(English version at the bottom)
J'ai eu le plaisir de discuter avec Benjamin Coelho Gaspar, ingénieur électricien et champion national français qui a représenté son pays au dernier concours WorldSkills à Berne (Suisse) dans la catégorie électronique. Notre conversation a porté sur son parcours d'ingénieur, sa préparation physique et mentale à cette compétition internationale de haut niveau et ses futurs projets liés à l'électromobilité.
Benjamin a initié son intérêt par la mécatronique lors de son baccalauréat scientifique. Comme projet de fin d’études de cette période, il a conçu son propre véhicule hybride équipé d'un moteur électrique pour le propulsé ainsi que d'un panneau solaire et d'un moteur Stirling pour recharger les batteries. Pour sa formation supérieure, Benjamin a intégré l’école d’ingénieurs INSA de Lyon et a suivi pendant les deux premières années des cours généreux de formation scientifique et technique, pour ensuite se spécialiser, dans les trois dernières années, en Génie Électrique.
En tant qu’élève, il a profité des opportunités et de la riche vie étudiante en participant à diverses associations de son école d’ingénieurs de référence. On peut citer son rôle chez l’association Proto INSA Club (PIC), où il a débuté comme membre et progressé à la position de secrétaire, responsable du département “Électricité de puissance”, puis président. L’objectif principal de cette association est de vaincre la compétition Shell Eco-marathon. Benjamin a contribué non seulement à la conception et assemblage des nouvelles cartes électroniques, mais aussi à la conception et développement de la première version du propulsé électrique de cette voiture. L’équipe pourra donc participer aux prochaines éditions de la compétition en deux catégories : moteur de combustion interne essence et moteur électrique alimenté par des batteries à base de Lithium.
Un projet de ce type nécessite des connaissances théoriques et pratiques en électronique et en électricité de puissance avancées. De plus, les équipes doivent respecter toutes les règles de la compétition, ce qui implique des points importants sur la sécurité du véhicule et du conducteur en plus des exigences techniques. Un exemple de contrainte technique est le fait que les équipes ne peuvent pas utiliser les contrôleurs de moteur du marché, mais doivent développer leur propre contrôleur pour cela.
Généralement, la partie électrique d’un système, comme celui de la voiture qui participe au Shell-Eco Marathon, peut se regrouper en : circuits de contrôle et circuits de puissance. Dans la partie contrôle, se trouvent les capteurs et composants numériques et analogiques qui reçoivent et traitent les signaux, tels que l’antenne GNSS qui reçoit les données de position envoyées par les satellites GPS, les encodeurs des roues et du volant qui indiquent leur vitesse et position (angle), respectivement, entre autres capteurs et boutons de commande. Ces circuits travaillent à une tension d’environ 3.3V en courant continu. La partie électrique de puissance fonctionne normalement à une tension plus élevée, par exemple 48V en courant continu, et c’est la partie responsable par l’alimentation du moteur électrique. Pour cela, sa conception doit satisfaire les fonctions de déconnexion du circuit, de protection contre les surcharges et les courts-circuits et la commande de la charge absorbée par le moteur, avec un disjoncteur principal, un disjoncteur moteur et un contacteur moteur. En plus de ces fonctions, le système doit respecter la section minimale des conducteurs et leur longueur maximale, établie par des normes spécifiques, comme la Norme Française NF C 15-100.
Benjamin s’est impliqué particulièrement à la conception du nouveau moteur électrique. En partant d’une feuille blanche et en bien étudiant le cahier des charges imposé par la compétition, l’équipe a décidé de concevoir un moteur qui soit mécaniquement interchangeable avec le moteur essence existant. Cela permet de rapidement changer le mode de propulsé de la voiture de façon à pouvoir participer aux deux catégories souhaitées. Le moteur conçu sur mesure est un moteur triphasé brushless synchrone à aimants permanents développé pour des applications à basses vitesses et fort couple. Il a une tension nominale de 48V courant continu, un couple de 5 N.m et un rendement d’environ 97%.
En plus de la partie d’actuation, l’équipe a dû développer également la partie qui fait le contrôle du moteur et la gestion du système de batterie, soit coté hardware que software. L’élément principal de la carte électronique responsable pour livrer la puissance au moteur est le metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, plus connu comme MOSFET. Le MOSFET travaille à hautes fréquences de commutation, dans l’ordre du kHz, et en arrangeant six MOSFET dans une configuration pont en H, il est possible contrôler la vitesse et la direction d'un moteur comme celui utilisé. La communication entre les différentes unités de contrôle de la voiture est faite avec le protocole CAN bus, très utilisé dans l’industrie automotive, dans lequel des messages contenant le numéro d’identifiant du contrôleur avec des données sont diffusés dans le bus.
