Verbetering van de totale bandbreedte van de koppelregeling in aandrijflijnen door verlaging van de koppelrimpel

In veel toepassingen is de regeling van het koppel van een aandrijflijn van groot belang. De dynamiek van de koppelregeling, die voornamelijk wordt beperkt door de stroomregeling, heeft een impact op de haalbare bandbreedte van snelheidsregelaars en bijgevolg ook op hoe snel/soepel trajecten kunnen worden gevolgd. Naast het verkrijgen van een snelle koppelreactie is natuurlijk ook de kwaliteit (d.w.z. is het koppel al dan niet rimpelvrij) van het bereikte koppel belangrijk. Koppelrimpel is de periodieke verhoging of verlaging van het uitgangskoppel bij het draaien van een as en wordt in een elektrische machine bijvoorbeeld veroorzaakt door de wisselwerking tussen de stroom en de resulterende elektromotorische tegenkracht. Koppelrimpel kan echter ook een oorsprong hebben buiten de elektrische machine en het resultaat zijn van oscillerende massa's, flexibele systeemvariaties, de discrete verbrandingstijden van een interne verbrandingsmotor, enz. Het verlagen van de koppelrimpel is een belangrijke doelstelling voor nagenoeg alle fabrikanten van aandrijflijnen, aangezien deze rimpel een negatieve impact heeft op de levensduur, de prestaties, de kosten (overdimensionering van onderdelen), het gebruikerscomfort en geluidsemissies.

Er zijn veel manieren om de koppelrimpel te verlagen.

  • Je kan het ontwerp van je aandrijflijn en de onderdelen ervan optimaliseren (de afmetingen wijzigen of inertie toevoegen), of
  • Je kan interveniërende componenten, zoals een magnetische veer, toevoegen, of
  • Je kan de instelpunten en controlestrategieën van de onderdelen van je aandrijflijn optimaliseren.

In deze blog passen we deze laatste strategie toe om aan te tonen hoe we de koppelrimpel van een bestaande aandrijflijn, uitgerust met een permanent magnetische synchrone machine, zonder verdere wijzigingen aan het ontwerp kunnen verlagen.

Setup

Hoe werkt koppelrimpelonderdrukking?

Om de koppelrimpel door middel van geoptimaliseerde instelpunten en controlestrategieën van de onderdelen van een aandrijflijn te verlagen, hebben we een methode ontwikkeld met de volgende stappen:

  1. We definiëren een data-gestuurd model dat we vervolgens gebruiken om het koppel (en de koppelrimpel) te voorspellen in functie van de positie van de rotor en de stromen die door de wikkelingen vloeien. Om dit model op te zetten, kunnen zowel metingen (vanuit een koppelsensor) als een nauwkeurig eindige-elementen-model, inclusief positie-afhankelijkheid, worden gebruikt.
  2. Op basis van dit data-gestuurde model bepalen we dan stroominstelpunten (a priori en opgeslagen in naslagtabellen) die de amplitude van specifieke frequentiecomponenten van de resulterende koppelrimpel verlagen.
  3. Tot slot injecteren we stroomharmonischen om de koppelrimpel te verlagen, zoals beschreven in stap 2.

Praktische toepassing van deze koppelrimpel-onderdrukkingstechniek

Op basis van deze drie stappen berekenen we voor een gegeven bedrijfspunt van de motor (koppel en toerental) wat het stroominstelpunt moet zijn bij het draaien van de rotoras. Omdat veel industriële toepassingen waarbij koppelrimpel een rol speelt echter met hoge rotatiesnelheden worden aangedreven, krijgen deze stroominstelpunten te maken met hoogfrequente componenten. Bovendien geldt: hoe hoger het toerental, des te hoger de frequentie en dus ook des te hoger de vereiste bandbreedte van de stroomregeling. Daarom zijn proportionele integrale (PI) regelaars, die gewoonlijk voor de stroomregeling worden gebruikt, voor deze toepassing niet toereikend. Om dit probleem op te lossen, hebben we innovatieve oplossingen ontwikkeld en toegepast, waarbij gebruik wordt gemaakt van resonantieregelaars en iteratief lerende regelaars.

