Teknisk Dokumentation - Linköping University...Teknisk Dokumentation Version 0.8 Författare: DCT-group Datum: 7 december 2011 Status Granskad CarinCarlsson 2011-12-07 Godkänd PatrikStorm

Teknisk Dokumentation

Version 0.8

Författare: DCT-groupDatum: 7 december 2011

Status

Granskad Carin Carlsson 2011-12-07Godkänd Patrik Storm 2011-12-07

Kursnamn: Reglerprojekt E-mail: [email protected]: DCT-Group Dokumentansvarig: Patrik StormKurskod: TSRT10 Dokumentansvarigs e-mail: [email protected]: Elektromekanisk aktuatorstyrning i DCT Dokumentnamn: TekniskDokumentation.pdf

Projektidentitet

Grupp E-mail: [email protected]: http://www.isy.liu.se/edu/projekt/reglerteknik/2011/DCTGroupBeställare: Per Öberg, Linköpings Universistet

Telefon: 013-282369, E-mail: [email protected]: Markus Olsson

E-mail: [email protected]: David Törnqvist, Linköping University

Telefon: 013-281882, E-mail:[email protected]: Carin CarlssonHandledare: Andreas Myklebust, Linköpings Universitet

Telefon: 013-282394 , E-mail: [email protected]

Gruppmedlemmar

Namn Ansvarsområde Telefon E-mail(@student.liu.se)

Carin Carlsson Projektledare (PRO) 0736-806752 carca691Patrik Storm Dokumentansvarig

(DOK)073-6264142 patst357

Alfred Johansson Testansvarig (TES) 073-5571325 alfjo185Mattias Johansson Designansvarig (DES) 0730-260255 matjo556Robert Johansson Gruppmedlem 073-5071127 robjo209Erik Israelsson Gruppmedlem 070-6099707 eriis325

Dokumenthistorik

Version Datum Ändringar Sign Godkänd av0.1 2011-10-26 Första utkast PS, CC, AJ CC0.3 2011-11-15 Andra utkast EI, CC, AJ CC0.4 2011-11-22 Korrigerat efter kommentarer PS, Mj, AJ CC0.6 2011-11-26 Omstrukturering av kapitel,

första externa versionPS, RJ, AJ CC

0.8 2011-12-07 Korrigering efter synpunkter PS, AJ CC


Elektromekanisk aktuatorstyrning i DCT IV

Innehåll

1 Inledning 1

1.1 Parter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Syfte och mål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.3 Användning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.4 Definitioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Systemöversikt 2

2.1 Beskrivning av produkten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Ingående delsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.3 Designfilosofi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.4 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3 Delsystem: DCT 5

3.1 Övergripande information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.2 Solfjädrar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.3 Montering på ingående axel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.4 Växling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.5 Självjustering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.6 Lokalisering av ”Kiss-point” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4 Delsystem: Kopplingsaktuator 9

4.1 BLDC, Brush-Less DC motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.2 HALL-sensorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4.3 Upplösning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.4 Kontaktdon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

4.5 Motormodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.6 Aktuatormodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.6.1 Matematisk uppställning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.6.2 Matematisk modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.7 Förspänning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5 Delsystem: Motorstyrningskrets 22

5.1 Översikt av delsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.2 Designfilosofi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.3 Konstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.4 Komponentval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.5 PWM signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.6 Utvecklingsmöjligheter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28


Elektromekanisk aktuatorstyrning i DCT V

6 Delsystem: Mätkort, NI 6229 30

6.1 Översikt av delsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.2 Uppbyggnad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.3 Implementation och funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.4 Utvecklingsmöjligheter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

7 Realtid 31

7.1 Windows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

7.2 Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

7.3 Konfiguration av kontrolldator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

7.4 Prestanda rt-preempt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

8 Delsystem: Reglering 34

8.1 Implementerade reglerstrategier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

8.1.1 Bang-bang-reglering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

8.1.2 PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

8.2 MPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

8.2.1 Grundläggande MPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

8.2.2 Olinjär MPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

9 Delsystem: Reglerprestanda 37

9.1 Prestandamått . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

9.2 Stegsvar till kiss-point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

9.3 Översläng vid steg till kiss-point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

9.4 Avvikelse i stationäritet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

9.5 Rampföljning ovanför Kiss-point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

9.6 Stegsvar i momentöverföringsområdet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

9.7 Slutsats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

10 Delsystem: Riktlinjer för testbänkskonstruktion 44

10.1 Översikt av delsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

10.2 Val av motortyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

10.3 Likströmsmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

10.4 Val av växelströmsmotortyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

10.5 Asynkron växelströmsmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

10.6 Synkron växelströmsmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

10.7 Frekvensomriktarstyrning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

10.8 Krav på drivande motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

10.9 Bromsning på växellådans utgående axel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

10.10Krav på bromsande motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46


Elektromekanisk aktuatorstyrning i DCT VI

10.11Testning av spinnrigg med körcykel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11 Appendix A 48


Elektromekanisk aktuatorstyrning i DCT 1

1 Inledning

Denna tekniska dokumentation avser en utvärdering av elektromekaniska aktuatorersreglerprestanda i en DCT (Dual Clutch Transmission). Utvärderingen innefattar utveck-lade prestandamått, mätningar och jämförelser med elektrohydrauliska aktuatorer, upp-koppling av mätstation, modellbygge av aktuatorn samt design av en spinnrigg.

1.1 Parter

Ingående i projektet är kunden Markus Olsson, beställare Per Öberg från LiTHs fordons-systemsavdelning, handledare samt experter från LiTH. Projektgruppen kommer frånLiTHs teknisk fysik och elektroteknik- och maskintekniklinjer.

1.2 Syfte och mål

Syftet med projektet är att utvärdera kopplingarnas elektromekaniska aktuatorers regler-prestanda samt att skapa en laboration/forskningsplattform för en DCT vid Linköpingsuniversitet. Målet med projektet är att leverera en relevant undersökning av de elektrome-kaniska aktuatorernas prestanda till kunden. Undersökningen är därför sådan genomfördatt den utvärderar om elektromekaniska aktuatorer kan regleras bättre, enklare eller merenergisnålt jämfört med ett studerat elektrohydrauliskt system.

1.3 Användning

Prestandautvärderingen kommer överlämnas till kund för vidare utvärdering och använd-ning. Designdirektiven för en testbänk skall överlämnas till beställare och därmed LiTH,för att möjliggöra konstruktionen av ovannämnda testbänk. Den motorstyrningskrets sombyggdes under kursen, samt dess uppkoppling mot växellådan, överlämnas till Linköpingsuniversitet tillsammans med mjukvaran som användes under projektet.

1.4 Definitioner

Med DCT avses en Dual Clutch Transmission, dubbelkopplad växellåda på svenska. Medtransistorbrygga avses ett uppkopplat nät av transistorer och hjälpkretsar vars funktionär att omvandla ett mätkorts små strömmar och spänningar till något som kan drivaen elmotor. Med ”Kiss-point” avses, i hela dokumentet, den punkt då kopplingslamell ochtryckplatta får kontakt. Det är då som moment börjar överföras i kopplingen. För enkelhetkallas den aktuatorn som trycker på den lilla solfjädern1 för aktuator 1 (udda växlar) ochoch den som trycker på den stora således till aktuator 2 (jämna växlar) genomgående ihela projektet.

1För information om solfjädrar se kapitel 3.2



2 Systemöversikt

Figur 1: Systemskiss: Control PC är en PC, som kör realtidsversion av Linux, med till-hörande mätkort. Elmotorerna styr varsinn aktuator som används för att koppla.

En principiell skiss över hur laborationsuppsättningen som användes för att utvärdera deelektromekaniska kopplingsaktuatorerna synes i figur 1. Styrdatorn (i figur 1, “ControlPC”) har som roll att ta emot mätdata och utifrån en regleralgoritm skicka ut lämpligstyrsignal till elmotorn.

Figur 2: Skiss över aktuatorns princi-piella utseende, hävarmspunkten x flyt-tas fram och tillbaka för att varieraFclutch som går till kopplingen. Fspringär en kraft från en fjäder[1]

Elmotorn (i figur 1, Electrical Motor) styr isin tur en kulskruv som förflyttar punkten sombestämmer hävarmsavståndet hos aktuatorerna.Figur 2 och 3 kan vara behjälpliga i illustra-tionssyfte. Hävarmens förflyttning gör att kopp-lingsplattorna flyttar sig och lamellerna får kon-takt varpå moment överförs. Eftersom det är endubbelkoppling agerar de båda aktuatorerna påett sådant sätt att momentförlusten under kopp-lingsförloppet blir så litet som möjligt. Positio-nen hos kulskruven, och i sin tur hävarmsav-ståndet, återkopplas till styrdatorn som utnytt-jar informationen i sin reglerloop.

Principen hos en DCT visas i figur 3. En DCT äregentligen en manuell växellåda med två kopp-lingar. Den ena kopplingen sköter de jämna väx-larna och den andra tar hand om de udda. Dettaleder till att man kan uppnå prestandan av enmanuell växellåda och komforten i form av attslippa växla och oavbruten momentöverföringfrån en klassisk automatlåda på samma gång.



Figur 3: Översikt över hur en DCT fungerar, axeln till den ena växellådan ligger innesluteni den andra. Via kopplingen väljer man sedan vilken av de två som tillåts överföra momenttill hjulen.

2.1 Beskrivning av produkten

Slutprodukten är denna tekniska rapport, i vilken resultaten finns listade, samt labbupp-ställningen som återlämnas till LiTHs avdelning fordonssystem.

2.2 Ingående delsystem

Ingående delsystem är

• Aktuator, med modeller

• Motorstyrningskrets

• Mätkort

• Dator med realtidsoperativsystem

• Regleralgoritmer

• Reglerprestanda

• Testbänksdesign

2.3 Designfilosofi

Då projektet inleddes med leverans av en ospecificerad, icke databladsförsedd DCT-växellåda var projektet av utforskande natur. Mycket av projektet har innefattat studierav ingående delars funktion och struktur, möjliga modeller och approximationers relevanssamt utforskande arbete för att ge insikt om hur aktuatorerna kan styras. Tyngdpunkten iprojektet har därför inte varit att uppnå någon form av optimal styralgoritm, utan snarareatt överlämna en labbplattform och information om hur systemet fungerar.



