ERK 2022 Portorož, Slovenija, 19. - 20. september 2022 Zbornik enaintridesete mednarodne Elektrotehniške in računalniške konference ERK 2022 Proceedings of the 31st International Electrotechnical and Computer Science Conference ERK 2022 Vabljena predavanja / Invited Lectures Elektronika / Electronics Telekomunikacije / Telecommunications Multimedija / Multimedia Avtomatika in robotika / Automatic Control and Robotics Modeliranje in simulacija / Modelling and Simulation Močnostna elektrotehnika / Power Engineering Merilna tehnika / Measurement - ISEMEC 2022 Akustika in elektroakustika / Acoustics and Electroacoustics Računalništvo in informatika / Computer and Information Science Razpoznavanje vzorcev / Pattern Recognition Biomedicinska tehnika /Biomedical Engineering Didaktika / Didactics Študentski članki / Student Papers Uredila / Edited by Andrej Žemva, Andrej Trost ISSN 2591-0442 (online) ii 2591-0442 (online) Zbornik enaintridesete Elektotehniške in računalniške konference ERK 2022, 19. - 20. september 2022, Portorož, Slovenija Proceedings of the 31st Electrotechnical and Computer Science Conference ERK 2022, 19 - 20 September 2022, Portorož, Slovenia Vabljena predavanja Elektronika Telekomunikacije Avtomatika in robotika Modeliranje in simulacija Močnostna elektronika Merilna tehnika - (ISEMEC) Akustika in elektroakustika Računalništvo in informatika / Computer and Information Science Razpoznavanje vzorcev Biomedicinska tehnika Didaktika Študentski članki Pri organizaciji Elektrotehniške in računalniške konference so sodelovala naslednja društva: Društvo avtomatikov Slovenije, Slovensko društvo za merilno-procesno tehniko (ISEMEC), SLOKO-CIGRE, Društvo za medicinsko in biološko tehniko Slovenije, Slovensko društvo za umetno inteligenco, Slovensko društvo za razpoznavanje vzorcev, Slovensko društvo za simulacije in modeliranje. Slovenska sekcija IEEE Fakulteta za elektrotehniko v Ljubljani iii Sporočilo predsednika konference v imenu Organizacijskega odbora imam prijetno dolžnost, da Vas pozdravim na elektrotehniški in računalniški konferenci ERK, ki je postala tradicionalno srečanje strokovnjakov, ne le na elektrotehniškem in računalniškem področju, temveč tudi na drugih področjih, kjer sta vključena elektrotehnika in računalništvo. Letos poteka že 31. Mednarodna elektrotehniška in računalniška konferenca ERK 2022, 19. in 22. septembra 2022, v hotelu Bernardin, v Portorožu v Sloveniji. 119 prispevkov smo uvrstili v program konference in jih razdelili po številnih področjih. V sklopu konference bomo izvedli številne dogodke. FRI UL organizira Delavnico Uporabljamo superračunalnike!, v organizaciji ACM in IEEE bo potekala Okrogla miza: Dobrobit stroke za digitalno družbo in v organizaciji IEEE Young Professionals Okrogla miza: Prihodnost in razvoj umetne inteligence v Sloveniji. Vabljeni predavanji sta tokrat Battery Monitoring and Energy Management (Devid Palčič, Robotina) in Using the Red Pitaya STEMlab Board in Education: Practical Experience and Use-Cases (Tamás Kovácsházy, Budapest University of Technology and Economics). Konferenca ERK je pogosto prvi forum, kjer mladi avtorji predstavijo rezultate svojega dela širšemu krogu. Mnogi svetovno uveljavljeni slovenski raziskovalci so imeli svoje prve nastope prav na tej konferenci. Na konferenci poteka vsako leto tudi študentsko tekmovanje Slovenske sekcije IEEE. Letos se tradicionalnega študentskega tekmovanja IEEE udeležuje 10 študentk in študentov s FE UL, FRI UL, FERI UM in IJS. Najboljša študentska prispevka z Univerze v Mariboru in Univerze v Ljubljani se uvrstita na nadaljnje regijsko tekmovanje IEEE R8, ki pokriva celotno področje Evrope, večji del Azije in Afrike. Na dosedanjih regijskih tekmovanjih so slovenski študentje že petkrat osvojili prvo mesto. Program konference smo razdelili na 12 strokovnih področij. Poleg dveh vabljenih predavanj in desetih študentskih prispevkov, je v posamezne sekcije razvrščenih 107 predstavitev. V tridesetih letih je bilo predstavljenih 178 vabljenih predavanj, 297 študentskih prispevkov in 5541 rednih prispevkov. Kljub intenzivnem delovanju v mednarodnem okolju, še naprej razvijamo slovensko tehniško besedo, zato se slovenskemu jeziku na konferenci nismo odpovedali. Razpored referatov in vsi prispevki so dostopni na spletni strani https://erk.fe.uni-lj.si/2022/program.php. Andrej Žemva Andrej Trost Predsednik konference Predsednik programskega odbora iv Organizatorji / Organizers • Slovenska sekcija IEEE • Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani Strokovna društva Pri delu posameznih konferenčnih sekcij sodelujejo naslednja strokovna društva: • Društvo avtomatikov Slovenije, • Slovensko društvo za merilno-procesno tehniko (ISEMEC 2022), • SLOKO–CIGRE, • Društvo za medicinsko in biološko tehniko Slovenije, • Slovensko društvo za umetno inteligenco, • Slovensko društvo za razpoznavanje vzorcev, • Slovensko društvo za simulacijo in modeliranje. v Konferenčni odbori / Board Predsednik konference / Conference Chairman Andrej Žemva Podpredsednik konference / Conference Vicechairman Matej Zajc Častni predsednik konference / Honorary Conference Chairman Baldomir Zajc Predsednik odbora za tisk / Publications Chairman Aleksander Sešek Predsednik program. odbora / Program Committee Chairman Andrej Trost Programski odbor / Programe Committee Agrež Dušan Ambrožič Vanja Atanasijević-Kunc Maja Batagelj Boštjan Baudoin Genevieve Begeš Gaber Beguš Samo Bešter Janez Blažič Sašo Bojkovski Jovan Brezočnik Zmago Brglez Franc Bulić Patricio Bürmen Arpad Burnik Urban Corchado Emilio Debevc Matjaž Debono Carl Delimar Marko Dobrišek Simon Dolinar Gregor Drnovšek Janko Drobnič Klemen Fajfar Iztok Fišer Rastko Frohlich Hubert Gams Matjaž Geršak Gregor Gruden Timotej Grum Bernard Guna Jože Humar Iztok Iglič Aleš Jager Franc Jagodič Marko Jakus Grega Jankovec Marko Jarm Tomaž Javornik Tomaž Kamnik Roman Klančar Gregor Kos Andrej Kos Anton Košir Andrej Kotnik Tadej Kramar Peter Krč Janez Kuzle Igor Kužnar Roman Lavrič Henrik Logar Vito M. Tonello Andrea Maček-Lebar Alenka Makuc Danilo Mandeljc Rok Meža Marko Mihelj Matjaž Miklavčič Damijan Milanovič Miro Miljavec Damijan Mujčić Aljo Munih Marko Mušič Gašper Nedeljković David Nešković Nataša Pantoš Miloš Papič Igor Perš Janez Petkovšek Marko Podgorelec Vili Pogačnik Matevž Policardi-Antoncich Franc Pustišek Matevž Pušnik Igor Richter Kurt Rihar Andraž Sedlar Urban Sernec Radovan Sešek Aleksander Skočaj Danijel Sodnik Jaka Solina Franc Stančin Sara Sterle Janez Stojmenova Duh Emilija Suljanović Nermin Škrjanc Igor Šprager Sebastijan Štern Andrej Štruc Vitomir Tabernik Domen Tomažič Sašo Topič Marko Tosato Fabio Tuma Tadej Ude Aleš Umek Anton Vidmar Matjaž Vončina Danjel Zajc Matej Zajec Peter Zamuda Aleš Zazula Damjan Zupančič Borut Žalik Borut Žemva Andrej vi Recenzenti / Reviewers Ajda Lampe Alan Lukežič Aleksander Sešek Alenka Maček Lebar Aleš Zamuda Aleš Zore Aljaž Baumkirher Andraž Rihar Andrej Štern Andrej Trost Andrej Zdešar Blaž Bertalanič Borko Boškovic Boštjan Batagelj Boštjan Blažič Boštjan Murovec Boštjan Pregelj Božidar Bratina Damjan Strnad Danijel Skočaj Danilo Makuc Danjel Vončina Davor Sluga Domen Tabernik Dražen Drašković Dušan Gleich Franc Policardi Franci Dimc Gaber Begeš Goran Andonovski Gorazd Karer Grega Jakus Gregor Burger Gregor Černe Gregor Geršak Henrik Lavrič Iztok Fajfar Iztok Humar Iztok Kramberger Janez Brest Janez Podobnik Janez Zaletelj Jože Guna Klemen Drobnič Lucija Brezočnik Luka Čehovin Zajc Luka Mali Luka Pogačnik Luka Šajn Marko Malajner Marko Meža Martin Šavc Matej Dobrevski Matej Kranjc Matej Zajc Matevž Bošnak Matevž Hribernik Matevž Kunaver Matevž Pesek Matevž Pogačnik Matevž Pustišek Matjaž Divjak Miha Moškon Mitja Nemec Nejc Ilc Peter Kmecl Peter Kramar Peter Miklavčič Peter Planinšič Peter Rot Peter Zajec Roman Kamnik Rudolf Sušnik Sašo Blažič Sebastjan Šlajpah Štefan Kohek Tijana Krutil Timotej Gruden Tina Batista Napotnik Tomaz Jarm Tomaž Kosar Tomi Mlinar Urban Burnik Urban Sedlar Vanja Ambrožič Vesna Eržen Vitjan Zavrtanik Vito Logar Žiga Babnik Živa Stare vii Sekc./Sect. VP Vabljena predavanja / Invited Papers 1 Battery Monitoring and Energy Management Devid Palčič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Using the Red Pitaya STEMlab Board in Education: Practical Experience and Use-Cases Tamás Kovácsházy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Sekc./Sect. EL Elektronika / Electronics 4 Sistem za brezžični prenos energije z dvojnim DD navitjem Nataša Prosen, Rok Friš, Jure Domajnko, Mitja Truntič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Komunikacijski sklad in nadzorna aplikacija za mikrokrmilnike Mitja Nemec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Baterijski paket za električno kolo Rok Friš, Mitja Truntič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Načrtovanje in vrednotenje ASIC digitalnih vezij z orodjem OpenLANE Patricio Bulić, Ratko Pilipović, Uroš Lotrič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 On the employment of approximate multipliers in high-level synthesis toolkits Ratko Pilipović, Patricio Bulić, Uroš Lotrič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Pametna QR koda in bralnik, za temperaturno sledljivost izdelkov Rok Hrovat, Aleksander Sešek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Načrtovanje strojne in programske opreme merilne plošče STEMlab Andrej Trost, Andrej Žemva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Sekc./Sect. TC Telekomunikacije / Telecommunications 36 Generiranje RF signala za FMCW radar z uporabo dveh optičnih virov Jernej Mušič, Boštjan Batagelj, Janez Krč . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Ugotavljanje položaja v sodobnih javnih mobilnih omrežjih Boštjan Batagelj, Tomi Mlinar, Sašo Tomažič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Rekonstrukcija 1-dimenzionalne slike zajete s pomočjo THz spektroskopa v frekvenčni domeni Blaz Pongrac, Andrej Sarjaš, Dušan Gleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Lokalizacija na prostem s pomočjo radiofrekvenčnih odtisov tehnologije BLE v testnem omrežjem LOG-aTEC Blaž Bertalanič, Grega Morano, Gregor Cerar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2 Opazovanja geomagnetizma na daljavo Franc Dimc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IDENTIFYING AND TRACKING PHYSICAL OBJECTS WITH HYPERLEDGER DECENTRALIZED APPLICATIONS David Chicano, Matevž Pustišek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Prototipni sistem samovladne identitete s tehnologijo Ethereum Rihard Marušič, Matevž Pustišek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Prototipni IoT sistem s tehnologijo blokovnih verig Hyperledger Fabric Gašper Pirnat, Matevž Pustišek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 SafeDrill: Drilling Safety Device Rok Kalister, Nejc Karlo, Marko Tičar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Upravljanje samovladne identitete z rešitvijo podjetja Evernym Nejc Jager, Matevž Pustišek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Spletna aplikacija za objektivno ocenjevanje varne vožnje SmoothTaxi Sara Aleksieska, Gregor Devetak, Matic Merela, Petra Kuralt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Concept Development for Sensor Based Virtual Intensive Care Unit Jugoslav Achkoski, Boban Temelkovski, Andrej Košir, Marko Meža . