Tutto da un unico fornitore con trasferimento dati in tempo reale

Con l’ibridazione dei motori, i requisiti per le attrezzature di prova e misura per i banchi prova sono diventati decisamente più rigidi. Se questi requisiti poi si applicano a sistemi di misura destinati a funzioni diverse, la complessità dei banchi prova aumenta drasticamente – un bel grattacapo per costruttori e utenti. La soluzione eDrive di HBM offre un’attrezzatura tutto compreso per i test e le misurazioni, adatta anche ai banchi prova più complessi, tutta da un unico fornitore, comprendente il trasferimento in tempo reale dei dati al sistema di automazione.

Per molti anni, i banchi prova nell’ingegneria automobilistica hanno sempre avuto un design molto simile. Dopo tutto, l’oggetto testato era sempre lo stesso: un motore a combustione e, in alcuni casi, una trasmissione. Pertanto, le attrezzature per test e misura usate erano del tutto simili. Nel tempo sono entrate in vigore norme che ne hanno confermato l’efficacia. Alla fine della giornata, l’attenzione volgeva soprattutto a ottimizzare le routine dei test, accorciare i tempi e quindi tagliare i costi. Le modifiche tecniche riguardavano il numero crescente di sistemi bus nei campioni dei test e l’introduzione dei bus di campo in tempo reale per l’automazione.

Figura 1: Diagramma di base di una trasmissione ibrida power-split
Figura 2: Banco prova ibrido con attrezzature di test e misura HBM presso l’Institute for Internal Combustion Engines (vkm) dell’Università Tecnica di Darmstadt

Segnali lenti già noti, come temperatura, pressione, vibrazioni – ora però isolati

Il primo gruppo di segnali di misura è composto da variabili piuttosto lente, come pressione, vibrazioni e temperatura. Di norma, sono usate per determinare le “condizioni generali” del banco prova e del campione del test, in modo da garantire le giuste correzioni per il test effettivo. Oggi però le cose sono rese più complicate dalla necessità di isolare questi ingressi - qualche volta fino a 1000 V- per motivi tecnici o di sicurezza. Se la temperatura viene misurata direttamente sull’inverter del motore ausiliario, per esempio, dal punto di vista della sicurezza tecnica sarebbe opportuno isolare questi canali per la temperatura. Ciò consente di proteggere le attrezzature di misura e gli operatori in caso di disfunzione dell’inverter. Anche se la temperatura dell’avvolgimento del motore deve essere misurata su un banco prova per lo sviluppo, il sensore deve essere isolato, proprio come quando si misura la temperatura della batteria HV.

Variabili di potenza meccaniche come coppia, angolo di rotazione e velocità di rotazione – ora però dinamiche

Figura 3: Alcuni esempi di analisi, come la potenza del vettore spazio e MTPA, ottenute dai dati grezzi misurati per setpoint

Dopo le variabili meccaniche fondamentali, ora entrano in gioco le variabili di potenza meccaniche, con velocità di rotazione e coppia in prima linea. Anche qui i banchi prova ibridi devono confrontarsi con requisiti di precisione più esigenti. Per esempio, la velocità di rotazione di un motore elettrico può essere molto più alta e le fluttuazioni di coppia possono anche registrarsi su una gamma di frequenza superiore. Questo è dovuto al numero di coppie di poli del motore che, insieme ai magneti, è responsabile non solo del movimento rotatorio, ma anche delle variazioni di coppia. Si tratta di un segnale d’interferenza che deve essere registrato per poterne comprendere gli effetti sul campione di prova, sul banco prova e, ovviamente, sulla trasmissione stessa. Qui, la misurazione deve essere più dinamica rispetto ad un banco prova soltanto per motori a combustione, dove i cosiddetti picchi di coppia sono generati soltanto dal processo di combustione, che è su una frequenza decisamente inferiore a quella delle variazioni di coppia. Le cose si complicano ulteriormente quando occorre misurare la potenza meccanica più volte – se ad esempio occorre analizzare separatamente la potenza prodotta dal motore a combustione e quella del motore elettrico. In questo caso infatti sono necessarie due flange di misura e due sistemi di misura della velocità di rotazione.