2.4 Implementation

Samtliga modeller har skapats i MATLAB och Simulink för att sedan exekveras som enrealtidsprocess i Linux. Motorstyrkretsen har konstruerats av DIL2 kretsar på ett kopp-lingsdäck. Kretsscheman har skapats i Pspice och övriga figurer är gjorda i bildbehand-lingsprogram i Linux och Windows.

2Dual Inline Package, kretsar för montering på hålmonterade microchip



3 Delsystem: DCT

I detta kapitel beskrivs den växellåda som använts under projektet med information omdess egenskaper och hur den användes under studien.

3.1 Övergripande information

Växellådan är en sexväxlad automatlåda med dubbla torrkopplingar som är elektromeka-niskt aktuerade. Växellådan tillverkas av Getrag och har modellbeteckningen Powershift6DCT250. Specifikationer ges enligt tabell 3.1 [12].

Max. Torque Capacity 240 - 280 NmWeight (dry) 72 -82 kg (incl. damper/DMF)Installation length 350 - 400 mmInput Shaft - Differential 183 - 205 mmOil 1.7 - 1.9 lRatio 1st gear 15 - 18.5Ratio 6th gear 2.1 - 4Gear Spread Ratio max 7.2Synchronization1st and 2nd gear dual cone3rd and 4th gear single cone5th and 6th gear single coneControl unit integrated (only one plug to the vehicle)Parking lock mechanically actuated and lockedShifter System electromechanical actuation of the dryclutch and shifting system

Tabell 1: Specifikation av växellådan som använts under projektet

3.2 Solfjädrar

Då aktuatorerna rör på sig trycker dessa på två anläggningsplattor som i sin tur tryckerpå två solfjädrar, en liten och en stor. Dessa fjädrar kan ses på undersidan av kopplings-paketet.

3.3 Montering på ingående axel

För att kunna genomföra en korrekt koppling med aktuatorerna behöver de komponentersom sitter på växellådans ingående axel monteras korrekt. Figur 4 visar en schematiskbild över monteringsförfarandet. De ingående komponenterna beskrivs kortfattat nedan:

• A,C: Låsringar, används för att hålla kopplingspaketet på plats.

• B: Kugghjul som används vid momentöverföring mellan den lilla axeln och kopp-lingspaketet

• D: Kopplingspaket.

• E: Anläggningsplattor till solfjädrar. När aktuatorerna trycker uppåt används dennaför att få en jämt fördelad kraft på kopplingspaketets solfjädrar.



Figur 4: Schematisk skiss över monteringen av dubbelkopplingen på växellådans ingåendeaxel

3.4 Växling

Själva växlingen i växellådan sker med hjälp av två elmotorer som driver två kugghjulsom i sin tur växlar. Under projektet fanns det behov av att manuellt kunna växla. Dettagjordes genom att elmotorerna monterades bort och ”manuell” växling blev möjlig. Denna”manuella” växling innebär kuggarna i figur 5 flyttas medelst skruvmejsel, medurs rotationmotsvarar uppväxling. Figur 5 visar de kuggar som används vid växling och figur 6 visardem i sin omgivning.



Figur 5: De två kugghjul som roteras vid växling.

3.5 Självjustering

Kopplingen i fråga är självjusterande, detta innebär att när lamellerna slits så justerarkopplingen sig så att ”kiss-point” inte flyttar sig. Rent praktiskt så sker detta genom att enplatta roterar vid slitage av lamellerna och därmed skruvar upp dessa mot varandra. Denkraft som håller självjusteringsplattan på plats är den förspänning som sker vid monteringav kopplingen.

Då kopplingspaketet initiellt var bortmonterat hade självjusteringen hamnat i fel läge.Självjusteringen sattes därför ur spel genom att låsa denna i ett ojusterat läge. På un-dersidan av kopplingspaketet (mot akutatorerna) sitter en platta med 3 små fjädrar somsitter med 120 graders mellanrum. Dessa fjädrar ska vara helt ihoptryckta vid monte-ring för att självjusteringen inte ska orsaka problem. I nuläget är ”plattan” fäst med ettbuntband. Monteringen på ingående axel gjordes enligt figur 4.



Figur 6: De två kugghjul som roteras vid växling, i sin omgivning.

3.6 Lokalisering av ”Kiss-point”

Den punkt då kopplingen börjar överföra moment, här kallad ”kiss-point” lokaliserades.Detta genom att lägga i växel på en axel i taget och låsa denna genom att sätta växlarnai park-läge. Park-läget ställs in via en spak på växellådans sida. Genom att koppla ochsamtidigt vrida kopplingspaketet kunde ”kiss-point” finnas. Denna viktiga punkt återfannspå kulmutterposition 6.5 mm för aktuatorn verkande på den stora solfjädern (aktuator 2)och på kulmutterposition 8.2 mm för aktuatorn verkande på den lilla solfjädern (aktuator1).



4 Delsystem: Kopplingsaktuator

Detta delsystem avser de fysiska komponenterna elmotor, kulmutter, fjädrar och hävarm.Kapitlet avhandlar utredningar rörande komponenternas funktion samt eventuella model-leringsmöjligheter till dessa.

4.1 BLDC, Brush-Less DC motor

De motorer som styr kopplingen i den DCT-växellåda för vilken projektet avser, är borst-lösa likströmsmotorer (BrushLess DC-motors, BLDC). För att förstå egenskaperna hosen BLDC jämförs den här med den ”vanliga” likströmsmotorn som har en kommutatorav t.ex. kolborstar. I en ”vanlig” likströmsmotor finns (oftast) ett konstant magnetfält istatorn, antingen via permanentmagneter eller likström i en spole. Rotorns strömriktningmåste därför kommuteras för att ge en vinkelskillnad mellan stator- och rotorfält ochdärmed drivande moment. Detta görs t.ex. via en kommutator3. En BLDC motor är en”vanlig” likströmsmotor vänd ut och in, den har en permanentmagnetiserad rotor och ettvarierande fält i statorn. En BLDC kan i teorin även styras som en synkronmotor medsinusiodala signaler då den styrsignal som används i princip är en diskret approximationav en sinus. Att inte ha en kommutator för rotorn resulterar i mindre förluster men detär istället viktigt att veta rotorns position då detta ger vilka strömriktningen de olikalindningarna i statorn ska ha.

För att beksriva styrningen av en BLDC studera en 2-polig BLDC motor med 3 lind-ningar sittandes 120◦ isär, dessa är dessutom Y-kopplade vilket innebär att strömmen gårin i en slinga och ut i en annan medan den tredje är inaktiv. Då rotorn står alignerad meden av spolarna och spolarna byter strömriktning kommer det bli en 120◦ vinkelskillnadmellan de magnetiska fälten hos rotor och stator vilket leder till ett moment som vriderrunt motorn. För att veta när dessa byten av strömriktningarna i statorn skall göras kantvå olika strategier användas beroende om motorn har sensorer eller ej.

Sensorlösa BLDC motorer använder information om hur strömmarna i lindningarna änd-rar sig vid uppvridningen av rotorn för att kommutera vid rätt tillfälle. Denna lösningger en billig motorkonstruktion men ger problem vid odefinierad startposition och den gerheller inte bra upplösning i positionsberäkning, något som är av stor vikt vid kopplings-styrning.

Den andra formen av motor är den som är aktuell i projektet, en sensordriven BLDC. Idenna typ av motor sitter det 3 HALL-sensorer som känner av rotorns elektriska position4

och med denna information kan slingorna sedan kommuteras på ett lämpligt sätt. I figur7 ser vi statorns uppbyggnad i en borstlös DC-motor, då rotorn endast är en permament-magnet är den ej medtagen.

3T.ex. kolborstar som glider över olika kontakter med olika elektrisk potential.4I den tvåpoliga BLDC som studerades är elektrisk och mekanisk position samma sak.



Figur 7: Stator på en borstlös dc-motor

4.2 HALL-sensorer

En HALL-sensor är en givare som reagerar på ett magnetfält genom att ge ut en spänningsom är proportionell mot magnetfältet. Detta innebär att då den permanentmagnetise-rade rotorn i en BLDC motor passerar HALL-sensorn kommer denna reagera med ökadspänning ut fram till dess att rotorn passerar sensorn och därefter en minskande spänning.De HALL-givarna i den projektrelaterade motorn är diskreta vilket innebär att de ger ut+V eller 0 beroende på rotorns position (enligt figur 8). På grund av att HALL-sensornainte är placerade exakt 120◦ isär kommer varje HALL-sensor ge ut 7 positiva flanker permekaniskt varv. Med dessa 7 flanker per mekaniskt varv och med 3 sensorer kan 6 olikapositioner per elektriskt varv identifieras. Detta ger en mättnogrannhet på 2∗π

6∗7 ≈ 0.15radianer. Detta kan ses ur figurerna 8 och tabell 4.2 med vilka man bestämmer den elekt-riska vinkeln. Mekanisk vinkel kan inte mätas explicit ej heller antalet hela varv som harpasserats, men med vetskap om att motorn startar i samma läge5 kan den mekaniskavinkeln och antalet passerade varv summeras fram med vetskap om den elektriska. Tillskillnad från det enkla exemplet ovan är elmotorn som var aktuell i projektet 14-polig såvarje mekaniskt varv består av 7 elektriska varv, observeras därför 7 elektriska varv viaHALL-sensorerna så har ett mekaniskt varv passerats.

Figur 8: Utsignal från en Hall-sensor för ett varvs rotation. Detta för att verifiera HALL-sensorernas förväntade beteende.

5Det kommer visa sig senare att detta är fallet.