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 viii 54 Testiranje uporabniškega vmesnika naprav IoT Tijana Krutil, Andrej Kos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86 Pametni copati za spremljanje gibanja starejših in detekcijo padcev Blaž Ardaljon, Mataln Smehov, Jan Adamič, Jure Špeh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Pregled protokolov za vključevanje 5G v GPON Vesna Prodnik, Tomi Mlinar, Črt Tavčer, Boštjan Batagelj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Etika v raziskavah in razvoju pametnih sistemov za končne uporabnike Andrej Košir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 O značilnostih brezžičnih protokolov za pretakanje senzorskih podatkov: pod 3 GHz Timotej Gruden, Peter Miklavčič, Matevž Hribernik, Sašo Tomažič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Pregled virov elektromagnetnih polj in njihovi učinki na ljudi ali kaj poleg 5G nas bi še utegnilo zanimati Tomi Mlinar, Boštjan Batagelj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Open RAN – nov model arhitekturno odprtega radijskega dostopovnega omrežja Boštjan Batagelj, Tomi Mlinar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Komunikacijske tehnologije na 5,9 GHz za področje C-ITS Andrej Štern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Zajem radijskih parametrov mobilnega omrežja s pomočjo CPE modema Rok Ušaj, Rudolf Sušnik, Luka Koršič, Janez Sterle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Tehnike za zagotavljanje stabilnosti injekcijske vklenitve Fabry-Periot laserske diode Vesna Eržen, Jakub Ratkoceri, Boštjan Batagelj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Sekc./Sect. MM Multimedija / Multimedia 133 Analiza učinkovitosti dviga ločljivosti slik z uporabo filtrov v frekvenčni domeni Anja Brelih, Urban Burnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Kvaliteta uporabniške izkušnje Katjuša Jaklič, Urban Burnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Izdelava prototipa mobilne aplikacije za pohodništvo Klara Oštir, Helena Gabrijelčič Tomc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Analiza delovanja CSS animiranih spletnih grafik v dveh brskalnikih Maša Ornik, Helena Gabrijelčič Tomc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Koraki v digitalni animaciji: študija primera Miha Marinko, Gorazd Gorup, Blaž Košir, Blaž Meden, Narvika Bovcon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 150 Delen in postopen prevzem vodenja pogojno avtonomnega vozila Timotej Gruden, Grega Jakus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Uporabnik ima vedno prav: uporabniška izkušnja, zaznana uporabnost in voznikove želje o zaslonih v pogojno avtomatiziranih vozilih Kristina Stojmenova, Gregor Strle, Jaka Sodnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Vrednotenje uporabniške izkušnje in slabosti različnih modalnosti interakcij v okolju navidezne resničnosti Rok Marko Šter, Jože Guna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Zasnova haptičnega uporabniškega vmesnika za biomehansko povratno vezavo v vodnih športih Matevž Hribernik, Anton Umek, Anton Kos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Prototip ambientnega vmesnika za informiranje uporabnika o rabi zelene energije Ajda Markič, Eva Vidmar, Jure Tič, Matjaž Rupnik, Janez Zaletelj, Matej Zajc . . . . . . . . . . . . . . . . 171 A new approach for measuring the efficiency of edge detection algorithms Bojan Prlinčević, Zoran Milivojević, Nataša Savić, Dijana Kostić . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Degradation Recoloring CVD Protan Image From Blok SVD Watermark Zoran Milivojević, Bojan Prlinčević, Dijana Kostić . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Brezizgubno stiskanje digitalnega avdia s prileganjem daljic in kvadratnih Bézierovih krivulj Luka Železnik, Damjan Strnad, Borut Žalik, David Podgorelec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 ix Zajemanje in vizualizacija agregiranega dnevnika dogodkov sistema Symbiot Amadej Pavšič, Matevž Pustišek, Luka Mali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Razpoznavanje gest s pomočjo senzorja bližnjega električnega polja Matej Vnučec, Boštjan Batagelj, Aljaž Blatnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Prototipna namizna maketa za razvoj koncepta tehnološko podprtega doma Jaka Bezovšek, Nina Hostnik, Miha Malenšek, Jakob Marušič, Matej Zajc, Janez Zaletelj . . . . . . . 195 Sekc./Sect. AR Avtomatika in robotika / Automatic Control and Robotics 199 Safety and path planning for collaborative applications based on an autonomous mobile platform Nicolas Gautier, Peter Kmecl, Marko Munih, Janez Podobnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Quality inspection of clay car modeling using collaborative robot Sebastjan Šlajpah, Aleš Ručigaj, Pierre Taner Kirisci, Jan Svrček, Marko Munih, Matjaž Mihelj. 204 Optimal placement of the workpiece in robotic surface machining based on manipulability index Tomaž Pušnik, Saša Stradovnik, Aleš Hace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Human-inspired robotic levering using Periodic Dynamic Movement Primitives Boris Kuster, Matevž Majcen Horvat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Modeliranje doziranja praška z robotom z uporabo 2D radialnih baznih funkcij Aleš Ručigaj, Aljaž Baumkircher, Marko Munih, Matjaž Mihelj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Cloth Smoothing Simulation with Vision-to-Motion Skill Model Peter Nimac, Matija Mavsar, Andrej Gams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Popolnoma zaznavno eksperimentalno okolje za biomehansko opazovanje vstajanja cloveka Adrijana Savevska, Rebeka Koprivšek Leskovar, Tilen Brecelj, Luka Mišković, Tadej Petrič . . . . . 224 Source Domain Knowledge Acquisition Using Simulated Environment with Minimized Computing Requirements Zvezdan Lončarević, Andrej Gams, Mihael Simonič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Sekc./Sect. SM Avtomatika, modeliranje in simulacija / Modeling and Simulation 232 Generiranje časovno minimalnih trajektorij v avtomatiziranem skladišču z omejitvami hitrosti, pospeška in trzaja Martina Benko Loknar, Gregor Klančar, Sašo Blažič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Grey Wolf Optimizer in Tuning Optimal PID Controller Amila Dubravic, Amira Šerifović-Trbalić, Damir Demirović . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Navigacija robota v zemljevidu kvadratnih celic s pomočjo bilinearne interpolacije diskretnega potencialnega polja Andrej Zdešar, Matevž Bošnak, Rok Vrabič, Gašper Škulj, Gregor Klančar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Numerični model sferičnega magnetoreološkega aktuatorja Jakob Vizjak, Anton Hamler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Nekateri vidiki simulacije sodelovalnega robota Oto Težak, Mitja Truntič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Modeliranje in simulacija hidroelektrarne s sistemom za soproizvodnjo vodika in sončno elektrarno Boštjan Pregelj, David Jure Jovan, Gregor Dolanc, Boštjan Drobnič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Digitalni dvojček elektroobločne peči Vito Logar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Sekc./Sect. ME Močnostna elektrotehnika / Power Engineering 263 Sinhronizacija časovnikov z različno časovno bazo Mitja Nemec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Izvedba izenačitve potencialov v elektroenergetskem objektu Urban Metod Peterlin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 x Načrtovanje visokonapetostne dušilke Mislav Trbušić, Marko Jesenik, Anton Hamler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Simulacijski model za oceno izgubnih moči trifaznega razsmernika Andraž Rihar, Anton Darovic, Klemen Drobnič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Ocena velikosti parazitnih parametrov tiskanega vezja enosmernega vmesnega tokokroga Andraž Rihar, Tim Novak, Peter Zajec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 Ocena dinamičnega odziva izhodnega toka enosmernega močnostnega pretvornika s sklopljenima dušilkama na podlagi metode lege korenov Živa Stare, Klemen Drobnič, Mitja Nemec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Programirljivi logični krmilnik Siemens S7-1200 in zaznavanje spremembe logičnega stanja spremenljivke Marko Petkovšek, David Nedeljković . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 Sekc./Sect. MT Merilna tehnika / Measurement 292 Sistem za avtomatsko meritev sklopljenosti navitij za potrebe načrtovanja sistemov za brezžični prenos energije Jure Domajnko, Rok Friš, Nataša Prosen, Mitja Truntič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Okoljski senzorji in umerjanje Andraž Janežič, Gaber Begeš . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Učinkovitost merjenja telesne temperature v epidemijah Igor Pušnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 Načrtovanje proti-prekrivnega filtra za praktični šumni termometer Rok Tavčar, Samo Beguš, Jovan Bojkovski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Sekc./Sect. AE Akustika in elektroakustika / Acoustics and Electroacoustics 312 Tonewood Treatment Ideas for Musical Instruments Soundboards Mehran Roohnia, Franc Policardi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Izbira zvočnika za meritve v tlačnem polju Samo Beguš, Saba Battelino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 3D lasersko skeniranje kot podporno orodje za akustično sanacijo stare industrijske hale Urban Kavka, Rok Prislan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 321 Lokalizacija mikrofonskega polja z uporabo laserskega skenerja Rok Prislan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Noise pollution reduction based on recycled fiberglass from discarded wind turbine blades Jakob W Nielsen, Franc Policardi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Physical parameters obtained by autocorrelation function and several psychoacoustical responses Ryota Shimokura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 Variations on the Snail-Analyser and its spectral estimates for the accurate tuning of musical sounds: a strobe tuner like display Thomas Hélie, Charles Picasso, Robert Piéchaud, Michael Jousserand, Tom Colinot . . . . . . . . . . . . 338 Sekc./Sect. CS Računalništvo in informatika / Computer and Information Science 342 Detekcija vegetacijskih krajinskih elementov v podatkih LiDAR in ortofoto z nevronsko mrežo Štefan Horvat, Štefan Kohek, Danijel Ivajnšič, Damjan Strnad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 Arhitektura sistema za izvedbo tekmovanja v mobilni robotiki Nejc Ilc, Jankob Maležič, Matija Rezar, Davor Sluga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 Razširitev označevalnega jezika Markdown z aritmetičnimi operacijami, matematičnimi in logičnimi funkcijami v tabelah Aleks Marinič, Tomaž Kosar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 Neperiodicna binarna zaporedja z dobrimi avtokorelacijskimi lastnostmi: nizke vrednosti stranskih reznjev Janez Brest, Borko Bošković . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 xi 326 Computational analysis of rhythmic data using RDA Arthur Vestu, Lily-Jade Roldao, Miha Moškon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 Primerjava algoritmov QPS-PSO in jDEr napotencialuLennard − Jones JanaHerzog, BorkoBoškovi ć, JanezBrest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 Sekc./Sect. PR Razpoznavanje vzorcev / Pattern Recognition 367 Towards on-the fly multi-modal sensor calibration Jon Muhovič, Janez Perš . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 A Long-Term Discriminative Single Shot Segmentation Tracker Benjamin Džubur, Alan Lukežič, Matej Kristan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 Optimization-based Image Filter Design for Self-supervised Super-resolution Training Klemen Grm, Vitomir Štruc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 Face Morphing Attack Detecton Using Privacy-Aware Training Data Marija Ivanovska, Andrej Kronovšek, Peter Peer, Vitomir Štruc, Borut Batagelj . . . . . . . . . . . . . . . . 