La misurazione dell’angolo di rotazione è un altro caso speciale. Per analizzare i segnali del motore elettrico in un secondo momento, ad es. per produrre mappe di flusso o curve MTPA (coppia massima per Ampère, figura 3), la posizione del rotore è fondamentale nell’effettuare l’analisi matematica necessaria.

Valori di potenza elettrica ed efficienza – la sfida più grande

Ci addentriamo ora in un campo del tutto nuovo: quello delle misurazioni della potenza elettrica. Qui si impiegano solitamente gli analizzatori di potenza, che però presentano una serie di problemi per il banco prova di un motore dinamico. Gli analizzatori di potenza convenzionali sono ottimizzati per l’uso in rete o con "elettrodomestici". I cicli di misura sono adeguatamente lenti, il che consente di ottenere precisione attraverso il calcolo della media. Al contempo però è proprio questa lentezza dei dati che intralcia la misurazione dinamica, o il progresso rapido attraverso una mappa caratteristica con migliaia di punti di misurazione. Nella maggior parte dei casi non c’è neppure un collegamento ad un sistema fieldbus.

Un altro problema è dato anche dalla restrizione del numero di canali a tre o quattro canali di potenza nella maggior parte dei casi. Ciò che potrebbe essere appena sufficiente per i motori trifase e un circuito intermedio diventa un problema quando esistono motori a cinque o sei fasi o altri sistemi complessi.

Eppure, uno dei problemi spesso più sottovalutati è quello della completa tracciabilità. Gli analizzatori di potenza forniscono risultati pronti calcolati e non sono in grado di archiviare dati grezzi. Pertanto non è possibile eseguire un tracciamento completo della catena di misura. Si possono usare gli analizzatori di potenza tarati, ma solitamente questi sono tarati con segnali puramente sinusoidali a 53 Hz. Nella trasmissione ibrida invece occorre misurare i segnali PWM nella gamma di diversi kHz. Il certificato di taratura non è in grado di dimostrare esattamente come un analizzatore di potenza può effettuare misurazioni in questi casi. Alla luce degli eventi del #dieselgate, questo problema è destinato a destare sempre più attenzione in futuro.

Un altro dettaglio spesso sottovalutato è il sincronismo necessario per la misurazione dell’efficienza. Se intendiamo confrontare l’ingresso di potenza elettrico con l’uscita di potenza meccanica – ovvero calcolare l’efficienza – questi valori di potenza devono essere ottenuti e calcolati in media esattamente nella stessa finestra di misura. Per le misurazioni dinamiche, anche le più disparate frequenze di campionamento e i filtri d’ingresso incidono sui segnali elettrici e meccanici, e possono avere un ruolo importante in possibili errori di misura.

Dati grezzi come rimedio

L’archiviazione di dati grezzi presenta una soluzione per ovviare al problema della tracciabilità. Qui, oltre ai valori misurati per potenza, vengono archiviati piccoli estratti di dati grezzi – ad es. corrente e tensione – con una maggiore risoluzione. Ciò consente il conseguente ricalcolo dei valori di potenza, come la potenza attiva e reattiva e i valori della potenza meccanica, consentendo la verifica della mappa di efficienza calcolata. Questa verificabilità si estende ai dati grezzi e ai sensori, non solo agli analizzatori di potenza. Ovviamente gli analizzatori di potenza possono anche archiviare dati grezzi, ma non sono stati ottimizzati per questa funzione. La registrazione e l’archiviazione di un singolo setpoint lungo appena pochi millimetri può facilmente richiedere 10 o 20 s. Di conseguenza, la sequenza del test per misurare la mappa caratteristica risulta drasticamente allungata per via della mancanza di capacità di archiviazione in tempo reale da parte dell’analizzatore di potenza.

Figura 4: Sistema di misura integrato per variabili elettriche e meccaniche

Archiviazione dei dati grezzi, calcolo della potenza e trasferimento dei risultati – tutto in tempo reale

Per superare tutti i problemi delineati sopra, è necessario trovare nuovi metodi che vadano oltre le tradizionali combinazioni di test su banchi prova, attrezzature di misurazione e analizzatori di potenza. La sfida di eseguire più mansioni possibile tra quelle indicate sopra con un solo sistema può essere in gran parte semplificata usando banchi prova ibridi, in termini sia di attrezzature di test e misura che di comunicazione con il sistema di automazione.

Proprio questo tipo di approccio è offerto dal sistema di misura eDrive GEN DAQ di HBM (figura 4).