Figur 9: Utsignal från samtliga Hall-sensorer i en motor får ett sjundedels varvs rotation.Sekvenserna används vid kommutering.

HALL-sensor4,12 (röd) 1 1 1 0 0 03,11 (blå) 0 0 1 1 1 02,10 (grön) 1 0 0 0 1 1

Tabell 2: Identifiering av rotorposition m.h.a. Hall-sensorer, numrering enligt tabell 3

Detta ger information om hur kommutationen av statorn skall göras och översättningenmellan HALL-sensorer och slingspänningar syns i figur 10.

Figur 10: Styrningsschemat för slingorna med givna HALL-sekvenser. Schemat visar en-dast vilka HALL-sensorsekvenser som motsvarar vilken kommutering i slingorna.



4.3 Upplösning

Ett problem med den uppräkningsmetodik som används för att mäta rotorposition är attom en sekvens av HALL-sensorväden missas kommer detta ge en offset för samtilga senaremätningar. Under projektets gång har HALL-sensorerna ej missat sekvenser vid ett endatillfälle så enda möjligheten till denna offset skulle vara att systemet inte hinner mäta avsensorvärdena. Då den globala samplingsfrekvensen under tester var 30 kHz måste därförmotorn röra sig i 30000

6∗7 ≈ 714 RPS ≈ 42000 RPM för att systemet inte skall hinna läsaav sensorerna. I olastat fall med spänning på cirka 12 V, uppmätt över motorstift medelsthandhållet oscilloskåp, snurrar motorn i mindre än 6000 RPM, avsevärt mindre än hastig-heten som krävs för sensormissar. Då HALL-sensorernas värde därför kan förlitas på kanen teoretisk positonsupplösning på 2π

42 radianer dvs cirka 8.6 grader uppnås. Rotorpositionkan därför bestämmas med en felmarginal på 2π

42 radianer.

Internt räknas hallsensorernas värden om till ”sektorer” dvs. elektriska positioner meden storlek på 8.6 grader. Förutom de sju sektorer som finnes hos hallsensorerna enligttabell 10 finnes även en ”sektor 0” som varnar om att HALL-sensorna givit ut en okänduppsättning värden.

Sensorerna har under mycket speciella omständigheter påvisat ett annourlunda beteendeän det förväntade. Om kulskruven slår i det mekaniska stoppet, som finnes för att start-positionen skall vara densamma hos kulskruven, ger sensorerna ut felaktiga värden omslaget blir alltför hårt. Detta ger uttryck i att sensorsignalerna blir en odefinierad sekvenssom sedan, vid nystart, resulterar i en negativ kulmutterposition. Ett test för att verifieraatt det var slaget mot mekaniskt stopp som gav beteendet genomfördes då motorn kördesupp till ett arbetsområde i maxhastighet för att sedan växla mellan två utställda posi-tioner i maxhastighet, detta för att studera att ingen hysteres eller sensordrivning skervid höga hastighetsförlopp, och slutligen släppas tillbaka till utgångsposition igen från tvåolika positioner. Resultatet ses i figur 116 och 12. I figurerna synes att efter att aktuatornslår i den bakre stoppet och slutat i vila läser vinkelomräkningen ut en negativ vinkel,detta kommer av att vinkelsektorerna, som även är tillstånden hos vinkeluppräknaren, därhoppar till sektor 0 och upp till det normala igen (delfigur 2 i 11). För fallet i figur 12 an-vändes den implementerade PID-regulatorn för att reglera ned kulmuttern till strax över0 radianer och släpptes därefter till att falla tillbaka. Vinkeln återgår då till 0 radianer.

6Notera att tidsaxlarna i subfigurerna i 11 är olika för att påvisa effekterna av krocken i mekaniskastoppet.



Figur 11: Test med aktuatoråtergång från stort avstånd mot utgångspositionen.

Figur 12: Test med aktuatoråtergång från litet avstånd mot utgångsposition.



4.4 Kontaktdon

På vardera elmotor, som visas i figur 13, finns 8 hankontakter. Tre av dessa (2 i figur13) är till för att driva motorn och resterande (1 i figur 13) tillhör motorns Hall-sensorer.Motorns 3 drivnings-kontakter (1 i figur 13) är kopplade till den transistorbrygga somomvandlar PWM-signaler från kontrollkortet till drivande spänningar.

Figur 13: Kontakten till aktuatorn, 1 är kontaktstift till hallsensorerna och 2 är motor-kontaktstiften.

Identifiering av hur motorkontakerna är kopplade till huvudkontakten har genomförts ochpresenteras i figur 14

Figur 14: Schema över anslutningen mellan motorkontakter och kontakten som anslutstill transistorbryggan.



Funktionen hos stiften i huvudkontakten identifierades och resultatet presenteras i tabell3.

Pin nr Funktion Komponent1 Jord Hallsensorer Motorkontakt 12 Hallsensor A output3 Hallsensor B output4 Hallsensor C output5 Spänningsmatning Hallsensorer6 Drivning av motor 1, fas A7 Drivning av motor 1, fas B8 Drivning av motor 1, fas C9 Jord Hallsensorer Motorkontakt 210 Hallsensor A output11 Hallsensor B output12 Hallsensor C output13 Spänningsmatning Hallsensorer14 Drivning av motor 2, fas A15 Drivning av motor 2, fas B16 Drivning av motor 2, fas C17 ISS 1 Input speed sensor18 ISS 119 ISS 220 ISS 221 OSS Output speed sensor22 TRS Transmission range sensor23 TRS24 TRS25 TRS26 TRS

Tabell 3: Anslutning till elmotorer via huvudkontakt



4.5 Motormodell

En modell för motorn utan last gjordes genom att skicka in en telegrafsignal som in-signal och modellera via System Identification Toolbox i MATLAB. Den modellfrån insignalen, duty-cycle, till utsignalen, position, som passade bäst var en state-spacemodell med ett tillstånd. Detta kommer av att duty-cycle i förlängningen är en hastig-het och hastighet är tidsderivatan av position. Med idealiseringar fungerar därför motornsom en ren integrator. Modellen av elmotorn visade sig vara av ringa värde då koppling-en motor-kulskruv-motkraft visade sig vara mycket svår att modellera. Identifiering medIdentification Toolbox i MATLAB försöktes med systemet motor, kulmutter ochfjädrar för att få en modell över systemet motor och aktuator. Ett statiskt förstärknings-experiment ställdes upp för att ge initiellt systembeteende och resulterade i en statiskförstärkning som i figur 15. I figuren kan ses att förstärkningen ej är entydig i flertaletpunkter vilket ger problem vid modellbygge.

Figur 15: Statisk förstärkning för elmotor-aktuator systemet.

En black-box modell över systemet med telegraf superpositionerad med en ramp som in-signal (för att exitera dynamiken) skapades, där halva datauppsättningen användes tillestimering och resterande till validering. Den (olinjära) modell7 som gav resonabel an-passning med valideringsdata gav stegsvar som påvisade helt olik dynamik från det fysiskasystemet. Då en komplett modell över hela systemet (motor, kopplingspaket, fjädrar osv.)inte var möjlig av andra faktorer (se kapitel 4.6) lades detta modellbygge ned. En even-tuell modell skulle kunna användas till framkoppling, men då ett steg i kulmutterpositionöver 1 mm resulterar i mättning av insignalen med endast en P-regulator är eventuelleffekt av en framkoppling tveksam (rörande stigtid). Om framtida modeller över motor-kulskruv-fjäder önskas konstrueras skulle en fysikalisk modell med parameterbestämningrekommenderas.

7En Hammerstein-Wiener modell med insignalsolinjäritet styckvis-linjäritet och utsignalsolinjäritetsigmoidnätverk



4.6 Aktuatormodell

För att omvandla motorns moment till en kraft är aktuatorn byggd som i figur 2, där mo-torns moment verkar på en kulmutter som sedan flyttar hävarmspositionen x. På grundav att pivotpunkten på detta sätt kan flytta på sig kommer kraften på kopplingen Fclutchatt kunna styras som funktion av motorposition. Se figur 2. Hävarmsstången är dessutombyggd så att om elmotorn skulle stanna faller hävarmspunkten tillbaka, x = 0, och kraf-ten på kopplingen blir så liten att ingen av kopplingsskivorna har kontakt med varandra.Detta är ett designval som är gjort för att vid elfel eller elmotorhaveri ska inte någon avkopplingarna ha kontakt med resten av drivlinan och ge upphov till haveri i växellådan.Att en DCT har denna funktion kallas att den är ”normalt öppen”.

En modell över aktuatorns position som funktion av kulmutterposition togs fram ochnedan beskrivs tillvägagångssättet.

4.6.1 Matematisk uppställning

En förenklad modell av aktuatorn ges i figur 16 och aktuatorns position kan lösas ut medhjälp av ekvationerna (1)-(6).

Figur 16: Förenklad aktuatormodell

Geometrisk uppställning:d1 = x ∗ tan θ (1)

d2 = L ∗ sin θ − x ∗ tan θ (2)

y0 = L ∗ sin θ0 (3)

xc = y0 − d2 = L ∗ sin θ0 − L ∗ sin θ + x ∗ tan θ (4)

Momentjämvikt:

Med antagandet att vinklarna är så små att sin θ ≈ θ, tan θ ≈ θ och cos θ ≈ 1 gesmomentjämviktsekvationen enligt ekvation (5).

x2 ∗ θ ∗ k1 = (L− x) ∗ f(xc) (5)



Genom att kombinera ekvation (4) och ekvation (5) erhålls ekvation (6) ur vilken aktua-torpositionen xc kan lösas ut.

