UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREȘTI FACULTATEA DE...

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREȘTI FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ

CATEDRA DE ELECTROTEHNICĂ

ing. Cătălin VASILIU

SIMULAREA ÎN TIMP REAL A TRANSMISIILOR ELECTRICE ALE AUTOVEHICULELOR

HARDWARE-IN-THE-LOOP SIMULATION OF THE ELECTRICAL AUTOMOTIVE POWERTRAINS

- REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT -

Conducător științific: prof. dr. ing. Nicolae VASILE

BUCUREȘTI, 2011

Cătălin Vasiliu Rezumatul Tezei de Doctorat

2

SIMULAREA ÎN TIMP REAL

A TRANSMISIILOR ELECTRICE ALE AUTOVEHICULELOR

HARDWARE-IN-THE-LOOP SIMULATION OF THE ELECTRICAL AUTOMOTIVE POWERTRAINS

REZUMATABSTRACT

Lucrarea de față prezintă o metodologie originală de abordare a problemelor specifice simulării și testării în timp real (HiL), ilustrată printr-o soluție practică dată de autor unei probleme tehnice de mare actualitate: studiul transmisiilor electrice folosite în tracțiunea rutieră. Pentru a face față cerințelor pieței, industria auto are nevoie de tehnici de proiectare inovatoare, ce permit scurtarea timpilor de dezvoltare a noilor produse, dar în același timp sunt suficient de flexibile pentru a fi refolosite pentru mai multe proiecte. Această lucrare descrie o arhitectură modulară, ce include atât elemente hardware cât și software. În acest scop a fost proiectat un stand de testare ce conține două mașini electrice comandate vectorial, trei unități de timp real din gama PXI a National Instruments și un calculator industrial. Mașinile electrice sunt cuplate mecanic la același ax. Unitățile de timp real au trei sarcini distincte: achiziția parametrilor electrici, comanda și controlul autovehiculului și simularea modelului matematic. Modelul matematic este realizat în LMS Imagine.Lab AMESim și include toate subansamblele unui automobil. Acesta este integrat folosind parțial un toolkit din pachetul LabVIEW, interfața grafică și controller-ul fiind realizate în același program. Datorită complexității modelului matematic, s-a ales folosirea unui controller de tip fuzzy, ce oferă performanțe superioare celor clasici de tip PID. Rezultatele obținute au demonstrat că soluția propusă este viabilă. Datorită modularității standului, adaptarea sa la motoare electrice de diferite tipuri sau dimensiuni se face prin simpla înlocuire fizică a acestora și prin modificarea unor parametri în programele create. De asemenea, prin elaborarea unor metode inovatoare de conversie a modelelor matematice din AMESim, s-a obținut o independență crescută a celor două procese, de creare a modelelor și de realizare a programelor de testare în timp real. Prin folosirea unor componente comerciale, arhitectura propusă elimină necesitatea cercetărilor aprofundate pentru a proiecta și construi dispozitive noi, necesare simulării. Același principiu se poate aplica și altor dispozitive inginerești, cu modificări minore, dovedind astfel versatilitatea sa. Cuvinte cheie: timp-real, simulare, testare, transmisii, fuzzy, motoare electrice fără perii, automobil electric, achiziție de date

This thesis presents an original methodology to deal with specific problems in real-time simulation and testing (HIL), illustrated by a practical solution given by the author to a technical problem of great interest: the study of electric transmissions used in road traction. To meet market requirements, industry needs innovative design techniques that allow shortening development cycles of new products, and are yet flexible enough to be reused for several projects. This paper describes a modular architecture, that includes both hardware and software. To prove the concept, a testbench has been designed, which contains two vector-controlled electric motors, three real-time units from National Instruments’ PXI range and an industrial PC. The electric motors are mechanically coupled to the same shaft. Real-time units perform three individual tasks: acquisition of electrical parameters, electric vehicle command and control, and the simulation of the mathematical model. The mathematical model is developed using LMS Imagine.Lab AMESim and includes all the subcomponents of a car. It is integrated using partially a LabVIEW toolkit, a GUI and a controller being created using the same software. Due to the complexity of the mathematical model, a fuzzy controller was chosen because it offers superior performance to the classical PID. The test results gathered during a number of test runs with different scenarios showed that the proposed solution is viable. Since modularity is a key concept, adaptation of electric motors of different types or sizes is as simple as replacing and changing their physical parameters in the software. Also, by developing innovative methods of converting mathematical models from AMESim, a high degree of independence between creating the models and real-time testing was achieved. By using commercial off-the-shelf components, the proposed architecture avoids extensive research to design and build new devices required for simulation. The same principle can be applied to other engineering devices, with minor changes, proving its versatility. Keywords: real-time, simulation, testing, powertrain, fuzzy, electrical brushless motors, electric vehicle, data acquisition


3

PREFAȚĂ

Lucrarea de față prezintă o metodologie originală de abordare a problemelor specifice simulării și testării în timp real, ilustrată printr-o soluție practică dată de autor unei probleme tehnice de mare actualitate: studiul transmisiilor electrice folosite în tracțiunea rutieră. Pe parcursul tezei sunt evidențiate aspectele teoretice și mai ales practice ale proiectării și implementării unui sistem de comandă, control în buclă închisă, simulare și achiziție de date, aflate în curs de brevetare.

Conceptul de simulare în timp real se referă la corelarea modelării matematice cu utilizarea unor echipamente reale, supuse unor semnale sau perturbații reale din sistemele industriale. Modelarea matematică trebuie să reprezinte cât mai fidel realitatea, respectând în același timp constrângeri multiple legate de interconectarea unor sisteme virtuale cu sisteme reale. Spre deosebire de simularea numerică, modelele folosite în timp real trebuie să fie robuste, fără a sacrifica performanțele.

Rolul simulării și testării în timp real în buclă închisă sau HiL, conform denumirii în limba engleză a procedeului, se află la granița dintre proiectarea preliminară și definitivarea prototipurilor, așa cum se indică în figura următoare.

Teza urmărește parcurgerea unor etape din diagramă în legătură cu elementele specifice ale

sistemului studiat, după cum urmează. În primul capitol se identifică câteva dintre problemele majore ale industriei producătoare de

autovehicule și ale celei producătoare de subansamble pentru aceasta, precum și soluții ale provocărilor generate de evoluția tehnicii, dintre care unele sunt abordate în această teză.

Capitolul doi conține o descriere sintetică a realizărilor din domeniul de interes al tezei, urmărind evoluția automobilului electric, a tehnologiei motoarelor electrice destinate tracțiunii și a sistemelor de calcul ambarcabile. Astfel se conturează specificațiile unui sistem de simulare și testare în timp real pentru transmisiile electrice ale autovehiculelor rutiere.

În capitolul al treilea se prezintă fundamente teoretice ale dinamicii automobilelor, ale sistemelor de timp real și ale motoarelor electrice. Abordarea teoretică definește elementele de bază necesare justificării soluțiilor adoptate.

Capitolele patru și cinci constituie nucleul original al tezei. În capitolul patru este prezentat modul de concepție al unui model de simulare în timp real cu ajutorul AMESim, iar în capitolul cinci sunt prezentate structura standului de simulare în timp real conceput de autor, modul de adaptare al modelelor obținute în capitolul precedent pentru rularea pe platforma PXI și programele de testare.


4

În capitolul șase sunt analizate datele experimentale obținute și interpretarea acestora. Sunt evidențiate problemele apărute pe parcurs și modul de rezolvare a acestora. Datele provin atât din simulări of-line cât și din măsurători efectuate pe standul de încercare. Soluțiile propuse pentru rezolvarea unor probleme apărute pe parcursul concepției și realizării standului pot contribui la îmbunătățirea performanțelor sistemului.

Capitolul șapte sintetizează contribuțiile științifice și tehnice personale ale autorului și prezintă o viziune proprie asupra viitorului tehnologiei prezentate.

Scopul întregii lucrări este elaborarea unei metodologii fundamentate științific pentru racordarea limbajelor de simulare numerică cu sistemele de calcul de timp real și cu transmisiile autovehiculelor electrice. Astfel, proiectanţii de sisteme tehnice complexe vor putea simplifica considerabil sinteza autovehiculelor electrice și a altor echipamente care pot beneficia de avantajele majore ale transmisiilor electrice.

*** Autorul tezei mulţumeşte în mod deosebit conducătorului ştiinţific, domnul prof.dr.ing. Nicolae VASILE pentru suportul ştiinţific, tehnic şi moral acordat pe întreaga perioadă de pregătire şi de elaborare a tezei. Autorul mulţumește şi pe această cale profesorilor, cercetătorilor, firmelor şi colegilor care au contribuit - direct sau indirect - la elaborarea acestei lucrări interdisciplinare. Dintre aceştia se detaşează următorii specialişti: -prof.dr.ing. Claudia Laurenția POPESCU, decanul Facultății de Inginerie Electrică, U.P.B.; -prof.dr.ing. Ioan Florea HĂNȚILĂ, şeful Catedrei de Electrotehnică a Facultății de Inginerie Electrică, U.P.B.; -prof.dr.ing. Valentin NĂVRĂPESCU, de la Catedra de Mașini, Materiale și Acționări Electrice, U.P.B.; -dr.ing. Ion POTÂRNICHE, directorul firmei S.C. ICPE-ACTEL S.A.; -dr.ing. Jan LEURIDAN, directorul executiv al firmei LMS INTERNATIONAL şi drd.ing. Petru Cristinel IRIMIA, directorul sucursalei române a aceleiași firme; -prof.dr.ing. Jean-Charles MARE, şeful Laboratorului de Sisteme Automate Hidraulice şi Pneumatice al INSTITUTULUI NAŢIONAL DE ŞTIINŢE APLICATE DIN TOULOUSE; -acad. Florin Gh. FILIP, președintele Secției de Știinţa şi Tehnologia Informaţiei a ACADEMIEI ROMÂNE; -dr.ing. Vlad ZILERIU, reprezentantul diviziei academice a concernului NATIONAL INSTRUMENTS în România; -drd.ing. Szilard FEHER, de la S.C. HIDRAULICA BRAȘOV S.R.L.; -ing. Adrian RĂDULESCU, cercetător științific la S.C. ICPE-ACTEL S.A.; -conf.dr.ing.mat. Constantin CĂLINOIU, de la U.P.B.; -tehnician principal Valentin PETICA, de la U.P.B..

Autorul mulţumeşte părinţilor pentru înţelegerea şi susţinerea permanentă. Autorul îşi exprimă speranţa că eforturile sale vor fi utile specialiştilor implicaţi în concepţia, execuţia, implementarea şi exploatarea transmisiilor electrice, precum şi studenţilor și doctoranzilor. Orice apreciere constructivă, transmisă prin poşta electronică la adresa [email protected] este binevenită pentru înțelegerea și depăşirea propriilor limite. București, 2011 Autorul


5

CUPRINSUL TEZEI

1. INTRODUCERE 1.1. Necesitatea unor noi forme de transport 1.2. Evoluția tehnologiei mașinilor electrice destinate tracțiunii 1.3. Maturizarea tehnicii de calcul și a metodelor de simulare 1.4. Necesitatea unui sistem unitar de testare 1.5. Concluzii

2. STADIUL CERCETĂRII ÎN DOMENIILE DE INTERES 2.1. Mașini electrice destinate tracțiunii

2.1.1. Tendințe în dezvoltarea mașinilor electrice 2.1.2. Caracteristicile de bază ale materialelor magnetice dure folosite la construcția mașinilor electrice

2.2. Evoluția automobilului electric 2.3. Utilizarea simulării HiL pentru analiza rapidă a sistemelor complexe

2.3.1. Introducere 2.3.2. Sistemele de operare de timp real 2.3.3. Evoluția platformelelor de simulare în timp real și caracteristici specifice 2.3.4. Platforme comerciale pentru simularea în timp real 2.3.5. Comparația platformelor comerciale de simulare în timp real

2.4. Concluzii 3. NOȚIUNI TEORETICE

3.1. Modelarea dinamicii autovehiculelor 3.1.1. Rezistența la înaintare la urcarea unei rampe 3.1.2. Rezistența la înaintare datorată interacțiunii cu calea de rulare 3.1.3. Rezistența la înaintare datorată interacțiunii cu aerul 3.1.4. Rezistența la accelerare 3.1.5. Caracteristici de tracțiune pentru motoarele cu ardere internă 3.1.6. Calcularea ecuației de mișcare pentru un autovehicul

3.2. Modelarea motoarelor electrice fără perii cu magneți permanenți cu ajutorul Dymola 3.2.1. Dymola - scurtă descriere 3.2.2. Variante constructive ale mașinilor electrice fără perii cu magneți permanenți 3.2.3. Obținerea unui model de mașină electrică cu magneți permanenți fără perii, cu câmp radial, înfășurări sinusoidal distribuite și magneți plasați pe suprafață destinat simulării în Modelica 3.2.4. Implementarea modelului MMPFP și utilizarea sa la simularea inversă

3.3. Sisteme de timp real 3.3.1. Defi nirea sistemelor de timp real 3.3.2. Caracteristici ale sistemelor de timp real 3.3.3. Sisteme de operare de timp real 3.3.4. Elemente de bază ale sistemelor de operare de timp real 3.3.5. Elemente de teoria planifi cării resurselor sistemelor de operare de timp real 3.3.6. Simularea în timp real 3.3.7. Concluzii legate de sistemele de timp real

3.4. Concluzii 4. CREAREA MODELELOR DE SIMULARE ÎN TIMP REAL CU AJUTORUL AMESIM

4.1. Modelarea sistemelor dinamice în AMESim 4.1.1. Principiile de bază ale AMESim


6

4.1.2. Utilizarea Amesim 4.1.3. Integrarea numerică a ecuațiilor diferențiale în AMESim 4.1.4. Prelucrarea rezultatelor simulărilor în AMESim 4.1.5. Moduri de analiză avansate disponibile în AMESim

4.2. Modelarea autovehiculelor în AMESim 4.2.1. Conectarea motorului electric real la transmisia virtuală a automobilului 4.2.2. Modelarea parametrilor aerodinamici 4.2.3. Modelarea căii de rulare 4.2.4. Determinarea vitezei automobilului 4.2.5. Rezultatele obținute folosind un model ce folosește o sursă ideală de putere de tracțiune 4.2.6. Îmbunătățirea modelului virtual prin adăugarea unui sistem de acționare electrică 4.2.7. Rezultatele obținute prin simularea modelului complet al autovehiculului în AMESim

4.3. Pregătirea modelelor din AMESim pentru simularea în timp real 4.4. Concluzii

5. PROIECTAREA ȘI UTILIZAREA STANDULUI DE TESTARE ÎN TIMP REAL A TRANSMISIILOR ELECTRICE

5.1. Introducere 5.2. Structura hardware a standului 5.3. Structura software a standului 5.4. Acționarea electrică 5.5. Utilizarea LabVIEW pentru simularea în timp real

5.5.1. LabVIEW - informații generale 5.5.2. Structura sistemelor de timp real bazate pe platforma PXI a National Instruments 5.5.3. Crearea aplicațiilor de timp real 5.5.4. Shared Variable Engine 5.5.5. Mecanismele de automatizare a funcționării standului 5.5.6. Algoritmul de comunicație a datelor 5.5.7. Afișarea mărimilor electrice 5.5.8. Afișarea mărimilor din simulare 5.5.9. Importul modelului din AMESim în LabVIEW 5.5.10. Programul LabVIEW pentru simularea autovehiculului 5.5.11. Programul LabVIEW pentru controlul autovehiculului 5.5.12. Interfața grafică 5.5.12.1. Intefața grafică pentru achiziția curenților și tensiunilor 5.5.12.2. Interfața grafică pentru simulare

5.6. Concluzii 6. REZULTATE EXPERIMENTALE

6.1. Introducere 6.2. Caracteristicile acționării electrice 6.3. Date obținute în urma simulării în timp real 6.4. Concluzii

7. SINTEZA CONTRIBUȚIILOR PERSONALE 7.1. Sinteza contribuțiilor personale 7.2. Idei pentru dezvoltarea ulterioară a conceptelor prezentate în teză

8. BIBLIOGRAFIE


7

1. INTRODUCERE

1.1 Necesitatea unor noi forme de transport

Transportul a fost întotdeauna una dintre problemele de bază ale omenirii. O dată cu globalizarea economică, nevoia deplasării rapide pe distanțe mari a devenit și mai stringentă. Popularitatea vehiculelor bazate pe combustibili fosili a scăzut datorită curentului de opinie ecologist, din ce în ce mai mulți oameni căutând pentru propulsie diverse forme de energii regenerabile. Totuși tehnica nu este suficient de avansată pentru a permite comercializarea pe scară largă a vehiculelor alternative destinate transportului pe distanțe mari, principalul impediment fiind prețul ridicat al generatoarelor de energie cu autonomie ridicată. Pe distanțe scurte însă, folosirea unui vehicul pe baza de energie “verde” este mai mult decât posibilă.