381 Robustness of Surface Anomaly Detection Methods to Domain Shift Matej Dobrevski, Jakob Božič, Danijel Skočaj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 Iterativna optimizacija ocen kakovosti slikovnih podatkov v sistemih za razpoznavanje obrazov Žiga Babnik, Vitomir Štruc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Prototipi značilk za adaptivno zaznavanje ovir na vodni površini Lojze Žust, Matej Kristan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 Hierarchical Superquadric Decomposition with Implicit Space Separation Jaka Šircelj, Peter Peer, Franc Solina, Vitomir Štruc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 Towards fast lighting condition inference for augmented reality Leon Modic, Luka Čehovin Zajc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 Zaznavanje gest na vgrajeni napravi s prvoosebnim pogledom Blaž Rolih, Luka Čehovin Zajc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 Wood Surface Defect Detection and Classification with a Vision Transformer: A Preliminary Study Miha Ožbot, Janez Perš, Andrej Zdešar, Igor Škrjanc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410 Klasifikacija napak spletnih servisov s pomočjo analize sentimenta odgovorov Tadej Justin, Martin Jurkovič, Elena Trajkova, David Šenica, Viktor Brajak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 Sekc./Sect. BM Biomedicinska tehnika / Biomedical Engineering 419 Izražanja genov po genski elektrotransfekciji z električnimi pulzi različnih trajanj – eksperimenti in model Tjaša Potočnik, Damjana Panić, Damjan Miklavčič, Alenka Maček Lebar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 Magnetic Resonance Electrical Impedance Tomography Assessment of Electroporation in Different Complex Structures Marko Stručić, Jessica Genovese, Samo Mahnič-Kalamiza, Igor Serša, Vitalij Novickij, Damjan Miklavčič, Kranjc Matej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 Genska elektrotransfekcija na komercialno dostopnih poroznih insertih Tina Vindiš, Anja Blažič, Tjaša Potočnik, Shaurya Sachdev, Lea Rems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428 Pulzni oksimeter za uporabo pri laboratorijskih vajah Luka Škrlj, Tina Turk, Urša Primožič, Domen Ocepek, Peter Kramar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 Spremljanje sedimentacije eritrocitov v krvi med centrifugiranjem Samo Penič, Nejc Klanjšček. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 436 Sekc./Sect. DI Didaktika / Didactics 440 Developing the multiple intelligences and the reading culture at the School of economics and business University of Ljubljana Judita Peterlin, Daniela Garbin Praničević . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 xii Vsebinska aktualizacija učnega načrta tehnike in tehnologije Špela Sever, Janez Jamšek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 Učinkovitost obrnjenega učenja pri poučevanju tehnike in tehnologije Nika Rupel, Janez Jamšek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449 CPU simulator FlyHip Branko Šter, Paul Daubin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 Development of an interactive electronic textbook model for learning mathematics in preschool age Vanja Ivković, Dražen Drašković . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 Učne metode in orodja v procesu študija izbranih vsebin elektrotehnike na daljavo Urban Burnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sekc./Sect. ST Študentski članki / Student Competition IEEE Slovenia Izdelava signalnega generatorja na osnovi mikrokrmilnika STM32G061 Luka Kavčič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vpliv impedance omrežja na vodenje trifaznega aktivnega pretvornika v orientaciji omrežne napetosti Jaka Rober . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zasnova merilnega upora na tiskanem vezju Jaša Vid Meh Peer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Merilni sistem za določanje kvalitete LED svetlobnih virov za gospodinjstva Matic Markovič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modeliranje in simulacija aktivne CMOS sklopljene tuljave po principu kapacitivnega giratoja Nejc Klanjšček . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Intuitivno učenje kolaborativne robotske roke s pomočjo mešane resničnosti Maja Glušič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Classificaiton of Social Media Comments as Hate Speech – Comparative study Jer Pelhan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Primerjava simuliranja transformatorjev v PowerFactoryu in Simulinku ter uporaba nesimetričnega modela transformatorja Urh Kolarič . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Features and Models for Short-term Household Energy Consumption Forecast Martin Makovec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evaluation of inertial measurement units for determining knee joint angle during cycling Saša Obradović . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii 461 465 466 470 474 478 482 486 490 494 498 502 Vabljena predavanja Invited Lectures Battery Monitoring and Energy Management Devid Palčič Robotina, d.o.o., Slovenia Abstract. Covid-19 brought many changes to our lives and businesses. Data Center industry is booming as a result of dramatic increase in cloud computing bringing new challenges and opportunities. Data centers are huge energy consumes, but as in many other cases, importance of quality prevails on quantity. To achieve a high tier classification, Data centers need redundant power supply and reliable backup power source, usually a combination of UPS and a diesel generator. UPS use batteries and numbers are impressive: a data center my easily need well over 10.000 batteries. How to monitor, manage and maintain batteries? How can we predict failure and how can we increase battery life and reduce cost? Let’s explore this and let’s explore how monitoring systems are integrated with EMS (energy management systems) in Data centers and more. ERK'2022, Portorož, 2-2 2 Using the Red Pitaya STEMlab Board in Education: Practical Experience and Use-Cases Tamás Kovácsházy, PhD Department of Measurement and Information Systems Budapest University of Technology and Economics, Hungary E-mail: khazy@mit.bme.hu Abstract: Engineering education requires professional laboratory equipment, which is provided by Universities in their laboratories, typically in close cooperation with equipment manufacturers. Open laboratory hours are limited though, severely restricting the ability of students to get a deep practical understanding of the equipment and gain useful experience with them over the hours provided by the curriculum, and use this equipment in their projects. However, some new trends emerge in Electrical and Computer Engineering (EE & CE) education, which may change the typical use cases of laboratory equipment in such educational environments substantially. The following driving forces are behind these trends: (1) the eagerness of students to do projects in non-typical hours, especially in the relaxed environment of the home or dormitory, (2) the ubiquitous availability of the Internet and the applicability of the Internet of Things (IoT) and Cyber-Physical System (CPS) paradigm to such projects, (3) the everincreasing complexity of projects students are involved in, (4) the emergence of automated test and measurement principle even on the level of education and educational projects, and (5) the availability of low-cost professional new equipment with Internet and programming capabilities (down to the hardware using FPGAs). These new trends are the following: (1) Universities must prepare themselves to lend basic but functional measurement equipment to students for their projects to do measurements in their residence safely and soundly, (2) measurement equipment is a component today, from which students must be able to build automated distributed, measurement systems for their projects, which can do long-term and remote measurements, and (3) measurement equipment should be considered as an extendible, programmable device, which can be fine-tuned for the purpose. All of these trends were present and identified before the COVID pandemic, however, they were magnified by the lockdowns as the students lost access to the laboratory facilities of universities, unfortunately. In our presentation, we are going to show how Red Pitaya STEMlabs board can be used in education to support and embrace the previously listed trends, and we will showcase practical use cases with examples from our practice ERK'2022, Portorož, 3-3 3 Elektronika Electronics Sistem za brezžični prenos energije z dvojnim DD navitjem Nataša Prosen1 , Rok Friš1 , Jure Domajnko1 , Mitja Truntič1 1 UM FERI E-pošta: natasa.prosen@um.si Wireless power transfer using a double DD coil structure This paper presents wireless power transfer using a novel double transmitter and receiver coil structure. The proposed coil structure uses two transmitter and receiver double D (DD) coils. The coils are stacked together to form the double DD coil structure. The transmitting side of the wireless power transfer can be used to transfer power through both of the DD coils independently. The magnetic field, generated by the first transmitter coil does not interfere with the magnetic field generated by the second transmitter coil. Because both the transmitter and the receiver coil occupy the same space, the power density of the wireless power transfer system can be increased. 1 Uvod Število raziskav na področju brezžičnega prenosa energije se je povečalo z naraščanjem razvoja električnih vozil in baterijsko napajanih prenosnih naprav. Brezžični prenos energije se lahko uporablja za polnjenje naprav širokega spektra moči, od nekaj mW do desetine kW. Tako lahko brezžični prenos uporabljamo za brezžično polnjenje medicinskih vsadkov [1], mobilnih telefonov in prenosnih računalnikov [2] ter električnih vozil [3, 4]. Pri brezžičnem prenosu se energija prenaša preko elektromagnetnega polja. Poznamo več različnih tipov brezžičnega prenosa, glede na to, preko katere komponente elektromagnetnega polja se energija prenaša. Prva razdelitev prenosa je na prenose preko bližnjega in preko daljnega polja, glede na valovno dolžino (λ) polja v primerjavi z velikostjo oddajne antene. Zračna reža med oddajno in sprejemno stranjo je lahko med nekaj milimetri in nekaj metri [5]. V milimetrskem področju se največkrat uporabljata kapacitivni prenos energije (CPT) in induktivni prenos energije (IPT). V področju nekaj decimetrov se največkrat uporablja induktivni brezžični prenos. Na razdalje nekaj metrov se energija največkrat prenaša preko mikrovalov ali laserske svetlobe. Za avtomobilske aplikacije se največkrat uporablja induktivni brezžični prenos. Energija se prenaša preko magnetnega polja s pomočjo oddajnega in sprejemnega navitja. Izmenično magnetno polje, ki ga generira oddajno navitje v sprejemnem navitju inducira izmenično napetost. Koliko magnetnega polja oddajnega navitja se za- ERK'2022, Portorož, 5-10 5 ključi skozi sprejemno navitje povzamemo s koeficientom sklopljenosti. Koeficient sklopljenosti med oddajnim in sprejemnim navitjem močno vpliva na izkoristek sistema za brezžični prenos energije. Ker je koeficient sklopljenosti zaradi zračne reže slab, se energijo prenaša pri višjih frekvencah. Pri električnih vozilih je ta frekvenca navadno 85 kHz [6]. Koeficient sklopljenosti med oddajnim in sprejemnim navitjem je odvisen od geometrijskih lastnosti navitij, razdalje med navitji in poravnanosti oziroma neporavnanosti navitij. Razdalja med navitji je v tipičnih aplikacijah konstantna. Zaradi tega na koeficient sklopljenosti bolj vpliva neporavnanost. Toleranca navitij na neporavnanost je odvisna od tipa in velikosti navitij. Klasično ploščato spiralno navitje z neusmerjenim magnetnim poljem, ki se ga najbolj pogosto uporablja, ima slabo toleranco na neporavnanost. Kot alternativo klasičnim navitjem, so avtorji v [7] predlagali uporabo navitij z usmerjenim magnetnim poljem in boljšo toleranco na neporavnanost. Predlagano navitje je bilo poimenovano dvojno D oziroma DD navitje. V tem članku je predstavljena nadgradnja DD navitja za potrebe povečanja gostote energije, ki jo z navitjem lahko prenesemo. Nova struktura je sestavljena iz dveh DD navitij, ki lahko ločeno drugo od drugega prenašata energijo ter s tem povečata gostoto energije. Novo navitje je bilo poimenovano dvojno DD navitje. Članek ima sledečo strukturo. Za uvodom je teoretični opis novega dvojnega DD navitja. Tretjo poglavje opisuje strukturo sistema z dvojnim DD navitjem. Izdelan sistem manjše moči je predstavljen v četrtem poglavju. V petem poglavju so predstavljeni rezultati meritev na sistemu manjše moči. V šestem poglavju so opisane možnosti za nadaljnje delo in sedmo poglavje zajema zaključek članka. 