Sviluppo di un banco prova per il controllo e la caratterizzazione meccanica, elettrica e termica di motori brushless sensorless

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"In un  contesto in cui parallelismo, modularità e scalabilità sono fondamentali, la scelta della piattaforma integrata   LabVIEW e CompactRIO si è da subito rilevata vincente."

- L. Foschini, EN4

The Challenge:
Sviluppare un banco prova per la caratterizzazione meccanica ed elettrica di motori elettrici con particolare riferimento a BLDC sensorless, ottenendo un sistema flessibile che permetta di testare sia servomotori sia motori, provvedendo direttamente, in questo ultimo caso, al pilotaggio dei motori stessi.sensorless

The Solution:
Sviluppare un sistema di controllo e acquisizione ad alte prestazioni basato su piattaforma NI CompactRIO. Tale scelta ha permesso di gestire contemporaneamente: i tradizionali aspetti legati alla caratterizzazione dei motori elettrici, lo sviluppo di un sistema di controllo specifico per motori BLDC sensorless, l’analisi dettagliata delle modalità controllo realizzate dal banco e/o da driver esterni.

Author(s):
L. Foschini - EN4
N. Mariucci - EN4
M. Greco - MAGNETI MARELLI

Abstract
Il processo di progettazione e implementazione di motori brushless in applicazioni automotive deve spesso affrontare contemporaneamente problematiche anche fortemente contrastanti tra loro (come ingombro/peso, prestazioni, consumo e costo). In tale contesto, l’utilizzo di sofisticate apparecchiature di testing costituisce un aspetto chiave e un elemento competitivo per lo sviluppo di soluzioni innovative.

Il banco sviluppato da EN4 in collaborazione con Magneti Marelli , permette di caratterizzare in maniera completa il funzionamento di motori elettrici valutando oltre a parametrici classici quali coppia e potenza, anche aspetti più complessi come quelli legati al pilotaggio di soluzioni sensorless e alle problematiche di raffreddamento del motore anche in condizioni di temperatura controllata.

Relativamente al pilotaggio dei motori in prova, il banco permette sia di interfacciarsi in maniera flessibile (analogico, TTL, CAN) a servomotori completi oppure, in alternativa, può provvedere direttamente al pilotaggio dei motori stessi. In tale ambito, si è ritenuto quindi opportuno sviluppare un sistema di controllo basato su FPGA- in modo tale da raggiungere prestazioni e riconfigurabilità tali da poter rendere il banco anche un riferimento per lo sviluppo dei driver a basso-costo che dovranno essere utilizzati per le applicazioni su vettura.

Articolo

Introduzione
Il banco prova, pur permettendo di caratterizzare una vasta gamma di motori elettrici, nasce specificatamente con l’obiettivo di supportare lo sviluppo e l’implementazione di motori BLDC sensorless in applicazioni automotive con funzionamento in bagno di olio. Si richiede infatti di analizzare aspetti differenti (non solo meccanici ed elettrici, ma anche termici) isolando le problematiche relative al driver da quelle relative al motore.

EN4 e Magneti Marelli  hanno lavorato in stretta collaborazione per identificare un’architettura che permettesse di ottenere un banco caratterizzato da:
• esecuzione di prove sia prestazionali,sia di affidabilità;
• gestione parallela di complesse operazioni di controllo, acquisizione/processing dati e supervisione;
• elevati livelli di flessibilità, affidabilità e precisione;
• efficacia nel supportare il processo di sviluppo di componenti eterogenei permettendo agevolmente future modifiche e espansioni.

In un  contesto in cui parallelismo, modularità e scalabilità sono fondamentali, la scelta della piattaforma integrata   LabVIEW e CompactRIO si è da subito rilevata vincente.

Si è prevista inoltre la possibilità di svolgere test anche in condizioni di temperatura ambiente e/o olio controllata simulando le reali condizioni di lavoro, al fine di analizzare più efficacemente le problematiche relative alla generazione e dissipazione di calore. Nella presente applicazione, infatti, tali fenomeni sono particolarmente importanti per la presenza di fenomeni convettivi nella fase liquida.

Driver
Per quanto riguarda il sistema di controllo dei motori in prova, è possibile utilizzare un driver esterno, così da caratterizzare il sistema completo, oppure un ponte trifase specificatamente progettato e sviluppato da EN4 in modo da limitare l’analisi al solo motore. Tale ponte trifase viene comandato direttamente dagli I/O digitali di CompactRIO e viene alimentato da un alimentatore programmabile (0-30V, 0-100A).

Il sistema di controllo è stato implementato interamente su FPGA e la possibilità di poter programmare tale chip attraverso un ambiente di programmazione grafico di alto livello ha consentito di adottare un approccio RCP (Rapid Control Prototyping) sviluppando il controllo in maniera estremamente rapida e flessibile.