1.2 Evoluția tehnologiei mașinilor electrice destinate tracțiunii

Eforturile pentru crearea unor mașini electrice pentru tracțiunea electrică se fac pe două mari direcții: folosirea unor materiale inovatoare alături de tehnicile de construcție aferente și înlocuirea sistemelor de alimentare cu energie electrică cu unele mai performante. Alte inovații în domeniu sunt legate de materiale feromagnetice și de structuri mecanice ce permit creșterea performanțelor și scăderea costurilor.

1.3 Maturizarea tehnicii de calcul și a metodelor de simulare

Evoluția exponențială a puterii de calcul a echipamentelor uzuale a dus la posibilitatea executării unor simulări foarte avansate. Modelele au putut fi extinse pentru a lua în considerare mai multe fenomene necesare înțelegerii modului de funcționare. Timpul necesar executării acestora a scăzut considerabil, permițând în consecință rularea în timp real a algoritmilor de control, în paralel cu simularea avansată a echipamentelor la nivel de sistem.

1.4 Necesitatea unui sistem unitar de testare

În prezent nu există un sistem unitar de simulare care să permită optimizarea globală a parametrilor unui vehicul. Există sisteme cu performanțe similare, dar majoritatea se bazează pe fluxul de energie sau pe modele matematice abstracte ale componentelor (invertor-motor, șasiu, suspensii). Pentru a obține performanțe notabile, simularea trebuie adaptată sistemului de calcul pe care este rulată. Unul dintre programele de simulare larg utilizate de marii integratori de sisteme tehnice - AMESim, permite modelarea în detaliu a subsistemelor unui autovehicul. Acestea pot fi înlocuite oricând prin dispozitive fizice ce pot fi testate în realitate.

1.5 Concluzii

Necesitatea unor noi mijloace de transport a determinat creșterea activității de cercetare în acest domeniu. Energia electrică este unul dintre candidații serioși pentru înlocuirea energiei combustibilor fosili, însă întâmpină o serie de probleme cauzate de contextul social și de lipsa unor instrumente necesare susținerii progresului rapid al industriei. Simularea în timp real ar putea susține masiv acest proces, dar eforturile materiale și cele umane trebuie optimizate.

2. STADIUL CERCETĂRII ÎN DOMENIILE DE INTERES

2.1 Mașini electrice destinate tracțiunii

2.1.1 Tendințe în dezvoltarea mașinilor electrice

În prezent, automobilele ce încorporează mașini electrice folosesc două clase de motoare: de inducție și cu magneți permanenți. Cercetările efectuate de marile concerne au arătat că motoarele cu reluctanță variabilă prezintă câteva dezavantaje de natură economică și subiectivă care le reduc valoarea


8

comercială. În timp ce piața pentru mașini cu magneți permanenți de mică putere este constantă sau în creștere iar cea a mașinilor de inducție este încă în creștere, în domeniul transportului electric lucrurile sunt încă neclare. Cele mai multe autovehicule construite până acum folosesc motoare cu magneți permanenți, însă de mici dimensiuni deoarece mașinile sunt în special hibride. Motoarele asincrone echipează autovehiculele de mari dimensiuni, unde este nevoie de o putere de ordinul a 100kW. Este clar că este nevoie de schimbări semnificative în structura clasică a motoarelor pentru a corespunde exigențelor unui autovehicul. Majoritatea motoarelor cu magneți permanenți au lungimea mică în raport cu diametrul, pentru a încape în interiorul caroseriei și a îmbunătăți cuplul. Motoarele asincrone în schimb nu pot fi “turtite” prea mult datorită reducerii ariei asupra căreia se exercită forțele electromagnetice și în consecință a cuplului.

Pentru spații restrânse cum este cel dintr-un autovehicul, motorul electric trebuie sa fie compact, deci are densitate de putere mare. Motoarele cu magneți permanenți cu flux transversal oferă o soluție pentru densități mari de energie în spații reduse ca volum. O mașină cu flux transversal are un număr mare de poli, fiind alimentată cu tensiuni sau curenți cu frecvențe mult mai mari decât cele uzuale. Numărul de perechi de poli variază de la 24 până la 144 și chiar mai mulți [26]. Rezistența la forfecare a mașinii cu flux tranversal este mai mare decât a mașinilor clasice cu flux longitudinal de aceea se pot folosi ca motoare montate direct în roți. Voith Turbo GmBh a început dezvoltarea soluțiilor bazate pe mașini cu flux transversal pentru transmisii auto de la începutul anilor 2000, în special pentru autobuze pentru transportul în comun. În prezent, un motor electric de 200kW și 1350 Nm poate fi cuplat cu orice motor termic pentru a realiza autovehicule hibride de înaltă performanță. Motorul electric poate porni rapid și cu o pantă a accelerației lină de pe loc, asigurând un confort sporit pasagerilor [88]. Scania testează în momentul actual o soluție bazată pe o astfel de transmisie, estimând o reducere a emisiilor poluante de peste 25% față de soluția alternativă actuală [89].

O altă soluție folosită pentru construcția mașinilor electrice de tracțiune sunt motoarele cu magneți permanenți cu înfășurări concentrate, fără suprapunerea acestora. Constructiv, se aseamănă cu mașinile sincrone cu poli aparenți, fiecare bobină fiind dispusă pe câte o talpă polară.

Ca și mașinile cu flux transversal, permit antrenarea directă, deoarece au un număr mare de poli. Grosimea acestor mașini este mică, permițând o integrare și mai bună în spații înguste. Cele mai multe mașini hibride compacte (Toyota Prius, Honda Insight) folosesc acest tip de motoare. Construcția lor poate fi făcută modular, ceea ce practic înseamnă că circumferința statorului sau rotorului mașinii pot fi asamblate asemenea unui puzzle. Acest lucru este mai avantajos mai ales pentru diametre mari, greutatea totală a ansamblului devenind greu de manipulat de către operatorul uman. Economia făcută la decuparea tablei este semnificativă, constituind un alt motiv pentru care producătorii au adoptat această soluție. Electronica de putere, ce este de nelipsit într-o acționare electrică, a atins maturitatea, convertoarele având dimensiuni mici în raport cu puterea vehiculată, iar eficiența acestora este suficient de bună pentru a nu necesita sisteme de răcire complicate. Puterea de calcul a crescut exponențial, algoritmi care în trecut erau prezentați doar pe hârtie ajungând acum să echipeze mașini de serie. Optimizarea multi-obiectiv necesară în cazul unui vehicul ce folosește o sursă de energie de capacitate scăzută se face acum la nivel de milisecunde, permițând o utilizare mai îndelungată a resurselor disponibile.

2.2 Evoluția automobilului electric

Inceputurile automobilului electric pot fi gasite într-o epocă de peste un secol. Puțini știu acest lucru, însă primele vehicule construite au fost electrice. Cu ceva timp înainte de a fi perfecționat motorul cu ardere internă, singura formă de energie ce putea fi stăpânită îndeajuns de bine pentru a propulsa un vehicul autonom era cea electrică.

Primele mențiuni legate de vehicule propulsate cu baterii și motoare electrice datează din anii 1830. Primul inventator amintit este Robert Anderson, un scoțian, ce a proiectat o trăsură electrică. Limitate de capacitatea și costul bateriilor, ce nu puteau fi reîncărcate, aceste prime încercări de a


9

defini un vehicul autopropulsat nu s-au raspândit decât în momentul în care bateriile au fost rafinate pentru a oferi energie pentru o perioada mai lungă de timp. În mod paradoxal, această problemă constituie cel mai mare impediment și în prezent.

În anii 1890 americanii au adoptat conceptul de vehicul electric și au construit o serie de prototipuri printre care și o trăsură pentru șase pasageri. Aceasta avea o autonomie de 18 mile și o viteză de vârf de 14 mph. În 1916 a fost construit unul dintre primele vehicule hibride, de către Woods, în SUA. Cu avantaje remarcabile, automobilele electrice au fost mult mai cautate în America la începutul secolului. Creșterea nivelului economiei a constituit însă un punct de cotitură pentru acestea, deoarece petrolul descoperit în Texas și drumurile construite recent au scazut prețul autovehiculelor dotate cu motoare cu combustie internă mult sub cel al celor electrice, undeva la jumătate. Henry Ford a contribuit semnificativ la acest lucru prin introducerea liniei de asamblare, dând posibilitatea omului obișnuit să‑și procure un vehicul pentru uzul personal.

Până în anii 1970, vehiculele electrice au fost “îngropate“; numai nevoia de a găsi alternative cu un grad mai mic de poluare la motoarele cu ardere internă a făcut ca încercări timide de a inova acest domeniu să existe, însă acestea au avut un scop evident publicitar, performanțele lăsând mult de dorit. Anii 90 au adus reglementări mai stricte în privința emisiilor poluante, dar factorii politici și economici au impiedicat materializarea cercetărilor din domeniu într-un produs finit.

2.3 Utilizarea simulării HiL pentru analiza rapidă a sistemelor complexe

Noțiunea de timp real a evoluat pornind din epoca calculatoarelor analogice. Acestea puteau executa o serie de operații matematice mult mai rapid decât evoluau procesele pe care le controlau. De aici a apărut necesitatea introducerii unor elemente suplimentare care să adapteze ieșirea calculatoarelor (comanda) la rata de schimbare a mărimii controlate din cadrul proceselor respective. În caz contrar, semnalul de comandă venea prea devreme, iar procesul se găsea încă în starea anterioară, apărând neconcordanțe ce destabilizau funcționarea regulatoarelor. Despre procesele fizice se spunea că rulau în timp real, iar la momentul respectiv calculatoarele erau cele care mergeau mai rapid. După migrarea unităților de calcul spre digital, puterea de calcul prezentă în dispozitivele de comandă și control industriale a devenit insuficientă pentru a rula programe la viteza necesară proceselor. Astfel, noțiunea de timp real a căpătat altă semnificație, opusă față de cea inițială. Cu timpul, pe măsură ce electronica digitală s-a maturizat, componenta software a căpătat din ce în ce mai multă importanță, ajungând să determine în proporție de 90% performanțele unui echipament. Ce nu trebuie să uităm este că cel mai mare succes îl au soluțiile proiectate ca o entitate încă de la început, cu alte cuvinte proiectarea softului pentru o anumită platformă hardware oferă maximul de performanță posibil. Alternativele generale sunt utile doar în cazul în care se dorește o abordare rapidă sau portabilitate extinsă, ceea ce în afara mediului universitar este rar întâlnit.

Este greu de definit cu precizie ceea ce constituie în ziua de azi un sistem de timp real. Multitudinea de aplicații existente face ca încadrarea unui concept abstract ca cel în cauză să fie subiectul multor controverse. Ce este sigur este că, dacă anumite concepte pot exista și în mediul virtual, precum o teorie sau o ipoteză, sistemele de timp real sunt într-o majoritate covârșitoare dependente de un proces fizic sau echipament real. De la avioanele de vânătoare moderne până la echipamentele medicale sau ABS-ul de pe autovehicule, toate dispozitivele folosesc un sistem de timp real. Acestea sunt doar aplicații comune, existând și router-e sau portaluri (gateway) ce sunt animate de astfel de programe, prin urmare nu toate sistemele de timp real trebuie să aibă un suport fizic palpabil. Ceea ce este unilateral acceptat este că un sistem de timp real trebuie să răspundă la stimuli externi corect și într-un interval de timp bine determinat. Reformulând, nu este suficient ca o anumită operație să fie îndeplinită cu succes, acest lucru trebuie să se încadreze într-o durată de timp bine definită. Acest lucru nu înseamnă că aceasta este predeterminată, cunoscută. Algoritmii ce stau la baza unui sistem pot lua în considerare și o abordare statistică a intervalului de timp alocate unei operații, însă o normă bine definită stă la baza oricărui sistem de timp real.


10

2.3.3 Evoluția platformelelor de simulare în timp real și caracteristici specifice

Platformele de simulare în timp real au apărut pentru a testa unitățile electronice de control pentru autovehicule. Inițial, ele testau răspunsul ECU la diferite semnale ce erau cât mai apropiate de cele reale. Astfel, se evitau accidentele datorate folosirii unor algoritmi necorespunzători și se accelera timpul de punere în funcțiune al noilor produse. Testarea se făcea trimițând un vector de date ce acoperea toate valorile posibile ale intrărilor și ieșirilor și verificând răspunsul sistemului de control. Posibilitatea ca sistemele de simulare în timp real să fie utilizate pentru a controla și alte echipamente, chiar în timp ce acestea funcționau, nu apăruse încă.

Pe măsură ce tehnica de calcul a evoluat, numărul de operații pe care un procesor putea să îl efectueze a crescut semnificativ. Astfel, simulatoarele au devenit interactive și au permis procesarea datelor destul de rapid pentru a le trimite înapoi în sistem ca un răspuns la diverse evenimente apărute. Spre exemplu, dacă inițial pentru a testa modul în care funcționează mecanismul electric atașat unui geam se trimitea un set de date care ar fi venit de la utilizator, practic o succesiune de biți, iar rezultatul era stocat sub formă de date pe un mediu special, în ziua de azi aceeași comandă poate fi dată chiar de un operator uman, de la un buton identic cu cel din mașină, iar sistemul electric să fie comandat direct de ieșirea dintr-un emulator de ECU.

Practic, pe parcursul a două decade, s-a făcut tranziția de la analiza statică a datelor la concepte avansate precum HiL, MiL sau SiL. Acum orice componentă, fie hardware, fie software, poate fi simulată, emulată, și conectată cu restul sistemului, din punctul de vedere al acestuia neexistând nici o diferență între obiectul real și cel virtual. Un sistem de simulare în timp real a devenit o platformă complexă, ce permite de la a avea un autovehicul complet sub formă de soft pe un calculator și de a modifica on-line diverși parametri, până la a extrage oricâte componente din cadrul modelelor software și a le interconecta fizic cu calculatorul ce păstrează restul automobilului sub formă de soft.

După ce industria a început să absoarbă tehnica simulării în timp real, au apărut multe alte aplicații în afara domeniului auto. Cele mai extinse sunt în domeniul aerospațial, simulatoarele permițând optimizari cruciale pentru obținerea unor aparate sigure și ieftine.