L ∗ θ0 − xc(L− x)2

=f(xc)

x2 ∗ k1(6)

4.6.2 Matematisk modell

De okända fjäderkonstanterna i den matematiska uppställningen var nödvändiga för attmodellen skulle fungera. En fixtur tillverkades för att möjliggöra mätning i en pressma-skin. Resultatet för den lilla och stora solfjädern illustreras i figur 17-18. Fjädrarna medkonstant k1 i 16 visade sig vara linjära med en fjäderkonstant k = 373,7 N/m. De övrigaparametrarna som krävs för att lösa ekvationen mättes och ges nedan:

Lilla solfjäderns aktuator:

L = 0,0973[m]

θ0 = 0,133[rad]

Stora solfjäderns aktuator:

L = 0,0963[m]

θ0 = 0,1499[rad]

Figur 17: Fjäderkarakteristik för den stora solfjädern, grafen tar slut då det endast finnesmätdata för ett visst område hos fjädrarna.



Figur 18: Fjäderkarakteristik för den lilla solfjädern„ grafen tar slut då det endast finnesmätdata för ett visst område hos fjädrarna.

Detta medför att ekvation 6 endast innehåller en obekant, aktuatorns position, xc. Enanalytisk lösningsansatts gjordes på ekvation men utan resultat. För att få aktuatornsposition som funktion av kulmutterns position löstes problemet numeriskt. Resultatetblev två mappar från kulmutterposition (som kan mätas) till aktuatorposition, en förvarje aktuator. Dessa illustreras grafiskt i figur 19-20.



Figur 19: Aktuatorposition som funktion av kulmutterposition för aktuatorn med denstora solfjädern (aktuator 2)



Figur 20: Aktuatorposition som funktion av kulmutterposition for aktuatorn med den lillasolfjädern (aktautor 1), grafen planar ut då solfjädern där har nått ”botten” och stoppasav ett mekaniskt stopp från ytterligare kompression.

4.7 Förspänning

Då kopplingspaketet monterades visade det sig att solfjädrarna förspändes. Förspänning-ens storlek är okänd vilket medför en ny variabel i ekvation 6 som en konstant startkraftfrån solfjädrarna. Denna parameters inverkan skulle dock bara flytta startpositionen i loo-kup tabellen, vilket gör att vid prestanda utvärdering kan ett antal startpositioner antasoch ett bästa och sämsta fall kan kan utvärderas.



5 Delsystem: Motorstyrningskrets

Mätkortet som användes kan ej leverera den spänning på 12 V och de strömmar påuppemot 20 A som krävs för att driva motorn därför byggdes en motorstyrningskrets.

5.1 Översikt av delsystem

Kretsen är byggd enligt figur 21 med komponenterna listade enligt tabell 4. Kretsen bestårav ett logiknät (till v.) som kontrollerar ett transistornät (till h.), dessa två delnät äravgränsade av optokopplare. Nätet är dessutom tre identiska delbryggor, en till varjemotorslinga.

Figur 21: Översikt över trippel H-bryggan som överför mätkortets signaler till strömmari motorns slingor.



Nr Komponent1 7402 NOR logikkrets2 7400 NAND logikkrets3 Optokopplare4 Intelligent N-kanals MOSFET5 N-kanals MOSFET6 P-kanals MOSFET

Tabell 4: Komponentlista för kretsen i figur 21

5.2 Designfilosofi

Tanken bakom kretsen är att elektriskt isolera mätkortet från den 12 V spänning somanvänds för att driva runt elmotorn samtidigt som mätkortet ska kunna hastighetsstyramotorn. Ingående komponenter är valda med relativt starka startströmmar genom motorni åtanke (24 A) utan att för den delen ha för stora nackdelar8. Maximala ombytesfre-kvensen hos transistorerna behövdes ej beaktas vid komponentval då de flesta MOSFETtransistorera som studerades låg i 3-5 MHz intervallet vilket är mycket över kretsens ar-betsområde. Motståndet över transistorerna 5 och 6 vid öppen transistor valdes så låg sommöjligt med tanke på att effektförluster i form av värme snabbt kan förstöra dessa. Dennavärmeutveckling motverkas dessutom av kylflänsar över transistorerna 5 och 6 samt enfläktkonstruktion bestående av två datornfläktar i 92 och 120 mm storleken9.

5.3 Konstruktion

Studera konstruktionen hos logiknätet för en av slingorna, se figur 22.

Figur 22: Logiknätet för styrning av en slinga i motorn.

8Ej för stor läckström, ej för svag backdiod, ej onödigt dyr osv.9Dessa är kopplade i parallell med kretsen pga. brist på spänningskällor och fungerar effektivt som en

varningslampa då kretsen drar för mycket ström.



On/Off Upper/Lower T1 T20 0 1 00 1 1 01 0 0 01 1 1 1

Tabell 5: In/Utsignalbeteendet hos logiknätet i figur 22.

De ingående komponenterana i denna koppling är 7400 TTL logik. 7400 är logiska kretsarsom är gjorda för att drivas på 5 V och har väldigt små effektförluster. Denna typ avkomponenter användes då deras natur tillåter dem att drivas av mätkortets 5 V utgångsom endast kan leverera en liten ström. Insignal/utsignalsbeteendet hos detta nät ges avtabell 5.

Detta innebär att om On/Off är låg så kommer samma beteende fås oavsett värde påUpper/Lower, om On/Off är hög så bestämmer Upper/Lower vilken av T1 och T2 somskall förändras. Detta nät är byggt i syfte att förhindra eventuella felsignaler in till tran-sistorerna. Om nätet inte skulle funnits skulle en uppsättning av 5 och 6 i figur 21 kunnavar ledande samtidigt, vilket skulle leda till kortslutning.

Efter logiknätet i figur 21 synes optokopplare. Denna komponent överför signaler mel-lan den vänstra delen av nätet till den högra via en lysdiod/fotodetektor kombination.Detta leder till att signalmässigt beter sig den som en elektriskt ledning men den geratt kretshalvorna är elektriskt isolerade från varandra. Strömpikar på motorsidan skulledärför inte kunna skada mätkortet. Notera även att optokopplaren fungerar som en inver-terare och detta har kompenserats med den sista uppsättningen 7402 NOR grindar i figur22 som inverterar ingångarna till optokopplarna.

Efter optokopplarna följer komponenter för varje slinga som i figur 23.

Figur 23: Transistornätet för styrning av en slinga i motorn.

Transistor 4 är valda som N-dopade MOSFET med Logic-Gate-Voltage vilket innebär att



de kan ”bottnas” (dvs. öppnas så mycket som går) av +5 V. Deras uppgift är att översättalogikdelens +5 V till de +12 V som krävs för att styra transistorerna 5 och 6.

Från logiktabellen samt inverterare fås att om On/Off ingången till kretsen skulle va-ra låg så kommer T1 anta värdet 0 och T2 värdet 110. Detta innebär att transistor 4 i 23skulle vara öppen/bruten och Gate:en på transistor 5 skulle ha potentialen +12 V, då det-ta är en P-dopad MOSFET skulle det innebära att transistor 5 skulle vara öppen/bruten.Värdet 1 på T2 ger att transistor 4 är sluten och Gate:en på transistor 6 är jordad, dådetta är en N-dopad MOSFET så innebär det att transistor 6 är bruten. Totalt ger dettaatt ett On/Off värde på 0 ger en bruten krets in till motorn.

Givet fallet T1 = 1, T2 = 1 så ger det att transistor 6 är sluten som tidigare fall menGate:en på transistor 5 skulle vara jordad. Detta ger en Gate-Source spänning på -12 Vöver den P-dopade MOSFET 5 och den skulle därmed vara ledande. Fallet T1 = 0, T2 =0 ger analogt att transistor 5 är bruten och transistor 6 är ledande.

Totalt kan denna krets styra vilka slingor som skall vara aktiva och åt vilket håll ström-men skall flyta men inte hur mycket spänning som ligger över motorn. Som nämts tidigarekommer strömmen som går genom motorn kommuteras till olika slingor 6 gånger perelektriskt varv vilket innebär att det under varje sjättedel av ett elektriskt varv ligger+12 V över ett par av slingändar. För att reglera denna spänning och därmed hastighetenså används därför en PWM11signal med varierande Duty-cycle12. Studera en sjättedelselektriskt varv hos motorn, signalen som styr en av transistorerna (den som skall varaaktiv) ser då ut som i figur 24.

Figur 24: Spänningen mellan två slingändar vid aktiv slinga.

Om denna signal skulle göras som en PWM med Duty-cycle på 50% så skulle det se utsom i figur 25. Detta gör att transistorn i fråga endast är aktiv/bottnad under hälften avtiden och medelspänningen under denna sjättedel är 6 V och idealt blir då hastighetenhälften av maxhastigheten (som uppnås vid 12 V).

10logiska värden, motsvarar 0 resp +5 V11Pulse Width Modulation12Duty-cycle: Den del av en period hos en PWM som är satt till +V



Figur 25: Spänningen mellan två slingändar vid aktiv slinga och med PWM-styrning.

5.4 Komponentval

Motorstyrningskretsen designades med kravet på en maximal effektförbrukning på 110W i transienter13 i åtanke. Då det antogs att ingen spänningstransformation skedde frånbatteri till aktuator så blev därför strömkravet på motorstyrningskretsen

110

12≈ 9.1667A (7)

vilket kändes rimligt då kraftelektronik snabbt blir dyrt med ökad ström/spänningstålighetsamt att stor effektförbrukning ger ökad bränsleförbrukning i fordonstillämpningar. Kret-sens komponenter valdes därför för att tåla drygt det dubbla i både ström och spänningför att se till att kretsen ej skulle förstöras. Då kretsen var konstruerad och tester börjadegenomföras blev det snabbt uppenbart att 10 A transient var en felaktig uppskattning.Vid kopplingsförsök med aktuatorn påverkande den yttre, stora, solfjädern orkade aktua-torn endast dra upp kulskruven till strax innan kiss-point med en spänning på 12 V ochström 12 A. På grund av kraftelektronikens överdimensionering så kunde dock fler spän-ningskuber tillsättas i parallell vilket kunde driva båda aktuatorerna in i arbetsområdet.

5.5 PWM signal

För att generera ovannämnda PWM-signal skapades blocket i figur 26.

Figur 26: PWM-generatorn implementerad i Simulink.

