De energie-efficiëntie en prestaties van voertuigen en machines met behulp van virtuele detectie verbeteren

Voertuigen en machines zijn onderhevig aan een aantal externe krachten en koppels. Het kennen van deze invloeden is van cruciaal belang tijdens de ontwikkelings- en exploitatiefase. Gegevens over kracht en koppel maken een nauwkeurigere voorspelling van de levensduur en een vermindering van de veiligheidsmarges mogelijk. Wanneer men gedetailleerde informatie over de inwerkende belastingen heeft, wordt immers ook een diepgaande duurzaamheidsstudie mogelijk. Dit resulteert in een daling van het aantal storingen, lagere garantiekosten, een verbeterde energie-efficiëntie en betere prestaties

shutterstock_1087526135-1

Helaas is het meten van krachten en koppels zowel duur als intrusief. En vaak is het al helemaal niet mogelijk door beperkingen op het vlak van geometrie, duurzaamheid of veiligheid. Zo vereist het toevoegen van een koppelsensor aan een aandrijflijn bijvoorbeeld enige ruimte (die meestal niet in het ontwerp voorzien is), de installatie ervan wijzigt ook de dynamiek en de vermogensstroom van de aandrijflijn en ook de kabels voor de stroomvoorziening en de gegevensoverdracht brengen een aantal problemen met zich mee. De oplossing is virtuele detectie.

Virtuele detectie is gericht op nauwkeurige en betrouwbare indirecte kracht- en koppelmetingen. Dit is mogelijk door een op fysische elementen gebaseerd model van het systeem te combineren met eenvoudig in te zetten metingen zoals positie-, snelheids- en versnellingsmetingen vanuit sensoren die al in het systeem ingebouwd zijn.

Hoe werkt deze virtuele meting?

virtual sensing-1

  1. Het systeemmodel draait simultaan met de echte machine of het echte proces.
  2. Een schattingssysteem werkt het model voortdurend bij door de beschikbare metingen te vergelijken met een voorspelling van de door het model verkregen metingen.
  3. Zodra de discrepantie tussen de werkelijke en de voorspelde metingen gecorrigeerd is, wordt het model gesynchroniseerd met de werkelijkheid.
  4. Vanuit de virtuele omgeving kunnen krachten en koppels afgeleid worden waardoor een virtuele meting verkregen wordt.

De mogelijkheden van virtuele detectie reiken verder dan het inschatten van krachten en koppels. Virtuele detectie kan ook toegepast worden voor het inschatten van andere variabelen zoals: de locaties van eindeffectoren in positioneringssystemen, lokale gebreken in een constructie, trillingsniveaus op een voertuig, enz. Virtuele detectie kan zo niet alleen hoogwaardige sensoren vervangen maar laat ook toe om modeleigenschappen zoals parameters en modelstructuren te identificeren.

“Wanneer directe metingen niet mogelijk zijn,
biedt virtuele detectie een robuust en kostenefficiënt alternatief
."

INGEBOUWD GEBRUIK VAN EEN VIRTUELE SENSOR

Voor veel praktische toepassingen in de industrie moet de virtuele sensor in real-time op een kleine ingebouwde computer draaien. Ook moet de code geoptimaliseerd worden om te garanderen dat deze computer de vereiste nauwkeurigheid genereert. Daarom hebben we een co-designmethode ontwikkeld waarmee het optimale compromis tussen de prestaties van het schattingssysteem en de real-time hardwarebeperkingen bepaald kan worden. Dit impliceert ook een herconfiguratie van de software (met de mogelijkheid om processen parallel te laten verlopen) en technieken om een model van het ingebouwde platform gelijktijdig met een model van de software te simuleren.

DRIE TOEPASSINGEN VAN VIRTUELE KRACHT- EN KOPPELDETECTIE

 

1.Koppelinformatie over mechatronische aandrijflijnen

We maken gebruik van een generiek, op fysische elementen gebaseerd model van een aandrijflijn met een uitgebreide Kalmanfilter als schattingssysteem.

De onderstaande grafiek toont de resultaten van de koppelinschatting. De blauwe curve is het geschatte signaal, de grijze het referentiesignaal, verkregen door directe koppelmeting.

Graph 1 VSVerschillende sensorsets resulteren in een verschillende schattingsnauwkeurigheid van het koppel. Zo toont de zwarte curve de resultaten van een virtuele sensor die uitsluitend gebruik maakt van metingen van elektrische grootheden, terwijl de blauwe curve ook versnellingsmetingen van de aandrijflijn mee in rekening brengt.