Alt domeniu în care sunt prezente echipamentele menționate este cel electrotehnic, unde simulatoarele permit testarea defectelor rețelelor de distribuție electrică, a manevrelor din stațiile electrice sau a mașinilor electrice și echipamentelor de comutație.

2.3.5 Comparația platformelor comerciale de simulare în timp real

Din punctul de vedere al puterii de procesare, raportată la o unitate (placă) cu procesor, cele mai performante produse sunt cele ale National Instruments și Opal-RT, ce folosesc procesoare puternice, destinate nu numai rulării unor algoritmi simpli dar și creării unui mediu de lucru avansat. Un plus de viteză este obținut de Opal-RT datorită includerii unor FPGA, fapt ce poate elibera procesorul de unele operații. National Instruments, prin modelele nou lansate de procesoare Intel, ce folosesc 4 nuclee, pot ajunge la viteze similare însă la data scrierii acestui text nu existau informații suficiente în această privință.

Deși la momentul când au apărut familiile de procesoare folosite de dSPACE au reprezentat un salt de performanță față de cele contemporane, cu timpul nivelul de date și modul în care sunt procesate s-au schimbat. Cu toate că oferă performanțe foarte bune în ceea ce privește latența (PPC750) sau accesul la memorie (AMD), structura mult optimizată a ultimelor procesoare Intel le-a depășit cu mult la acest capitol. Performanța unui procesor Intel din generația celor folosite într-un sistem PXI este cu până la 100 de ori mai mare decât a generațiilor Opteron sau chiar și mai mare comparată cu cea a PPC750GX. Este adevărat că pe hârtie, datorită unei arhitecturi mai complexe, un procesor Intel poate prezenta anumite dezavantaje, însă puterea mare de calcul este dată de modul în care gestioneză un sistem multitasking și de această sarcină se achită exemplar.

Din punctul de vedere al prețului, cele mai scumpe echipamente sunt cele produse de dSPACE. Un sistem de top poate costa milioane de euro. În ceea ce privește soluțiile cu costuri scăzute, National


11

Instruments este cea mai ieftină firmă, oferind sisteme cu prețuri începând de la 10.000 €. Un sistem performant, de tipul controller plus placa de achiziție de date cu minim 16 canale, bus CAN și software-ul aferent costă în jur de 30.000 de euro atât la NI cât și la Opal-RT. Diferența este că Opal-RT are nevoie de Matlab și Simulink, care adaugă un cost de ordinul zecilor de mii de euro.

De multe ori, sistemul de simulare are un preț comparabil cu cel al sistemului studiat, cu diferența că în cazul NI sau Opal-RT, poate fi folosit și în alte domenii fără a modifica elementele de bază: cu aceeași platformă PXI se poate studia fie un motor termic, fie un sistem de mașini electrice.

Cele mai multe module disponibile sunt produse de NI. Indiferent de viteză, rezoluție sau de protocol, există un produs pentru platforma PXI ce poate oferi o soluție. Celelalte două firme au o gamă restrânsă de module, ce sunt îmbunătățite pe măsură ce tehnologia avansează; folosind componente de nivel înalt, prețurile sunt pe măsură și nu există opțiunea achiziționării unora cu performanțe mai slabe dar suficient de puternice pentru o anumită aplicație. NI utilizează serii cu elemente multiple, ce sunt scoase din producție pe măsură ce tehnologia este depășită, fiind înlocuite de unele cu performanțe superioare.

Deoarece nu am avut acces la un sistem dSPACE sau RT-LAB, concluziile despre programele acestor firme sunt bazate doar pe informații indirecte.

Toate companiile menționate au clienți renumiți din domenii diferite, fapt ce le determină să practice politici de monopol, însă concurența la acest nivel începe să devină mai aprinsă. Din punct de vedere al specializării, produsele dSPACE sunt cele mai avansate (industria auto). Ca putere de procesare, RT-LAB oferă arhitecturi paralele ce depășesc cu mult puterea concurenților. NI este cea mai flexibilă platformă, putând fi adaptată la orice situație posibilă.

2.4 Concluzii

Automobilul electric a fost primul mijloc de transport automatizat creat de om. Dacă anumite condiții non-tehnice au stat la baza respingerii sale de către industrie, în prezent situația s-a schimbat. Tehnologia ce intră în componența unui astfel de automobil este la îndemână, ceea ce lipsește este însă experiența în folosirea ei. În ceea ce privește tehnica de calcul ce ar putea fi utilizată la proiectarea unui vehicul electric, ea este suficient de avansată pentru a nu creea probleme. Ceea ce ar putea impulsiona semnificativ cercetarea din domeniu ar fi găsirea unei modalități de a integra toate componentele din diferite industrii încă dinainte de faza de realizare practică a unui prototip, iar simularea și testarea în buclă închisă promite să facă exact acest lucru.

3. NOȚIUNI TEORETICE

3.1 Modelarea dinamicii autovehiculelor

Dinamica autovehiculelor studiază interacțiunea forțelor și momentelor ce acționează asupra autovehiculului, privit ca un ansamblu de subcomponente, pe parcursul deplasării sale pe sol. În cadrul unui model dinamic destinat acestui scop, se pot identifica următoarele componente: caroseria, sistemul de propulsie, sistemul de ghidare, suspensile și sistemul de rulare. Bineînțeles, nu trebuie uitată sarcina, în cazul cel mai des întâlnit fiind pasageri. Așa cum este specificat în [52], o abordare modulară a acestor subansamble permite tratarea cu metode diferite, adaptate fiecărui caz, în vederea optimizării gradului de detalii pentru aplicația implementată.

În cadrul acestei lucrări se va prezenta un model simplificat, ce permite identificarea cu o eroare suficient de bună a performanțelor dinamice ale unui autovehicul. Modelul complet folosit în simulare este rezultatul unor ani întregi de cercetare și experimente făcute de producătorii de autoturisme în colaborare cu producătorii programului de simulare. Prin urmare, un astfel de model este greu de implementat.

În cazul mașinilor echipate doar cu motoare electrice, structura de bază a transmisiei este simplificată, nemaifiind necesară utilizarea unei cutii de viteze. Această simplificare are un dezavantaj


12

evident în contextul folosirii unor motoare de serie, și anume imposibilitatea atingerii unor viteze maxime peste 120 km/h. Motivația acestei limitări este dată de următoarea formulă.

Valorile care rezultă din formula de mai sus se situează undeva în jurul a 120‑180 km/h pentru viteza maximă a motorului de 6000 rpm și un raport de transmisie total de 4. Deși există motoare ce pot atinge viteze mai mari, din rațiuni ce țin de integritatea structurală a subansamblelor mecanice, folosirea lor este foarte rară.

Pentru a avea o idee despre performanțele unui automobil și pentru a scala astfel cuplul motorului electric, se va studia dinamica automobilului privit ca un corp rigid (neglijând efectele elastice ale suspensiilor, carosieriei, pneurilor) ce urcă un drum înclinat, sub acțiunea unor forțe rezistente din partea drumului, aerului și de inerție.

3.1.6 Calcularea ecuației de mișcare pentru un autovehicul

În această unitate se va determina ecuația de mișcare pentru un autovehicul generic, din clasa B, ai căror parametri vor fi folosiți ulterior la modelul de simulare în timp real. Prin compararea rezultatelor analitice cu cele numerice se vor putea trage anumite concluzii legate de precizia și utlilitatea acestor modele.

Viteza de rotație a motorului electric depinde de viteza de rotație a roții autovehiculului conform formulei următoare:

Viteza maximă a motorului electric real este de 6000 de rotații pe minut, viteză ce poate fi atinsă de motorul electric doar prin diminuarea cuplului, pentru păstrarea puterii în limitele date de constructor. Cum automobilul ales face parte din clasa mică, folosită cu precădere în oraș, viteza maximă va fi atinsă rar, deci regimul de funcționare nu va solicita în mod extrem motorul. Foarte importantă este și determinarea cuplului necesar pentru a avea o accelerație satisfăcătoare. Pentru aceasta se va face bilanțul forțelor care acționează asupra autovehiculului.


13

Rezultatul final se obține din egalitatea următoare.

Dacă se impun valorile vitezei maxime și a pantei, se poate determina cuplul maxim necesar, dar acesta nu include o rezervă necesară accelerării în diferite situații. Aria frontală s-a aproximat la valoarea de A=1.8 m2. Tabelul următor arată valorile cuplului motorului electric necesar în ipozteza în care una dintre variabile este menținută constantă la valoarea subliniată, obiectivul fiind de a alege un cuplu în gama 200-300 de Nm, păstrând un raport al transmisiei cât mai mic.

Din considerente practice, valorile subliniate au fost alese pentru simulare (scalarea coeficienților). Rezultă că pentru a respecta parametrii de proiectare (galben), un cuplu de 351 Nm ar fi


14

necesar, la un raport de transmisie de 4. Viteza maximă a motorului ar fi în acest caz de 5235 rpm, corespunzînd unei valori de 140 km/h. Puterea motorului electric ar trebui să fie de:

Motoarele electrice sunt mai flexibile în ceea ce privește puterea oferită, de aceea, considerând că viteza maximă este atinsă pe porțiuni mici de drum, în condițiile pantei maxime, putem considera că puterea calculată este de 2.5 ori mai mare decât cea nominală, rezultând pentru aceasta o valoare de Pn=78 kW. Parametrii motorului obținuți mai sus se pot găsi relativ ușor în datele produselor de serie ale mai multor fabricanți, ceea ce indică că o mașină cu performanțe asemănătoare modelelor existente este realizabilă cu tehnologia actuală.

Este evident numai calculul simplificat făcut mai sus nu este suficient pentru a caracteriza pe deplin performanțele unei mașini, însă din punct de vedere energetic este suficient pentru a demonstra posibilitatea utilizării tehnologiei curente spre a construi un nou tip de autovehicul. Simularea în timp real va completa studiul, oferind o modalitate simplificată, precisă și repetabilă de proiectare în faza preliminară a unui automobil electric sau hibrid.

3.2 Modelarea motoarelor electrice fără perii cu magneți permanenți cu ajutorul Dymola

3.2.1 Dymola - scurtă descriere

Dymola este un pachet comercial de simulare pentru sisteme dinamice, bazat pe limbajul de modelare open-source Modelica. Modelica este un limbaj de programare orientată pe obiecte, destinat modelării sistemelor tehnice. În prezent, librăriile de bază sunt întreținute de o asociație non-profit ce are în componență membri din mai multe universități și companii din întreaga lume. Pe baza acestor librării, ce conțin elemente de bază din inginerie, cum ar fi de exemplu un rezistor sau un angrenaj, se pot dezvolta modele mai complexe.

3.2.3 Obținerea unui model de mașină electrică cu magneți permanenți fără perii, cu câmp radial, înfășurări sinusoidal distribuite și magneți plasați pe suprafață destinat simulării în Modelica

Pentru concepția preliminară a sistemelor de acționare se poate folosi un model relativ simplu al motoarelor electrice, ce poate indica cu o bună aproximație performanțele acestora pentru o anumită aplicație. În cazul standului construit, motoarele au fost alese pe baza unor considerente diferite de cele fizice, însă în realitate procedura descrisă în continuare poate fi aplicată pentru selecția unui motor destinat unui autovehicul electric.

Considerând o așezare a unor înfășurări electrice asemănătoare cu cea dintr-un motor de tipul precizat mai sus, se pune problema obținerii unor ecuații în sistemul de axe de referință (d,q), ce va simplifica modelul în cazul comenzii vectoriale. Se cunoaște că alimentând două sau mai multe înfășurări din cele de mai sus cu un sistem de tensiuni sinusoidale, defazate la un unghi diferit de 360*k, k=0,1,2,..., se obține un câmp magnetic învârtitor cu o distribuție sinusoidală. Urmărind acest principiu, sistemul de înfășurări al unui motor trifazat se poate reduce matematic la un sistem de două înfășurări ortogonale din punct de vedere electric, ale căror axe de simetrie sunt denumite d - direct și q - quadrature. Sistemul (dq) este fixat de rotor, în așa fel încât axa d este orientată de-a lungul unui pol iar axa q este la 90 de grade electrice diferență. Sistemul (dq) se rotește o dată cu rotorul, așa că viteza unghiulară a mașinii este egală cu viteza de rotație a sistemului (dq) în raport cu (abc). Prin transformarea de coordonate Park și inversa sa, se urmărește reducerea tuturor mărimilor dependente de unghiul dintre cele două sisteme la un sistem comun, putând executa operații matematice directe asupra acestora.

Reducerea înfășurărilor mașinii și a cuplajelor dintre ele, variabile cu poziția rotorului, la un sistem comun de axe de referință, este un proces complex. În general, trebuie cunoscute inductivitățile


15

mutuale dintre toate înfășurările prezente în sistem, ca și valoarea inductivităților în sine. Măsurarea acestora nu se poate face prin metode directe, de aceea se preferă o abordare fenomenologică prin folosirea inductivităților utile și de scăpări, ce pot fi determinate experimental. Constructorii oferă de obicei aceste date direct, prin intermediul fișelor tehnice.

Dacă mașina electrică se presupune a fi simetrică, atunci ecuațiile pe cele trei axe vor fi la rândul lor simetrice.

În sistemul de referință (abc) ecuațiile motorului s-ar scrie (pentru celelalte faze ecuațiile sunt asemănătoare):

Acest model este destinat a fi “alimentat“ de la o sursă de tensiuni sinusoidale, trifazată. Pentru a îl putea controla în cadrul unei simulări, a fost creat un invertor ce, împreună cu un controller de tip PID și transformări de coordonate, poate realiza controlul vectorial al motorului.

3.2.4 Implementarea modelului MMPFP și utilizarea sa la simularea inversă

Obiectivul studiului efectuat a fost realizarea unor modele pentru simularea inversă. Aceasta se referă la posibilitatea pornirii de la anumite profile impuse pentru mărimile de “ieșire“ ale unor componente, pentru a ajunge la mărimile de intrare și deci a dimensiona aceste componente. Majoritatea programelor de simulare nu permit acest lucru deoarece au o cauzalitate strictă, rezultatele fiind obținute prin propagarea unor valori într-un anumit sens. Absența unor astfel de constrângeri face ca Modelica să poată realiza în mod natural trecerea unui model de la simularea directă la cea inversă, fără a-l modifica.


16

3.3 Sisteme de timp real

3.3.1 Definirea sistemelor de timp real

Încă de la apariția primelor calculatoare, ce funcționau cu semnale analogice, sistemele de timp real sunt o parte integrantă a industriei [33]. Pe măsură ce tehnica de calcul a evoluat, definirea clară a conceptului de timp real a devenit mai dificilă, fiind asociată cu mai multe entități și proceduri, ce se ramifică spre domenii variate.

Sintetizând semnificația noțiunii de timp real într-o caracteristică de bază, am putea spune că: Timpul real se referă la rata naturală de evoluție a unui proces, fără a fi raportată la curgerea firească a timpului, așa cum o percep oamenii.

Cu alte cuvinte, nu putem folosi percepția noastră pentru a stabili dacă un proces este de timp real sau se derulează în timp real. Ceea ce pentru oameni ar părea foarte rapid, practic instantaneu, raportat la viteza de execuție a unui automat ar putea fi o durată extrem de mare sau invers.

3.2.2 Caracteristici ale sistemelor de timp real

Definiția dată mai sus exprimă o idee greu de pus în practică, cu toate acestea ea rămânând adevărată pentru toate sistemele de timp real. Când vorbim de aplicațiile din viața de zi cu zi a sistemelor de timp real, există o serie de constrângeri care se impun acestora, dintre care cea mai importantă ar fi următoarea: Un sistem se poate spune că este de timp real dacă răspunde la stimulii externi și interni într-o manieră absolut determinată.