Att generera en PWM i Simulink och sedan sampla den genom mätkortet medför dockvissa egenskaper. För att signalen som sänds ut skall vara lik en korrekt PWM-signal så

13Transienter antogs här vara i storleksordningen en halv sekund då inget pekade på något annat.



måste först och främst den globala sampligstiden för realtidsprogrammet vara (mycket)snabbare än PWM-signalens frekvens. Dessutom medför samplingen av PWM-signalenatt endast diskreta hastigheter kan ställas in och skillnaden mellan PWM frekvensenoch samplingsfrekvensen avgör hur många hastighetssteg som finns tillgängliga. Antalethastighetssteg uppmättes aldrig då upplösningen ökar med minskande hastighet på motornvilket gör reglering möjlig, diskreta hastighetssteg till trots. För att illustrera detta studerafigur 27 där en PWM signal med ökande Duty-cycle syns. Det som ses är att duty-cycle:enmåste bli tillräckligt bred för att ”nå ut” till en ny sampelpunkt för systemet och dåkommer utställd PWM-duty-cycle från mätkortet hoppa från ett diskret värde till nästa.Skulle systemets samplingstid vara kortare skulle de röda punkterna ligga tätare och flerdiskreta steg skulle fås över samma hastighetsintervall.

Figur 27: Illustrering av samplad PWM, Röda punkter motsvarar punkter där systemetsamplar och ställer ut värden.

Vad detta i praktiken innebär är att regulatorn endast kan ställa ut diskreta hastigheteroch inte ett kontinuerligt intervall. Då den globala samplingsfrekvensen valts mycket stör-re (30 kHz vid test) än PWM-frekvensen (1000 Hz vid test) så kan regulatorerna ändockstyra motorn.

I systemet ingår tre viktiga frekvenser: den globala samplingsfrekvensen, PWM-frekvensensamt motorns rotationshastighet som ger upphov till en frekvens på HALL-sensorernasutslag. Detta kommer att medföra att signalen till en av motorns slingor kommer se utsom i figur 28. På grund av att motorns hastighet ökar då duty-cyclen ökar medan övrigafrekvenser inte gör det så kommer noggrannhet i hastighetsstyrningen minska vid ökadmotorhastighet. Detta då färre PWM-cykler hinner fås in under varje sjättedel av ettelektriskt varv.



Figur 28: Signalen in till en slinga under en viss konfiguration hos HALL-sensorerna.

5.6 Utvecklingsmöjligheter

Det är osäkert om kretsen, med nuvarande konstruktion och styrsätt, klarar att driva enså stor ström så att aktuatorn kan drivas till den punkt då kopplingen är helt sluten. Föratt säkerställa att en framtida krets klarar detta skulle maxeffekten på 110 W i transien-ter förkastas. En ny effektbegränsning hade istället kunna bildas med hjälp av en manuellmätning av det momentet som krävs för att röra aktuatorn i hela sitt arbetsområde samten likströmsmodell där detta moment omräknas till ström. Då kretsen beskriven i dennarapport inte har direkt problem med stor stationär ström, i och med överdimensionering-en, utan snarare strömpikar i kombination med värme, skulle en snubbeldiod parallellt ibackriktningen med ”huvudtransistorerna” (5 och 6 i figur ?? och större kylelement ihopmed fler fläktar lösa problemet. En alternativ lösning skulle vara att sätta tre styckentransistorer med mycket stor ström-, spännings- och värmetolerans mellan bryggan ochfläkten, 7 i figur 29.



Figur 29: Modifikationsmöjlighet för motorstyrningskrets.

Denna transistor tar endast in PWM-signalen på sin gate och styr därmed endast ström-flödet över hela kretsen. Detta innebär att de övriga transistorerna kan ha som endafunktion att kommutera strömmarna i motorn. Med denna modifikation så kan även dentilltänkta transistor 7 väljas så att dess switchningstid är mycket låg, något som bör sänkaeffektförsluster över kraftelektroniken.

PWM-generatorn skulle även kunna implementeras i hårdvara som en mikrocontroller/mikroprocessormed mycket hög klockfrekvens. Denna skulle ta in ett 8-bitars tal via digitala I/O por-tar och omvandla dessa till duty-cycle på utsänd PWM-signal. Detta skulle innebära enduty-cycle-upplösning på 28 = 256 och dessutom eliminera problemet med att en sampladPWM ger diskreta hastighetssteg. Denna mikrocontroller/mikroprocessor skulle endastha PWM-generering som uppgifft och borde därför inte sakta ned systemet nämnvärt.



6 Delsystem: Mätkort, NI 6229

Ett mätkort från National Instruments som möjliggör realtidssimuleringar av aktuatornsamt computer-in-the-loop system.

6.1 Översikt av delsystem

Delsystemet består av kortet NI 6229 som kopplas in till den styrande datorn via PCI-port. Användandet av PCI-porten ger fördelen att via Real Time Target sker utsändandeoch mottagande av signaler till kortet i realtid. Då samtliga PCI portar går via delad bussmåste hänsyn tas för att inte sakta ned informationsflödet.

Kortet har 48 digitala I/O portar som används dels till informationsinsamling från elmo-torns HALL-sensorer och dels till att sända signaler från kortet till transistorbryggan14.

6.2 Uppbyggnad

Kortet är ett PCI-kort som kopplas direkt in i en PCI-port. Kortet är kompatibelt medMATLAB, Simulink, Windows Realtime Target samt Linux Comedi.Kortet har 32 single-ended analoga inportar eller 16 differentiella inportar, 4 analogautportar, 2 räknare15 samt 48 digitala I/O protar. De analoga inportarna har en sampel-hastighet på 250 kS/s, de analoga utportarna har en uppdateringshastighet på 833 kS/s,räknarna har en maximal source-frekvens på 80 MHz. I/O portarna kan drivas med enmaximal klockfrekvens på 1 MHz.

6.3 Implementation och funktion

Kortet är ett PCI-kort och kunde därför kopplas in till den stationära datorns PCI-portutan vidare modifikationer. De två mätlådorna som medföljer kortet har en intern säkringpå 1 Amperé och detta ihop med optokopplarna säkerställer att mätkortet inte skadas aveventuella strömspikar.

6.4 Utvecklingsmöjligheter

Kortet i sig har 48 digitala I/O portar varav endast 9 används i dagsläget. Kortet hardessutom analoga insignal/utsignalsportar som inte används. Om samtliga kopplingarskulle flyttas över till en mätlåda så skulle den andra mätlådan kunna användas för enannan labbuppställning eller andra projekt. I övrigt så har kortets kapacitet valts så attden är kapabel att användas i flertalet andra projekt eller laborationsuppställningar. Enstudie då de analoga utportarna används för att driva elmotorn som en synkronmotorskulle till exempel vara intressant.

14Se motsvarande kapitel för uppbyggnad15Möjliggör hårdvaru-PWM om mjukvaru-genererade dito inte skulle vara tillräcklig för applikationen.



7 Realtid

Realtid innebär att det inte bara är korrektheten i beräkningarna som är intressant utanäven att de är klara i tid. En vanlig dator idag är väldigt snabb på att räkna men kan ejgarantera att data skickas ut i rätt tid. Realtid är alltså inte nödvändigvis hastighet ochberäkningskraft utan snarare om förutsägbarhet i när data är redo för leverans.

Den högprecisionsstyrningen av motorn som är intressant i det här projektet kräver alltsåvissa krav på samplingshastighet och utställning av signaler i rätt tid. En grov uppskatt-ning av samplingshastighet är att det finns 42 mätpunkter per varv och motorn kan haen hastighet runt 6000rpm, vilket motsvarar 42 kHz. Nedan följer en genomgång av dealternativ som är närmast till hands.

7.1 Windows

Windows är inte ett realtidsoperativ, det finns varianter som är anpassat för realtidsapplikationer (Windows CE) men det är inget riktigt alternativ då det är intressant attköra Matlab/Simulink något som inte är direkt smärtfritt med Windows CE.

Real-Time Windows Target är ett alternativt som företaget MathWorks (skaparna avMatlab) har utvecklat. Den prestandan man kan förvänta sig är omkring 5 kHz, vilket äri underkant för de tillämpningar som är intressanta i detta projekt.

7.2 Linux

Linux är ett open-source operativsystem som är vida använt inom serverdrift, akademinoch kanske mest intressant, inbyggda system. Linux har länge haft möjligheten att körarealtidsapplikationer men det är inte i sin omodifierade form ett riktigt realtidsoperativ.Det finns däremot flera sätt att modifera linuxkärnan så att man kan köra program irealtid.

RTAI - Real-Time Application Interface lägger sig som ett lager ovanför hårdvaran ochkör sedan den riktiga linuxkärnan som en lågprioriterad process. Parallellt körs sedanrealtidsprocesserna. Nackdel med ett system likt detta är att realtidsprocesserna är hårtåtskiljda från resten av systemet vilket kan göra felsökning svårt. Det blir även svårt attköra hela Matlab i realtid och Simulink Coder behöver användas för att skapa C-kod avreglerlooparna.

RT-Kernel är en samling patchar som används för att göra om hela linuxkärnan tillen realtidsvariant. Med RT-patchen körs både realtidsprocesser och icke-realtidsprocesserparallellt där de som kräver realtid utan undantag alltid får högst prioritet.

De mätkort som finns idag på marknaden har i någon utsträckning stöd för Linux, deflesta har då stöd för Red Hat, Suse och ibland finns även källkoden till drivrutinernatillgängliga. Red Hat har flera derivat av diverse licensanledningar valet av distrubitionfaller därmed på Scientific Linux[4] som redan har RT-patchade kärnor tillgängliga.

7.3 Konfiguration av kontrolldator

Valet av linuxdistrubition föll på Scientific Linux vilket är en klon av Red Hat. Det härstycket förutsätter grundläggande kunskaper om datorer och framförallt Linux. Det är



inte heller en guide som går att följa slaviskt utan tar upp de huvudsakliga moment sombehövdes för att få NI-6229 att kommunicera via Simulink i realtid.