2 Novo dvojno DD navitje Osnovo za dvojno DD navitje predstavlja DD navitje, ki je bilo prvič predstavljeno v [7] leta 2013. Ime DD navitja izvira iz tega, da je sestavljeno iz dveh ploščatih spiralnih D navitij, ki sta vezani zaporedno. Tako posamezni D navitji tvorita eno, DD navitje. DD navitje generira usmerjeno magnetno polje. Zaradi tega ga lahko uvrstimo med polarna navitja, ki ustvarja magnetni pretok, ki je podoben pretoku, ki ga ustvarja (a) (b) Slika 2: Navitji z DD in dvojno DD strukturo: (a) DD struktura, (b) Dvojna DD struktura. (a) (b) Slika 1: DD in dvojna DD struktura navitij: (a) Sestavni deli DD strukture, (b) Sestavni deli dvojne DD strukture. tako imenovana flux-pipe oblika navitja [8]. Za razliko pa je DD navitje ploščato, kar pomeni, da zajame manj prostora za namestitev in implementacijo. Tako lahko DD navitje zamenja klasično nepolarno spiralno ploščato navitje. Glavna prednost DD navitij pred ostalimi navitji je v tem, da ima boljšo toleranco na neporavnanost v eni izmed osi. Os, v smeri katere je DD navitje bolj tolerantno na neporavnanost je tista os, ki je pravokotna na smer glavnega dela magnetnega pretoka. DD navitje ima slabšo toleranco na neporavnanost v osi, ki poteka v smer magnetnega pretoka. Zaradi tega je DD navitje nesimetrično tolerantno na neporavnanost. Ena izmed možnosti povečanja tolerance v manj tolerantni smeri je, da se DD navitje na sprejemni strani zamenja z DDq navitjem, kar je bilo opisano v [7]. DDq navitje je večplastno navitje, ki je sestavljeno iz DD navitja in spiralnega ploščatega q navitja. Pri tem velja, da DD in q navitji nista magnetno sklopljeni. Namesto dodatnega q navitja se lahko na DD navitje namesti dodatno DD navitje. Če je med spodnjim DD navitjem in dodatnim zgornjim DD navitjem kot 90◦ , med navitji ni sklopljenosti. Tako je magnetno polje, ki ga generira spodnje DD navitje pravokotno na magnetno poljem ki ga generira zgornjo navitje. Podoben pojav lahko opazimo v [9]. Prvo, spodnje, navitje lahko za lažjo predstavo imenujemo DD1 navitje, drugo navitje pa DD2 navitje. Celo- 6 tno strukturo lahko imenujemo dvojno DD navitje. DD1 navitje na oddajni strani ne inducira napetosti v DD2 navitju na oddajni strani strani. Če oddajno dvojno DD navitje ni rotirano na sprejemno dvojno DD navitje, DD1 oddajno navitje prenaša energijo le na DD1 sprejemno navitje in DD2 navitje prenaša energijo le na DD2 sprejemno navitje. Razčlenjeno DD in dvojno DD navitje je predstavljeno na sliki 1. Slika 1a prikazuje strukturo DD navitja, ki je sestavljeno iz enega DD navitja in feritne plošče. Feritna plošča vodi in usmerja magnetni pretok ter ščiti okolico pred magnetnim poljem. Razčlenjena struktura dvojnega DD navitja je prikazana na sliki 1b. Navitje je sestavljeno iz feritne plošče, spodnjega DD1 navitja in zgornjega DD2 navitja. Kot je bilo prej opisano, sta DD1 in DD2 navitji pravokotni druga na drugo. 2.1 Implementacija dvojnega DD navitja Da bi preverili teorijo za dvojno DD strukturo navitij smo navili DD in dvojno DD navitje manjše dimenzije. DD navitje smo navili za primerjavo. Izdelani strukturi navitij sta prikazani na sliki 2. Slika 2a prikazuje izdelano DD strukturo in slika 2b prikazuje izdelano dvojno DD strukturo. Obe strukturi navitij vsebujeta DD navitje z enakimi parametri in dimenzijami, ki so zapisane v tabeli 1. Velikost oddajnega in sprejemnega navitja je bila določena z velikostjo komercialno dostopne feritne plošče. Za navitje smo uporabili 50 žično litz žico proizvajalca ELECTROSOLA. Premer posamezne žičke znotraj snopa je bil 0,071 mm. Tabela 1: Parametri dvojnega DD navitja. Parameter Dimenzije feritne plošče DD1 število ovojev DD2 število ovojev DD1 induktivnost (µH) DD2 induktivnost (µH) DD1 upornost (mΩ) DD2 upornost (mΩ) Vrednost 100 mm × 100 mm 18 (9 na D del navitja) 18 (9 na D del navitja) 45 42 400 400 CT 1 CR1 S5 D5 S7 D7 M1 IDC LT 1 S1 UDC D1 S3 Cout1 LR1 S6 D3 D6 S8 D8 VA CDC + − RL VB S2 D2 S4 D4 CT 2 CR2 S9 D9 S11 D11 M2 LT 2 Cout2 LR2 S10 D10S12 D12 Slika 3: Sistem za brezžični prenos z dvojno DD strukturo navitij. 3 Struktura sistema za brezžični prenos energije Oddajno navitje z dvojno DD strukturo lahko obravnavamo kakor sistem z več navitji. Vsako izmed navitij lahko vzbujamo s popolnoma ločenim tokom. Struktura sistema, ki ga lahko uporabimo za prenašanje energije s pomočjo navitij z dvojno DD strukturo je prikazana na sliki 3. Sistem je sestavljen iz enofaznega razsmernika, dvojnega DD oddajnega in sprejemnega navitja s kompenzacijskimi kondenzatorji in na koncu dveh sinhronih tranzistorskih usmernikov, povezanih na ohmsko breme. Oddajni DD navitji lahko vzbujamo z enofaznim visokofrekvenčnim razsmernikom. Vsaka izmed tranzistorskih vej se lahko uporablja kakor izhod, na katerega lahko priključimo posamezno DD navitje. Da bi povečali izhodno moč in izkoristek sistema, uporabimo zaporedno kompenzacijo [10]. Resonančna frekvenca vezja je tako določena z lastno induktivnostjo oddajnih in sprejemnih navitij in kapacitivnost posameznega kompenzacijskega kondenzatorja. V primeru DD1 navitij je resonančna frekvenca določena z enačbo (1) in v primeru DD2 navitij z enačbo (2). f01 = 1 1 √ = 2π LT 1 CT 1 2π LR1 CR1 √ (1) 1 1 √ √ = (2) 2π LT 2 CT 2 2π LR2 CR2 pri čemer sta f01 in f02 resonančni frekvenci DD1 in DD2 dela, LT 1 in LT 2 sta lastni induktivnosti DD navitij v oddajnem dvojnem DD navitju, CT 1 in CT 2 sta kapacitivnosti kompenzacijskih kondenzatorjev na oddajni strani. Na sprejemni strani predstavljata LR1 in LR2 lastni induktivnosti sprejemnih DD navitij znotraj sprejemnega dvojnega DD navitja, CR1 in CR2 pa sta kapacitivnosti kompenzacijskih kondenzatorjev na sprejemni strani. Ker sta frekvenci f01 in f02 enaki, jih lahko označimo s skupno resonančno frekvenco f0 . Sprejemna stran sistema je sestavljena iz dveh sinhronih usmernikov, ki lahko napajata dve ločeni bremeni, ali pa samo eno breme. Pri konfiguraciji sistema na sliki 3, se energija prenaša na eno samo breme. Na izhodu je zaradi tega višja napetost. 4 Sistem za brezžični prenos manjše moči Za potrditev teoretičnih lastnosti izdelanega DD navitja, smo izdelali sistem manjše moči, ki bi lahko to strukturo tudi uporabljal. Struktura sistema je prikazana na sliki 4. Označeni elementi predstavljajo glavne dele sistema za brezžični prenos energije. Glavni deli so tako visokofrekvenčni razsmernik, oddajno in sprejemno dvojno DD navitje s kompenzacijskimi vezji in sinhrona usmernika. Oddajno in sprejemno navitje sta bila nameščeni na računalniško krmiljen mehanizem za pozicioniranje v prostoru. Mehanizem omogoča bolj natančno postavitev oddajnega in sprejemnega navitja med izvajanjem eksperimenta. Parametri sistema za brezžični prenos manjše moči so zapisani v tabeli 2. Resonančna frekvenca DD1 dela je enaka resonančni frekvenci DD2 dela, in sicer 85 kHz. Tabela 2: Parametri sistema za brezžični prenos energije manjše moči. f02 = 7 Parameter Vhodna napetost (max) UDC (V) Vhodni tok (max) IDC (A) Breme RL (Ω) TX kompenzacija CT 1 (nF) TX kompenzacija CT 2 (nF) RX kompenzacija CR1 (nF) RX kompenzacija CR2 (nF) Resonančna frekvenca f0 (kHz) Vrednost 25 2 20 75,8 85,9 76,9 85,6 85 (a) Slika 4: Sistem za brezžični prenos energije manjše moči. Ker je lastna induktivnost DD2 navitij nekoliko manjša od lastne induktivnosti DD1 navitij, se vrednosti kompenzacijskih kondenzatorjev razlikujejo. 5 Eksperimentalni rezultati Eksperimentalni rezultati so bili razdeljeni na dva dela. V prvem delu je bila opravljena meritev koeficienta sklopljenosti DD in dvojnih DD navitij. V drugem delu je bila opravljena meritev izhodne moči in izkoristka sistema z DD in dvojnim DD navitjem. Pri meritvi sistema, je bil izmerjen tudi vpliv neporavnanosti v x-y ravnini na izkoristek. Tako se lahko potrdi vpliv koeficienta sklopljenosti navitij na delovanje sistema. 5.1 Meritve koeficienta sklopljenosti navitij Izkoristek sistema za brezžični prenos energije je odvisna od koeficienta sklopljenosti med oddajnim in sprejemnim navitjem. DD navitja so bolj tolerantna na horizontalno neporavnanost v eni izmed osi. Os tolerance je pravokotna glede na smer glavnega dela magnetnega pretoka, ki ga generira DD navitje. Zaradi tega je upad koeficienta koeficienta sklopljenosti v eni izmed osi manjši. Da bi preverili toleranco na neporavnanost, smo opravili meritev koeficienta sklopljenosti v x-y ravnini. Rezultati meritev so prikazani na sliki 5. DD navitji in dvojni DD navitji sta bili neporavnani za ±25 mm v smeri x in y osi, pri fiksni razdalji z med navitji. Slika 5a prikazuje meritev koeficienta sklopljenosti DD navitij v x-y ravnini. Na podlagi rezultatov lahko sklepamo, da sta DD navitji tolerantni na neporavnanost v x smeri. Slika 5b prikazuje meritev koeficienta sklopljenosti dvojnih DD navitij. Ker sta dvojni DD navitji sestavljeni iz dveh navitij, imenovanih DD1 in DD2 slika prikazuje dva koeficienta sklopljenosti. Koeficient sklopljenosti med dvema DD1 navitjema je označen z modro barvo in koeficient sklopljenosti med dvema DD2 navitjema je označen z oranžno barvo. DD1 navitji izkazujeta boljšo toleranco na neporavnanost v x osi in DD2 navitji izkazujeta boljšo toleranco na neporavnanost v y osi. Vpliv razdalje z med navitji na koeficient sklopljenosti, pri popolni poravnanosti navitij je prikazan na sliki 6. Razdalja z se je spreminjala med 15 mm in 95 mm. Koeficient sklopljenosti k1 med DD1 navitji je označen z modro črto in koefici- 8 (b) Slika 5: Meritev koeficienta sklopjenosti v x-y ravnini pri razdalji z = 15 mm: (a) DD navitji, (b) dvojni DD navitji. ent sklopljenosti k2 , med DD2 navitji je označen z rdečo črto. Ker sta DD2 navitji postavljeni na DD1 navitji, je razdalja med DD2 navitji krajša. Zaradi tega je koeficient sklopljenosti k2 nekoliko večji, kakor koeficient sklopljenosti k1 . Razlika med koeficientoma ni velika, še posebej pri daljših razdaljah. V obeh primerih, je bil koeficient sklopljenosti pri razdalji z = 15 mm manjši od 0,5. Z naraščanjem razdalje sta koeficienta eksponentno upadala. Koeficient sklopljenosti med dvema DD navitjema je enak kakor koeficient sklopljenosti med DD1 navitji dvojne DD strukture. Slika 6: Meritev koeficienta sklopljenosti med dvojnimi DD navitji v z osi. (a) (a) (b) (b) Slika 7: Meritve na sistemih za brezžični prenos energije: (a) meritev izkoristka, (b) meritev izhodne moči. Slika 8: Primerjava vpliva neporavnanosti na izkoristek sistema z DD in dvojnimi DD navitji: (a) v x smeri, (b) v y smeri. 