Practic, definiția introduce un sistem omniscient, ce poate fi controlat în orice moment deoarece îi știm starea actuală din analiza stărilor trecute și cunoaștem evoluția stărilor viitoare analizând starea actuală și intrările. Ca analogie, un sistem de timp real, privit din punct de vedere funcțional, este un automat Mealy. În realitate, a realiza un astfel de sistem este imposibil dacă dorim ca acesta să aibă o utilitate marginală. Ceea ce trebuie să reținem este că acesta este mai degrabă un obiectiv de proiectare și nu o regulă strictă. Experiența a arătat că indiferent de gradul de cunoaștere și perfecționare al unui sistem ingineresc complex, va exista întotdeauna ceva care va merge prost, ba mai mult, acest lucru se


17

întâmplă atunci când poate produce cele mai multe pagube (legea lui Murphy). Deși pare mai degrabă o anecdotă, această lege stă la baza proiectării oricărui sistem de timp real ce are un rol critic, fiind interpretată sub forma unui principiu solid: Proiectarea sistemelor critice de timp real se face presupunând condițiile cele mai defavorabile.

Pe lângă cunoașterea stărilor unui sistem de timp real, este esențială și determinarea coordonatelor temporale ale acestora. Pentru ca un sistem de timp real să fie cu adevărat util, acesta trebuie să fie asociat unui proces fizic. În aceste condiții, evoluția procesului determină coordonata temporală a sistemului de timp real. Nu trebuie făcută confuzia între partea de comandă și procesul propriu-zis. Sistemul de timp real capătă această propietate prin construcția sa și prin adaptarea unor parametri la un anume proces. Atunci când rata de execuție al algoritmilor controller-ului este suficient de rapidă pentru a putea respecta cerințele de proiectare dar și suficient de robustă pentru a elimina orice eroare cunoscută sau prevăzută, se poate spune că sistemul funcționează în timp real, însă numai raportat la un anume proces. Proiectantul trebuie să ia în calcul toate situațiile posibile ce pot apare în funcționare și trebuie să implementeze măsuri de siguranță pentru ca acest lucru să nu influențeze negativ funcționarea ansamblului. Astfel apare distincția între un sistem de timp real - sistem ce are posibilitatea de a funcționa în timp real - și funcționarea în timp real - ce include un sistem de timp real, un proces anume și o serie de parametri.

3.3.3 Sisteme de operare de timp real

Multitudinea sistemelor de timp real existente face greu de precizat cu exactitate care este structura optimă a acestora. Printre aplicațiile cele mai des întânite pentru sistemele de timp real, în afara celor dedicate simulării, se numără: sateliți și roboți destinați explorării spațiale, aparatură de control al proceselor cu risc mare (centrale nucleare), echipamente militare (rachete, vehicule), aparatura de bord a aeronavelor, osciloscoape digitale, telefoane mobile sau airbag-uri.

Dacă ar fi să analizăm mai îndeaproape componența sistemelor de timp real, s-ar observa că acestea conțin o parte software și o parte hardware, ce funcționează strâns legat. Întocmai ca și corpul uman, elementele hard sunt cele care execută instrucțiunile venite de la creier și sistemul nervos, software-ul. Analizând exemplele de mai sus, acestea se încadrează mai mult sau mai puțin în definiția dată pentru sistemele de timp real, însă toate au ca element comun SO de timp real. Un sistem de operare este o interfață între utilizator și hardware ce gestionează resursele sistemului și coordonează operațiunile acestuia.

Sistemele de operare de timp real sunt o categorie de sisteme de timp real ce stau practic la baza a 99% din echipamentele de înaltă performanță pentru control. Sistemul de operare timp real realizează operațiunile esențiale ale oricărui sistem de operare: schimbarea contextului și planificarea resurselor, toate acestea respectând constrângerile stricte impuse pentru asigurarea funcționării în timp real.

Esențial pentru buna funcționare a unui echipament este robustețea sistemului de operare cu care este dotat. Soluțiile comerciale prezintă anumite avantaje, deoarece sunt susținute de o echipă specializată în dezvoltarea acestui tip de produs și sunt testate pe scară largă datorită răspândirii mari. Singurul dezavantaj major este că sunt generice și prin urmare performanțele lor ar putea fi inferioare față de cele ale unor sisteme dedicate unei aplicații.

Sarcina principală a unui sistem de operare, comutarea contextului și gestionarea resurselor de memorie și date, este realizată într-un timp destul de scurt, pentru a permite rularea algoritmilor descriși de utilizator cu o frecvență suficientă pentru procesul controlat. Pe lângă aceasta, un sistem de operare în timp real oferă posibilitatea detectării erorilor și punerea elementelor controlate într-o stare neutră.

Sistemele de operare clasice sunt programate să suporte erori ocazionale, pe care le ignoră în cele mai întâlnite situații, în cazul în care nu este afectat nucleul într-un mod fatal. Spre exemplu, în Windows, sistemul decide să aloce resurse unui program ce blochează interfața grafică, spre frustrarea utilizatorilor; între timp apar alte cereri din partea unor programe cărora utilizatorul ar trebui să le


18

răspundă, însă nu are cum. Este clar că dacă acest lucru s-ar întâmpla în cazul unei centrale nucleare, probabilitatea unei catastrofe globale ar fi imensă. Deși sistemele de operare clasice împart o serie de caracteristici cu cele de timp real, trebuie avut în vedere că se adresează unor clase diferite de obiecte.

Dacă un sistem de operare nu este de timp real, nu trebuie spus că el nu POATE funcționa în timp real ci mai degrabă că nu a fost proiectat pentru aceasta.

Această idee conduce la următorul mit legat de sistemele de timp real: Sistemele de timp real sunt foarte rapide. Într-adevăr, sistemele de timp real sunt foarte rapide. Dar de altfel, orice se mișcă cu peste 20 de cadre pe secundă poate părea rapid pentru om, fiindu-ne imposibil sub o anumită durată de timp să o putem aprecia corect. Cât de rapid trebuie să fie un sistem de timp real? Pentru aceasta, trebuie să ne uită din nou la prima definiție și să luăm în considerare că orice sistem de timp real este asociat unui proces fizic. De aici se poate trage concluzia următoare: Un sistem de timp real trebuie să fie cel puțin la fel de rapid ca procesul pe care îl controlează.

Dacă avem de-a face cu un proces ce își schimbă starea o dată la 24 de ore, este clar că sistemul de timp real poate fi foarte lent. Am putea folosi chiar și o versiune de Windows? Din nou, analizând ce-a de-a doua definiție se poate trage încă o concluzie: Un sistem de timp real trebuie să fie robust și predictibil.

Dacă prima condiție este îndeplinită, cea de-a doua nu ar putea constitui o certitudine. Prin urmare nu orice sistem de operare, indiferent de cât de lent este procesul, nu garantează funcționarea în timp real.

Pentru a sintetiza cele de mai sus: sistemele de timp real și funcționarea în timp real sunt două concepte diferite sistemele de timp real sunt alcătuite din sisteme de operare de timp real și diverse

echipamente, cu softul aferent, pentru interfața cu mediul exterior sistemele de operare de timp real se deosebesc de cele clasice prin construcția lor, prin

structura internă caracteristicile definitorii pentru un sistem de timp real, valabil mai ales pentru sistemele

de operare de timp real, sunt robustețea și predictibilitatea ce au ca rezultat evitarea stărilor nedorite

temporizarea judicioasă este o caracteristică a sistemelor de timp real doar atunci când le asociem cu un proces fizic anume

capacitatea de a respecta anumite restricții temporale în lipsa unui proces controlat reprezintă un subset al predictibilității și al robusteții

Funcționarea în timp real este dată de un sistem de timp real, robust și predictibil, un proces fizic pe care sistemul de timp real îl controlează, și un determinism absolut al coordonatei temporale al SO pentru setul de parametri corespunzător procesului în cauză.

Algoritmii de planificare a resurselor pot fi clasificați după mai multe criterii ce nu se exclud reciproc [14]:

preemptiv – task-ul curent poate fi întrerupt pentru a acorda prioritate altuia, pe baza unei politici bine definite

non-preemptiv – task-urile nu pot fi întrerupte indiferent de situație static – planificarea resurselor se face exclusiv înainte de execuție dinamic – repartizarea resurselor se face pe baza deciziilor luate în timpul funcționării offline – prioritizarea se face dinaintea execuției, fiind stocată într-un tabel online – deciziile sunt luate de fiecare dată când apare un nou task sau când un task în

curs de execuție se termină optimal – dacă minimizează o funcție de cost dată pentru un set de date predefinit euristic – dacă tinde să găsească o programare optimă, negarantând în schimb existența

acesteia


19

În ciuda cercetărilor făcute de experți, se pare că existența unui algoritm perfect de planificare a resurselor nu poate fi dovedită. Pentru a avea un termen de comparație, se consideră un algoritm ideal, numit și clarvăzător (clarvoyant). Acesta “cunoaște” timpul când orice task cere accesul la CPU, putând astfel manipula datele pentru eficiență maximă.

Algoritmii creați până în prezent sunt optimi pentru o singura metrică ce vizează unul dintre parametrii temporali prezentați. Nu există însă nici un algoritm care să găsească un optim global. Combinând mai multe elemente de planificare, se pot minimiza una sau mai multe funcții de cost, în funcție de domeniul de aplicație al sistemului de timp real. Mai mult, algoritmii dedicați task-urilor periodice diferă mult de cei pentru task-uri neperiodice.

Oricât de avansați ar fi algoritmii de scheduling, toți se supun unei legi deosebit de simple, cunoscută ca și teorema lui Graham [15]: Dacă un set de task-uri este planificat optim pe un sistem multi-procesor, cu o ierarhie a priorităților definită, un număr fix de procesoare, timpi de execuție ficși și legi de subordonare definite, atunci creșterea numărului de procesoare, reducerea timpilor de execuție, sau relaxarea relațiilor de subordonare pot duce la creșterea timpului de planificare.

3.3.6 Simularea în timp real

Până în anii ‘90 programele de simulare erau practic inexistente. Calculatoarele erau folosite la proiectare, pentru calcule, însă ideea de a modela elemente complexe într-un mediu reconfigurabil nu căpătase amploare. Interacțiunea dificilă cu calculatorul ca și puterea scăzută de calcul disponibilă oamenilor obișnuiți au ținut la distanță simularea numerică. De atunci însă, lucrurile s-au schimbat dramatic, se poate spune că majoritatea cercetărilor se fac azi prin simulare și din ce în ce mai puțin prin experimentare.

Prin simulare se înțelege un pas în plus față de modelare, unde sunt create reprezentări virtuale ale unor elemente din realitate. O simulare este într-o mare măsură interactivă. Prin cuplarea unui model matematic cu interfețe dedicate, fie operatorului uman fie sistemelor industriale, s-a realizat o evoluție substanțială în tehnică. La început, folosind calculatoare analogice și tuburi catodice, se puteau trasa curbe pentru elemente simple și rezolva sisteme de ecuații diferențiale fără soluții analitice. Ulterior, la apariția tehnologiei digitale, diverse modele ale unor procese din natură puteau fi testate pe calculatoare puternice, multi-procesor, aflate în dotarea firmelor foarte mari sau guvernelor. În ziua de azi orice calculator de uz general poate executa un număr mare de operații, depășind de mii până la miliarde de ori puterea de calcul a primelor generații de computere.

În domeniul militar mai ales, simularea a jucat un rol esențial în antrenamentul personalului. Pe lângă aceasta, resursele uriașe implicate în acest proces au determinat menținerea unui con de umbră asupra procedeelor de interacțiune dintre om sau echipamentele fizice și modelele rulate în cadrul unei simulări. Astfel, simularea în timp real a fost exemplificată doar prin exemple teoretice și algoritmi sintetici, lipsind implementările de valoare.

Prin perspectiva creșterii puterii de calcul disponibile pentru bugete restrânse și răspândirea nevoii de a produce mai ieftin și mai rapid, multe companii mari au început să încerce adaptarea modelelor de simulare și a sistemelor conexe la testarea prototipurilor. Puține sunt cazurile în care aceste încercări au fost dezvăluite publicului larg, însă ceea ce este sigur este că ele există.

La început, simularea în timp real realizată de companiile comerciale a fost aplicată dezvoltării de ECU pentru autovehicule. Acestea sunt automate de stări, de aceea integrarea lor este mai ușoară. Primind semnale digitale, ce pot fi generate rapid, acestea puteau fi testate pentru a vedea cum răspund diverselor situații din realitate, simulate de unități speciale. Cum ECU-urile erau chiar unitățile fizice ce se montau pe autovehicule, simularea în timp real a acestora a căpătat abrevierea de HiL (Hardware-in-the-Loop). Tehnologia a fost extinsă ulterior și la testarea motoarelor cu ardere internă, poate și la alte subansamble.


20

Ținând seama de definițiile sistemelor de timp real și de cele prezentate mai sus, se poate da o definiție și pentru simularea în timp real:

Simularea în timp real este procesul prin care modelele matematice sau funcționale ale unor echipamente sunt rezolvate cu ajutorul unui sistem de timp real.

În esență, simularea în timp real este utilă doar marginal, ajutând la manipularea unor parametri direct de către operator în timpul rulării procesului de simulare. Ceea ce este cu adevărat important sunt extensiile noțiunii la interfețele cu mediul exterior. Astfel, modelarea se poate face în buclă închisă, incluzând:

HiL (Hardware-in-the-Loop) - orice element ce este folosit în realitate - motoare, echipamente hidraulice, mecanice, etc.

SiL (Software-in-the-Loop) - unități ce conțin un software integrat MiL (Man-in-the-Loop) - testarea operatorilor umani MiL (Model-in-the-Loop) - testarea unui model matematic

În continuare, prin simularea în timp real se va înțelege oricare din tipologiile de mai sus.

3.3.7 Concluzii legate de sistemele de timp real

Sistemele de operare de timp real sunt noi ca și structură, în comparație cu soluțiile consacrate. Experții încă caută o abordare teoretică care întărească rezultatele experimentale, însă se pare că acest lucru este departe de a se înfăptui. Diferite realizări din domeniu au arătat că cele mai bune soluții rămân cele simple. Cu cât complexitatea teoretică a planificării resurselor crește, cu atât fiabilitatea unui sistem de timp real este pusă în discuție, datorită creșterii numărului de situații‑problemă disimulate prin algoritmi.

3.4 Concluzii

În prima parte s-a demonstrat cum caracteristicile pe care ar trebui să le aibă motorul de tracțiune pot fi determinate analitic, considerând un model simplificat al autovehiculului. În cazul în care se dorește simularea motorului electric, a fost prezentată o variantă de model realizat în Modelica, limbaj ce facilitează simularea inversă. Prin simularea inversă se pot obține caracteristicile unui echipament pornind de la curbele de sarcină dorite. Ultima parte tratează câteva dintre elementele de bază legate de teoria sistemelor de timp real, accentul fiind pus pe aspectele ce se pot întâlni în realitate, în standul proiectat. Prin descrierile succinte făcute, s-a arătat care este rolul sau influențele individuale ale componentelor din cadrul standului de teste, capitolul următor prezentând realizarea practică și chestiunile specifice sistemului unitar.