Comedi[3] är en samling drivrutiner för ett uppsjö av mätinstrument. Comedi finns medi senare versioner av linuxkärnan och går att kompilera som en modul. Comedi är alltså delågnivådrivrutinerna som krävs för att möjliggöra kommunikation med PCI-kortet. Hurman kompilerar kärnan till linux tas ej upp i detta dokument då andra redan har skrivitbättre guider. Se t.ex [5], [6] och den officella hemsidan för linuxkärnan [7]. Kärnan somanvänds är 2.6.33.9-rt31.75.el6rt.x86_64, det är självfallet möjligt att använda andraversioner av linuxkärnan. Kraven är dock att rt-preempt patcharna är korrekt pålagda.

När comedimodulen var korrekt inladdad hittar man enheten under /dev/comedi0. En-heten är nu fullt tillgänglig för systemet och man kan om intresse finns använda vissaanrop till det comedi-api via t.ex C/C++. För att underlätta kommunikationen via Si-mulink installerades en Comedi Toolbox[9] vilket ger tillgång till fyra block i SimulinkLibrary.

Det var dock nödvändigt att editera två filer i comedi-toolbox. Här förutsätts att comedi-toolbox placerats under /toolbox/ mappen i matlabs installationsmapp.

# /opt/matlab/toolbox/comedi-toolbox/

#diff sfun_comedi_di.c sfun_comedi_di.c~

42d41< #include <comedilib.h>

#diff sfun_comedi_do.c sfun_comedi_do.c~41d40< #include <comedilib.h>

Det är alltså nödvändigt att inkludera comedilib.h i filerna sfun_comedi_do.c och sfun_comedi_do.c.

En ANSI C motsvarighet kommer att genereras av Simulinkmodellen. Detta görs med RealTime Workshop (Simulink Coder). För att rätt kod skall genereras krävs LNX Target[8].Installationen skall vara tämligen smärtfri dock uppstod problem med MATLABs vägranatt leta igenom alla PATHS som specificerats.

Med alla komponenter på plats är det en enkel sak att modellera, generera, kompilera ochköra programmet. Tillvägagångssättet är följande:

Skapa Simulinkmodellen, var uppmärksam på att alla block inte fungerar i realtidsappli-kationer. Scopes och andra dataloggningsblock kan inte alltid spara i tidsserier utan typenArray måste specificeras.



Rätt inställningar i Real Time Workshop

Real-Time WorkshopSystem target file: lnx.tlcLanguage CMake command: make_lnxTemplate makefile: lnx_unix.tmfCustom CodeInclude directories: /usr/local/includeSource files: /opt/matlab/toolbox/comedi-

toolbox/comedi_lib.cInterfaceTarget function library: GNU99 (GNU)Utility function generation: AutoLinux Target Code Generation Op-tionsLinker options: -lm -lcomediTarget architecture: GLNX86_64

Det resulterande programmet behöver root-rättigheter eftersom den kräver tillgång tillschemaläggningsfunktioner för att kunna garantera realtid. Det resulterande programmetkörs genom att via en terminal skriva följande kommando: sudo ./modell CTRL+Cavslutar programmet.

7.4 Prestanda rt-preempt

Prestanda på systemet uppskattades genom att via en signalgenerator skicka en sinusvågmed en frekvens på 1 MHz in till NI-6229 AD omvandlare som vidare skickade ut sammasignal till ett oscilloskop. Genom att mäta signalen från signalgeneratorn och utsignalenfrån kortet kunde en fördröjning på ≈ 25µs utläsas. Ett enklare test är att användaprogrammet cyclictest en del av rt-tests sviten. cyclictest försöker uppskatta jittret, dvsavvikelsen från det förväntade förloppet. I en vanlig dator utan preempt modifierad kärnakommer det maximala jittret vara högt då systemets schemaläggare inte bryr sig omrealtidskrav. Cyclictest kördes på den modifierade kärnan och resulterade i ett max jitterom 175. Detta kan jämföras med en omodifieradkärnas max jitter på 30000. Värdena fråncyclitest skall inte användas som något absolut prestandamått men ger en god indikationpå att den modifierade kärnan i mycket högre grad är lämpad för realtidssystem.

Prestandan påverkas av övriga tjänster som körs på datorn. Därför kan det finnas intresseatt minimera antalet processer som delar på det begränsade antal klockcykler som finnstillgängligt. En genomgång på vilka daemoner som behöver köras samt byta till en X-frieller en mer resurssnål fönsterhanterare kan mycket väl öka prestandan.



8 Delsystem: Reglering

Vid valet av reglerstrategi fanns det två huvudstrategier. Dels kunde reglering ske medavseende på kulmutterposition eller med avseende på elmotorhastighet. Vid reglering medavseende på kulmutterposition skulle aktuell kulmutterposition användas som insignal ochönskad kulmutterposition som referenssignal. Vid reglering med avseende på elmotorhas-tighet skulle både elmotorhastighet och kulmutterposition kunna användas som insignalerrespektive styrsignaler i likhet med reglering på kulmutterposition.

En av utgångspunkterna för regleringen var att systemet inte fick ha någon översläng elleråtminstone hålla den på en mycket liten nivå. Detta ställer naturligtvis särskilda kravdå systemet både behöver klara av att reglera snabbt för en hög reglerprestanda mensamtidigt inte ha för stor översläng.

8.1 Implementerade reglerstrategier

Utgångspunkten för regleringen var att testa PID-reglering och MPC-reglering. PID-reglering beskrivs närmare under rubriken 8.1.2 och MPC-reglering under rubriken 8.2.Bägge regleringarna skulle kunna uppnå de ovan ställda kraven. Efter hand omformule-rades dock det till att istället testa Bang-Bang-reglering samt PID-reglering. Systemetsprestanda hade kanske kunnat pressas ytterligare med MPC, men att garantera stabili-tet i ett olinjärt system med MPC krävs en stor arbetsinsats. Bedömningen gjordes attPID-regleringen uppnådde tillfredsställande resultat. Samtliga modeller har implemente-ras med hjälp av MATLAB med Simulink.

8.1.1 Bang-bang-reglering

Bang-Bang-reglering kan beskrivas som på-av-reglering. Det innebär en återkopplad regu-lator som växlar mellan två tillstånd. I det ena tillståndet ställs den maximala styrsignalut och i det andra tillståndet ställs den minimala styrsignal ut. Tillstånden växlas närstyrsignalen uppnår en viss nivå.

I regleringen användes en modifierad variant av Bang-Bang-reglering. Istället för att helatiden ställa ut två olika maxtillstånd (för att närma sig referenssignalen) fanns också ettområden när skillnaden mellan styrsignalen och referenssignalen är mycket liten där ingensignal alls ställdes ut. Bang-bang-regleringen reglerade med avseende på kulmutterposi-tion.

uk =

umax om ek < −δ0 om |ek| <= δumin om ek > δ

8.1.2 PID

PID står för proportionell, integrerande och deriverande. Det är en regulator som både kanta hänsyn till snabb och noggrann referensföljning. PID-regleringen användes för regleringav kulmutterposition. Då kulmutterpositionsreglering ställer stora krav på överslängen,är det viktigt att detta kan hanteras inom PID-regleringen. Här har justering av I-delenanvänts för undervika intergratoruppvridning.

Då ek = uk − vk kan hela algoritmen skrivas som

Ik = Ik − 1 +TSTiek (8)



vk = Kek + Ik +KTsTS

(ek − ek−1) (9)

uk =

umax om vk > umaxvk om umin < vk < umaxumin om vk < umin

Och slutligen korrigering av integrerande termen då styrsignalen nått sin begränsning.

Ik = Ik +TSTt

(uk − vk) (10)

Värdet på Tt,den så kallade tracking-konstanden är valt som följemod för intergrator ochsatt till Ti.

PID-regulatorerna är trimmande för hand.

8.2 MPC

8.2.1 Grundläggande MPC

MPC är modellbaserad prediktionsreglering. MPC utmärker sig genom att bl.a. kunna tahänsyn till bivillkor och utsignalsbegränsningar. Prediktionsreglering innebär att man för-söker prediktera framtida tillstånd för signalerna. MPC resulterar i ett kvadratiskt optime-ringsproblem som beräknas on-line. Det gör att MPC kräver relativt mycket beräknings-kraft för att hela tiden kunna uppdatera alla tillstånd som ingår i prediktionsintervallet.Beroende på önskad noggrannhet kan olika längder på prediktionsintervall användas vil-ket kräver olika mycket beräkningskraft. För vissa problem går det att göra optimeringenoffline vilket sparar beräkningskraft. Å andra sidan innebär offlineberäkningar att en delav noggrannheten går förlorad.

1. Först mäts eller skattas tillståndet x(k)

2. Med hjälp av x(k) räkna ut styrsignalssekvensen u(•)

3. Ta fram det första elementet i u(•), och använda det

4. Uppdatera tiden till k:= k+1

5. Repetera proceduren

MPC-reglering med ett stort prediktionsintervall kan bli en mycket noggrann reglering dåoptimeringsproblemet för styrsignalsfrekvensen hela tiden uppdateras online beroende påx(k). MPC-reglering garanterar inte däremot stabilitet i sin grundläggande form, utan fördetta måste särskild hänsyn tas.

8.2.2 Olinjär MPC

Då systemet är olinjärt skulle olinjär MPC kunna användas. Ett MPC-problem kan be-skrivas som

x(k + 1) = Fx(k) +Gu(k) (11)



Detta innebär att nästa steg i prediktionen blir

x(k + 1) = Fx(k + 1) +Gu(k + 1) = Fx2(k) + FGu(k) +Gu(k + 1) (12)

Detta kan sedan efter lite omskrivningar formuleras som ett kvadratiskt problem somsedan kan användas för att göra prediktionsreglering. Dock kräver MPC-reglering att enmodell för det man vill reglera finns.

Stabilitet är normalt en lokal egenskap för MPC. Stabilitet kan för linjära problem lösasmed hjälp av sluttillståndsvillkor eller med hjälp av sluttillståndsstraff. Det blir mer kom-plicerat för olinjära system, vilket gör att i de flesta fall försöker man snarare anpassa detolinjära systemet till att bli styckvis linjärt.