Il driver-EN4 può comandare motori con sensore di posizione e motori sensorless. In questo ultimo caso viene utilizzato il feedback di un encoder esterno al motore e il banco identifica la posizione del rotore attraverso una procedura di fasatura basata sull’acquisizione delle BEMF.

Tale approccio, combinato alle elevate velocità di esecuzione dell’FPGA, pone il driver del banco sia come uno strumento per valutare le prestazioni massime dei motori sia come un riferimento ideale per il processo di sviluppo di sistemi di controllo che, in assenza di feedback di posizione, devono lavorare utilizzando algoritmi stimatori (sensorless).
Attualmente, viene utilizzato un controllo 6-step ma la scelta di sviluppare il controllo su FPGA potrà consentire la futura implementazione di tecniche più complesse come quelle vettoriali.

CompactRIO
Il sistema è costituito da:
• PC con sistema operativo MS WindowsXP;
• controller e chassis —CompactRIO per la gestione di operazioni complesse;
• chassis di espansione NI  per la gestione di segnali lenti e sicurezze.
Le tre unità sono collegate attraverso LAN Ethernet, mentre una seconda porta Ethernet sul PC consente il collegamento ad una rete aziendale per la consultazione dei risultati e il monitoraggio della macchina.

Il software è strutturato in diversi livelli:
• il target FPGA acquisisce e processa i dati ed esegue i cicli di controllo;
• il controller RT si interfaccia al target FPGA, provvede al trasferimento dati tramite PCI local bus e allo streaming su disco dei risultati che poi, concluso il test, vengono trasferiti via FTP al PC;
• il PC gestisce l’interfaccia utente e i database delle “ricette” e dei risultati, invia comandi al target RT attraverso network-stream.

Le caratteristiche principali del sistema possono essere così sintetizzate:
• acquisizione 500kHz 16bit: 12 canali (tensioni/correnti di alimentazione e fase, hall-sensors);
• acquisizione 100kHz 16bit: 4 canali (coppia, BNC general purpose);
• acquisizione posizione angolare a 10MHz;
• acquisizione 4 Termocoppie;
• PID di controllo coppia/velocità, implementato su FPGA, loop a 20kHz;
• driver terze parti: interfaccia TTL/analogico/CAN;
• driver-EN4 con feedback hall: implementato su FPGA, loop a 500kHz;
• driver-EN4 con feedback encoder: implementato su FPGA, loop a 10MHz;
• controllo servomotore per prove di trascinamento.

Software
Il software è suddiviso in diverse sezioni. Una sezione, detta “Test Plan Editing”, gestisce un database di “ricette” che identificano tutti e soli i parametri caratterizzanti la prova; nella sezione “Test” viene eseguita la prova, in tale fase non sono richiesti input da parte dell’operatore che viene guidato dal software in tutte le operazioni; è inoltre presente una sezione manuale dove si hanno a disposizione tutti gli I/O del banco.

La flessibilità di LabVIEW ha permesso di realizzare diversi livelli di utilizzo. Si è ottenuto: da una parte un banco prova per motori elettrici di semplice utilizzo, con una GUI gradevole ed user-friendly e una procedura di test guidata che limita al minimo le possibilità di errore; dall’altra un potente strumento di analisi che fornisce all’utente esperto tutte le informazioni necessarie all’approfondimento dei fenomeni in gioco (circa 30 parametri tra grandezze acquisite e derivate).

Si riportano di seguito alcune delle principali caratteristiche:
• è possibile monitorare continuamente tutti i parametri, sia in termini di media/RMS, sia in termini di profili acquisiti alla massima frequenza. Tali dati sono resi disponibili dal target RT attraverso shared-variable e permettono, ad esempio, una veloce analisi online dei profili di corrente e tensione, anche mentre Il motore sta funzionando.
• è possibile definire dei profili temporali di carico (coppia/velocità) e di condizioni di pilotaggio (angolo di fase e duty). Per la definizione si hanno a disposizione fino a 1024 punti che vengono interpolati a livello FPGA con risoluzione di 16 bit;
• durante i test è possibile definire delle finestre temporali in cui tutti i parametri vengono salvati con una risoluzione temporale di 500kHz per un tempo massimo di circa 2 secondi;
• l’utente può analizzare e confrontare off-line i risultati tramite un interfaccia dedicata ed ha la possibilità di salvataggio in formato .txt , .xls o .jpg. È inoltre previsto un ambiente specifico per la gestione delle grandi quantità di dati relativi alle acquisizione ad alta frequenza.

Author Information:
L. Foschini
EN4
luigi.foschini@4en.it

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