4. CREAREA MODELELOR DE SIMULARE ÎN TIMP REAL CU AJUTORUL AMESIM

4.1 Modelarea sistemelor dinamice în AMESim

4.1.1 Principiile de bază ale AMESim

LMS Imagine.Lab AMESim (Advanced Modeling Environment for performing SIMulations of engineering systems) este un software destinat simulării sistemelor dinamice complexe, ce pune accentul pe modelele componentelor definite de utilizator, dar conține și o gamă largă de dispozitive predefinite. O caracteristică importantă este aceea că permite simularea multi-domeniu. Uneori mai este definit și ca un program de simulare 1-D, în contrast cu modelarea geometrică ce se consideră a fi 3-D.

Modelarea poate fi facută la nivel de detalii, pornind de la componentele de bază ale oricărui sistem, ceea ce permite optimizarea locală a funcționării. Modelele predefinite incluse în librăriile de bază pot fi extinse sau modificate prin metode variate ce includ folosirea unor baze de date cu informații culese prin măsurarea directă.


21

Pentru a realiza o simulare, se construiesc diagrame pornind de la simboluri predefinite, organizate în librării. Când schema este completă și nu există erori, se execută secvențial o serie de etape ce conduc la un fișier executabil, ce simulează sistemul integrând ecuațiile diferențiale din spatele modelelor și generează rezultatele sub forma unor fișiere salvate pe disc, conținând valorile rezultate. Vizualizarea se face citind direct datele din acele fișiere, avantajul fiind că în cazul unei erori neașteptate a programului, valorile deja calculate rămân în memorie, permițând reluarea simulării de unde a fost întreruptă.

AMESim se bazează pe Bond-grafuri sau grafuri de legături pentru a genera un sistem de simulare coerent la nivel global. Acestea sunt reprezentări grafice ale unor sisteme dinamice fizice, pe care le abstractizează prin modelarea transferurilor de energie. Au fost introduse de Paynter la MIT în 1959, dar responsabili de promovarea lor au fost studenții săi: Karnopp, Margolis și Rosenberg [10]. Evoluția firească a tehnicii spre sisteme complexe a făcut ca necesitatea unei abordări ce poate acoperi o gamă extinsă de subcomponente să se transforme într-un concept împrumutat din programare: modelarea orientată spre obiecte. Prin crearea unor entități abstractizate, o serie de procedee specifice precum encapsularea, moștenirea sau polimorfismul se pot aplica sistemelor fizice uzuale. Ca și modelarea cu Modelica, grafurile de legături sunt acauzale, ceea ce înseamnă că nu există o direcție predefinită de transfer al informației între componente. Practic subcomponentele sunt parte a unei rețele de fluxuri energetice, ce caută să fie echilibrate.

Un graf de legături (Bond graph) este un graf neorientat ale cărui noduri sunt componentele unui sistem, iar legăturile dintre noduri reprezintă transferul instantaneu de energie dintre acestea.

4.2 Modelarea autovehiculelor în AMESim

Modelul ales pentru transformarea în timp real este cel mai complex model disponibil. Pornind de la un sistem tip demo, înlocuind anumite componente și adăugând altele, se va arăta că simularea în timp real pe o platformă de calcul uzuală este posibilă. Modelul include practic întreaga structură a autovehiculului, ce include elemente de dinamică, structurale, cât și de modelare a căii de rulare. Modelul include următoarele subsisteme:

șasiu aerodinamică suspensiile față și spate elemente elasto-cinematice ale suspensiilor modelarea avansată a pneurilor modelul căii de rulare direcția asistată sistemul de frânare (nivel de bază).

4.2.1 Conectarea motorului electric real la transmisia virtuală a automobilului

Conectarea elementelor din exterior se face prin blocuri speciale, ce transmit valoarea de la intrare modelului de simulare. Conectarea directă, ce se face în alte programe de simulare, după cum am spus, este imposibilă. Pentru aceasta se utilizează blocuri speciale ce transformă semnalele în mărimi fizice, utilizatorul fiind responsabil cu validitatea datelor introduse. În capitolul teoretic s-a demonstrat că, pentru a avea performanțe acceptabile, un automobil de tipul celui descris ar trebui să aibă un reductor cu un raport de 1:4. Cutia de viteza a autovehiculelor clasice pune numeroase probleme, pornind de la structura complicată, costul mare, fiabilitatea greu de modelat, până la greutate, timp de răspuns și randament în condițiile utilizării în medii diferite. Am considerat că ar fi interesant dacă am elimina această componentă, urmând a analiza rezultatele obținute din simulare. Prin urmare, cuplul obținut din exterior se va conecta la intrarea unui reductor simplu, mai departe trecând printr-un diferențial și intrând în blocul șasiu. Viteza la axul motorului obținută prin calcule este transmisă mai departe în exterior.


22

Cuplul dezvoltat de un motor rotativ este aplicat ansamblului reductor-diferențial, de unde iese tot ca un cuplu, însă scalat. Acest cuplu este aplicat roților, de unde, în urma contactului cu solul, rezultă o forță. Forța este transmisă mai departe șasiului iar în urma aplicării influențelor dinamicii, reiese o viteză liniară. Aceasta este transformată, prin intermediul roților, într-o viteză unghiulară, ce este aplicată reductorului. Acesta o scalează și o trimite mai departe în exterior. Modelul caroseriei este deosebit de complex, având sute de parametri și peste 5000 de linii de cod.

4.2.5 Rezultatele obținute folosind un model AMESim pentru comanda autovehiculului

Pentru proiectarea și testarea vehiculelor se folosesc o serie de cicluri de viteză standardizate, adaptate condițiilor locale. Deși ele sunt dezvoltate pentru mașinile cu motoare termice, oferă o reproducere suficient de bună a vitezei pe care o atinge un automobil pe parcursul unui drum. În cazul de față se va folosi ciclul NEDC, constituit din patru cicluri urbane și unul extraurban. Urmărirea ciclului impus se face cu o eroare medie practic nulă, folosind configurația dată. Având în vedere timpul mare în care se desfășoară simularea, trebuie analizată și performanța la nivel de detaliu.

Modelul caroseriei a fost cuplat cu un model de acționare electrică pentru a putea compara rezultatele obținute astfel cu cele obținute de la standul de testare. Modelul este alcătuit dintr-un șofer virtual, o unitate de control a vehiculului electric, un modul de control a cuplului motorului, un invertor, o baterie și un motor electric. Automobilul este cel prezentat anterior. Structura controller-ului pentru autovehicul conține printre alte funcții și un model al controlului vectorial, pentru a determina automat


23

limitele de cuplu, curenți și tensiune. De asemenea, asigură utilizarea judicioasă a motorului, la viteze mici spre exemplu alegând să frâneze mecanic în loc să folosească cuplul generat electric, ce ar fi mai puțin eficient.

Modelul implementat permite calculul pierderilor la nivelul subcomponentelor din sistem și a randamentului transmisiei. Randamentul transmisiei s-a găsit a fi de aproximativ 90%, iar cel al recuperării energiei de 80%. Ipoteza în care s-a obținut această valoare este că conversia energiei se face cu pierderi doar pentru comutație iar bateria acceptă energia direct, indiferent de alți parametri.

4.3 Pregătirea modelelor din AMESim pentru simularea în timp real

Integratoarele curente folosite în sistemele de timp real nu permit rezolvarea sistemelor de ecuații cu variabile implicite. Pentru a evita acest lucru, majoritatea componentelor predefinite ce au una sau mai multe variabile implicite oferă implementări alternative ce evită acest lucru. Pentru a verifica absența variabilelor implicite este suficient rularea simulării o singură dată, programul informându-ne în legătură cu tipul variabilelor din sistem. O primă unealtă pentru analiza unui sistem este oferită de AMESim sub forma unui jurnal al timpilor necesari proceselor de integrare. În cazul integratorului cu pas variabil există mai mulți indicatori, precum numărul de pași pentru ordinul 1,2,3,...12, numărul de discontinuități procesate, numărul de pași de diferențiere înapoi, etc.. În cazul integrării cu pas fix, lucrurile se simplifică, iar condiția pentru ca sistemul de simulare să funcționeze în timp real devine ca timpul folosit pentru integrare să fie mai mic decât timpul real măsurabil cu un ceas. O altă modalitate de estimare a performanțelor este de a împărți valoarea de final a timpului de integrare la valoarea corespunzătoare timpului real, în acest caz simularea fiind de 2.66 de ori mai rapidă decât timpul real considerat.

Funcționarea rapidă nu garantează însă o funcționare robustă. Pentru analiza preciziei și robusteții se folosesc alte metode, printre care facilitatea state count și analiza liniară a sistemului.

Facilitatea de state count afișează lista tuturor variabilelor de stare ale sistemului, împreună cu un număr ce indică cât de activă este starea respectivă în procesul de integrare, valoare ce poate fi definită ca numărul de pași pentru care eroarea asupra acelei stări este mai mare ca eroarea impusă la începutul procesului de integrare. În cazul în care una dintre stări este „controlată” foarte des, în cazul utilizării unui algoritm cu pas variabil, acea stare va determina reducerea pasului de integrare și implicit creșterea timpului necesar calculări valorilor. În conjuncție cu analiza liniară, poate oferi o indicație asupra cărui model trebuie modificat pentru a îmbunătăți performanța sistemului.

Prin liniarizarea ecuațiilor la anumite intervale de timp se pot găsi valorile proprii, iar în urma interpretării acestora, răspunsul în frecvență al sistemului. Timpii la care se face liniarizarea trebui definiți în funcție de starea sistemului la acel moment: este ideal să se aleagă câte o valoare pentru fiecare stare de echilibru și stare tranzitorie. Liniarizarea sistemelor se poate face doar prin utilizarea


24

integratorului cu pas variabil. Dacă acesta este imposibil de folosit, procedeul precedent rămâne singura modalitate de a analiza un sistem din punctul de vedere al rulării în timp real.

Criteriile de mai sus sunt valabile pentru un algoritm de tip Euler, cei de ordin superior fiind mai robuști.

4.4 Concluzii

A fost prezentat modul de creare a modelelor de simulare în AMESim, pornind de la unele structuri existente. Corelat cu valorile obținute în capitolul precedent, modelul propus pentru autovehicul a putut fi conectat cu un sistem de acționare electrică, modelat și el în AMESim. Modelul de dinamica autovehiculului include toate subsistemele existente în realitate, până la nivel de detaliu. Modelul acționării electrice este de asemenea suficient de detaliat pentru a permite o analiză preliminară a parametrilor esențiali. AMESim oferă o serie de unelte pentru a facilita analiza calitativă a sistemelor, însă acestea nu asigură succesul unui transfer spre LabVIEW, fiind necesare de multe ori operațiuni manuale. În cazul de față acestea au oferit rezultate utile în implementarea sistemului de simulare. Rezultatele obținute prin simulare pot fi comparate cu cele obținute în realitate, ajungând astfel la un consens în privința preciziei și utilității celor două sisteme, virtual și real.

5. STANDUL DE TESTARE ÎN TIMP REAL A TRANSMISIILOR ELECTRICE

5.1 Intoducere

Testarea HIL nu ar putea fi făcută fără a avea cel puțin un element hardware. Cum majoritatea producătorilor auto plănuiesc să lanseze automobile electrice, ar fi utilă caracterizarea avansată a unor noi tipuri de motoare dar și a echipamentelor auxiliare, cum ar fi sursa de energie (bateriile). Din păcate găsirea resurselor necesare pentru a putea testa întreg lanțul energetic este dificilă, de aceea s-a preferat concentrarea cercetării pe definirea unor metode de testare ce implică doar motoarele electrice. Aceasta nu înseamnă că restul componentelor sunt ignorate, dimpotrivă, standul și softul creat permit adăugarea de noi componente fără a schimba radical vreun alt element din sistem.

5.2 Structura hardware a standului

Pentru a putea testa modul de integrare al unei mașini electrice într-un automobil, este nevoie de a cunoaște parametrii săi electrici și mecanici. În zilele noastre, pentru aplicații de înaltă performanță, nu se mai poate vorbi doar despre motorul electric, ci trebuie luată în considerare și sursa sa de putere și comandă, în cazul de față un invertor. Dinamica ridicată necesară funcționării într-un autovehicul impune alegerea unei soluții performante de control, reprezentată neapărat de un invertor cu comandă vectorială sau DTC. Invertorul folosit în stand este printre cele cu o putere redusă, însă are caracteristici de control identice cu cele ale modelelor mai mari. Motoarele electrice fără perii sunt ușor scalabile, de aceea se presupune că diferențele între două modele din aceeași serie, de puteri diferite, se rezumă la puterea consumată și inerția lor. Dacă se dorește schimbarea tipului de motor, este suficientă schimbarea unor parametri de scalare în soft și refacerea conexiunilor sistemului. Tratarea acționării electrice separat coincide cu modul de utilizare al acesteia în realitate, unde, din punctul de vedere al constructorilor de autovehicule, parametrii de interes sunt legați de performanțe și nu de modul de operare.


25

Ca unitate de control în timp real se folosesc dispozitive din gama PXI produse de National Instruments, ce se bazează pe platforma Intel, cu procesoare dual-core T8000. Acestea comandă plăci de achiziție de uz general, ce includ 16 canale de măsură și două de ieșire, suficiente pentru aplicația actuală. Pentru a distribui în mod uniform efortul de calcul cât și pentru a avea unități ușor de depanat și modificat, s-au folosit 3 unități: una conține și simulează modelul de autovehicul, una controlează mașina, fiind asemănătoare unui ECU, iar cea din urmă măsoară parametrii electrici ai sistemului. Cele trei mașini sunt conectate la o unitate centrală ce are rolul de a susține o interfață cu utilizatorul și de a comunica eventual la distanță rezultatele. Trebuie menționat ca unitățile din gama PXI real-time sunt de tipul headless, adică nu au posibilitatea rulării interfețelor grafice, fiind destinate folosirii de sine stătătoare. Ele conțin doar sistemul de operare de timp real ETS PharLap, iar încărcarea programelor și transferul de date spre mașina gazdă se face prin rețeaua Ethernet standard.

5.3 Structura software a standului


26

Modelul matematic al automobilului emulează toate interacțiunile mecanice ale acestuia cu mediul. Mașinile electrice sunt conectate cu modelul matematic doar prin intermediul unui algoritm ce este guvernat de softul realizat în LabVIEW. Urmărirea vitezei impuse automobilului se face cu ajutorul unui controller ce poate funcționa independent de modelul mașinii sau de motoarele electrice. De multe ori elaborarea unor algoritmi de comandă fiabili se face după multe încercări, în timp ce șasiul mașinii și motorul acesteia rămân neschimbate. Este firesc să se caute o soluție care să permită acest lucru și pentru o mașină electrică. De aceea, controllerului i-a fost alocată o unitate separată, urmând să comunice prin semnale electrice în domeniul analog cu restul sistemului, așa cum poate s-ar întâmpla și in realitate. Dacă este nevoie, mașina PXI dispune de o interfață CAN, folosită în industria auto pe scară largă pentru comunicația inter-modul, dar acest protocol nu poate funcționa în timp real.

Prin urmare, standul dispune de trei mașini PXI: una ce rulează modelul AMESim, una ce susține controller-ul pentru automobil și una ce realizează măsurătorile asupra mărimilor electrice. Această configurație oferă următoarele avantaje:

procesoarele funcționează la o încărcare mai mică, deci probabilitatea ca acestea să funcționeze corect în timp real este mai mare;

modelul și controller-ul pot fi configurate și testate independent; cele două unități principale pot fi executate cu rate de timp diferite; controller-ul poate fi montat pe o mașină reală, pentru a testa direct funcționarea

sa; mărimile electrice măsurate pot fi achiziționate cu o frecvență mult mai mare

decât dacă toate operațiunile ar fi fost făcute de aceeași mașină; pe toate plăcile de achiziție rămân disponibile locații pentru a conecta semnale

suplimentare; instrumentele virtuale de timp real devin mai simple, fapt ce contribuie la

creșterea performanțelor. Cu toate acestea, există și câteva dezavantaje:

datele trebuie sincronizate până la un punct; depanarea se poate face mai greu în unele situații; funcționarea sincronizată este foarte dificil de implementat; comunicație inter-modul mai complicat de implementat și mai puțin sigură; este o soluție mai costisitoare.

