Tudo de uma única fonte com transferência de dados em tempo real

Com os motores híbridos, os requisitos dos bancos de ensaio e dos equipamentos para teste e medição se tornaram mais rigorosos. A solução eDrive da HBM oferece equipamentos turnkey de teste e medição para os mais complexos bancos de ensaio, tudo de uma única fonte, incluindo transferência de dados em tempo real para a automatização do sistema.

Por muitos anos, os bancos de ensaio de motores na engenharia automotiva sempre tiveram um design parecido. Afinal de contas, o objeto do ensaio era sempre o mesmo: um motor a combustão e, às vezes, uma transmissão. Portanto, os equipamentos usados para teste e medição também eram muito parecidos. Ao longo do tempo, as normas surgiram e provaram seu valor. No final, o foco era principalmente na otimização das rotinas dos ensaios, encurtando seu tempo e, portanto, reduzindo custos. Modificações técnicas foram necessárias devido ao número crescente de sistemas bus nas amostras dos ensaios e a introdução de fieldbuses de tempo real para automação.

 

 

Fig. 1: Diagrama básico de um sistema híbrido com potência dividida
Fig. 2: Banco de ensaio para sistemas híbrios com equipamento de teste e medição da HBM no Instituto para Motores de Combustão Interna da Universidade Técnica de Darmstadt (vkm)

Sinais tipicamente lentos como temperatura, pressão e vibração, mas agora com isolação

O primeiro grupo de sinais de medição é formado por variáveis lentas, como pressão, vibração e temperatura. Como regra, são usados para determinar o "estado geral" do banco de ensaio e do objeto do ensaio, para garantir as condições corretas para ensaios reais. Entretanto, as coisas se tornaram mais difíceis pela necessidade de isolar estas entradas, muitas vezes até 1.000V, por razões técnicas ou de segurança. Se a temperatura é medida diretamente em um inversor de um motor auxiliar, por exemplo, seria aconselhável de uma perspectiva de segurança técnica, isolar estes canais de temperatura. Isso protege o equipamento de medição e seu operador no caso de uma falha no inversor. Se a temperatura das bobinas do motor também precisarem ser medidas em um banco de ensaio de desenvolvimento, o sensor deve ser isolado, assim como quando se mede a temperatura em uma bateria de alta tensão.

Variáveis mecânicas de potência como torque, ângulo de rotação e velocidade de rotação, agora dinâmicas

Fig. 3: Alguns exemplos de análise como potência vetorial e MTPA, obtido de dados brutos medidos por setpoint

Após as variáveis mecânicas fundamentais, as variáveis mecânicas de potência agora entram em jogo, com velocidade rotacional e torque como elementos principais. Aqui, também, os bancos híbridos de ensaio enfrentam mais requisitos de precisão. Por exemplo, a velocidade rotacional de um motor elétrico pode ser muito alta e as variações do torque também podem ficar em uma faixa de frequência maior. Isso é devido ao número de pares de polos do motor que, junto com os imãs, são responsáveis não apenas pelo movimento, mas também pela oscilação do torque. Este é um sinal de interferência que deve ser registrado para entender seus efeitos no objeto em teste, no banco de ensaio e, claro, no próprio drive train. Aqui, a medição precisa ser mais dinâmica que em um banco de teste de motor de combustão pura, no qual os picos de torque são gerados apenas pelo processo de combustão, o que é de uma frequência muito menor que o ripple do torque. As coisas também ficam mais complicadas quando a potência mecânica precisa ser medida diversas vezes, se a potência produzida pelo motor de combustão e pelo motor elétrico tiver que ser analisada separadamente, por exemplo. Então, dois flanges de medição e dois sistemas de medição de velocidade rotacional precisam ser usados.

A medição do ângulo de rotação é outro caso especial. Se os sinais do motor elétrico serão analisados posteriormente, como por exemplo, para produzir mapas de fluxo ou curvas de MTPA (maximum torque per ampere, Fig. 3), a posição do rotor é essencial para as análises matemáticas necessárias.

 

 

Valores de eficiência da potência elétrica: o maior desafio

Agora entramos em um campo completamente novo: o das medições de potência elétrica. Wattímetros são normalmente usados para este propósito, mas apresentam uma série de problemas em bancos de ensaio de motores dinâmicos. Wattímetros convencionais são otimizados para uso em medições na rede, ou com "produtos da linha branca". Os ciclos de medição são lentos, de modo que podem ser obtidas maiores precisões através do cálculo da média. Entretanto, são exatamente estas taxas lentas de dados que impedem a medição dinâmica, ou o rápido progresso através de um mapa característico com milhares de pontos de medição. E na maioria dos casos, não há conexão com um sistema fieldbus.

Outro problema é a restrição do número de canais para três ou quatro canais de potência na maioria dos casos. O que pode ser suficiente para motores de três fases e um circuito intermediário se torna um problema quando há motores de cinco ou seis fases ou outros sistemas complexos.

Ainda, um dos problemas mais subestimados é o da rastreabilidade completa. Wattímetros entregam resultados já calculados e são incapazes de armazenar dados brutos. Portanto, o rastreamento completo da cadeia de medição não é possível. Wattímetros calibrados podem ser usados, mas são normalmente calibrados com sinais sinusoidais puros a 53Hz. Mas no motor híbrido, sinais PWM na faixa de vários kHz tem que ser medidos. Um certificado de calibração é incapaz de demonstrar exatamente como um Wattímetro pode responder nestes casos. Como resultado do #dieselgate, este problema obviamente vai exigir ainda mais atenção no futuro.