Bekijk hier een video van onze mechatronische aandrijflijn.

2. Virtuele detectie voor het schatten van de zijdelingse sliphoek en de bandenkracht.

Moderne voertuigen zijn uitgerust met geavanceerde bestuurdersassistentiesystemen. Dergelijke systemen presteren beter als ze nauwkeurige informatie hebben over de staat van het voertuig, zoals de zijdelingse sliphoek en de bandenkrachten van het voertuig. Deze parameters zijn echter zeer moeilijk te meten en vereisen dure en intrusieve sensoren. Virtuele detectie biedt een kostenefficiënt alternatief, omdat hiermee deze grootheden ingeschat kunnen worden op basis van sensoren die in moderne voertuigen reeds ingebouwd zijn en een op fysische elementen gebaseerd voertuigmodel.

We hebben een testvoertuig uitgerust met dure sensoren voor de zijdelingse sliphoek en bandenkrachten om onze schattingen hiermee te vergelijken. Uitdagende manoeuvres werden uitgevoerd onder verschillende omstandigheden om de robuustheid en nauwkeurigheid van de virtuele sensor aan te tonen.

RS 20180210 Testbaan Lommel iTeam-00_37_37_22-Still009

De onderstaande grafiek toont de resultaten van de schatting van de zijdelingse sliphoek voor een slalommanoeuvre op een weg met variabele wrijving.

Graph 2 VS

De geschatte zijdelingse sliphoek (blauwe stippellijn) heeft een fout van slechts 1,1 graad (RMSE) ten opzichte van de referentiemeting van de dure sensor (dikke grijze lijn).

3.  Schatten van het koppel van elektromotoren rekening houdend met temperatuureffecten

Bij elektromotoren is een nauwkeurige kennis van het koppel belangrijk om het uitgangskoppel binnen een redelijk bereik te houden en de bedrijfsefficiëntie te verbeteren. Het motorkoppel wordt meestal geschat in de veronderstelling dat de rotorweerstand constant is in de tijd. De temperatuur heeft echter een impact op de rotorweerstand, wat tot schattingsfouten van meer dan 10% kan leiden.

We ontwikkelden een virtuele sensor voor de rotortemperatuur van de motor op basis van een eenvoudig te identificeren thermisch motormodel en een meting van de temperatuur van de statorwikkelingen (met behulp van één enkele, standaard verkochte sensor). Door de schatting van de rotortemperatuur te combineren met het door ons ontwikkelde elektrothermische motormodel kunnen we het motorkoppel nauwkeurig inschatten, rekening houdend met temperatuureffecten. Deze aanpak kan, na het uitvoeren van een eenvoudige kalibratie, ook toegepast worden op inductiemotoren van alle vermogensklassen met vectorregeling.

Graph 3 VS

Flanders make en virtuele detectie

Flanders Make ontwikkelde de virtuele detectietechnologie in samenwerking met Siemens Industry Software, Bekaert, Atlas Copco Airpower, ZF Windpower, Vandewiele, Dana en Tenneco. De industriële partners zijn aan boord gekomen om te werken aan de gezamenlijke technologische uitdaging om de koppels en krachten te beoordelen zonder hiervoor dure en intrusieve sensoren te moeten toevoegen. De bedrijven werken nu aan de integratie van de technologie in hun eigen producten en productieprocessen.

Flanders Make biedt methoden en tools aan om modelgebaseerde sensoren te ontwerpen, te kalibreren en te valideren. We hebben diepgaande kennis van industriële sensoren en kunnen ondersteuning bieden bij het inzetten van virtuele kracht- en koppelsensoren.

Neem gerust contact met ons op indien u meer informatie wenst over virtuele detectie.

Contacteer ons

Matteo Kirchner
Auteur

Matteo Kirchner

Matteo Kirchner behaalde een Bachelor in Industrial Engineering en een Master in Mechatronics Engineering aan de Universiteit van Trento (Italië). Na een doctoraat in Mechanical Engineering aan de KU Leuven (België) is hij momenteel postdoctoraal onderzoeker en projectleider binnen de KU Leuven divisie Mecha(tro)nic System Dynamics en het Flanders Make Core Lab Dynamics of Mechatronic Systems, waar hij zich richt op virtual sensing voor state/input/parameter schattingen via digitale tweelingen en computervisie.

Related Posts

Lees meer
Lees meer
Lees meer

BLIJF OP DE HOOGTE!

Schrijf je in voor onze nieuwsbrief en ontvang de interessantste artikels over innovaties in de maakindustrie en updates over Flanders Make.