Această configurație poate fi atacată prin faptul că nu funcționează în timp real la nivel global. Într-adevăr, în lipsa unui mecanism de sincronizare, unul dintre module este posibil să funcționeze defazat. Cu toate acestea, în realitate acesta este modul în care se desfășoară lucrurile. Individual, fiecare modul funcționează în timp real, ceea ce este esențial. Sincronizarea datelor post-analiză se face simplu, cu ajutorul unui ceas real implementat pe orice placă de achiziție produsă de National Instruments. Ținând seama de definițiile date funcționării în timp real, unde coordonata temporală joacă un rol secundar, se poate spune că întregul sistem nu iese în afara sferei de cuprindere a sistemelor de timp real.

Pe mașina gazdă există două instrumente virtuale distincte. Unul dintre ele controlează tot ce ține de simulare, iar celălalt de măsurarea parametrilor electrici. Funcționarea părții de măsură a parametrilor electrici este de sine stătătoare, putând fi folosită oriunde este nevoie de o analiză complexă a sistemelor trifazate.

Cum platforma de simulare este proiectată a fi de sine stătătoare, ceea ce înseamnă că utilizatorul final nu are nevoie de acces la LabVIEW, trebuie implementate mecanisme de automatizare a funcționării.

5.4 Acționarea electrică


27

Un produs performant ce a îndeplinit toate cerințele impuse a fost găsit în portofoliul firmei Siemens, și anume în seria de unități de acționare S120. Cea mai mică dimensiune de motor care să poată fi folosit în schema de testare a fost de 1.1 kW. În total, la putere maximă, cele două motoare consumă 2,5·2 = 5kW. Unitatea de redresare este proiectată să suporte 6.8 kW, fiind cea mai mică care să poată fi integrată într-un sistem cu recuperarea energiei. Convertorul ca întreg este alcătuit din 5 module distincte:

unitatea de control generală; redresorul; două module tip invertor; placă de extensie pentru intrări și ieșiri suplimentare.

Gama S120 este destinată acționărilor de înaltă performanță, fiind adaptată aplicațiilor cu mai multe axe. Programarea convertoarelor se face prin intermediul unei plăci speciale de adaptare a portului SmartCard al unui PC obișnuit la protocolul PROFIBUS. Comanda se poate face cu o precizie de 0,1% în cazul vitezei, dacă se utilizează encodere.

5.5 Utilizarea LabVIEW pentru simularea în timp real

5.5.1 LabVIEW - informații generale

LabVIEW este un software de programare grafică, unic prin capacitatea sa de a reprezenta funcții prin pictograme (icoane). Spre deosebire de alte limbaje de programare, bazate pe text, algoritmii se implementează conectând blocurile funcționale. Blocurile reprezintă fie funcții precum operații matematice, operații de prelucrare a semnalelor, interacțiunea cu dispozitive de intrare sau ieșire, fie date sau indicatoare de date. Schema grafică este interpretată conform paradigmei denumită dataflow: pentru a executa o funcție (un bloc) este necesar ca toate intrările sale să fie cunoscute. Astfel, se creează o structură logică după care o schemă funcționează, sintetizată de program într-un fișier executabil.

LabVIEW poate fi extins prin funcții definite de utilizator în C sau prin agregarea mai multor blocuri sub forma unor instrumente virtuale (VI). Instrumentele virtuale sunt replici ale unor instrumente reale, a căror funcționalitate este definită de software. Ele au apărut în anii 80-90 ca răspuns la prețurile foarte mari pe care le aveau aparatele reale, comparativ cu flexibilitatea lor. Un instrument virtual era modular, permițând ca funcționalitatea sa să fie alterată prin schimbarea unor module sau reconfigurarea unor circuite, interfața de bază rămânând aceeași. În general, măsurătorile se fac pe baza unor convertoare analog-digitale. Datele provenite de la acestea se pot interpreta diferit, în funcție de instrument: fie se afișează valorile direct, fie se pun sub forma unui grafic, fie se stochează, etc.

5.5.2 Structura sistemelor de timp real bazate pe platforma PXI a National Instruments

PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) este un standard ce se bazează pe magistrala PCI, extinzând specificațiile inițiale cu anumite funcții dedicate instrumentelor de achizție de date și control. PXI definește un set complet de specificații, ce include elemente mecanice, electrice și software în ideea de a crea o platformă unitară ce servește la conectarea instrumentelor. Platforma PXI a fost făcută publică în 1998, în prezent fiind guvernată de o asociație de peste 50 de companii, însă ceea ce este important este faptul că este o platformă deschisă: orice producător poate construi propriul echipament bazat pe ea. Este de asemenea compatibilă în totalitate cu platforma CompactPCI. La momentul actual, PXI a fost îmbunătățită prin lansarea PXI Express, ce se bazează pe specificațiile PCI Express, fiind compatibile necondiționat. PXI nu este însă compatibilă cu PXIe, deoarece stratul fizic este diferit: prima comunică pe o magistrală paralelă, iar cea de-a doua pe o magistrală serială.

National Instruments oferă produsele pentru sistemele de timp real bazate pe platforma PXI sub forma unor carcase, pe care se pot monta diferite controller-e ce diferă prin procesorul folosit și


28

dimensiunea memoriei, și plăci de achiziție compatibile, fără nici o altă restricție. Utilizatorul poate construi un sistem adaptat nevoilor sale fără a face alegeri pe considerente de compatibilitate.

Pentru a interconecta diferitele plăci bazate pe standardul PXI este nevoie de un dispozitiv special, ce poartă denumirea în literatura de specialitate de backbone. Practic interconectarea se face prin intermediul unui sistem de calcul asemănător cu un calculator uzual, ce poate controla în plus interfața cu magistrala PXI.

5.5.3 Crearea aplicațiilor de timp real

Aplicațiile de timp real variază ca domeniu de utilizare, de aceea este dificil de indicat o soluție universal valabilă. LabVIEW permite utilizarea unor unelte de programare numeroase, de aceea se va prezenta în continuare doar soluția pentru problema propusă de această teză.

Simularea și testarea în buclă închisă presupune o secvență standard, aplicabilă oricărui sistem de acest tip: generarea unei referințe, trimiterea acesteia către un echipament, reglarea variabilelor, comanda echipamentului și măsurarea răspunsului. Pe lângă aceste operații, sistemul trebuie să memoreze sau să afișeze informații de interes pentru utilizatorul uman. În general bucla de control trebuie să fie executată la rate mai mari decât cele de comunicație sau afișare, deseori fiind singura ce funcționează în timp real. În cazul de față toate buclele definite în soft funcționează în timp real.

Când dorim o comunicație eficientă și o funcționare în timp real, dacă se folosește platforma PXI de timp real, partea software este formată din două componente: un instrument virtual ce conține butoane și indicatoare, aflat pe mașina gazdă, și un instrument virtual fără elemente pe panoul frontal, ce conține una sau mai multe bucle temporizate, aflat pe mașina țintă.

Pentru a crea un instrument virtual destinat utilizării în timp real trebuie ținut seama de specificul platformei: mașina ce rulează SOTR nu poate afișa local interfața grafică (panoul frontal) al instrumentelor. Afișarea pe mașina gazdă, cel mai des utilizată, presupune trimiterea unui flux de date prin Ethernet. În cazul în care se plasează elemente grafice, precum butoane sau indicatoare, pe panoul frontal al instrumentului virtual de pe PXI, fluxul de date trimis este mai mare și funcționarea în timp real nu este garantată. De aceea NI a pus la punct mai multe mecanisme de transmisie a informației de la gazdă la mașina țintă (PXI), dintre care se remarcă Shared Variable Engine. Pentru a utiliza acest mecanism este suficient să se înlocuiască indicatoarele și butoanele cu un bloc special, ce corespunde unei variabile. Variabilele create sunt controlate de un proces dedicat, fiind grupate în librării. Pentru a putea folosi o variabilă, este necesar ca librăria în care se află să fie prezentă pe mașina PXI, iar procesul SVE să fie pornit.

Toate instrumentele virtuale se creează pe mașina gazdă. Din moment ce un sistem de timp real conține mai multe platforme de calcul, LabVIEW organizează tot ce ține de un proiect de sistem de timp real în cadrul unui fișier special. Acesta prezintă o structură arborescentă, în care se evidențiază mașinile țintă și cele gazdă.

5.5.9 Importul modelului din AMESim în LabVIEW

Algoritmul folosit de AMESim pentru a transforma fișierele ce conțin modele de simulare în fișiere compatibile cu un sistem de timp real se bazează pe agregarea tuturor parametrilor într-un singur fișier, spre deosebire de folosirea lor pentru simularea propriu-zisă, unde se folosesc așa cum sunt. Primul pas constă în transformarea fișierelor cu date în fișiere tip header, ce sunt legate ulterior cu fișierul .C principal. Este folosit același compilator de bază cu mențiunea că execută un pas suplimentar de legare pentru a include toate fișierele cu date în fișierul rezultat.

O structură generală a componentelor software poate fi imaginată ca în figura următoare:


29

Compilarea se face folosind o interfață grafică ajutătoare, însă poate fi făcută și manual, cu

ajutorul unui fișier de tip makefile și compilatorului GCC sau pe cel din Microsoft VisualStudio. Este foarte important ce versiune a acestora este utilizată, existând incompatibiltăți greu de rezolvat uneori, ce nu ies la suprafață decât în momentul rulării modelului pe mașina PXI.

În urma procesului de compilare, rezultă un fișier .dll ce poate rula pe mașini compatibile x86. Acesta conține totalitatea ecuațiilor necesare rezolvării modelului matematic transformat. Un fișier .dll este o colecție de funcții (software) ce pot fi apelate dinamic dintr-un program compatibil cu această interfață. Practic, anumite secvențe de cod sunt rulate atunci când programul extern, în cazul de față programul de pe mașina PXI realizat în LabVIEW, face o cerere în acest sens. Fiind o librărie cu legare dinamică, funcțiile pot fi accesate de orice program în mod dinamic, spre deosebire de librăriile statice, unde funcțiile apelate sunt inserate în programul ce le apelează în momentul legării.

Funcțiile conținute în fișierul .dll sunt corespondente celor din AMESim, fiind o transformare a acestora pentru a fi compatibile cu biblioteca External Model Interface din LabVIEW. Practic sunt o succesiune de operații prezente în orice sistem de integrare numerică adaptate pentru cele două programe. O structură specializată din LabVIEW se ocupă cu chemarea în ordinea corectă a funcțiilor, asigurând o funcționare corectă. External Model Interface este un set de blocuri ce permit încărcarea modelelor externe în LabVIEW și simularea lor folosind CDSIM. Exemplul poate fi găsit sub calea LabVIEW\examples\Control and Simulation\Simulation\External Model Interface\External Model Interface Node. Cei care creează modelele de simulare trebuie să folosească un compilator compatibil cu C/C++ și să utilizeze funcțiile oferite de exemplul menționat pentru a defini modelul. Exemplul oferit este un schelet de model, ce implementează funcțiile într-un mod particular. Aceleași funcții trebuie implementate și în modelul AMESim, având grija ca rezultatele lor să aibă aceeași semnificație.

5.5.10 Programul LabVIEW pentru simularea autovehiculului

Mașina de timp real ce rulează simularea are 3 intrări (cuplul măsurat, cuplul de referință, viteza măsurată a motorului) și 2 ieșiri (viteza mașinii și viteza de referință a motorului). Blocul de transmisie standard conține 7 valori: cuplul măsurat, viteza mașinii, viteza motorului, accelerația pe axa X, unghiul de girație, cuplul de referință și viteza măsurată a motorului.

Principiul de funcționare este foarte simplu: achiziționează date, scalează datele, introduce datele în modelul AMESim, calculează rezultatele, le filtrează și le memorează sau le transformă în tensiune la ieșiri. Zgomotele inerente unui sistem electric de putere ridicată și pasul de integrare ales la limită au provocat instabilități în funcționare. Cuplate cu o buclă de reglaj, acestea provoacă pierderea controlului asupra motoarelor, de aceea datele trebuie filtrate. În lipsa zgomotelor provocate de


30

invertor, amplitudinea zgomotului este redusă și nu poate influența funcționarea sistemului. De asemenea dacă sistemul ar permite rezolvarea ecuațiilor într-un timp mai scurt, un pas mai mic de eșantionare ar contribui la stabilizare. Filtrele elimină prin urmare zgomotul produs de integrarea numerică, împreună cu cel produs de funcționarea invertoarelor.

5.5.11 Programul LabVIEW pentru controlul autovehiculului

Controller-ul trebuie să acționeze asupra unui sistem fizic cu o inerție foarte mare. De cele mai multe ori, pe durata unei accelerări, avem nevoie de cuplul maxim pe o porțiune de timp mare în raport cu durata totală, iar mai apoi de o acțiune cvasi-liniară pentru a atinge poziția dorită. Dacă se dorește implementarea unei strategii de control diferite, precum minimizarea consumului sau frânarea recuperativă, regulile fuzzy sunt ușor de modificat pentru a avea răspunsul dorit.v

Intrarea regulatorului fuzzy este alcătuită din două semnale: eroarea și derivata erorii. Eroarea este calculată printr-o simplă scădere, a valorii impuse din valoarea măsurată, urmat de o saturare la valoarea maximă de 1 V (10%). Din testele făcute, rezultă că această valoare este suficientă pentru a putea aduce automobilul la viteza dorită din orice poziție. Pentru a îmbunătăți răspunsul la eroare staționară mică a regulatorului fuzzy, în cazul în care eroarea este în intervalul ±0.1 V, aceasta este integrată, iar după o scalare însumată cu eroarea calculată direct. În acest mod, în prezența unei erori mici, corespunzătoare unor viteze de ±5 km/h față de vitezele impuse, valoarea erorii primită de regulator este mai mare decât cea obișnuită, proporțională cu viteza de scădere sau creștere a erorii și implicit a accelerației. Prin construcție, regulatoarele de tip fuzzy au probleme în a trata intrările din jurul stării de zero, mai ales când este vorba despre un sistem simetric.

Derivata erorii sau viteza de creștere a erorii este determinată prin derivarea numerică directă, adică prin diferența între valorile preluate la doi pași de timp diferiți. Pentru ca aceasta să fie cât mai netedă în funcție de timp, derivarea se face decalat, la fiecare 10 pași. În acest mod se realizează și o scalare a valorilor. Semnalul derivat trebuie să fie cât mai neted, de aceea se folosește un filtru special de netezire Savitzky-Golay. Acesta asigură o interpolare polinomială folosind metoda celor mai mici pătrate, cu ajutorul unei ferestre mobile. În cazul acesta, am ales un polinom de ordinul 2, cu o lățime a ferestrei de 15 puncte. Din testele efectuate, această valoare păstrează forma originală a undei, eliminând zgomotul cu prețul introducerii unei întârzieri în lanțul de calcul.