9 Delsystem: Reglerprestanda

I detta kapitel studeras den reglerprestanda som aktuatorerna uppnår i den givna upp-ställningen.

9.1 Prestandamått

De prestandamått som har studerats är:

• Stigtid på stegsvar till kiss-point

• Översläng vid steg till kiss-point

• Avvikelse i stationaritet

• Rampföljning i arbetsområdet av aktuatorn

• Stegsvar i momentöverföringsområdet

9.2 Stegsvar till kiss-point

Stigtiden till kiss-point är viktig i det avseendet att som förberedelse till växling önskasden axel, vars koppling ej är ilagd, ha en aktuator som ligger strax under denna kritiskapunkt. Detta för att snabbt kunna påbörja momentskiftet från den ena kopplingen tillden andra (oftast som en ramp i moment). Om stigtiden är kort kan denna förberedelseske på kort tid vilket medför ett snabbare kopplingsförfarande. I figur 30-31 kan stegsvarses för de båda aktuatorerna och deras stigtider är 56.3 ms för aktuator 1 och 74.0 msför aktuator 2. Båda dessa är i samma storleksordning alternativt lite snabbare än mot-svarande elektrohydrauliska system. Anledningen till att aktuator 2 har högre stigtid tillkiss-point är att dess kiss-point ligger på ett högre kulmutterposition och att det finns enbegränsad insignal att tillgå, alltså en maximal rotationshastighet på elmotorn. Definitio-nen av stigtid är den tiden det tar från 10% till 90% av steget enligt [13].



0 20 40 60 80 100 120 1400

1

2

3

4

5

6

7

X: 9.707Y: 0.6

Lilla solfjäder, PID−regulator

tid [ms]

Pos

ition

på

kulm

utte

rn [m

m] X: 65.96

Y: 5.4

KulmutterpositionReferensignal

Figur 30: Stegsvar med aktuatorn 1 till kiss-point med PID-reglering

0 20 40 60 80 100 120 140 1600

1

2

3

4

5

6

7

8

9

X: 13.01Y: 0.82

Stora solfjäder, PID−regulator

tid [ms]

Pos

ition

på

kulm

utte

rn [m

m]

X: 87.03Y: 7.38


Figur 31: Stegsvar med aktuatorn 2 till kiss-point med PID-reglering



9.3 Översläng vid steg till kiss-point

En signifikant översläng vid steg till kiss-point skulle ge en märkbar momentöverföringgenom kopplingen som påverkar komforten negativt och detta bör därför undvikas. I pro-duktionsklara system garantaras detta genom att inte använda ett steg i referenssignaltill kiss-point utan en ramp eller att göra steget till en punkt som ligger under kiss-point.Överslängarna för aktuator 1 kan ses i figur 30 och är 1.78 % och i figur 31 för aktuator2 med översläng på 0.61 %. Båda dessa är mindre än det studerade elektrohydrauliskasystemet.

9.4 Avvikelse i stationäritet

Att kunna reglera systemet till en given punkt är av vikt då man vill att kopplingen ska föraigenom ett visst moment. Upplösningen på vinkelmätningen med hjälp av hallsensorernager en upplösning på 0.0536 mm. När referensen på kulmutterposition är en heltalsmulti-pel av upplösningen så regeleras system till ett reglerfel som är noll (±upplösningen) bådeför aktuator 1 och aktuator 2, vilket kan ses i figur 32-33. Med den mekaniska modellenöver aktuatorn så representerar en skillnad i 0.0536 mm i kulmutterposition maximalt0.0375 mm i aktuatorposition. Det är svårt att uttala sig om storleken på avvikelsen hosdet studerade elektrohydrauliska systemet då man där har lite större brusfaktor och lik-nande.

3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600 4800 5000 520011.15

11.2

11.25

11.3

tid [ms]

Pos

ition

på

kulm

utte

rn [m

m]

0 1 2 3 4 5 60

5

10

15Lilla solfjäder, PID−regulator

tid [s]

Pos

ition

på

kulm

utte

rn [m

m]



Figur 32: Avvikelse i stationaritet med aktuatorn 1 med PID-reglering, undre bilden ärsamma dataset som den övre under ett begränsat tidsintervall



2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 46008.9

8.95

9

9.05

9.1

tid [ms]

Pos

ition

på

kulm

utte

rn [m

m]

0 1 2 3 4 5 60

5

10Stora solfjäder, PID−regulator

tid [s]

Pos

ition

på

kulm

utte

rn [m

m]



Figur 33: Avvikelse i stationaritet med aktuatorn 2 med PID-reglering, undre bilden ärsamma dataset som den övre under ett begränsat tidsintervall

9.5 Rampföljning ovanför Kiss-point

Rampföljning i arbetsområdet är av vikt då kopplingsförfarandet normalt görs likt enramp i moment. Om aktuatorn därför kan röra sig väl i ramp skulle då troligen en ramp imoment vara möjligt på grund av aktuatorn och kopplingens linjära momentöverförings-beteende i stora delar av arbetsområdet. I figur 34-35 syns rampföljning för respektiveaktuator. För aktuator 1 och aktuator 2 är medelabsolutfelet mellan referens och aktua-torposition 0.1058 mm respektive 0.0904 mm. Det bör även observeras att derivatan avreferenssignalen är större för aktuator 2. De lutningar som är valda för referensen är gjor-da utifrån den maximala lutning på referensignal som respektive aktuator klarar med enacceptabel referensföljning.



0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.20

2

4

6Ramp i aktuatorposition

tid [s]

Pos

ition

på

aktu

ator

n [m

m]

AktuatorpositionReferensignal

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.25

10

15

20

25

tid [s]

Pos

ition

på

kulm

utte

rn [m

m]


Figur 34: Rampföljning med aktuatorn till den lilla solfjädern med PID-reglering

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.20

5

10Ramp i aktuatorposition

tid [s]

Pos

ition

på

aktu

ator

n [m

m]


0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.20

10

20

30

40

tid [s]

Pos

ition

på

kulm

utte

rn [m

m]


Figur 35: Rampföljning med aktuatorn till den stora solfjädern med PID-reglering



9.6 Stegsvar i momentöverföringsområdet

När kopplingen är i sitt momentöverföringsområde är det viktigt att kunna återkopplamed avseende på moment och det behövs en snabb regulator för att få bra prestanda. Ettmått på hur snabbt det går att återkoppla aktuatorn är att titta på stigtider för små stegi detta område. I figur 36 och 37 kan resultatet ses då respektive aktuators arbetsområdedelas upp i tio steg. För aktuator 1 ger ett steg på 0.4 mm i aktuatorposition en stigtid påcirka 22 ms genom hela momentöverföringsområdet och för aktuator 2 ger ett steg på 0.8mm i aktuatorpostion en stigtid på cirka 25 ms i hela momentöverföringsområdet. Dessastigtider är lägre än det som krävs för att systemet skall vara möjligt att reglera enligtkundrelaterade experter.

0 2 4 6 8 10 120

2

4

6

tid [s]

Pos

ition

på

aktu

ator

n [m

m]

7940 7960 7980 8000 8020 8040 8060 8080 8100 81202.8

3

3.2

3.4

3.6

X: 8009Y: 3.012

tid [ms]

Pos

ition

på

aktu

ator

n [m

m]

X: 8031Y: 3.339



Figur 36: Steg med aktuatorn till den lilla solfjädern med PID-reglering, undre grafen medsamma dataset som övre men under en begränsad tid.



0 2 4 6 8 10 120

5

10

tid [s]

Pos

ition

på

aktu

ator

n [m

m]

6940 6960 6980 7000 7020 7040 7060 7080 71005

5.5

6

6.5

X: 7008Y: 5.577

tid [ms]

Pos

ition

på

aktu

ator

n [m

m]

X: 7033Y: 6.225

AktuatorpositionpositionReferensignal


Figur 37: Steg med aktuatorn till den stora solfjädern med PID-reglering, undre grafenmed samma dataset som övre men under en begränsad tid

9.7 Slutsats

Det elektromekaniska aktuatorsystemet som har studerats har samma alternativt litebättre reglerprestande än det elektrohydraliska referenssystemet. Stegsvaren är i sam-ma storleksordning som det elektrohydraliska med mindre överslängar. Med förbättradstyrelektronik och mer anpassade regulatorer kan det elektromekaniska systemet levereraen prestanda som är minst lika bra som det elektromekaniska i avseende på styrprestanda.



10 Delsystem: Riktlinjer för testbänkskonstruktion

Dessa riktlinjer för konstruktion av en testbänk för DCT-växellådan bör ses som en förstaorientering i ämnet. Vid beslut om att på börja konstruktionen behöver mer ingåendestudier göras.

10.1 Översikt av delsystemet

Testriggen ska bestå av en drivande och en bromsande del som kan simulera olika körfall,t.ex. den europeiska körcykeln. Den drivande motorn ska kunna leverera effekt på ettsådant sätt att den kan efterlikna beteendet hos den motor som växellådan normalt ärkopplad till och den bromsande motorn måste kunna ta upp denna effekt. Gränssnittetmellan PC och aktuatorer kommer dessutom att användas till testbänken. En skiss påspinnriggens ingående delar synes i figur 38

Figur 38: Övergripande skiss av spinnriggen.

10.2 Val av motortyp

Vid valet av vilken elmotor som är mest lämplig för spinnriggen måste först ett val avmotortyp göras. I princip finns det tre olika möjliga typer av motorer som kan användas:

• Likströmsmotor

• Asynkron växelströmsmotor

• Synkron växelströmsmotor (även borstlös likströmsmotor)

10.3 Likströmsmotor

Borstade likströmsmotorer lider av problem med slitage och värmeutveckling vid kommu-tatorerna som växlar rotorns polaritet. När hög effekt ska utvecklas i motorn förstärksdessa problem och denna motortyp är därför inte lämplig för spinnriggen.