Outro problema subestimado com frequência é a sincronia necessária para uma medição eficiente. Se pretendermos comparar a entrada de potência elétrica com a saída de potência mecânica, ou seja, calcular a eficiência, estes valores de potência precisar ter sido obtidos e calculada a média precisamente na mesma janela de medição. Para medições dinâmicas, mesmo as taxas de amostragens e filtros de entrada mais diferentes influenciam os sinais elétricos e mecânicos, e podem desempenhar um papel importante em possíveis erros de medição.

Dados brutos como solução

O armazenamento de dados brutos oferece uma saída para o problema de rastreabilidade. Aqui, além dos valores medidos para potência, pequenas amostras de dados brutos, como corrente e tensão, são armazenados em alta resolução. Isso permite o cálculo subsequente e renovado de valores como potência ativa, reativa e mecânica, permitindo que seja verificado o mapa da eficiência calculada. Esta verificação se estende de volta aos dados brutos e aos sensores, não apenas aos Wattímetros. Claro que os Wattímetros também podem armazenar dados brutos, mas não foram otimizados para esta tarefa. A gravação e armazenamento de um único setpoint a apenas alguns milímetros podem facilmente levar 10s ou 20s. Consequentemente, a sequência de teste para medir o mapa característico é dramaticamente estendida por conta da falta de capacidade de armazenamento em tempo real do Wattímetro.

Fig. 4: Sistema de medição integrado para variáveis elétricas e mecânicas

Armazenamento de dados brutos, cálculo de potência e transferência dos resultados: tudo em tempo real

A fim de superar todos os problemas descritos acima, há a necessidade de novas abordagens que vão além das combinações tradicionais de bancos de ensaio, equipamentos de medição e Wattímetros. O desafio de realizar o máximo de tarefas mencionadas acima quanto possível com apenas um sistema pode ser amplamente simplificada com um banco híbrido de ensaio, tanto em termos de equipamento para teste e medição quanto com o sistema de automação.

Tal abordagem é oferecida pelo sistema de medição eDrive GEN DAQ da HBM (fig. 4).

Este equipamento modular configurado apropriadamente grava todos os sinais necessários de forma sincronizada e simultânea. Placas de entrada para sinais de corrente e tensão, variáveis mecânicas como vibração ou pressão e módulos satélite especiais para gravação de sinal bus e, como característica especial, temperaturas com termopares com entradas isoladas de até 1.000V.

Com o mainframe, os sinais de velocidade rotacional, torque e ângulo podem ser gravados direta e simultaneamente para até seis pontos de medição.

 

 

As placas de entrada apresentam processadores digitais de sinal, que gravam os sinais de entrada, determinam os fundamentos das correntes e calculam os parâmetros mais comuns de potência, como potência ativa, reativa, lambda e similares em tempo real por ½ ciclo do sinal elétrico. Controladas pela automação, a função trigger permite que qualquer quantidade de dados brutos sejam armazenados por setpoint, também em tempo real. O armazenamento ocorre em um HD integrado no mainframe para não sobrecarregar o sistema de automação com estas taxas de dados extremamente altas na faixa de megasample (fig. 5).

Uma vez que as temperaturas e os sinais de CANbus também são gravados, agora é possível compensar as temperaturas (balanceando a resistência das bobinas baseado na temperatura medida), por exemplo. Além disso, com um comando via bus, podem ser analisados com facilidade as funções de resposta ao degrau do controle devido às rápidas variações de torque.

O completo sistema de medição é controlado por um computador com Windows, embora o mainframe contenha uma versão do sistema operacional Linux. Portanto, é possível agora encaminhar os resultados calculados em tempo real, ao mesmo tempo em que os dados brutos são armazenados. Para isso, é usado o barramento EtherCAT, praticamente um padrão na indústria automotiva. Os resultados são calculados até 1.000 vezes por segundo e enviados ao sistema de automação com a latência máxima de 1ms. Uma vez que mais análises aprofundadas podem ser realizadas simultaneamente em tempo real, pode-se conseguir um conjunto de novas possibilidades de controle. Em vez do tradicional controle de torque, o banco de ensaios pode ser ajustado para a corrente "q" máxima (calculada em tempo real usando a transformação do Park), minimizando as perdas no motor.

Fig. 5: Diagrama básico de um banco híbrido de ensaios com aquisição de dados mecânico, elétrico e bus, e conexão em tempo real a um sistema de automação

Facilmente expansível para bancos de ensaio de quatro rodas ou eCVTs

A vantagem final do conceito de equipamento de medição descrito acima é sua capacidade de expansão. Isso permite não apenas ser adaptado para diferentes sinais de entrada, mas também permite praticamente um número ilimitado de canais adicionais. Então, o uso de placas de medição adicionais permite realizar tarefas de medição de complexidade ainda maior. Se um motor de seis fases precisa ser medido, já não precisamos mais de dois analisadores de potência, mas apenas um cartão de entrada. E uma aplicação complexa como um eCVT com um motor a combustão, dois motores elétricos e quatro eixos de torque também podem ser manipulados com sucesso por um único sistema.

Sobre o autor

Dipl. Ing. Klaus Lang é o Gerente de Desenvolvimento de Negócios para eDrive no escritório central da HBM em Darmstadt.

Conclusão: Enorme simplificação para bancos híbridos de ensaios

O sistema para testes eDrive da HBM traz enormes benefícios para integradores de sistemas, onde o objetivo é simplificar as tarefas de medição. Em vez de diversos sistemas de medição para diferentes tipos de sinais e com grande número de canais, apenas um sistema é necessário. E graças à conexão ao sistema bus em tempo real EtherCAT, até agora, o único nesta área, os data streams são integrados nas estruturas existentes com a maior facilidade.

Para o usuário, a opção de armazenamento de dados brutos, em particular, oferece enormes vantagens, como a rastreabilidade para dados brutos e análises estendidas, a determinação de correntes d,q e os mapas MTPA.


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