Questo dispositivo modulare adeguatamente configurato registra tutti i segnali necessari in modo sincrono e simultaneo. Schede plug-in per i segnali di corrente e voltaggio, le variabili meccaniche, come vibrazioni o pressione e speciali satelliti per la registrazione dei segnali bus, oltre a, come funzione speciale, temperature con termocoppie con ingressi isolati fino a 1.000 V.

Con il mainframe, il segnale relativo alla velocità di rotazione, alla coppia e all’inclinazione può essere registrato direttamente e simultaneamente in un numero massimo di sei punti di misura.

Le schede plug-in hanno processori di segnale digitali, che registrano i segnali in ingresso, verificano i valori fondamentali delle correnti e calcolano i parametri di potenza abituali come potenza attiva, potenza reattiva, lambda e simili in tempo reale per metà ciclo. Controllata dall’automazione, la funzione di trigger consente di archiviare qualsiasi quantità di dati grezzi per setpoint, anche in tempo reale. L’archiviazione viene effettuata su un hard disk integrato nel mainframe, in modo da non sovraccaricare il sistema di automazione con queste frequenze di dati estremamente elevate della gamma di megasample (figura 5).

Dato che sono registrati anche i segnali di temperatura e CAN bus, ora è anche possibile compensare le temperature (bilanciare la resistenza dell’avvolgimento sulla base della temperatura misurata), ad esempio. Inoltre è possibile analizzare comodamente le risposte con funzione a gradini del controllo dovuto a rapide fasi di coppia attivate da un comando bus.

L’intero sistema di misurazione è controllato da un computer Windows, benché l’interno del mainframe alloggi una versione in tempo reale del sistema operativo LINUX. Pertanto, ora è possibile inoltrare i risultati del computer in tempo reale, mentre vengono archiviati i dati grezzi. Per questo viene usato il bus EtherCAT – praticamente lo standard nell’industria automobilistica. I risultati vengono calcolati fino a 1000 volte al secondo e inoltrati al sistema di automazione con una latenza minima di 1 ms. Dato che è possibile eseguire simultaneamente in tempo reale più analisi approfondite, è possibile ottenere il controllo di una vasta gamma di nuove possibilità. Invece del tradizionale controllo della coppia, il banco prova può essere impostato alla massima corrente q (calcolata in tempo reale con la trasformazione di Park), riducendo al minimo le perdite nel motore.

Figura 5: Diagramma di base di un banco prova ibrido con acquisizione di dati meccanici, elettrici e dei bus, con collegamento in tempo reale ad un sistema di automazione

Facilmente espandibile per banchi prova per motori con quattro ruote motrici o eCVTs

Il vantaggio finale delle attrezzature di misura descritte sopra è l’espandibilità crescente. Ciò consente non solo di adattarle a diversi tipi di segnali d'ìngresso, ma consente anche di collegare un numero praticamente illimitato di canali aggiuntivi. Inoltre, l’uso di ulteriori schede di misura consente di eseguire operazioni di misura di complessità ancora maggiore. Per misurare un motore a sei fasi, non abbiamo più bisogno di due analizzatori di potenza, ma soltanto di una scheda plug-in in più. E un’applicazione complessa come un eCVT con motore a combustione, due motori elettrici e quattro alberini di coppia può essere gestita con successo con un unico sistema.

Informazioni sull’autore

Dipl. Ing. Klaus Lang è Business Development Manager per eDrive (= sistemi di prova per macchine elettriche alimentate da inverter) presso la sede HBM di Darmstadt.

Conclusione: Enorme semplificazione per i banchi prova ibridi

Il sistema di prova eDrive di HBM riserva enormi vantaggi per gli integratori del sistema per quanto riguarda la semplificazione delle strategie di misura. Invece di avere più sistemi di misura per diversi segnali e con gran numero di canali, è sufficiente un solo sistema. E grazie al collegamento al sistema bus in tempo reale EtherCAT – per ora unico nel settore – i flussi di dati sono integrati nelle strutture preesistenti con la massima semplicità.
Per l’utente, l’archiviazione opzionale di dati grezzi, in particolare, offre vantaggi enormi, come la tracciabilità dei dati grezzi e un’analisi estesa, come la determinazione delle correnti d,q e delle mappe MTPA.


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