Le concours WorldSkills existe depuis plus de soixante-dix ans et se tient tous les deux ans. Il existe actuellement soixante-cinq catégories. De nombreuses catégories sont liées à des domaines techniques traditionnels, tels que l'électronique, la mécatronique, les énergies renouvelables, l'usinage, la robotique. Dans la catégorie électronique, par exemple, les compétiteurs doivent principalement concevoir des circuits imprimés (PCB), programmer un microcontrôleur pour piloter un système embarqué, ainsi que réaliser le brasage et la réparation des circuits. Benjamin a été invité à participer aux sélections WorldSkills pour la catégorie électronique et après avoir gagné les étapes régionales et nationale, il a intégré l’équipe française et commencé une préparation physique et mentale intensive.
Cette année, la compétition WorldSkills d’électronique a eu lieu à Berne (Suisse) en octobre. Dans les trois jours de compétition, les représentants venant des différents pays ont dû faire ce qui normalement un ingénieur met des semaines à réaliser. Cette épreuve est typiquement notée en fonction de différents critères : organisation et gestion du travail, application de l'électronique dans la pratique, conception de prototypes, programmation de systèmes embarqués, recherche et réparation de pannes et assemblage et mesure. Benjamin a surtout bien maîtrisé la partie conception d’une carte électronique sur ordinateur, qui avait un microcontrôleur et des capteurs pour mesurer, par exemple, la température et l’humidité. Il souligne notamment l’importance en respecter des bonnes pratiques de conception, telles que bien tracer les signaux numériques et analogiques de façon a ne pas avoir interférence entre eux, à bien positionner les éléments du circuit de façon à avoir la distance optimale entre les composants et à bien choisir les points de la masse qui donneront l’équipotentiel 0V aux éléments de la carte. Benjamin est arrivé à la huitième position dans la compétition et a gagné la médaille d’excellence.
Jeune diplômé, et déjà avec plusieurs années d’expérience et perfectionnement en électronique, Benjamin s’intéresse toujours à l’électromobilité. Son but est d’aider des industriels dans leur process d’électrification. Il a déjà contribué à plusieurs projets et proposé des solutions pour transformer des vélos, motos, voitures, avions et camions. Pour cela, il rappelle l’importance d’avoir non seulement une conception optimale, mais aussi, de tenir en compte les aspects de fabrication et coûts associés. Son lien avec WorldSkills n’est pas terminé. Il sera l’expert technique qui donnera support à la nouvelle génération qui participera aux WorldSkills 2024 à Lyon.
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I had the pleasure of chatting with Benjamin Coelho Gaspar, an electrical engineer and French national champion who represented his country at the last WorldSkills competition in Bern (Switzerland) in the electronics category. Our conversation focused on his career as an engineer, his physical and mental preparation for this high-level international competition and his future projects related to electromobility.
Benjamin initiated his interest in mechatronics during his scientific high school. As a graduation project for this period, he designed his own hybrid vehicle equipped with an electric motor as well as a solar panel and a Stirling engine to recharge the batteries. For his higher education, Benjamin joined the INSA engineering school in Lyon and followed general scientific and technical training courses for the first two years, to then specialize, in the last three years, in Electrical Engineering.
As a student, he took advantage of the opportunities and the rich student life by participating in various associations of this world-class engineering school. We can cite his role at the Proto INSA Club (PIC) association, where he began as a member and progressed to the position of secretary, head of the “Power electronics” department, then president. The main objective of this association is to win the Shell Eco-marathon competition. Benjamin contributed not only to the design and assembly of the new electronic boards, but also to the design and development of the first electric motor version of this car. The team will therefore be able to participate in the next editions of the competition in two categories: gasoline internal combustion engine and electric motor powered by lithium-based batteries.
A project of this type requires advanced theoretical and practical knowledge of electronics and power electricity. In addition, the teams must respect all the rules of the competition, which involves important points on the safety of the vehicle and the driver in addition to the technical requirements. An example of a technical constraint is the fact that the teams cannot use the motor controllers on the market, but must develop their own controller for this.