10.4 Val av växelströmsmotortyp

Valet av vilken typ av växelströmsmotor som ska användas för spinnriggen är inte själv-klart, de asynkrona och synkrona motorerna har olika för- och nackdelar och båda typernakan användas tillsammans med frekvensomriktarstyrning av rotationshastigheten. Nedanföljer en kort genomgång av de två typernas funktion och egenskaper.



Motorns rotationshastighetAntal poler 2 4 6Frekvens: 50Hz 3000 1500 1000

Tabell 6: Motorns rotorhastighet vid frekvensen 50 Hz för olika poltal

10.5 Asynkron växelströmsmotor

I en asynkronmotor beror rotorströmmen på skillnaden i hastighet mellan det roterandemagnetfältet och rotorn (slip), vilket medför att momentet är proportionellt mot slip-pet. Motorn kommer alltså rotera med en hastighet som är något lägre än den synkronahastigheten och det blir därmed svårt att veta rotorns hastighet exakt. Den synkronahastigheten kan beräknas enligt ekvationen nedan.

Ns =120 ∗ fp

(13)

Där Ns är synkron hastighet och p är antalet poler per fas, p är alltså ett jämnt heltal.Elnätets frekvens betecknas med f. Om motorn körs direkt mot elnätet resulterar det isynkron hastighet enligt tabell 6.

Den verkliga hastigheten är något lägre och varierar med lasten, motorn kommer roteramed den hastighet där slippet ger ett tillräckligt stort moment för att väga upp lasten.Med ovanstående som bakgrund kommer en varvtalsgivare behövas om en asynkron väx-elströmsmotor ska användas i spinnriggen.

10.6 Synkron växelströmsmotor

Synkronmotorn har i denna tillämpning fördelen att den vid körning kommer att roteramed den synkrona hastigheten så länge lasten inte blir för stor. Om lasten blir för stortappar motorn synkroniseringen och stannar vilket ger att motorns rotationshastighetkan bestämmas exakt under körning. Synkrona motorer kan till skillnad från asynkronamotorer producera moment vid synkron hastighet.

10.7 Frekvensomriktarstyrning

Om en växelströmsmotor kopplas in direkt mot elnätet kommer dess rotationshastighet va-ra konstant enligt tabell 6 Frekvensomriktarstyrning används för att kunna ändra varvtalethos växelströmsmotorer. Frekvensomriktaren likriktar växelspänningen, den likspänningsom därmed finns används sedan för att approximera en sinusvåg. Approximeringen görsmed hjälp av transistorer vid mycket hög frekvens och sinusvågens frekvens och amplitudkan varieras. Med denna metod kan varvtalet hos elmotorn styras. Frekvensomriktare kananvändas både för synkrona och asynkrona växelströmsmotorer.

10.8 Krav på drivande motor

Det fordon som den dubbelkopplade växellådan tidigare suttit monterad i hade en motormed maxeffekt på 81 kW vid 4000rpm och 240Nm vid 1750 Nm. I appendix 11 visas effektoch moment som funktion av varvtal för en motor av samma typ som den som använtstillsammans med DCT-växellådan. Motorn som använts i mätningarna till appendix ärnågot kraftigare men det principiella beteendet bör ändå ge en fingervisning om vadspinnriggens motorer ska klara. Båda motorerna är av typen rak 4-cylindrig turboladdad



diesel. Den motor som driver växellådens ingående axel måste alltså kunna leverera dennaeffekt/moment samt varvtal.

10.9 Bromsning på växellådans utgående axel

Bromsning av växellådans utgående axel kan antingen ske med hjälp av t ex en skiv- ellertrumbroms men för att kunna använda spinnriggen till att kunna simulera motorbroms-ning (växellådans utgående axel måste drivas) fungerar inte en lösning med enbart enmekanisk broms. Det kommer alltså behövas en elmotor även på växellådans utgåendeaxel och den behöver bromsas vid t ex acceleration eller körning med konstant fart.

Bromsning av en elmotor sker antingen med en mekanisk broms, genom att styra motorn såatt ett bromsande moment skapas eller en kombination av dessa. Vid mekanisk bromsninganvänds ofta en skiv- eller trumbroms. Elektrisk bromsning sker principiellt på tre olikasätt [10]

• Regenerativ bromsning - bromsning sker bara när motorn roterar med en hastighetöver den synkrona hastigheten.

• Motströms-bromsning (plugging) – görs genom att koppla om motorn vilket skaparett motriktat moment.

• Dynamisk bromsning – uppnås genom att koppla från motorn från elnätet och skapaett statiskt magnetfält via en likspänning. Denna inducerar elektromotoriska krafteri rotorns lindningar. Kraftig dynamisk bromsning kan uppnås i en asynkron-motorgenom att införa kondensatorer.

Bromsningen av elmotorn på växellådans utgående axel måste kunna ta upp samma effektsom som levereras på den ingående axeln.

10.10 Krav på bromsande motor

Den bromsande motorn kommer arbeta i olika varvtalsområden vid olika val av växel iväxellådan. Lägst varvtal på växellådans utgående axel uppnås med ettans växel ilagd ochhögst med sjätte växeln. Utväxlingen för sjätte växeln ges enligt tabell 3.1 till 2.1-4, exaktvilken utväxling som gäller för den aktuella växellådan är okänt men om ett maximaltvarvtal beräknas utifrån utväxlingen 2.1 erhålls:

rpmmax =4500

2.1= 2143 rpm (14)

Detta varvtal gäller om hela motorns varvtalsområde ska kunna simuleras för alla växlar.Om målet med simuleringen är att köra en körcykel kan området som den bromsande mo-torn behöver kunna arbeta i minskas avsevärt eftersom körcyklarna normalt inte innehållerkörning vid maximal hastighet.

10.11 Testning av spinnrigg med körcykel

För att testa utsläppen från bilar används bland annat körcykeln New European Dri-ve Cycle (NEDC), en plot av denna visas i figur 39. Körcykeln består av fyra likadanablock som efterliknar stadskörning och därefter ett block som simulerar motorvägs- ellerlandsvägskörning. Genom körcykeln går det att ta reda på hur höga varvtal som behöver



Figur 39: Körcykeln NEDC

användas och därmed hur högt maxvarvtal som krävs för spinnriggens motorer. Det gåräven beräkna hur snabbt elmotorerna behöver accelereras/bromsas för att kunna uppfyllakörcykeln och därmed deras beteende under transienter.



11 Appendix A

I detta appendix visas effekt/moment som funktion av varvtal för en motor liknande densom används tillsammans med DCT-växellådan. [11]


Downloaded from www.rototest.com/rri on 2011-10-31 12:56 by 130.236.216.136(c) Copyright Rototest Research Institute. All rights reserved. For limited non-profit use, see terms att www.rototest.com/rri.

Performance graphs are available as high resolution images. Please contact RRI for more information.

Downloaded from www.rototest.com/rri on 2011-10-31 12:56 by 130.236.216.136(c) Copyright Rototest Research Institute. All rights reserved. For limited non-profit use, see terms att www.rototest.com/rri.

Performance graphs are available as high resolution images. Please contact RRI for more information.


Referenser[1] Wagner, Berger, Ehrlich och Homm, ”Electromotoric Actuators for Double Clutch

Transmissions” LuK SYMPOSIUM 2006 2006.

[2] Francesco Vasca, Luigi Iannelli, Adolfo Senatore och Maurizio Taglialatela Sca-fati, ”Modeling Torque Transmissibility for Automotive Dry Clutch Engagement”2008 American Control Conference Westin Seattle Hotel, Seattle, Washington,USA 2008, available at http://www.nt.ntnu.no/users/skoge/prost/proceedings/acc08/data/papers/0785.pdf,2011-10-12.

[3] http: // www. comedi. org 2011-10-12 , 2011.

[4] http: // www. scientificlinux. org/ 2011-10-12 , 2011.

[5] http: // blog. tpa. me. uk/ slackware-kernel-compile-guide/ 2011-11-02 , 2011.

[6] http: // www. cyberciti. biz/ tips/ compiling-linux-kernel-26. html 2011-11-02, 2011.

[7] www. kernel. orgl 2011-11-02, 2011.

[8] http: // bhanderi. dk/ downloads/ 2011-12-07, 2011.

[9] http: // www. mathworks. com/ matlabcentral/ fileexchange/ 15792 2011-12-07,2011.

[10] http: // www. ckit. co. za/ secure/ conveyor/ troughed/ electric_ motors/alstom/ alstom---braking. htm 2011-11-18, 2011.

[11] http: // http: // www. rri. se/ popup/ performancegraphs. php? ChartsID=870 2011-11-18, 2011.

[12] http: // www. getrag. com/ en/ 231 2011-11-25, 2011.

[13] Ljung och Glad, ”Reglerteknik : grundläggande teori, upplaga 4” Studentlitteratur AB2006 2006.


http://www.nt.ntnu.no/users/skoge/prost/proceedings/acc08/data/papers/0785.pdf

http://www.nt.ntnu.no/users/skoge/prost/proceedings/acc08/data/papers/0785.pdf

http://www.comedi.org

http://www.scientificlinux.org/

http://blog.tpa.me.uk/slackware-kernel-compile-guide/

http://www.cyberciti.biz/tips/compiling-linux-kernel-26.html

www.kernel.orgl

http://bhanderi.dk/downloads/

http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/15792

http://www.ckit.co.za/secure/conveyor/troughed/electric_motors/alstom/alstom---braking.htm

http://www.ckit.co.za/secure/conveyor/troughed/electric_motors/alstom/alstom---braking.htm

http://http://www.rri.se/popup/performancegraphs.php?ChartsID=870

http://http://www.rri.se/popup/performancegraphs.php?ChartsID=870

http://www.getrag.com/en/231

Documents

Teknisk Dokumentation - Linköping University...Teknisk Dokumentation Version 0.8 Författare: DCT-group Datum: 7 december 2011 Status Granskad CarinCarlsson 2011-12-07 Godkänd PatrikStorm