5.2 Meritve na sistemu za brezžični prenos moči Da bi preverili delovanje dvojne DD strukture navitij, smo sistem z DD navitji primerjali s sistemom z dvojno DD strukturo navitij. V obeh primerih smo visokofrekvenčni razsmernik napajali z enako enosmerno napetostjo napetostjo, ne glede na vhodni tok. Primerjava med sistemom z DD navitji in sistemom z dvojnimi DD navitji je prikazana na sliki 7. Slika 7a prikazuje vpliv koeficienta sklopljenosti na izkoristek sistema. Izkoristek sistema z DD navitji je označen z modro barvo in izkoristek sistema z dvojnimi DD navitji je označen z rdečo barvi. Izkoristek sistema z DD navitji je enak izkoristku sistema z dvojnimi DD navitji. Iz tega lahko sklepamo, da je dvojna DD struktura navitij ne vpliva na izkoristek prenosa energije. Slika 7b prikazuje vpliv koeficienta sklopljenosti na izhodno moč sistema. Izhodna moč sistema z DD navitji je označena z modro barvo in izhodna moč sistema z dvojnimi DD navitji je označena z rdečo barvo. Sistem z dvojnimi DD navitji omogoča 100% povečanje izhodne moči v primerjavi s sistemom, ki uporablja DD navitji. Slika 8 prikazuje vpliv neporavnanosti na izkoristek sistema. Slika 8a prikazuje meritev izkoristka v primeru neporavnanosti v x osi in slika 8b prikazuje meritev izkoristka v primeru neporavnanosti v y osi. Meritve so 9 opravljene pri treh različnih razdaljah z med navitji. Rezultati meritev na DD navitjih so označeni z črtkano črto in rezultati meritev na dvojnih DD navitjih so označeni s polno črto. V primeru neporavnanosti v x osi, na sliki 8a, ima sistem, ki uporablja DD navitji boljši izkoristek od sistema, ki uporablja dvojni DD navitji. DD navitji sta namreč tolerantni na neporavnanost v x osi. Enako velja za DD1 navitji pri dvojnih DD navitjih. DD2 navitji pri dvojnih DD navitjih sta netolerantni na neporavnanost v x osi. Zaradi tega je izkoristek dvojnih DD navitjih manjši. V primeru neporavnanosti v y osi, na sliki 8b, ima sistem, ki uporablja dvojni DD navitji boljši izkoristek od sistema, ki uporablja DD navitji. DD navitji sta namreč netolerantni na neporavnanost v y smeri. Pri dvojnih DD navitjih sta DD1 navitji netolerantni na neporavnanost v y smeri, DD2 navitji pa sta na neporavnanost tolerantni. Zaradi tega je izkoristek sistema z dvojnimi DD navitji večji. Sistem z dvojnim DD navitem je med drugim tudi simetrično toleranten na neporavnanost v x-y ravnini, v primerjavi s sistemom z DD navitjem, ki izkazuje nesimetrično toleranco na neporavnanost. 6 Možnosti za nadaljnje delo Nova dvojna DD oblika oddajnega in sprejemnega navitja odpira možnosti za nadaljnji razvoj. Ena izmed možnosti je razvoj novih algoritmov za detekcijo tujkov v magnetnem polju med oddajnim in sprejemnim navitjem. Pri tem se bi lahko uporabila sama struktura dvojnega DD navitja, brez potrebe po dodatnih merilnih tuljavicah. Dvojno DD navitje bi lahko tudi uporabili za prenos na klasično DD navitje, ki bi bilo lahko tako neodvisno od rotacije. V nadaljevanju se na sistemu z dvojnim DD navitjem lahko tudi implementira napetostno in tokovno regulacijo za potrebe polnjenja baterij. 7 Zaključek V tem članku je predstavljen razvoj nove strukturo večplastnih navitij, ki je poimenovana dvojno DD navitje. Struktura omogoča prenos večje gostote energije v primerjavi s klasičnim DD navitjem. Dvojno DD navitje je sestavljeno iz dveh DD navitij, označenih z DD1 in DD2, ki sta med seboj rotirani za 90◦ . Med navitjema DD1 in DD2 ni koeficienta sklopljenosti. Vsako izmed navitij lahko tako ločeno prenaša energijo na sprejemno stran. Rezultat tega je povečana gostota energije, ki jo sistem lahko prenese. Ker navitji DD1 in DD2 nista sklopljeni, se izkoristek sistema ne zmanjša. Dodatna lastnost dvojnega DD navitja je tudi simetrična toleranca na poravnanost v x in y smeri. Literatura [1] Khan, Sadeque R., Sumanth K. Pavuluri, Gerard Cummins, and Marc P.Y. Desmulliez. 2020. ”Wireless Power Transfer Techniques for Implantable Medical Devices: A ReviewŠensors 20, no. 12: 3487. https://doi.org/10.3390/s20123487. [2] Yungtaek Jang and M. M. Jovanovic, ”A contactless electrical energy transmission system for portable-telephone battery chargers,”in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 50, no. 3, pp. 520-527, June 2003, doi: 10.1109/TIE.2003.812472. [3] Triviño, Alicia, José M. González-González, and José A. Aguado. 2021. ”Wireless Power Transfer Technologies Applied to Electric Vehicles: A Review”Energies 14, no. 6: 1547. https://doi.org/10.3390/en14061547 [4] G. Buja, M. Bertoluzzo and K. N. Mude, ”Design and Experimentation of WPT Charger for Electric City Car,”in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 12, pp. 7436-7447, Dec. 2015, doi: 10.1109/TIE.2015.2455524. [5] J. Dai and D. C. Ludois, ”A Survey of Wireless Power Transfer and a Critical Comparison of Inductive and Capacitive Coupling for Small Gap Applications,”in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, no. 11, pp. 6017-6029, Nov. 2015, doi: 10.1109/TPEL.2015.2415253. [6] SAE International J2954 Taskforce about Wireless Power Transfer for Light-Duty Plug-in/Electric Vehicles and Alignment Methodology. Available online: https://www.sae. org/standards/content/j2954 202010/ (accessed on 22 February 2022) 10 [7] M. Budhia, J. T. Boys, G. A. Covic and C. Huang, ”Development of a Single-Sided Flux Magnetic Coupler for Electric Vehicle IPT Charging Systems,”in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 1, pp. 318-328, Jan. 2013, doi: 10.1109/TIE.2011.2179274. [8] M. Budhia, G. Covic and J. Boys, ”A new IPT magnetic coupler for electric vehicle charging systems,”IECON 2010 - 36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, 2010, pp. 2487-2492, doi: 10.1109/IECON.2010.5675350. [9] C. Cheng, W. Li, Z. Zhou, Z. Deng and C. Mi, ”A LoadIndependent Wireless Power Transfer System With Multiple Constant Voltage Outputs,”in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 35, no. 4, pp. 3328-3331, April 2020, doi: 10.1109/TPEL.2019.2940091. [10] W. Zhang and C. C. Mi, Čompensation Topologies of High-Power Wireless Power Transfer Systems,”in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 65, no. 6, pp. 4768-4778, June 2016, doi: 10.1109/TVT.2015.2454292. Komunikacijski sklad in nadzorna aplikacija za mikrokrmilnike Mitja Nemec Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Tržaška 25, 1000 Ljubljana, Slovenija E-pošta: mitja.nemec@fe.uni-lj.si Communication stack and control application for microcontrollers Abstract. The article presents how an application for communication and control of an application running on microcontroller was developed. The main task of application running on micocontroller is control of power converter. This results in some specific requirements, the main ones being low software complexity and modularity which should enable reuse. Besides main application architecture, the article focuses on the description of communication stack. 1 Uvod Na Fakulteti za elektrotehniko v Laboratoriju za regulacijsko tehniko in močnostno elektroniko (LRTME) se primarno ukvarjamo z razvojem močnostne elektronike. Z napredkom na področju polprevodnikov, pa v vedno večji meri analogne in namenske (ASIC) rešitve, za krmiljenje in regulacijo močnostne elektronike, zamenjujejo digitalni pristopi [1]. Zaradi kadrovskih omejitev smo se med različnimi možnimi pristopi digitalizacije omejili na uporabo namenskih (power conversion) mikrokrmilnikov [2]. V primerjavi s programirljivimi logičnimi vezji (FPGA) so mikrokrmilniki v praksi bolj razširjeni in s stališča razvoja tudi lažje obvladljivi. Pri razvoju močnostne elektronike, ki temeljil na mikrokrmilniku smo na začetku regulacijo nadzorovali s stikali in/ali potenciometri, interne veličine (e.g. veličine transformirane v dq prostor, …) pa smo opazovali preko DA pretvornika. S pojavom mikrokrmilnikov, ki so omogočili opazovanje in spreminjanje spremenljivk v realnem času brez zaustavitve mikrokrmilnika lahko opazovanje in nadzor izvajamo znotraj razvojnega okolja [3], [4]. Vendar pa je ta rešitev uporabna samo v fazi razvoja in ni primerna za uporabo v končnem izdelku. Tako se je vedno bolj izkazovala potreba po izdelavi aplikacije s katero bi preko osebnega računalnika upravljali mikrokrmilnik, ki izvaja regulacijo v močnostni elektroniki. 2 Opis tipičnega sistema Tipična aplikacija s katero se srečujemo v LRTME obsega močnostni pretvornik s katerim reguliramo tok in preko njega posredno druge veličine (e.g. navor, hitrost, napetost, moč …). Pretvornik je lahko samo eden, lahko pa jih je več vezanih bodisi serijsko ali paralelno. ERK'2022, Portorož, 11-14 11 Slika 1: Tipičen močnostni pretvornik Razvoj programske opreme za tak pretvornik tipično poteka v fazah. S prvimi verzijami programske opreme se preizkusi vse osnovne funkcionalnosti strojne opreme (e.g. ali zajem merjenih veličin dela, ali proženje močnostnih stikal dela, …). Nato se doda potrebne transformacije merjenih veličin (3-2, αβ-dq, …), čemur sledi implementacija notranje regulacijske zanke. Tipično je to regulacija toka. V tej fazi želimo nastavljati obliko želene vrednosti (pulz, sinus, …) in njene parametre (amplituda, frekvenca, …). Na podlagi opazovanja odziva v časovnem prostoru pa nastavimo parametre regulatorja. Nato tipično dodamo možnost normalnega vklopa in izklopa močnostne stopnje kot tudi možnost izrednega izklopa ob zaznanem napačnem delovanju. Sledi dodajanje morebitnih nadrejenih regulacijskih zank (regulacija napetosti, hitrosti, položaja, …). Pri razvoju programske opreme v vsakem od teh korakov zelo prav pride možnost nastavljanja in spremljanja veličin znotraj mikrokrmilnika kar preko osebnega računalnika. Slika 2: Predlagana izvedba rešitve V preteklosti smo podobne aplikacije že razvijali na osnovi programskega okolja LabView, vendar pa se je pri delu z njim izkazalo nekaj pomanjkljivosti. Labview je okolje, kjer se program piše v grafični obliki. Tako zahteva risanje kode precej discipline, da je koda razumljiva in primerna za vzdrževanje. Ker pa imamo v LRTME veliko fluktuacijo kadra (študenti, raziskovalci) se je vzdrževanje discipline izkazalo za nemogoče. Prav tako je vnašanje popravkov v več aplikacij, ki temeljijo na isti osnovi, v grafičnem načinu duhomorno. Predvsem pa je bilo problematično nenehno nadgrajevanje razvojnega okolja in vzdrževanje različnih verzij za potrebe razvoja posameznih aplikacij, ki so temeljile na različnih verzijah. Na osnovi vseh teh izkušenj, smo se odločili za izdelavo nove aplikacije, ki bi izpolnjevala večino naših potreb. 