Generally, the electrical part of a system, like that of the car participating in the Shell-Eco Marathon, can be grouped into: electronic control circuits and power circuits. In the control part, there are the digital and analog sensors and components that receive and process the signals, such as the GNSS antenna that receives the position data sent by the GPS satellites, the wheel and steering wheel encoders that indicate their speed and position (angle), respectively, among other sensors and control buttons. These circuits work at a voltage of about 3.3V direct current. The electric power part normally operates at a higher voltage, for example 48V direct current, and this is the part responsible for powering the electric motor. For it, its design must satisfy the functions of circuit disconnection, protection against overloads and short circuits and control of the load absorbed by the motor, with a main circuit breaker, a motor circuit breaker and a motor contactor. In addition to these functions, the system must respect the minimum section of the conductors and their maximum length, established by specific standards, such as the French Standard NF C 15-100.
Benjamin was particularly involved in the design of the new electric motor. Starting from scratch and carefully studying the specifications imposed by the competition, the team decided to design an engine that is mechanically interchangeable with the existing petrol engine. This makes it possible to quickly change the mode of propulsion of the car so as to be able to participate in the two desired categories. The custom-designed motor is a permanent magnet synchronous three-phase brushless motor developed for low-speed, high-torque applications. It has a nominal voltage of 48V direct current, a torque of 5 N.m and an efficiency of approximately 97%.
In addition to the actuation part, the team also had to develop the part that controls the motor and manages the battery system, both in hardware and software. The main element of the circuit board responsible for delivering power to the motor is the metal–oxide–semiconductor field-effect transistor, better known as MOSFETs. The MOSFET works at high switching frequencies, in the order of kHz, and by arranging six MOSFETs in an H-bridge configuration, it is possible to control the speed and direction of a motor like the one used. Communication between the different control units of the car is done with the CAN bus protocol, widely used in the automotive industry, in which messages containing the controller's identification number with data are broadcast on the bus.
The movement of the robot's legs is executed by servo motors at the joints of the small humanoid's legs, following a walking algorithm, which involves a centre of mass pattern generator, a feedforward type term to compensate for the effect of gravity and a closed loop based on inertial sensor measurements for stabilisation. Motion control is computed on a CPU and iterated at a frequency of 125 Hz. In this case, as the inertial sensor data are noisy, an algorithm performs the fusion of the acceleration and angular velocity data in order to have a good estimate of the state of the robot. A Kalman filter is applied to these data and, with a statistical basis, it is possible to estimate the robot's orientation. This filtering technique has been widely used in several scientific applications for decades, as it allows predicting the state of the system, at a relatively low computational cost, measuring different physical quantities. In this way it is possible to compensate for weak points in each measurement, such as noise in the acceleration signal and the drift effects of the gyroscope.
The WorldSkills competition has been around for over seventy years and is held every two years. There are currently sixty-five categories. Many categories are linked to traditional technical fields, such as electronics, mechatronics, renewable energies, machining, robotics. In the electronics category, for example, competitors must mainly design printed circuits (PCBs), program a microcontroller to drive an on-board system, as well as carry out soldering and repair of circuits. Benjamin was invited to participate in the WorldSkills selections for the electronic category and after winning the regional and national stages, he joined the French team and began intensive physical and mental preparation.
This year, the WorldSkills electronics competition took place in Bern (Switzerland) in October. In the three days of competition, representatives from different countries had to do what normally takes an engineer weeks to achieve. This challenge is typically scored according to different criteria: organization and management of work, application of electronics in practice, design of prototypes, programming of embedded systems, troubleshooting and assembly and measurement. Benjamin especially mastered the design part of a printed circuit board (PCB) on a computer, which had a microcontroller and sensors to measure, for example, temperature and humidity. In particular, he emphasizes the importance of respecting good design practices, such as properly tracing digital and analog signals so they do not interfere with each other, to correctly position the elements of the circuit in order to have the optimum distance between the components and to choose the points of the grounding which will give the equipotential 0V to the elements of the card. Benjamin came in eighth place in the competition and won the Medal of Excellence.
Young graduate, and already with several years of experience and advanced training in electronics, Benjamin is still interested in electromobility. His goal is to help manufacturers in their electrification process. He has already contributed to several projects and proposed solutions to transform bicycles, motorcycles, cars, planes and trucks. For this, he recalls the importance of not only having an optimal design, but also of taking into account the manufacturing aspects and associated costs. His link with WorldSkills is not over. He will be the technical expert who will support the new generation who will participate in WorldSkills 2024 in Lyon.
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