După filtrarea semnalului de eroare, urmează derivarea propriu-zisă, făcută la 10 pași. În acest timp, eroarea își modifică valoarea destul de mult pentru a nu se suprapune cu zgomotul. Variația prea rapidă a derivatei erorii provoacă instabilități ale regulatorului. La final, rezultatul derivării este trecut printr-un alt filtru trece-jos puternic, ce asigură o evoluție satisfăcătoare a semnalului. Pentru a putea implementa o lege de comandă corectă, este nevoie ca derivata să aibă semnul determinat în funcție de cel al erorii: de exemplu, dacă eroarea este negativă și derivata este negativă, atunci viteza se îndepărtează de valoarea corectă.

Regulatorul fuzzy a fost implementat cu ajutorul unui program special, care este furnizat o dată cu librăriile pentru control, denumit Fuzzy System Designer.

5.5.12 Interfața grafică

Interfețele grafice create au rolul de a ajuta utilizatorul în a efectua diversele teste. O interfață grafică bine proiectată elimină ambiguitatea, oferă accesul rapid la funcțiile dispozitivelor și contribuie la scurtarea timpului de obținere a rezultatelor. Datorită cantității mari de date ce este prezentă la un moment dat în sistem, panoul pentru partea referitoare la curenți și tensiuni este independent de cel pentru simulare. Astfel, achiziția curenților și tensiunilor poate face obiectul unui instrument virtual de sine stătător.

5.5.12.1 Intefața grafică pentru achiziția curenților și tensiunilor


31

Pentru a putea caracteriza un sistem trifazat de curenți și tensiuni, este nevoie de a vizualiza formele de undă, a mări sau micșora porțiunea de undă afișată, a efectua analiza armonicelor sau de a afișa puterile pe cele două faze. Toate acestea trebuie realizate pentru cel puțin 12 semnale în cazul de față. Din acest motiv, având în vedere factorul de formă al ecranului LCD folosit, 4:3, am ales prezentarea formelor de undă folosind 4 ecrane, așezate în partea de sus a spațiului disponibil.

5.5.12.2 Interfața grafică pentru simulare

Interfața grafică destinată controlului simulării are aspectul unui bord de automobil. În partea de jos sunt indicatoare pentru viteza automobilului, turația motorului, un grafic ce afișează viteza de referință a mașinii și cea realizată, cât și indicatoare pentru variabilele auxiliare: unghiul de girație și accelerația. În partea stângă se află controale pentru frânele mecanice, viteza vântului și unghiul pantei. Starea


32

sistemului este afișată prin indicatoarele luminoase plasate în stânga și dreapta jos, pentru mașina ce rulează simularea și mașina ce rulează controller-ul.

Mai sus, graficele arată cuplurile, de referință și cel impus, și turațiile. De asemenea, sunt prezente și informații cu privire la durata de timp a fiecărei bucle și numărul de cadre ce există în cozile specifice la acel moment.

Partea superioară permite selecția unor parametri inițiali, în partea stângă, setarea unei valori pentru viteza automobilului în mod manual, pe centru, iar în dreapta sunt butoanele de control. Acestea permit pornirea și oprirea mașinilor de timp real, inițializarea celor două sisteme, controlul memorării datelor sau aleregerea tipului controlului între manual și automat.

5.6 Concluzii

În ciuda acestei complexității modelului AMESim, el poate fi rezolvat cu succes pe un sistem de timp real, cu pași de timp în jur de 1ms. Pentru a putea rula un model de simulare în timp real sunt necesare mai multe instrumente virtuale, create special pentru acest scop. Ele pot fi împărțite în 5 categorii: simulare, comunicație, afișare, achiziție, comandă și/sau control. Printr-o optimizare succesivă se pot atinge performanțele unui sistem comercial asemănător, însă prototipul realizat este mult mai ieftin și ușor de folosit. Controller-ele create se pot conecta direct la un automobil, nemaifiind nevoie de transferul legilor de comandă pe un procesor dedicat înainte de validarea acestora.


33

Pentru controlul vitezei unui automobil, controller-ele de tip PID nu oferă performanțe de vârf, fiind nevoie de o abordare diferită. Un controller de tip fuzzy poate elimina cu succes o serie de probleme ce apar în comanda unui autovehicul.

Prin interfața grafică dezvoltată, manipularea parametrilor standului se face în mod intuitiv, spre deosebire de soluțiile existente pe piață. Cantitatea mare de date achiziționată este prelucrată offline, fiind nevoie de calculatoare puternice pentru postprocesarea datelor. LabVIEW poate crea instrumente virtuale încapsulate, pentru a fi distribuite pe mașini de calcul fără o licență completă, ceea ce permite reducerea costurilor pentru procedurile de simulare tip HiL.

Standul conceput și realizat în cadrul tezei


34

6. DATE EXPERIMENTALE

6.2 Caracteristicile acționării electrice

Primul set de teste făcut se referă la detalierea capacității sistemului de acționare electrică de a atinge și menține mărimile de referință impuse. Pentru aceasta, motoarele au fost testate atât separat cât și împreună, cu mențiunea că ele nu pot fi decuplate mecanic fără a demonta standul.

După aplicarea unei trepte de cuplu, motorul va accelera până la atingerea vitezei maxime, de 6000 rpm, după care va limita cuplul pentru a menține această valoare constantă. Datorită principiului de funcționare, se poate considera că răspunsul în cuplu al motoarelor este practic instantaneu, el depinzând doar de curentul ce poate fi introdus în circuitul electric de invertoare. Constantele de timp în cazul regulatoarelor invertoarelor sunt de ordinul milisecundelor, ceea ce duce la prezumția logică că pot fi neglijate în raport cu celelalte. Răspunsul dinamic poate fi apreciat totuși din testele făcute, ținând totuși cont de faptul că cuplul este cel estimat de invertor și nu cel măsurat de traductor. Am ales această variantă deoarece este mai simplu de implementat, având rezultate apropiate de folosirea traductorului.


35

6.3 Date obținute în urma simulării în timp real

Prelucrarea datelor preluate de la sistemul de timp real este dificilă în condițiile în care rata de eșantionare este mare și perioada de timp considerată este foarte lungă (1200s). Pentru a manipula eficient setul de date achiziționat, s-a folosit un program specializat produs de NI, DIADEM, ce facilitează lucrul cu astfel de structuri de date. În total, după comprimare, fișierul cu date ajunge la peste 1GB. Dacă unele canale de date pot fi restrânse ca număr de eșantioane, prin această operațiune s-ar pierde o cantitate foarte mare de informație în cazul altora. Pentru a realiza grafice sugestive, este de multe ori necesară afișarea unor informații preluate cu rate de eșantionare diferite. Pentru aceasta este nevoie de a avea un număr comparabil de puncte pe una din axe, evitând distorsionarea graficelor.

Datele memorate sunt stocate sub forma brută, ca o serie de puncte. Deoarece ele au fost achizționate în timp real, oricare două puncte consecutive sunt separate de aceeași perioadă de timp, egală cu perioada de eșantionare. Știind acest lucru, pornind de la o serie de puncte se poate recrea o formă de undă reală.

Sincronizarea mai multor unități PXI se poate face folosind echipamente dedicate, ce au însă un preț foarte ridicat. O altă posibilitate este folosirea unui port special, însă precizia este redusă față de primul caz. O a treia posibilitate ar fi introducerea unor marker-e speciale în formele de undă achiziționate. În cazul de față, constantele de timp ale sistemelor fizice implicate sunt mari, de ordinul secundelor. Sincronizarea se poate face manual, urmărind direct formele de undă și, ținând seama de propietățile diferitelor subcomponente, se pot alinia direct.

Cel mai important aspect ce trebuie urmărit este modul în care referința de viteză impusă mașinii este urmărită. Se observă că profilul impus este urmărit cu o precizie foarte mare, observându-se variații de maxim 0,1km/h.

Viteza impusă motorului electric este de asemenea respectată. Graficul obținut confirmă ipoteza conform căreia regulatorul de viteză al invertorului reușește să acopere perfect spațiul definit de semnalul de comandă impus. În acest mod, chiar dacă viteza motorului nu este folosită pentru a calcula viteza mașinii, asupra motorului testat sunt aplicate aceleași eforturi ca în cazul real. Făcând o comparație între forma vitezei mașinii și cea a vitezei motorului se observă că acestea sunt foarte asemănătoare, de unde putem trage concluzia că elasticitatea transmisiei nu are o influență vizibilă în cazul considerat.


36

Cuplul măsurat de traductor este proporțional cu diferența de cuplu dintre cele două capete ale sale. În cazul în care semnul său este negativ, se poate spune că axul electric trece din regim de motor în regim de generator. Viteza impusă uneia dintre mașinile electrice este pozitivă întotdeauna (în teste mașina merge mereu înainte). Ținând seama de aceasta, rezultă că în cazul decelerărilor, motorul comandat în cuplu devine generator, cuplul său fiind opus sensului de mișcare al axului. Se observă că unul dintre ele are un cuplu mai mare, indicat de o valoare a curentului mai mare. Acela este motorul comandat în viteză, ce trebuie să se opună acțiunii celuilalt pentru a păstra axul în mișcare.

Comparând puterile electrice cu cea mecanică (fig. precedentă), ce se consideră a fi consumată, se pot determina pierderile sistemului la nivelul transmisiei. Prin însumarea celor trei componente, se poate verifica bilanțul de puteri la nivelul transmisiei electrice. Pentru a determina la nivel global randamentul ar fi nevoie de încă un set de date pentru a efectua măsurători și asupra convertoarelor.


37

Pierderile negative reprezintă cantitatea de putere recuperată din energia de mișcare. Se observă ca aceasta este relativ mică. Integrând pierderile de putere se poate determina o valoare a energiei totale pierdute de sistem pe perioada unui ciclu.

În medie, energia pierdută pe durata unui ciclu este de 25 kWs, aproximativ 7Wh. Știind că sursele ce introduc energie în sistem sunt cele două motoare, iar puterea mecanică este putere utilă, rezultă că prin adunarea acestora și scăderea puterii mecanice, se poate determina puterea corespunzătoare pierderilor.

6.4 Concluzii

Datele prezentate în acest capitol au fost obținute integral prin măsurători efectuate asupra standului de probe. Pentru demonstrarea valablității structurii considerate datele sunt suficient de precise. Bineînțeles, există o multitudine de îmbunătățiri ce pot fi aduse procedeelor prezentate, însă principiile de bază nu se modifică. Am dovedit prin datele măsurate că structura de tip HiL funcționează corect, menținând viteza automobilului la valorile impuse. Prin determinarea completă a parametrilor electrici a fost posibilă generarea unui bilanț de puteri la nivelul transmisiei electrice, bilanț ce se încadrează în limitele naturale pentru un astfel de sistem. Prin studiul semnalelor achiziționate se pot face analize avansate asupra fluxurilor de putere corespunzătoare diferitelor regimuri de funcționare ale autovehiculului, ceea ce conduce la o proiectare mai eficientă a surselor și convertoarelor de energie ce ar echipa un autovehicul electric. Pe lângă aceasta, mărimile auxiliare determinate fac posibilă o gamă mult mai largă de analize decât cele legate de domeniul electric.

7. SINTEZA CONTRIBUȚIILOR PERSONALE


38

Cercetările efectuate în cadrul programului doctoral în domeniul sistemelor de timp real au pornit practic de la zero, neavând la dispoziție o bază locală de cunoștiințe. Pe parcurs ce am avansat, am dezvoltat o serie de concepte și teorii care au fost modificate continuu până la forma prezentată. Standul proiectat și documentația aferentă constituie un punct de plecare pentru cercetări avansate.

Rezultatele cercetării documentare, calculelor, programelor elaborate și a testelor fizice efectuate relevă următoarele constatări:

automobilele electrice constituie o soluție pentru transportul ecologic, însă au o serie de dezavantaje ce trebuie înlăturate cât mai curând pentru a permite producția lor pe scară largă;

pentru a obține produse competitive este nevoie de revizuirea simultană a tehnologiei și a metodelor de studiu; simularea și testarea în buclă închisă constituie instrumente viabile pentru atingerea acestui obiectiv;

tehnica de calcul a evoluat suficient încât să permită modelarea facilă și precisă a sistemelor inginerești complexe; în schimb, interfața cu sistemele de calcul este încă prea specializată;

este de așteptat ca granițele dintre domeniile inginerești să dispară, ceea ce înseamnă că un inginer va trebui să facă față unui flux de informații mult mai bogat și mai neuniform în ceea ce privește conținutul; este nevoie de o nouă abordare a educației care să permite focalizarea pe obiective și nu pe mijloacele de atingere a acestora;

sistemele de simulare în buclă închisă au un caracter dual, ceea ce face mai dificilă implementarea lor deoarece implică atât componente reale cât și virtuale;

definind module de uz general reutilizabile, specifice unei arhitecturi comune, se poate scurta timpul de punere în funcționare a unui sistem HiL;

costurile implementării unui sistem HiL pot fi reduse atât prin utilizarea unor componente comerciale de serie mare, cât și prin scalarea sistemelor.

În lumina acestei analize, contribuțiile originale ale acestei teze de doctorat la studiul sistemelor de simulare și testare în timp real în buclă închisă se pot sintetiza sub forma următoare:

1. Elaborarea unui brevet de invenție, înregistrat la OSIM cu numărul de cerere A/01079 din 09/11/2010.

2. Proiectarea și construirea unui stand de test pentru motoare electrice fără perii. 3. Proiectarea și punerea în funcțiune a unui sistem de achiziție de date în timp real pentru

mărimile electrice și mecanice din standul construit. 4. Definirea, testarea și validarea unei structuri a transmisiilor electrice destinate

autovehiculelor electrice, folosind motoare sincrone fără perii. 5. Elaborarea unei structuri hibride, hardware și software, de comandă și control în timp real

destinată simulării dinamicii autovehiculelor și testării motoarelor electrice. 6. Adaptarea unui model complex de simulare a dinamicii autovehiculului la funcționarea în

timp real pe platforma PXI folosind produse National Instruments. 7. Crearea unor interfețe grafice intuitive pentru interacțiunea cu un sistem de timp real. 8. Dezvoltarea unui set de instrumente virtuale pentru analiza în timp real sistemelor

electrice trifazate. 9. Definirea și demonstrarea capabilităților de simulare și testare în timp real a unei

platforme bazate pe LMS Imagine.Lab AMESim și National Instruments LabVIEW. 10. Identificarea principalelor probleme în conversia unor modele de simulare și rularea lor

pe un sistem de calcul de timp real. 11. Implementarea unui controller bazat pe logica fuzzy pentru controlul vitezei unui

automobil electric.

Idei pentru dezvoltarea ulterioară a conceptelor prezentate în teză


39

Pătrunderea în toate domeniile științelor inginerești a tehnicilor de simulare de tip -X-iL, ce folosesc bucle cu elemente hibride, nu poate fi împiedicată. Acest proces a fost încetinit până în prezent de costul mare al tehnicii de calcul și al personalului specializat pentru un astfel de proiect.

Un prim pas pentru îmbunătățirea structurii prezentate este finalizarea modularizării programelor create și automatizarea selecției parametrilor introduși manual.

Noile versiuni ale LabVIEW permit un import mai facil al modelelor de simulare create în alte programe, și chiar folosirea unor integratoare externe. Cercetările din domeniu se îndreaptă atât spre implementarea unui paralelism real între subcomponentele unui sistem de simulare, cât și înspre găsirea unor metode de a folosi integratoare cu pas variabil în timp real. Fiind un domeniu relativ nou, este de așteptat ca în viitorul apropiat să constatăm salturi tehnologice semnificative. Structurile hardware de calcul nou apărute permit executarea în paralel a unor task-uri, sacrificând o parte din viteza de execuție. În același timp, aceste nuclee multiple sunt integrate sub forma unui singur cip, având un consum energetic comparabil cu cel al unui procesor obișnuit din generațiile mai vechi. Pentru a atinge o sinergie în acest domeniu, este nevoie de un avans simultan al ambelor componente, hardware și software.