2.1 Zahteve Na osnove preteklih izkušenj smo postavili nekaj osnovnih zahtev: - aplikacija naj temelji na enem izmed splošno razširjenih programskih jezikov (C#, C++, java, python …) - zaželeno je, da se uporabniški vmesnik načrtuje v grafičnem okolju - arhitektura aplikacije mora omogočati enostavno prilagajanje specifičnim projektom in tako služi kot skupna osnova za posamezne aplikacije - arhitektura aplikacije mora biti modularna, tako da se popravki v enem modulu, ki je skupen vsem aplikacijam za specifične projekte brez težav vstavijo/prenesejo v vse aplikacije - uporabljene rešitve naj bodo čim bolj enostavne saj v LRTME nimamo dovolj virov za razvoj in vzdrževanje kompleksne programske opreme. Na podlagi naštetih omejitev je bila sprejeta odločitev, da za razvoj aplikacije uporabim programski jezik Python. Pri izbiri programskega jezika smo upoštevali tudi dejstvo, da Python uporabljamo tudi pri reševanju občasnih numeričnih problemov oz. analizi podatkov. Za razvoj uporabniškega vmesnika smo uporabili knjižnico PyQt, ki omogoča grafično načrtovanje uporabniških vmesnikov (slika 3). Ker UART protokol določa samo del povezovalne plasti po ISO/OSI referenčnem modelu [6], smo morali celoten protokol definirati. Načeloma bi se lahko pri dokončni definicij protokola naslonili na že razvite in poznane protokole (MODBUS, PPP) vendar smo zaradi nekaterih specifičnih zahtev razvili lasten protokol. Prava od specifičnih zahtev je bila želja, da protokol podpira prenos podatkov, ki so daljši kot 255 bajtov, pri čemer je bila pričakovana najdaljša dolžina okvirno nekaj tisoč bajtov. Načeloma bi lahko pošiljanje daljših podatkov rešili na transportni plasti, vendar pa bi to dodatno zakompliciralo tako definicijo samega protokola kot tudi programske kode, ki bi ga implementirala. Druga zahteva pa je bila čimvišja hitrost prenosa podatkov. Delno se ta zahteva lahko rešuje s čimvišjo bitno hitrostjo, vendar na to velik vpliv tudi način pošiljanja podatkov. Tako smo se odločili, da se podatki prenašajo v binarni obliki, saj je gostota tako prenesenih podatkov bistveno višja kot če bi podatke pošiljali v ASCII obliki. Tako definiranemu protokolu smo za zagotavljanje pravilnosti prejetih podatkov dodali še 16 bitno CRC kodo. Končen podatkovni okvir je prikazan na sliki 4. Okvir temelji na 16 bitnih besedah. V prvi besedi je shranjen identifikator paketa, s čimer prejemniku sporočim katera informacija se nahaja v paketu. Nato sledijo podatki (do 65532 16 bitnih besed), na koncu pa je priključena še 16 bitna CRC koda. Slika 4: Predlagan podatkovni okvir Slika 3: QtDesigner - orodje za načrtovanje grafičnega vmesnika Po kratkotrajnem testiranju knjižnic za izris grafov smo namesto knjižnice sicer nekoliko bolj razširjene knjižnice Mathplotlib raje izbrali PyQtgraph, saj je slednja bistveno hitrejša, kar pri naših aplikacijah, ko želimo graf osvežiti večkrat na sekundo igra pomembno vlogo. Razlika v hitrosti je bila očitna že pri preprostih aplikacijah. 2.2 Komunikacija Velik del aplikacije predstavlja komunikacijski sklad, tako na strani osebnega računalnika, kot tudi na strani mikrokrmilnika. Na podlagi osnovni zahtev, da naj bodo uporabljene čimbolj preproste rešitve, smo pri implementaciji komunikacije izločili vse kompleksne komunikacijske protokole, kot so na primer USB, LAN …). Tako komunikacija temelji na dobro poznanem UART protokolu [5]. Dodaten razlog za to izbiro je tudi bistveno manjša poraba spomina in računske moči na strani mikrokrmilnika. 12 Pri binarnem kodiranju se pojavi problem razmejitve podatkovnih okvirjev, ki smo ga pri predlaganem protokolu rešili tako da se podatki pred samim pošiljanjem kodirajo po COBS principu [7]. Le ta zagotavlja, da se v poslanih podatkih nikoli ne pojavi bajt z vsebino »0x00«. Tako smo lahko bajt z vsebino »0x00« uporabili za označevanje konca poslanega podatkovnega okvirja in s tem zagotovili uspešno sinhronizacijo podatkovnih poslanih in prejetih okvirjev. 3 Razvoj aplikacije Razvoj aplikacije je potekal v fazah. Velik del njih je bil načrtovan že od začetka, nekatere pa so so dodale kasneje, ko se je tekom uporabe izkazala potreba. V grobem se je najprej na strani osebnega računalnika implementiral osnovni okvir grafičnega vmesnika, nato pa se je pričel razvoj komunikacijskega vmesnika. Ko je razvoj le-tega bil zaključen pa so se postopoma dodajali gradniki končnega grafičnega vmesnika s pripadajočo kodo tako v programu, ki teče na osebnem računalniku, kot tudi v programu, ki teče na mikrokrmilniku 3.1 Razvoj in testiranje komunikacijskega sklada Razvoj komunikacijskega sklada je v okviru razvoja celotne aplikacije zahteval veliko časa in je potekal postopno. V prvi fazi smo pripravili načrt okvirne arhitekture pri katerem smo predvideli tri med seboj bolj ali manj ločene sloje. Najnižjo sloj protokola upravlja z UART/SCI periferno napravo ter skrbi za pošiljanje in prejemanje paketov. Za sestavljanje oz. tolmačenje paketov skrbi vmesni sloj, najvišji sloj pa nudi smiseln programski vmesnik (API) za končno aplikacijo (slika 5). omogoča naslavljanje najmanj 16 bitnih podatkov, izračun CRC-ja, COBS kodiranje in dekodiranje ter pošiljanje po UART protokolu pa temeljijo na 8 bitnih podatkih. Tako smo pri implementaciji bili primorani uporabiti s strani prevajalnika podprte posebne ukaze (compiler intrinsics) [8]. Slika 5: Arhitektura komunikacijskega sklada Glavni namen predstavljene arhitekture je v modularnosti, saj je zamišljeno, da se bo za posamezen projekt spremenilo oz. prilagodilo samo zgornji sloj spodnji sloji pa bodo ostali nespremenjeni. Ko je bila arhitektura zasnovana, smo se najprej lotili implementacije in testiranja najnižjega nivoja protokola. Nato smo implementirali in preizkusili delovanje srednji nivo. Na koncu pa je sledil še razvoj same aplikacije 3.1.1 Komunikacijski sklad na strani mikrokrmilnika Slika 6: Detajlna arhitektura komunikacijskega sklada na strani mikrokrmilnika 3.1.2 Nekoliko bolj detajlna slika arhitekture komunikacijskega sklada na strani mikrokrmilnika je prikazana na sliki 6. Vsa koda, ki s strani aplikacije skrbi za pošiljanje in prejemanje podatkov je zbrana v modulu APP_drv. Pošiljanje podatkov je relativno enostavno. Ko je klicana ustrezna funkcija, le ta pripravi podatek za pošiljanje in ga posreduje nižjemu sloju, ki se nahaja v modulu LRTME_drv. Le-ta podatkom doda CRC in zakodira podatke po COBS principu. Tako zakodirane podatke pa posreduje gonilniku za serijsko komunikacijo, ki po komunikacijskem vodilu pošilja posamezne bajte. Gonilnik podatke spravi v vrsto SCI_tx_buffer, ki primarno služi za ločitev med izvajanjem kode v glavni programski zanki in prekinitvijo, ki je prožena, ko je SCI enota pripravljena na pošiljanje novih bajtov. Prejeti bajti se prav tako shranijo v vrsto SCI_rx_buffer, ki prav tako ločuje prekinitev od glavne programske zanke. V kolikor je prejeti bajt enak 0x00 to označuje konec prejetega paketa. V glavni programski zanki je periodično klicana funkcija LRTME_receive, ki preveri ali je kak paket na voljo, in če je, ga prevzame iz vrste SCI_rx_buffer, odkodira po COBS postopku, in v kolikor so podatki pravilni pokliče ustrezno funkcijo ter ji posreduje podatke. Katero funkcijo pa naj pokliče pa se nastavi inicializaciji kjer shranijo naslove funkcij, ki naj bodo klicani, ob sprejemu specifičnih podatkov. Na koncu velja še omeniti nekaj tehničnih detajlov. Koda je bila razvita za mikrokrmilnike družine C2000 proizvajalca Texas Instruments. Omenjena družina 13 Komunikacijski sklad na strani osebnega računalnika Arhitektura komunikacijskega sklada na strani osebnega računalnika (slika 7) je precej podobna predhodno predstavljeni arhitekturi. Gornji sloj se razlikuje v toliko, da omogoča izvajanje komunikacije iz različnih modulov. Vmesni sloj skrbi za oblikovanje podatkovnih paketov za pošiljanje, kot tudi za dekodiranje in preverjanje prejetih paketov ter posredovanje in klicanje ustreznih funkcij. Spodnji sloj pa je v celoti realiziran v knjižnici pyserial ki pa jo je treba primerno nastaviti. S pyserial.threaded.ReaderThread lahko nastavimo, da se ob prejemu paketa, ki je zaključen z bajtom 0x00, avtomatsko kliče handle_packet funkcija. Tako se večina kode, ki skrbi za prejemanje podatkov izvaja v sistemskih knjižnicah, kar omogoča da smo brez večjih težav dosegli bitne hitrosti 1 Mbps in več. Tako hitra komunikacija seveda zahteva tudi hiter odziv na prejete podatke. Da pa hitrost komunikacije ni vplivala na odzivnost grafičnega vmesnika se komunikacijski del kode izvaja v ločeni programski niti kot se izvaja uporabniški vmesnik. Tako se v handle_packet prejeti podatki dekodirajo ter se preveri CRC. Nato se podatki shranijo v vrsto, ter se generira signal s katerim se v niti, v kateri teče uporabniški vmesnik izvede ustrezna funkcija, ki obdela prejete podatke in osveži izbrane elemente v uporabniškem vmesniku. Seznam, katera funkcija naj se izvede za specifičen ID prejetih podatkov, pa se napolni ob inicializaciji, kjer vsak modul posreduje svoj seznam funkcij. Pošiljanje je precej podobno pošiljanju na strani mikrokrmilnika. Aplikacija posreduje podatke vmesnemu sloju preko funkcije send_packet. Le ta podatkom doda CRC in jih zakodira po COBS principu. Pošiljanje se prav tako izvaja v ločeni niti, kjer je vrsta tx_queue uporabljena za posredovanje podatkov med nitjo v kateri teče uporabniški vmesnik in nitjo, ki skrbi za pošiljanje v kateri s klicem funckije serial.write podatke posredujemo knjižnici pyserial. Ker se v LRTME se redkokdaj srečamo z razvojem tako kompleksne programske opreme smo tekom razvoja smo prišli do ugotovitev, do katerih so prišli že mnogi pred nami [9]: • temeljito načrtovanje arhitekture se obrestuje, saj je kasneje med samim pisanjem programa potrebnih manj prilagoditev • modularnost kode je ključnega pomena. Le ta omogoča: ◦ enostavno vnašanje popravkov v posamezne module, ki so v uporabi pri različnih aplikacijah, ◦ enostavno prilagoditev tipske aplikacije specifičnim zahtevam. ◦ lažji pregled nad kodo projekta tudi za neizkušene programerje, ki se lahko ukvarjajo samo z posameznim modulom in lahko ostali del odmislijo Zahvala Delo je bilo sofinancirano iz programa ARRS »Pretvorniki električne energije in regulirani pogoni« P2-0258 (B). Literatura Slika 7: Detajlna arhitektura komunikacijskega sklada na strani osebnega računalnika 4 Zaključek Primer grafičnega vmesnika končne aplikacije je prikazan na sliki 8. Aplikacija omogoča spremljanje signalov v mikrokrmilniku, kot tudi nastavljanje želenih vrednosti. Prve verzije aplikacije so bile razvite že leta 2015. Od takrat pa je arhitektura doživela nekaj manjših popravkov. V vsem tem času smo v LRTME zadovoljni z njenim delovanjem. Slika 8: Primer aplikacije 14 [1] S. Buso and P. Mattavelli, “Digital Control in Power Electronics,” Synth. Lect. Power Electron., vol. 1, no. 1, pp. 1–158, Jan. 2006, doi: 10.2200/S00047ED1V01Y200609PEL002. [2] M. Nemec, “Tackling with problems of programming in LRTME,” in 2012 15th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), Sep. 2012, p. DS3e.2-1-DS3e.2-4. doi: 10.1109/EPEPEMC.2012.6397356. [3] D. Pahl, “Debugging Your C24xTM DSP Design Using Code Composer StudioTM RealComposer StudioTM Real-Time Monitor”Time Monitor,” 2001. http://cfile219.uf.daum.net/attach/207F6B3D50DB206C0 B872E (accessed Jun. 17, 2022). [4] “C2000 Real-Time Features,” TI Training, Mar. 13, 2015. https://training.ti.com/c2000-real-time-features (accessed Jun. 17, 2022). [5] “Universal asynchronous receiver-transmitter,” Wikipedia. Jun. 15, 2022. Accessed: Jun. 21, 2022. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/w/index.php? title=Universal_asynchronous_receivertransmitter&oldid=1093313393 [6] “ISO/OSI referenčni model,” Wikipedija, prosta enciklopedija. Apr. 13, 2022. Accessed: Jun. 21, 2022. [Online]. Available: https://sl.wikipedia.org/w/index.php? title=ISO/OSI_referen %C4%8Dni_model&oldid=5678148 [7] S. Cheshire and M. Baker, “Consistent overhead byte stuffing,” IEEEACM Trans. Netw., vol. 7, no. 2, pp. 159– 172, Apr. 1999, doi: 10.1109/90.769765. [8] “TMS320C28x Optimizing C/C++ Compiler.” Texas Instruments Inc., Jun. 2022. Accessed: Jun. 29, 2022. [Online]. Available: https://www.ti.com/lit/ug/spru514 [9] S. MacConnell, Code complete: a practical handbook of software construction. Microsoft Press, 1993. Baterijski paket za električno kolo Rok Friš, Mitja Truntič Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Koroška cesta 46, 2000 Maribor E-pošta: rok.fris@um.si Battery pack for electric bicycle Abstract. This paper presents the process of design, implementation and testing of a battery back for an electric bicycle. Our motivation was to design a battery back for an electric bicycle, which will be used in a local competition. For a competitive performance, a battery pack requires sufficient capacity for a two-hour race and power capabilities for a short uphill race. In the second section, we present the mathematical calculations used to anticipate all the drag forces acting on a cycler and bicycle during driving. As a result, we calculated the required battery capacity and power. In the following, the battery pack assembly is presented. For implementation on the bicycle frame, a custom case was fabricated to house the battery pack, BMS unit and all belonging electronics. In the last section, full testing of battery pack performance is presented. The first test was a thermal analysis with a goal to identify any weak connections in the system. Another important test was a range test to determine bicycle range at different speeds. 