chips virtueel op het boardje en worden deze met elkaar verbonden. Dit is het leukste onderdeel van het ontwerpen omdat het eigenlijk een uitdagende puzzel is, daarnaast je een idee krijgt hoe de uiteindelijke PCB eruit komt te zien.

Wanneer het ontwerp van het boardje af is, bestellen we de PCBs van Eurocircuits, een van onze sponsors. Het fijne aan Eurocircuits is (naast dat ze ons sponseren), is dat ze een online tool hebben dat direct aangeeft als er iets mis is met de production files en ook of het past in de technologische klasse die we in gedachten hadden. Zodra Eurocircuits het ontwerp goedkeurt kunnen we het bestellen en binnen twee weken beginnen alles samen te stellen.

Bij kleine oplages solderen wij alles zelf. Maar bij grotere oplages of hele complexe PCBs gebruiken we speciale tools. In de D:Dreamhal is een ruimte die vol staat met materieel van Eurocircuits zoals een pick and place machine, reflow oven en functional testers. Vorige week hebben we veel verschillende PCBs besteld, dus de komende tijd zijn we druk bezig met het samenstellen en het testen van onze ontwerpen!

 

 

 

Yes we CAN bus

In de aankomende serie van blogs zullen Max en Daniël een kort overzicht geven van de datastroom in en om de boot heen. Wij zullen het hebben over de CAN bus in de boot, de servers, strategy team interface en tenslotte de dashboard screen voor de piloot.

Vandaag zullen we jullie meer vertellen over de CAN bus!

In eerdere blogs is de CAN bus al genoemd. Echter, wat de CAN bus nou eigenlijk is, is misschien nog wat onduidelijk. Het is een dikke kabel die door de hele lengte van de boot loopt en zo allerlei verschillende onderdelen verbindt die moeten communiceren (en dat zijn er een heleboel!). De kabel zelf ziet er ongeveer zo uit:

 

 

De boot heeft veel verschillende sensoren. Zo heb je de temperatuursensoren, de hoogtesensoren voor het laten vliegen van de boot, de gps om de locatie te bepalen en nog veel meer. Deze sensoren worden verbonden met microcontrollers en de microcontrollers zetten de data van de sensoren op de CAN bus.

Om uit te leggen hoe de CAN bus precies werkt zullen we een simpel metafoor gebruiken: de CAN bus kan worden vergeleken met een grote kamer waarin iedereen om de beurt berichten schreeuwt. Belangrijke mensen moeten als eerste schreeuwen en daarnaast altijd kunnen schreeuwen wanneer zij dat willen. Dit betekent dat andere mensen moeten wachten met schreeuwen tot het hun beurt is. Natuurlijk willen we niet dat iemand onderbroken wordt tijdens het schreeuwen aangezien dat tijdsverspilling is.

Hoewel het wellicht ingewikkeld klinkt om al deze vereisten goed te laten werken, de CAN bus maakt dit juist makkelijk! Dankzij de CAN bus is het simpel om berichten te negeren waarin je niet geïnteresseerd bent en zorgt ervoor dat wie “het hardst schreeuwt” ook als eerste kan schreeuwen. Alle componenten zullen alleen maar praten wanneer niemand anders aan het praten is, en er is geen controller nodig om hiervoor te zorgen.
Het enige waar wij zelf op moeten letten is dat er niet te veel verkeer ontstaat. Om bij de metafoor te blijven, als er meer woorden gezegd moesten worden dan dat er tijd is om deze woorden in te zeggen, dan zouden we steeds meer achterlopen, wat ernstige gevolgen kan hebben.

Al deze kwaliteiten maken de CAN bus een belangrijk onderdeel van onze boot. Het geeft ons een efficiënte manier om te communiceren binnen de gehele boot – een veel betere oplossing dan allerlei losse kabels die we anders door de boot moesten leggen.

Alles jeukte en de Nutella was bevroren

Om 6 uur  ’s ochtends gaat de eerste wekker af in Flevoland. Nadat er tweemaal op de snooze-knop is geramd, zullen we er toch aan moeten geloven: het is tijd om op te staan. Voordat ik de ontbijttafel heb bereikt, heb ik gemiddeld al 12 keer mezelf afgevraagd waarom ik in godsnaam vóór 11:00 uit bed ben in mijn ‘vakantieweek’.

Op gang gedreven door boterhammen met pindakaas arriveren wij, Ploeg 3, om 7:15 bij de Advanced Composites afdeling van Rondal en Royal Huisman in Vollenhove. Het busje wordt dichtbij de ingang geparkeerd, opdat wij niet ten prooi vallen aan het verraderlijk koude weer van deze week. Slechts weinigen van ons kunnen zich herinneren hoe zonlicht aanvoelt, of hoe niet-bevroren Nutella smaakt…

Al snel na onze aankomst wordt onze inwendige mens versterkt met een bekertje warme koffie en krijg ik het plan de campagne te horen. Er heerst een gespannen sfeer. Elke man en vrouw in deze werkhal weet dat deze week een gigantisch gevecht zal ontketenen tussen 6 TU Delft studenten en een enorme hoeveelheid koolstofvezels. Het einddoel van de week: een negatieve mal produceren om de Solar Boat van dit jaar in te vormen. Het doel is duidelijk, de bevelen worden opgelegd en de klok begon te tikken. Gewapend met niks meer dan een verfroller en onze blote handen, trekken wij ten strijde! Spoedig onthult zich (met behulp van de ervaren Rondal werknemers) een waar strijdtoneel in de composietenhal.  Van heinde en verre komt men aanschouwen hoe de studenten van het TU Delft Solar Boat Team worstelen met de rollen koolstof, en de epoxy tot het plafond laten spatten (bij wijze van spreken natuurlijk: verantwoordelijke studenten gaan voorzichtig om met epoxy).