In de volgende twee voorbeelden tonen we het effect op het motorkoppel en de algemene dynamiek. Deze voorbeelden en methodologie worden gedetailleerd besproken in de Heurisko-webinar over koppelrimpelonderdrukking:

  1. Verlaging van de inherente motorkoppelrimpel.
    In de onderstaande grafiek tonen we het gegenereerde koppel (gemeten resultaat). De verlaging wordt duidelijk gemaakt op vlak van tijd (links) en frequentiedomein (rechts). Het frequentiedomein onthult een duidelijke 36ste harmonische (de motor bevat 36 statorgleuven) die we aanzienlijk kunnen verminderen door stroomharmonischen te injecteren.

    torque ripple 1
    De verlaging van de inherente koppelrimpel in de hierboven beschreven casus bedraagt ongeveer 83%. Een gevolg van deze verlaging is dat zowel de aandrijflijn als de ondersteunende structuur of het ondersteunende systeem minder worden belast door koppelharmonischen. Dit wordt geïllustreerd in het onderstaande voorbeeld, waarin een toerental-sweep in belaste toestand (lastkoppel van 50Nm) wordt uitgevoerd op een testbank met 2 motoren (rug-aan-rug). Terwijl zonder koppelonderdrukkingstechnieken de resonantie een piekkoppelamplitude van 23Nm bereikt, kunnen onderdrukkingstechnieken dit inperken tot 6Nm. In de onderstaande afbeelding staat R voor ‘resonantieregeling’ en ILC voor ‘iteratief lerende regeling’.
    torque ripple 2
  1. Dynamische respons
    Tot nu toe hebben we alleen (quasi-)statische resultaten laten zien, d.w.z. dat een vast bedrijfspunt is gedefinieerd en dat voor dat bedrijfspunt de koppelrimpel tot een minimum wordt beperkt. Bij gebruik in de praktijk zullen echter vaak dynamische variaties optreden. Daarom moet de ontwikkelde methodologie ook in deze omstandigheden kunnen werken.

    Om de mogelijkheden van deze methode te demonstreren, hebben we een variërende belasting geprogrammeerd met een harmonisch gehalte tussen 75 en 250 Hz. Dit betekent dat de regeling zich voortdurend moet aanpassen. Uit de resultaten blijkt dat de standaardregeling moeite heeft om het koppelinstelpunt te volgen. Daarentegen is de regeling die de koppelrimpelonderdrukkingsmethode combineert met een resonantieregeling wel in staat om het instelpunt nauwkeurig te volgen. Dit resulteert niet alleen in een verlaging van de koppelrimpel maar ook in een verbetering van de algemene prestaties van de regelaar. Dit is vooral een voordeel voor systemen met sterk variërende belastingen (bijv. weefgetouwen). Een andere toepassing waarbij een grotere dynamische respons een meerwaarde biedt, is de actieve onderdrukking van koppelrimpel die door een interne verbrandingsmotor (ICE) in hybride elektrische voertuigen wordt veroorzaakt.

    torque ripple 3 

Flanders Make en koppelrimpelonderdrukking

Flanders Make heeft deze koppelrimpelonderdrukkingstechniek ontwikkeld in samenwerking met Siemens Industry Software en Dana. De industriële partners hebben zich samen gezet om de gezamenlijke technologische uitdaging van koppelrimpelonderdrukking op basis van een motorregeling op laag niveau aan te pakken.

We bieden methoden en tools aan om koppelrimpel te onderdrukken, zowel op component- (d.w.z. motor-) als op systeemniveau. We hebben ervaring met het modelleren en testen van elektrische machines en met de implementatie daarvan in het algehele systeem.

Aarzel niet om contact met ons op te nemen indien u graag meer informatie wil over koppelrimpelonderdrukking.

torque-ripple-reduction-NL

Florian Verbelen
Auteur

Florian Verbelen

Florian Verbelen is sinds augustus 2021 actief als onderwijs begeleider aan Universiteit Gent. Florian is doctor in de industriële wetenschappen, werkte eerder als post doc en business developer aan FlandersMake@UGent op projecten gelinkt aan low level controle van elektrische machines en de impact van variabele transmissies op de dynamica en efficiëntie van aandrijftreinen.

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.