1 Uvod V tem prispevku je predstavljeno načrtovanje in izdelava baterijskega paketa za električno kolo. Cilj je bil izdelati električno kolo, ki presega zmožnosti komercialno prodajanih različic in bo konkurenčno na Tekmovanju v izdelavi kolesa s pomožnim električnim pogonom in pedali, ki ga organizira Laboratorij za energetiko iz Fakultete za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru. Tekmovanje je razdeljeno na štiri kategorije: ocenitev tehnične rešitve, vožnja v strmi klanec, dvourna vzdržljivostna vožnja in premagovanje poligona. Slika 1. Električno kolo V prispevku bodo najprej predstavljene uporabljene metode za določitev potrebne kapacitete in največje moči ERK'2022, Portorož, 15-18 15 baterijskega paketa. V nadaljevanju bo predstavljeno sestavljanje in montaža baterijskega paketa na kolo. Sledil bo preizkus delovanja baterijskega paketa in ocenitev dometa električnega kolesa. 2 Načrtovanje baterijskega paketa Prvi korak pri načrtovanju baterijskega paketa je bila določitev nazivne napetosti, ki je bila pogojena z izbranim močnostnim pretvornikom. Ta je bil namenjen za povezavo na 48 V baterijski paket. Izbrana je bila tehnologija celic li-ion, saj nudi največjo energijsko gostoto na enoto teže za dostopno ceno. Ugotovljeno je bilo, da se iz celic nazivne napetost 3,6 V lahko sestavi baterijski paket z vezavo 13. celic zaporedno, ki bo imel nazivno napetost 46,8 V. 2.1 Izračun kapacitete baterijskega paketa Postopek je nadaljevan z izračunom kapacitete baterijskega paketa, ki je potrebna za dvourno vzdržljivostno vožnjo. V tej kategoriji imajo ekipe na voljo dve uri časa, da prevozijo čim večjo razdaljo, brez poganjanja pedal kolesa. Tekmovanje poteka na hipodromu na utrjeni peščeni podlagi. Za določitev hitrosti vožnje so bili uporabljeni rezultati zmagovalnih ekip iz preteklih tekmovanj. Ugotovljeno je bilo, da je ciljna hitrost kolesa 45 km/h. Potrebna kapaciteta je bila izračunana z enačbami (1) – (22). Upoštevan je bil zračni upor in kotalno trenje s podatki pridobljenimi iz [2]. V enačbah so bili uporabljeni spodnji podatki: – gostota zraka, 1,184 1,1 – koeficient zračnega upora, 0,5 m – čelna površina kolesa in kolesarja, 45 – hitrost vožnje, 2 h – čas vožnje, 0,006 – koeficient talnega trenja, 80 kg – masa kolesarja, 30 kg – masa kolesa, 46,8 V – nominalna napetost baterijskega sklopa. Na začetku so bile nekatere veličine prilagojene v ustreznejše oblike. km m 45 12,5 "1# h s m 80 kg → % 9,81 ∙ 80 kg 785 N "2# s m 30 kg → % 9,81 ∙ 30 kg 294 N "3# s V nadaljevanju je bil izračunan zračni upor Fu1 pri izbrani hitrosti vožnje. % 1 2 = (4) 1 kg m ∙ 1,1 ∙ 1,184 * ∙ 0,5 m ∙ +12,5 , = 50,9 N 2 m s Dobljen rezultat velja v primeru brezvetrja. Ker tekmovanje poteka na progi ovalne oblike, se v primeru vetra sila zračnega upora na eni strani proge zmanjša, na drugi pa poveča. V primeru enakomernega vetra se v povprečju dodatne sile izničijo. Pri izračunu sile kotalnega trenja Fk1 je bila predvidena masa kolesarja 80 kg in kolesa 30 kg. %- = (% + % ) = 0,006 ∙ (785 N + 294 N) = (5) = 6,5 N V primeru slabe ocene skupne mase se izračunana vrednost bistveno ne spremeni. V primeru dodatnih 30 kg se bo Fk1 povečal za 1,8 N. Ker je tekmovalna podlaga makedam, je bilo izračunani sili trenja v (5) dodanih še 50 % vrednosti. V (6) je predstavljena kot sila kotalnega trenja z rezervo Fkr. %-/ = %- ∙ 150 % = 6,5 N ∙ 1,5 = 9,8 N (6) Sile, ki delujejo med vožnjo dobljene iz (4) in (6) so bile seštete v skupno zaviralno silo Fz1. %1 = % + %-/ = 50,9 N + 9,8 N = 60,7 N (7) Potrebna moč elektromotorja P1, ki je potrebna za vzdrževanje želene hitrosti, je bila izračunana v (8). m 2 = %1 = 60,7 N ∙ 12,5 = 759 W (8) s Ker je na začetku bilo predpostavljeno, da je potrebna konstantno moč, lahko potrebno energijo W preprosto izračunamo na naslednji način. 4 = 2 ∙ = 759 W ∙ 2 h = 1518 Wh (9) Pri (9) niso upoštevane izgube celotnega sistema prenosa energije iz baterijskega paketa na pogonsko kolo. Zato je bil predpostavljen 85 % izkoristek sistema in to upoštevano pri izračunu realne potrebne energije Wreal. 4 1518 Wh 4/567 = = = 1786 Wh (10) 85 % 0,85 Zaradi varnostnega faktorja pred napačnimi predpostavkami v preračunih (2) – (10) je bilo k izračunani realni energiji Wreal dodanih še 20 % rezerve. Ta je bila poimenovana energija z rezervo Wrez. 4/51 = 4/567 ∙ 120 % = 1786 Wh ∙ 1,2 (11) = 2143 Wh Dobljena energija z rezervo v (11) je bila pretvorjena v kapaciteto Cb, kar je tudi podan podatek pri nakupu baterijskih celic. 4/51 2143 Wh 89 = = = 45,8 Ah (12) 46,8 V Končni rezultat tega preračuna je potrebna kapaciteta baterijskega paketa 45,8 Ah. Zaradi večjega števila uporabljenih predpostavk je dobljen rezultat natančen le do neke mere. Zato so bile med koraki računanja uporabljene večje rezerve. = 2.2 izziv premagati 200 m dolg klanec z naklonom 18 % v čim krajšem času. Kot izhodišče so bili ponovno uporabljeni rezultati tekmovanj iz prejšnjih let. Ugotovljeno je bilo, da je potrebna hitrost vožnje v klanec vk 38 km/h ali 10,6 m/s. Izračun maksimalne moči baterijskega paketa je bil začet z izračunom kota klanca α. ; = tan? (18 %) = 10,2 ° (13) Iz dobljenega podatka α je bila izračunana zaviralna sila na klancu Fzk in sila podlage na kolo Fp. %1- = sin ; ∙ %B = sin ; ∙ (% + % ) = (14) = sin 10,2 ° ∙ (785 N + 294 N) = 191 N (15) %C = cos ; ∙ %B = cos ; ∙ (% + % ) = = cos 10,2 ° ∙ (785 N + 294 N) = 1062 N Postopek je bil nadaljevan z izračunom sile zračnega upora Fz2, kjer je bil ponovljen preračun (4), in kotalnega trenja Fk2, kjer je bila kot sila podlage uporabljena Fp. 1 % = (16) - = 2 1 kg m = ∙ 1,1 ∙ 1,184 * ∙ 0,5 m ∙ +10,6 , = 36,6 N 2 m s %- = // ∙ %C = 0,006 ∙ 1062 N = 6,4 N (17) Izračunane sile so bile seštete v skupno zaviralno silo Fz2. Dodana je bila še zaviralna sila na klancu Fzk, ki deluje zardi gravitacijskega pospeška. %1 = % + %- + %1- = (18) = 36,6 N + 6,4 N + 191 N = 234 N V naslednjem koraku je bil izračunan navor M, ki ga mora zagotavljati pogonsko kolo za vzdrževanje izbrane hitrosti pri vožnji v klanec. Upoštevan je bil premer kolesa R = 0,7 m. G 0,7 m F = %1 ∙ = 234 N ∙ = 81,9 Nm (19) 2 2 Za izračun potrebne moči elektromotorja P2 je bil zmnožen navor M in kotna hitrost ω kolesa. 2 = F∙H = 2∙F∙ = (20) G m 10,6 s = 2 ∙ 81,9 Nm ∙ = 2480 W 0,7 m Pri dobljenem rezultatu potrebne moči motorja je bil še upoštevan izkoristek sistema 85 % za dobljen rezultat realne moč baterijskega paketa Preal. 2 2480 4 2/567 = = = 2918 4 (21) 85 % 0,85 Podatki o moči baterijskega paketa so bili pretvorjeni v potreben tok Ireal, ki ga mora baterijski paket zagotavljati pri nazivni napetosti. 2/567 2918 W I/567 = = = 62,4 A (22) 46,8 V Rezultat tega poglavja je maksimalni konstantni tok 62,4 A, ki ga mora baterijski paket zagotavljati. Ta podatek bo v nadaljevanju uporabljen za izbiro primernih baterijskih celic. Izračun toka baterijskega paketa Za določitev ustreznih parametrov baterijskega paketa, je bil še potreben podatek o maksimalnem toku, ki ga mora zagotavljati. V tekmovalni kategoriji vožnja v klanec je 16 2.3 Izbira baterijskih celic Z razvojem baterijske tehnologije li-ion so na trg prišle celice v različnih oblikah. Najpogosteje uporabljana je celica z oznako 18650, kar pomeni premer 18 mm in dolžina 650 mm. Zaradi enostavne dostopnosti je bila izbrana ta velikost. V tabeli 1 so predstavljene štiri različne celice proizvajalca Samsung enakih velikosti. Tabela 1. Primerjava baterijskih celic Model CB [mAh] IMAX [A] IPULZ [A] INR18650-20R 2000 22 38 INR18650-25R 2500 20 35 INR18650-30Q 3000 15 26 INR18650-35E 3500 8 13 Kot prikazano, tokovne sposobnosti celic padajo z naraščanjem kapacitete. Zaradi tekmovalne kategorije vzdržljivostne vožnje je bil sprejet kompromis, da je v tem primeru pomembnejša kapaciteta baterijskega paketa kot velike tokovne sposobnosti. Izbrane so bile celice INR18650-35E s kapaciteto 3500 mAh. Ciljna kapaciteta baterijskega paketa je 45,8 Ah, čemur se je mogoče približati z vezavo 13. celic vzporedno, kar znaša 45,5 Ah. Tokovne sposobnosti predlagane vezave so do 104 A konstantne obremenitve in 169 A kratkotrajne, kar presega zahteve določene v poglavju 2.2. Iz podatkovnega lista proizvajalca so bile pridobljene informacije o polnilnem toku predlagane vezave baterijskih celic. Ta je do 13,2 A za normalno polnjene in do 26 A za hitro polnjenje. Na začetku poglavja 2 je bila določena vezava 13. celic zaporedno za doseganje želene napetosti. Iz zahtevane kapacitete je bila nato določena še vezava 13. celic vzporedno in tako dobljen baterijski paket vezave 13S13P s 169 celicami. 3 Implementacija baterijskega paketa Pri oblikovanju baterijskega paketa je bila oblika prostorsko omejena z obliko okvirja kolesa ter željo po optimalni razporeditvi teže. Tako je bil paket umeščen v sredino okvirja kolesa, pomaknjen čim bolj naprej. Pri sestavi paketa je bil uporabljen šest kotni distančnik za bolj kompaktno postavitev celic. To je posledično povzročilo slabšo hlajenje celotnega paketa, kar je bilo ocenjeno, da ne bo problematično, saj bo baterijski paket večino časa deloval s tokovi do 10 A. Višji tokovi pomenijo močno pospeševanje ali zelo hitro vožnjo, ki ne mora trajati dlje časa. ki je prikazano na sliki 3. Na okvir kolesa je bilo pritrjeno na treh točkah z jeklenimi nosilci, ki hkrati podpirajo težo baterijskega paketa. Oblikovanje je bilo omejeno s širino ohišja, saj to ne sme ovirati kolesarja med poganjanjem koles s pedali. Zastavljena je bila omejitev na maksimalno dovoljeno širino 150 mm, končno ohišje je zoženo na 95 mm. Med baterijski paket in ohišje je bila dodana blažilna pena za enakomernejšo porazdelitev sil med vožnjo in blažitev tresljajev. Nad baterijskim paketom je nosilna plošča iz tanke pločevine na kateri je BMS enota in druga podporna elektronika. V primeru padca kolesa na stran, baterijski paket zadržijo stranski nosilci za pritrditev stranic ohišja, v primeru poskakovanja med vožnjo nudi oporo nosilna pločevina nad paketom. Stranice baterijskega paketa so bile na koncu oblepljene z izolacijskim papirjem za preprečitev morebitnih kratkih stikov pri delu. Slika 3. Baterijski paket v ohišju Končana implementacija baterijskega paketa na kolo z oddanim elektromotorjem v zadnjem kolesu in močnostnim pretvornikom je prikazana na sliki 1. Dodatek baterijskega paketa z ohišjem na kolo je dodal 15 kg mase. Po dodanem elektromotorju je skupna masa kolesa znašala 35,3 kg. Težiščna os je pri tem bila premaknjena za 3,9 cm nazaj, kar bistveno ne vpliva na vodljivost kolesa. 4 Pred prvo uporabo baterijskega sklopa za pogon električnega kolesa so bili izvedeni testi, ki so potrdili pravilno delovanje sistema. Testiranje je zajemalo termično analizo ob obremenitvi paketa z višjimi tokovi, delovanje izklopa v sili, izvedbo cikla polnjenja, meritev kapacitete in ocenitev dometa kolesa s kombinacijo terenskega in laboratorijskega testa. 