De ene na de andere laag van de mal ontstaat, en op de derde dag wordt de genadeklap geleverd door de 14e laag af te ronden. Uitgeteld zak ik op mijn knieën, terwijl de verfroller uit mijn vermoeide hand glijdt. Mijn voorheen smetteloos blauwe overall is nu bekleedt met losse koolstofvezels, met hier en daar een smeer epoxy hars. De mal is nu klaar, maar de koolstofvezels hebben nog één laatste streek bewaard voor de ongelukkige student…

“Niks jeukt zo heerlijk als de kleren die je aanhebt na een fijn dagje knippen-plakken-lijmen met koolstof.”
– Iedereen die ooit met koolstof heeft gewerkt

Maar jeukende kleding of niet, het was ons toch gelukt om die week een stevige mal te maken voor de verdere productie, zelfs met een houten frame er omheen!

Christopher

Blog 12 – Romme: De Energybox

Het is best angstaanjagend als het lot van de boot in de handen ligt van een aantal cilindrische objecten die niet groter dan je duim zijn. In ons geval hebben we een groot aantal van deze objecten die zich bevinden in een doos gemaakt van carbon fibre die verbonden is met elk ander interessant deel van de boot. Ongeveer 0,05 m2  is geweid aan deze doos, die we de powerbox noemen. Of is het energybox? Batterybox? Ik blijf vergeten wat de correcte benaming is. Het is een doos waarin batterijen zitten.

De boot heeft batterijen nodig en batterijen hebben ruimte nodig. Hiermee bedoel ik niet een simpele fysieke ruimte. Deze batterijen hebben een “safe zone” nodig. We moeten dus een safe zone creëren in een boot vol met water. Hoe maken we een energybox die deze batterijen veilig en content houden?

Als eerste plaatsen we de batterijen in paren aan de hand van de elektronische vereisten. Maak parallelle groepen en verbindt deze in series om er zeker van te zijn dat deze groepen correct verbonden zijn. Vervolgens moet je ervoor zorgen dat deze groepen niet rond bewegen zodra de boot gaat varen. Wanneer je alle batterijen vast hebt gezet in een harnas van licht materiaal, heb je eigenlijk de gigantische AAA equivalent gecreëerd die de boot nodig heeft.

Wat is de volgende stap? Ten eerste moet er een barrière komen voor het zeewater. Het sproeiwater van de zee wil niets liever dan de batterijen een lesje leren over “survival of the fittest”. De natuur wint deze strijd gewoonlijk. Het is daarom belangrijk om een doos te maken die waterproof is. Aangezien de boot zelf gemaakt is van een variatie van compositie materialen zoals carbon, was het logisch om ervoor te kiezen de energybox van hetzelfde materiaal te maken. Zodra de doos gemaakt is, kunnen we kijken naar andere vereisten.

Batterijen moeten vertroeteld worden. Een batterij wil graag warm zijn, maar niet té heet. Ook wil de batterij dat zijn lading niet te veel daalt of te veel stijgt. Om dit te bereiken is er een koelingssysteem nodig en een verwensysteem dat de batterijen gelukkig houdt. Voor het koelsysteem kunnen we verschillende methoden gebruiken. De meesten van deze methoden zijn echter onhandelbaar of te zwaar. Hierdoor hebben we de keus tussen luchtkoeling en waterkoeling.

Als er wordt gekozen voor luchtkoeling hebben we een doos met gaten erin. Als  we kiezen voor water dan hebben we ineens vrij veel water dicht bij de batterijen. Beide zijn goede opties, dus je mag kiezen wat je zelf het beste vindt. Wij hebben gekozen voor luchtkoeling. Dit heeft als gevolg dat de batterijen op armsafstand van elkaar in de doos moeten zitten zodat er wat luchtruimte tussen zit. Daarnaast moeten er gaten in de doos worden gemaakt die lucht toelaten.
Nu kunnen we nadenken over de combinatie van het Energy Management System en het Battery Management System. Het is een regulatiesysteem dat de batterijen blij houdt. Dit systeem stuurt de ventilator aan die de lucht over de batterijen heen pompt en reguleert de lading van  parallelle sets van de batterijen.

Nu hebben we dus een doos, ventilatie en een oppasser. Nu kan de batterij overleven in de boot en tegelijkertijd compleet nutteloos zijn. Het is tijd om de batterijen te verbinden aan alle andere delen van de boot. De batterijen moeten energie krijgen van de zonnepanelen en moet deze energie doorgeven aan de motor controller, welke de gelijkstroom van de batterij omzet naar de wisselstroom die de motor nodig heeft. Ook moeten alle andere elektrische componenten verbonden worden met de batterij, zoals de pomp. De batterijen moeten geplaatst worden in een circuit dat al deze onderdelen verbindt. Plaats wat relais en zekeringen om elk component te beschermen tegen ongelukken. Implementeer ook wat meetsystemen en nu heb je een basis elektrisch circuit dat nodig is om de energybox te transformeren naar een goede opslagruimte. Daarna kun je ook nog een kabel netwerk opstellen zodat je oppasser netjes tegen alle andere componenten in de boot kan zeuren.

Nu hoef je enkel nog ervoor te zorgen dat de overige verbindingen die buiten de energybox lopen waterproof zijn.

Nu heb je een batterybox die in staat is energy op te slaan en om te zetten van de zonnepanelen.

Natuurlijk, in de praktijk is het nog steeds een lastig karwei om deze doos te laten werken.