Un aspect ce limitează performanța unui sistem HiL este viteza magistralei de comunicație. În prezent, cel mai des întâlnit suport este rețeaua Ethernet. Aceasta permite transportul a maxim 100MB/s de date, incluzând protocoalele de comunicație nestandardizate. Pentru aplicații mai pretențioase, această viteză este insuficientă, în condițiile în care puține echipamente permit lucrul cu acest volum de date. Comunicația datelor în standul creat se face asincron, neexistând încă o formă de sincronizare implementată la nivelul acestui tip de rețea. Deși funcționarea sa este deterministă, sincronizarea comunicațiilor ar aduce o simplificare majoră în structura software a sistemului.

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

[1] Alles S., C. Swick, S. Mahmud, F. Lin - Real-time Hardware in the loop Vehicle Simulation; IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference, New York, USA, 1992. [2] Alles S., C.A. Swick, M.E. Hoff man, S.M. Mahmud, F. Lin - The Hardware Design of a Real-Time HITL For Traction Assist Simulation; IEEE Transactions on Vehicular Technology, 3(44), August, 1995. [3] Andreescu C. - Dinamica autovehiculelor pe roți, vol.1; Politehnica Press, 2010. [4] Apsley J.M., E. Varrone, N. Schofi eld - Hardware-in-the-loop evaluation of electric vehicle drives; 5th IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives, 2010. [5] Bacic M. - On hardware-in-the-loop simulation; Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control, and the European Control Conference, Seville, Spain, 2005. [8] Boldea I., S. A. Nasar - Vector Control of AC Drives; 1st ed., CRC Press, 1992. [9] Boldea I., S. A. Nasar - Electric Drives; 2nd ed., CRC Press, 2005. [10] Borutzky W. - Bond Graph Methodology; Springer-Verlag, 2010. [12] Brossard J.P. - Dynamique du véhicule : Modélisation des systemes complexes; Sciences Appliquees INSA Lyon - PPUR, 2006. [13] Budinger M., J. Liscouet, Y. Cong, J.C. Maré - Simulation Based Design with electromechanical actuators with Modelica; ASME IDETC/CIEC, San Diego, California, 2009. [14] Bunting A., A. Roberts - The simulated testbed; IEEE Electronics Systems and Software, IEEE Press, February/March, 2006. [15] Buttazzo G. C. - Hard Real-Time Computing Systems: Predictable Scheduling Algorithms and Applications; 2nd ed., Springer, 2005. [17] Clark C. L. - LabVIEW digital signal processing; McGraw-Hill Education, 2005.


40

[18] Dufour C., T. Ishikawa, S. Abourida, J. Bélanger - Modern Hardware-In-the-Loop Simulation Technology for Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles, Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 432–439, 2007. [20] Elmqvist H., S. Mattsson, H. Olsson, J. Andreasson et al. - Realtime simulation of detailed vehicle and powertrain dynamics; SAE Technical Paper, 2004. [22] Fritzson P., V. Engelson - Modelica - a unified object oriented language for system modeling and simulation; ECOOP98 - Object oriented programming, 1998. [23] Furlani E. P. - Permanent Magnet and Electromechanical Devices: Materials, Analysis, and Applications; 1st ed., Academic Press, 2001. [24] Ganssle J. G. - The art of designing embedded systems; 2nd ed., Newnes, 2008. [26] Gieras J. F. - Advancements in Electric Machines; Springer, 2008. [27] Graham R. L. - Bounds on the Performance of Scheduling Algorithms, Computer and Job Shop Scheduling theory, E.G. Coff man(ed.), John Wiley and Sons, 1976. [28] Hanselman D. - Brushless Permanent Magnet Motor Design, 2nd ed., Magna Physics, 2006. [30] Husain I. - Electric and hybrid vehicles design fundamentals; CRC Press, 2003. [31] Jazar R. N. - Vehicle Dynamics: Theory and Applications; Springer, 2008. [32] Kandel A., G. Langholz - Fuzzy control systems; CRC Press, 1994. [33] Laplante P. A. - Real-Time Systems Design and Analysis, 3rd Ed., Wiley-IEEE Press, 2004. [35] Lebrun M., R. Claude - How to create good models without writing a single line of code; 5th Scandinavian International Conference on Fluid Power, Linköping, Sweden, 1997. [36] Lechner G., H. Naunheimer - Automotive transmissions: fundamentals, selection, design and application; Springer, 1999. [38] Leonhard W. - Control of electrical drives; Springer Verlag, 2001. [41] Newton K., W. Steeds, T. K. Garrett - The Motor Vehicle, 13th ed., Butterworth Heinemann, 2001. [42] Notingher P. V. - Materiale pentru electrotehnică; Politehnica Press, Bucureşti, 2005. [43] Olesen K., R. Bredtmann, F. Söhnchen, R. Eisele - Custom Power under the Hood – High density IGBT module tuned to automotive mission profile; Automotive Power Electronics International Conference, Montigny Le Bretonneux, France, 2011. [44] Ogata K. - Modern Control Engineering; 5th ed., Prentice Hall, 2009. [46] Oprean I.M. - Automobilul modern; Editura Academiei Române, 2003. [47] Park J., S. Mackay - Practical Data Acquisition for Instrumentation and Control Systems; Newnes, 2005. [48] Pena R. S., M. Sznaier - Robust Systems Theory and Applications; John Wiley & Sons, 1998. [49] Petersheim M. - Scaling of hybrid electric vehicle powertrain components for hardware-in-the-loop simulation; IEEE International Conference on Control Applications, 2008. [51] Ponce-Cruz P., F. D. Ramírez-Figueroa - Intelligent Control Systems with LabVIEW; Springer-Verlag, 2010. [52] Popp K., W. Schiehlen - Ground vehicle dynamics, Springer, 2010. [53] Press W. H., S. A. Teukolsky, W. T. Vetterling, B. P. Flannery – Numerical recipes in C; 2nd ed., Cambridge University Press, 1992. [55] Ramamritham K. , J. A. Stankovic - Scheduling algorithms and operating systems support for real-time systems; Proceedings of the IEEE, 82(1), 55- 67, 1994. [58] Schallenberg R. H. - Prospects for the Electric Vehicle: A Historical Perspective; IEEE Transactions on Education, vol. E-23, No 3, 1980.


41

[61] Silberschatz A., P. B. Galvin, G. Gagne - Operating system concepts, 8th Ed., Wiley, 2008. [62] Siler W., J. J. Buckley - Fuzzy expert systems and fuzzy reasoning; John Wiley & Sons, 2005. [64] Snyder C. - Paper Prototyping - The Fast and Easy Way to Design and Refine User Interfaces; MORGAN KAUFMANN, 2003. [65] Stankovic J. A. - Misconceptions about real-time computing: A serious problem for next-generation systems, Computer, vol. 21, no. 10, pp. 10–19, 1988. [67] Tanenbaum A. S., A. S. Woodhull - Operating Systems Design and Implementation, 3rd Ed., Prentice Hall, 2006. [70] Vasile N., Modelarea și simularea numerică a electromotoarelor fără perii, Editura ICPE, 2009. [71] Vasile N., S. Slaiher - Servomotoare electrice. Teorie, calcul, aplicatii, vol. I, vol. II; Editura Electra, Bucuresti, 2002 [72] Verbruggen H., H. Zimmermann, Robert Babuška - Fuzzy algorithms for control; Kluwer Academic Publishers, 1999. [75] Williams R. - Real-time systems development, Butterworth-Heinemann, 2005. [77] Xian-an S., W. Guang-qiang, H. Lin, K. Guo-ling - Hardware-in-the-loop simulation for electro-control system of continuously variable transmission based on DSPACE, Vehicle Power and Propulsion Conference, pp. 1–5, 2008. Manuale de utilizare și note de aplicații [81] *** Bosch Automotive Handbook 7th Ed., Wiley-Blackwell, 2007 [84] *** AMESim - User’s Guide, LMS Imagine, 2009 [85] *** LabVIEW - User’s Guide, National Instruments, 2009 [86] *** Siemens Commissioning Manual, (IH1), 07/2007 Edition, 6SL3097-2AF00-0BP7 Surse web [94] zone.ni.com [95] www.dspace.org [96] www.wikipedia.org [101] http://www.pbs.org/now/shows/223/electric-car-timeline.html [105] www.opal-rt.com [109] http://www.intervalzero.com/ets.htm

LISTA PUBLICAȚIILOR ȘI CONTRACTELOR DE CERCETARE ALE AUTORULUI

PUBLICAȚII

1. C. VASILIU, N. Vasile - Innovative HiL architecture for electric powertrain testing, Buletinul Științific al UPB, Seria C, 2011. 2. C. VASILIU, N. Vasile - Real-time Hardware-in-the-Loop simulation for electric powertrains, International Conference on Remote Engineering and Virtual Instrumentation, Brașov, România, June 2011. 3. C. VASILIU, Metodă și dispozitiv pentru testarea în timp real a transmisiilor electrice, Cerere de brevet de invenție înregistrată la OSIM cu numărul A/01079 din 09/11/2010. 4. C. Irimia, M. Grovu, D. Predica, C. VASILIU - Response and contribution analysis in the virtual NVH engineering process, Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi, publicat de Universitatea Tehnică „Gh. Asachi“, Iaşi, Tomul LVI (LX), Fasc. 4B, 2010.


42

5. C. Irimia, D. Predica, E. V. Papa, M. Grovu, C. VASILIU - Analysing NVH performance in the design process using virtual multibody simulation, Buletinul Institutului Politehnic din Iaşi, publicat de Universitatea Tehnică „Gh. Asachi“, Iaşi, Tomul LVI (LX), Fasc. 4B, 2010. 6. C. Irimia, H. Van Der Auweraer, D. Tohoneanu, C. VASILIU, M. Grovu – Design engineering of complex products using the multi-functional system mock-up, International Conference on Fuel Economy, Safety and Reliability of Motor Vehicles, Bucuresti, Romania, November 2009. 7. T. C. Popescu, I. Duțu, C. VASILIU, M. Mitroi - Adjustment of conformity parameters of PID-type regulators using simulation by AMESim, 7th International Industrial Simulation Conference, Loughborough, United Kingdom, June 2009.

CONTRACTE DE CERCETARE

1. Platformă adaptivă Web pentru managementul integrat al apei – PMA. Programul CEEX Modul I, ctr.nr. 203/2006 – Colaborator. 2. Platformă de e-Learning în domeniul sistememlor de acţionare hidraulice şi pneumatice. PN II Capacitati, ctr.nr. 162/2007 – Colaborator. 3. Sistem de monitorizare şi gestiune zonală a energiei gazului natural-SMGZEGN. PNII, ctr. nr. 92/2007 – Colaborator. 4. Cercetarea şi dezvoltarea de tehnologii şi echipamente pentru reciclarea primară a deşeurilor de ambalaje alimentare din materiale plastice-REMAPLAST. PN II, ctr. nr. 20/2007 – Colaborator. 5. Prognoza pierderilor la sol de uz agricol prin eroziune şi alunecări de teren în scopul elaborării unor soluţii de prevenire sau/şi de remediere - ERALSOL. PN II, ctr.nr. 31-091/2007 – Colaborator. 6. Unități cu pistoane axiale cu bloc înclinat la 40 grade, PN II, ctr.nr. 60/2007 –Colaborator. 7. Cercetări privind creșterea efi cienței energetice a sistemelor de acționare hidraulice, prin aplicarea tehnicilor reglajului secundar, PNII Parteneriate, ctr.nr. 21-060/2007 – Colaborator. 8. Servoactuator hidrostatic pentru aeronave, PNII Parteneriate, ctr.nr. 81-036/2007 – Colaborator. 9. WEB SCADA dedicat centralelor hidroelectrice, PNII, ctr.nr. 90/2007 – Colaborator. 10. Tehnologii inovative bazate pe testare pentru caracterizarea și îmbunătățirea performanțelor de zgomot și vibrații ale automobilelor – NVHLMS. PN II, ctr. nr. 205/2008 – Colaborator. 11. Tehnologie de modernizare a preselor electrohidraulice pentru componente de automobil – EPRES. PN II, ctr. nr. 194/2008 – Colaborator. 12. Sistem portabil automat de detecţie a neetanşeităţilor prin spectrometrie de masă – HELION. PN II, ctr. nr. 286 /2008 – Colaborator. 13. Platformă tehnologică pentru concepţia şi fabricaţia matriţelor modulate pe maşini unelte de mare productivitate - MATPRO. PN II, ctr. nr. 149/2008 – Colaborator. 14. Sistem informatic de instruire interactivă în domeniul sistemelor de acţionare hidraulice şi pneumatice IT-FPS. CNMP, Programul 4 – Parteneriate in domeniile prioritare, ctr. nr 12-104/2008 – Colaborator. 15. Sistem de amortizare inteligent pentru trenul de aterizare al aeronavelor, PNII Parteneriate, ctr.nr. 82-070/2008 – Colaborator. 16. Motoare liniare telescopice, PNII, ctr.nr. 163/2008 – Colaborator. 17. Cercetări privind conversia, recuperarea, stocarea și reutilizarea energiei hidrostatice în acționările hidraulice, PNII Parteneriate, ctr.nr. 22 - 135/2008 – Colaborator.


43

CURRICULUM VITAE CĂTĂLIN VASILIU

Data nașterii: 18.03.1984 Locul nașterii: București, România Contact: cătă[email protected]

Experiența profesională

Inginer de cercetare ICPE-ACTEL SA, BUCUREȘTI Cercetare, proiectare și producție în domeniul electrotehnic Martie 2011 - prezent

Asistent de cercetare UNIVERSITATEA ”POLITEHNICA” DIN BUCUREȘTI Centrul de Cercet., Proiectare, Service și Consulting în dom. Transporturilor Auto Centrul de Cercetări Energetice şi pentru Protectia Mediului Centre de cercetare universitare Aprilie 2009 - Martie 2011

Inginer de cercetare SC. LMS ROM SRL, Brașov Dezvoltarea de software, Dezvoltarea de echipamente de achiziție de date, Servicii de inginerie Iunie 2009 - Decembrie 2009

Inginer de cercetare LMS INTERNATIONAL N.V., Leuven, Belgia Servicii de inginerie în domeniul auto și electromecanic, Dezvoltarea de software, Dezvoltarea de echipamente de achiziție de date, Analiza NVH August 2008 - Februarie 2009

Asistent de cercetare UNIVERSITATEA ”POLITEHNICA” DIN BUCUREȘTI Centrul pentru Electronică Tehnologică și Tehnologia Informației (UPB-CETTI) Centru de cercetare universitar Decembrie 2007 - Iunie 2008

Pregătirea profesională Doctorand cu bursă (POSDRU)

UNIVERSITATEA ”POLITEHNICA” DIN BUCUREȘTI Facultatea de Inginerie Electrică - Catedra Electrotehnică 2009 - prezent

Master - Informatica sistemelor hidraulice și pneumatice UNIVERSITATEA ”POLITEHNICA” DIN BUCUREȘTI Facultatea de Inginerie Mecanică și Mecatronică 2008 - 2009

Inginer Diplomat - Inginerie Electrică UNIVERSITATEA ”POLITEHNICA” DIN BUCUREȘTI Facultatea de Inginerie Electrică Secția Acționări electrice 2003 - 2007

UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREȘTI FACULTATEA DE...

Documents

Transcript of UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCUREȘTI FACULTATEA DE...