4.1 Slika 2. Sestavljen baterijski paket Sestavljen baterijski paket prikazuje slika 2. Za povezavo celic so bile uporabljene lasersko izrezane plošče iz nikljeve zlitine, ki so bile točkovno privarjene na posamezne celice. Sestavljen paket je tehtal 8,2 kg. Za zaščito baterijskega paketa in umestitev na kolo je bilo izdelano temu namenjeno ohišje iz tehnične plastike, 17 Testiranje delovanja Testiranje termike Test termike je bil izveden s postopnim večanjem toka baterijskega paketa od 1 do 35 A čez daljše časovno obdobje. Ambientalna temperatura je bila 22 °C. Ob vsakem višanju toka je bilo stanje sistema preverjeno s toplotno kamero ob pozornosti na vroče točke, ki bi se pojavile ob slabem kontaktu. Večja pozornost je bila usmerjena v segrevanje točkovnih zvarov med baterijskimi celicami in ploščami iz nikljeve zlitine. Na sliki 4 je termalna slika sistema ob obremenitvi 35 A po 15 min delovanja v zadnji fazi testiranja. Baterijske celice so dosegle temperaturo približno 40 °C, kar je zadovoljiv rezultat, saj je najvišja dovoljena temperatura 60 °C. Povezovalne plošče med celicami so prikazane kot hladna mesta, vendar je zaznava kamere napačna zaradi svetleče odbojne površine. Ostale vroče točke nad baterijskim paketom na sliki 4 so releji pri delovni temperaturi. 4.4 Testiranje dometa Testiranje dometa je bilo izvedeno s kombinacijo terenskega in laboratorijskega testa. Iskan je bil podatek o dometu kolesa pri različnih hitrostih na ravni asfaltni površini. Zaradi večurnega trajanja vsakega testa je bila uporabljena kombinirana izvedba testa, predstavljena v nadaljevanju. Izbran je bil ravni del asfaltirane ceste z dolžino 2,5 km na katerem je bil izveden terenski del preizkusa. Vožnja je potekala s konstantnimi hitrostmi v obe smeri in pri tem je bila merjena potrebna moč elektromotorja. Z vožnjo v obe smeri je bil nekoliko izničen vpliv rahlega vetra in hribovitost ceste. Izračunana je bila povprečna moč pri vsaki vožnji in to je bilo uporabljeno za nadaljevanje laboratorijskega testa. Ta je potekal s priključitvijo baterijskega paketa na breme konstantne moči, ki je bilo nastavljeno na prej izmerjeno moč. Rezultati so predstavljeni v sliki 5. Slika 4. Termalna slika obremenjene baterijske paketa 4.2 Cikel polnjenja Prvi cikel polnjenja je bil izveden podobno kot termični test. Polnilni tok je bil postopoma povišan od 1 do 10 A in pri tem je bil sistem opazovan s termično kamero. Med delovanjem je bila spremljana napetost celic, ki je na začetku odstopala za 0,1 V, proti koncu pa le za nekaj milivoltov, saj je BMS izenačil napetosti vseh celic. 4.3 Slika 5. Domet kolesa pri različnih hitrostih Meritev energije Meritev energije je bila izvedena z namenom ugotovitve realne energije shranjene v baterijskem paketu. Oglaševana kapaciteta posamezne celice INR18650-35E je 3500 mAh, vendar ob pregledu podatkovnega lista [3] opazimo, da je minimalna zagotovljena 3350 mAh. Test je bil izveden po navodilih proizvajalca s praznjenjem vsake celice s konstantnim tokom 680 mA. Zaradi vezave 13. celic vzporedno je bil uporabljen praznilni tok 8,84 A. Izvedena sta bila dva testa. Prvič so bile uporabljene priporočene nastavitve za dolgo življenjsko dobo celic. To pomeni, da so bile njihove napetosti omejene med 4,1pV in 3,0 V. Izmerjeno je bilo 1646 Wh porabljene energije, kar je 77,3 % do teoretične energije 2129 Wh. Drugi test je bil izveden z napetostnimi limitami med 4,2 V in 2,65 V, kar so mejne dovoljene vrednosti iz podatkovnega lista [3]. Izmerjeno je bilo 1956 Wh porabljene energije, kar je 18,8 % več kot pri prvem testu in je 91,9 % teoretične energije. Funkcija nastavljanja napetostnih limit bo posebej koristna na tekmovanju, saj bo mogoče iz baterijskega paketa dobiti več energije za ceno življenjske dobe celic. Ker BMS enota zaščiti baterijski paket z odklopom, ko ena od celic doseže minimalno napetost, bo nekaj energije vedno ostalo neporabljene v preostalih celicah. To je možno potrditi s podatki izmerjenimi tik pred odklopom. Celica z najnižjo napetostjo je imela 2,663 V, medtem ko je celica z najvišjo napetostjo imela 2,774 V. 18 Dobljeni rezultati prikazujejo hitro padanje dometa z naraščanjem hitrosti vožnje. Ob analizi enačb (4) in (8) je razvidno, da se hitrost pojavi pod tretjo potenco, kar je razlog za eksponentno večanje zračnega upora pri naraščanju hitrosti. Vsi testi so bili izvedeni z limitami napetosti celic do 4,1 V do 3,0 V. Ob premiku limit na skrajne meje bi lahko domet še nekoliko izboljšali. 5 Zaključek V tem prispevku je opisan proces načrtovanja baterijskega paketa za električno kolo, njegova implementacija in testiranje. S teoretičnimi preračuni so bile ocenjene potrebne karakteristike paketa in tudi upoštevane pri izdelavi. Ti so se izkazali za ustrezne saj je bila z izvedenimi testi potrjena ustreznost baterijskega paketa za konkurenčnost na omenjenem tekmovanju. Literatura [1] Friš R. Snovanje baterijskega sklopa in elektronike za električno kolo, Maribor. FERI, 2021. [2] Gross A., Kyle C., Malewicki D., The Aerodynamics of Human-powered Land Vehicles. ZDA: Scientific American, 1983. Dostopno na: http://www.zzipper.com/ documents/HPV_Paper.pdf [21.6.2022]. [3] Samsung. Specification of product: INR18650-35E. Dostopno na: https://datasheetspdf.com/pdf-file/1266159/ Samsung/INR 18650-35E/1 [27.6.2022]. Načrtovanje in vrednotenje ASIC digitalnih vezij z orodjem OpenLANE Patricio Bulić1 , Ratko Pilipović1 , Uroš Lotrič1 1 Univerza v Ljubljani, Fakulteta za računalništvo in informatiko E-pošta: pa3cio@fri.uni-lj.si Design and evaluation of ASIC digital circuits with OpenLANE This short article presents the OpenLane open source design flow for the physical implementation of digital circuits. OpenLANE is a tape-out-hardened flow that attacks the barriers of cost and expertise. OpenLane aims at democratizing ASIC design. Individuals and SMEs can use it to make their chips. Besides, it can replace expensive industrial tools in designing and evaluating digital circuits in an academic environment. We use three digital multipliers to compare the OpenLane design flow with the Cadence tool. 1 Uvod Industrijska orodja za fizično implementacijo ASIC vezij so zeo draga in tako pogosto nedostopna raziskovalnim ustanovam, manjšim podjetjem in posameznikom. Namen tega članka je, da nas seznani z načrtovanjem digitalnih integriranih vezij z uporabo odprtokodnega orodja OpenLane ASIC VLSI [1] in procesa Skywater 130nm PDK [2]. OpenLane je ASIC VLSI načrtovalski proces, zgrajen okoli odprtokodnih orodij . OpenLANE je avtomatiziran načrtovalski proces iz RTL v GDSII, ki temelji na več odprtokodnih orodij ( OpenROAD, Yosys, Magic, Netgen, Fault, OpenSTA, SPEF-Extractor, ...) ter skriptah, ki ta orodja poganjajo v pravilnem vrstnem redu, po potrebi preoblikujejo njihove vhode in izhode ter organizirajo rezultate in poročila [3], [4]. Cilj OpenLANE je ustvariti GDSII datoteko iz RTL opisa brez človeškega posredovanja. OpenLANE je prilagojen za Skywater 130nm odprtokodni PDK (Process Design Kit) in se lahko uporablja za izdelavo namenskih makro modulov in čipov. OpenLane in 130nm PDK sta rezultat usklajenega prizadevanja različnih akterjev (univerz in industrije) z namenom demokratizacije ASIC načrtovanja vezij. 2 Proces načrtovanja RTL v GDSII Od zasnove digitalnega vezja do končnega izdelka uporabljamo ponavljajoč se proces načrtovanja. Podrobnosti samega procesa se lahko spremenijo glede na zahteve (npr. velikost, časovne omejitve, ipd.), vendar osnovni koncepti ostajajo enaki. Proces načrtovanja RTL v GDSII razdelimo na 11 korakov: ERK'2022, Portorož, 19-23 19 1. Načrtovanje RTL - načrtovanje digitalnega vezja na ravni prenosov signalov med registri. Pri načrtovanju RTL praviloma uporabljamo jezike za opis hardverja (HDL), ki zagotavljajo abstrakcijo digitalnega vezja z uporabo kombinacijske in sekvenčne logika (registrov). Orodje OpenLane zahteva v tem koraku načrtovanje z uporabo jezika Verilog. 2. Verifikacija RTL - omogoča simulacijo in verifikacijo RTL modula. 3. Logična sinteza (Logic Synthesis) – Logična sinteza preslika RTL modul v standardne logične celice. Postopek običajno poteka v dveh korakih: (a) preslikovanje HDL opisa digitalnega vezja v generična logična vrata, (b) preslikovanje iz generičnih logičnih vrat v standardne logične celice izbranega procesa PDK. Standardne celice imajo fiksno višino, njihova širina pa je praviloma večkratnik osnovne širine. Vsaka standardna celica v PDK ima datoteke tipa SPICE, HDL, LIBERTY, LEF in DEF z abstraktnimi in fizičnimi postavitvami, ki jih uporabljajo različna orodja na različnih stopnjah v procesu fizične implementacije vezij. 4. Statična časovna analiza (Static Timing Analysis - STA) po sintezi. Statična časovna analiza je metoda verifikacije časovnih zahtev s preverjanjem vseh možnih poti in iskanju morebitnih kršitev časovnih zahtev. STA razdeli dizajn na časovne poti, izračuna zakasnitev širjenja signala vzdolž vsake poti in preveri kršitve časovnih omejitev. 5. Načrtovanje tlorisa (Floorplanning) - gre za določitev površine na siliciju, kjer bodo postavljene logične celice vezja ter makro bloki. V tej fazi se določi tudi postavitev pinov ter napajalnih linij (Power distribution Network) na čipu. 6. Postavitev (Placement)– v tem koraku se celice postavijo v posamezne vrstice znotraj tlorisa. Celice so medseboj poravnane glede na opis priključkov v datoteki LEF. Postavitev poteka v dveh korakih: globalno in podrobno. Pri globalni postavitvi poskušamo najti optimalen položaj celic. Podrobna RTL design SKY130 PDK designs/src/*.v Synthesis Physical Implementation Post-routing evaluation OpenRoad RTL Synthesis Yosys + abc Synthesis Exploration Floorplaning LEC RC Extraction Yosys spef-extractor Placement STA OpenSTA STA OpenSTA CTS Detailed DetailedRouting Routing TritonRoute Physical Verification magic, netgen Optimization Antena Diodes Insertion Global Routing gds2 Streaming magic GDS2/ LEF Design Exploration OpenLane Design Flow Slika 1: Potek procesa načrtovanja iz RTL v GDSII v okolju OpenLane. umestitev nato postavi celice tako, da skuša minimizirati dolžine povezovalnih žic, zakasnitve, porabo, ter pustiti dovolj prostora za povezovalne in napajalne linije. Slika 1 prikazuje potek procesa načrtovanja iz RTL v GDSII. 7. Sinteza urinega drevesa (Clock Tree Synthesis - CTS) – v tem koraku se ustvari distribucijsko omrežje urinega signala, ki se uporablja za dostavo ure vsem sinhronim celicam. Glavni cilj je ustvariti distribucijsko omrežje, ki zagotavlja minimalen zdrs urinega signala (clock skew). 3.1 Ustvarjanje novega dizajna Vsak dizajn mora imeti lastno konfiguracijsko datoteko s spremenljivkami, ki bodo določale potek načrtovalskega procesa ter nekatere robne pogoje, kot npr. velikost dizajna na siliciju ali širina napajalnih linij ipd.). Orodje OpenLane vsebuje ukaz za ustvarjanje novega dizajna in njegove konfiguracijske datoteke [5]. Ta ukaz ustvari naslednjo imeniško strukturo: 8. Usmerjanje (Routing) – v tem koraku se določijo povezave med standardnimi celicami z uporabo razpoložljivih kovinskih plasti po generiranju urinega drevesa in napajalnega omrežja. Na koncu tega koraka se tvori datoteka GDSII, ki vsebuje 3D nabor poligonov iz postavitve integriranega vezja in jo uporabimo za generiranje mask. GDSII je binarna datoteka, ki je de facto industrijski standard za izmenjavo podatkov pri načrtovanju integriranih vezij. Datoteke GDSII so končni izhodni izdelek procesa načrtovanja integriranega vezja in se predajo proizvajalcem integriranih vezij. 9. Fizično preverjanje (Physical verification) - v tem koraku preverimo pravilnost postavitve in povezav določenih z usmerjanjem, tako da se preveri, ali je dizajn skladen z vsemi tehnološkimi zahtevami (Design Rule Checking - DRC), skladen z rezultatom logične sinteze (Layout Versus Schematic LVS), da ni antenskih efektov ter da dizajn ustreza vsem električnim zahtevam (Electrical Rule Checking - ERC). V primeru kakršnihkoli napak, se ponovi enega ali več predhodnih korakov. 3 Uporaba orodja OpenLane designs/ config.tcl src Priporočljivo je, da Verilog datoteke hranimo v imeniku src in da ima vrhnji modul našega dizajna ime .v. Ko bomo zagnali načrtovalski proces, se bo ustvarila naslednja imeniška struktura: config.tcl src .v runs