CAE bij Protronic
(Picanol)
Ontwerp van complexe geschakelde reluctantiemotoren
Bert Belmans, Control & Automation Magazine
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Het bouwen van prototypes van machines kan een dure en tijdrovende
aangelegenheid zijn. Protonic, de technologiedivisie van Picanol, gebruikt
Simulink ten einde elementenanalyse om de elektromagnetische karakteristieken
van geschakelde reluctantiemotoren in elke stap van het sturingsontwerp te
integreren.
Moderne weefmachines halen al vlug snelheden van 1500 cycli per minuut. Bij
Picanol is de afdeling Protronic verantwoordelijk voor het ontwerpen en
ontwikkelen van de mechatronische (motion control) systemen en aandrijvingen
bestemd voor de hoogpreciese weefgetouwen. De afdeling ontwerpt en ontwikkeld op
bestelling ook mechatronische systemen voor derden. Om het vereiste dynamische
gedrag te verkrijgen, ontwikkelde Protronic ondermeer geschakelde
reluctantiemotoren, die een eenvoudige en robuuste constructie verenigen met een
hoge koppel/volume-ratio. Omdat time-to-market essentieel is – zeker in het
geval van opdrachten van derden - werd gezocht naar een oplossing om het
tijdrovende en dure bouwen van reële prototypes te vervangen door softwarematige
simulatie en analyse. Die oplossing werd gevonden in een combinatie van Simulink
(van The Mathworks) en FLUX eindige elementenanalyse van CEDRAT. Nico Verhelst,
systeemingenieur bij Protonic: ‘Geschakelde relucantiemotoren zijn mechanisch
zeer eenvoudig, maar hebben het nadeel dat ze een complexe aansturing nodig
hebben. Met Simulink en Flux kunnen we de motorsturingsstrategie simuleren en
een exacte golfvorm van het motorkoppel bekomen, in functie van de
motorbelasting.’ Van speciaal belang was de uitdaging om de elektromechanische
karakteristieken van de motoren in het globale dynamische ontwerp te integreren.
Hervoor was met name een methode vereist om de sturing en de mechanische
belasting te correleren aan het door de motoren opgewekte elektromagnetische
veld. Doordat de klant resultaat in een tijdsbestek van enkele weken verwachtte,
was er geen tijd voor het bouwen van een reëel prototype. Dit zou al vlug tot
enkele maanden ontwikkelingstijd oplopen. De oplossing kwam uit de bus door
binnen Simulink de dynamische belasting van de motoren te simuleren aan de hand
van analytische formules voor variabele traagheid en demping. Vervolgens werd
via een speciale interface (FLUX-to-Simulink) het elektromagnetische model van
de motoren in het sturingsmodel ingebracht. Fijnafregeling gebeurde door
simulatie van verschillende motorconfiguraties.
Simulink en FLUX
Simulink is een software die specifiek voor simulatie en ontwikkeling van
dynamische systemen werd geschreven. De software biedt modelgebaseerd ontwerpen
voor complexe projecten met grote modellen in blokschema’s die honderdduizenden
parameters en blocks bevatten, verspreid over meerdere ontwerpteams en
werkgroepen. Dank zij functionaliteiten voor component-based modeling en
datamanagement, kunnen ontwerpteams meerdere configuraties en subsystemen
onafhankelijk van elkaar ontwikkelen en uitwisselen binnen en tussen
organisaties. De nieuwste versie van Simulink biedt overigens ook de
mogelijkheid om meer soorten real-time systemen en componenten te modelleren,
simuleren en implementeren, zoals RF-elektronica voor draadloze systemen en
video- en beeldverwerkingsystemen. Deze versie is ook bruikbaar voor het
modelleren en simuleren van aandrijflijnen voor automotive, aerospace en
industriële apparatuur. Engineeringteams kunnen nu systemen, die bestaan uit
fixed-point hard- en software, ontwerpen, implementeren en verifiëren met behulp
van Simulink 6 en de nieuwe ondersteuning in MATLAB 7 voor berekeningen in
fixed-point.
Het Franse bedrijf CEDRAT schreef speciaal voor Simulink/MATLAB een interface
naar haar software voor eindige elementenanalyse. Deze co-simulatiesoftware -
FLUX to SIMULINK Technology genaamd - zorgt voor een directe link tussen de
transient elektromagnetische berekeningen in het ontwerppakket en het eindige
elementenmodel in FLUX. In tegenstelling tot de gangbare methode (om bijv. de
gegevens uit het ene pakket te exporteren en te importeren in het andere), is er
bij deze co-simulatie een directe data-uitwisseling in elke ontwerpstap.
Elektromagnetisch kan zo binnen Simulink rekening gehouden worden met bijv.
saturatie, eddy currents, beweging en controleloops. In de praktijk wordt de
co-simulatie geïnitieerd via een speciale blok dat via ‘dragging & dropping’ in
elk ontwerp kan gebracht worden. De ontwerper kiest via selectie van in- en
outputs vervolgens zelf of de elektrische en mechanische (of beide) aspecten met
Simulink worden aangestuurd. <<
L’IAO chez Protronic (Picanol)
Conception de moteurs à réluctance commutés complexes
Bert Belmans, Control & Automation Magazine
La construction de prototypes de machines peut se révéler coûteuse et
fastidieuse. Protonic, la division technologique de Picanol, utilise Simulink et
l’analyse par éléments finis pour intégrer les caractéristiques
électromagnétiques des moteurs à réluctance commutés dans chaque étape du
concept de pilotage.
Les tisseuses modernes atteignent rapidement des vitesses de 1500 cycles par
minute. Le département Protonic de Picanol est responsable de la conception et
du développement des systèmes mécatroniques (motion control) et des
entraînements destinés aux machines à tisser de grande précision. Le département
conçoit et développe aussi sur commande des systèmes mécatroniques pour des
tiers. Afin d’assurer le comportement dynamique souhaité, Protonic a notamment
développé des moteurs à réluctance commutés, qui allient une construction simple
et robuste à un rapport couple/volume élevé. Vu l’importance du délai de
commercialisation – surtout dans le cadre de travaux pour des tiers -, Protonic
cherchait à remplacer la construction coûteuse et fastidieuse de prototypes
réels par une simulation et analyse logicielles. Cette solution a été trouvée
dans la combinaison de Simulink (de The Mathworks) et de FLUX, le système
d’analyse par éléments finis de CEDRAT. “Sur le plan mécanique, les moteurs à
réluctance commutés sont très simples” remarque Nico Verhelst, ingénieur système
chez Protonic. “Cependant, ils ont l’inconvénient de nécessiter une commande
complexe. Grâce à Simulink et à Flux, nous pouvons simuler la stratégie de
commande moteur et obtenir une forme d’onde exacte du couple moteur, en fonction
de la charge du moteur.”
Le défi d’intégration des caractéristiques électromécaniques des moteurs dans le
concept dynamique global revêtait une importance toute spéciale. Cela
nécessitait en effet une méthode de corrélation de la commande et de la charge
mécanique au champ magnétique suscité par les moteurs. Comme le client attendait
un résultat rapide, Protonic n’avait pas le temps de construire un véritable
prototype. Le délai de développement aurait en effet rapidement pris plusieurs
mois. La solution fut trouvée en simulant au sein de Simulink la charge
dynamique des moteurs à l’aide de formules analytiques de l’inertie et de
l’amortissement variables. Ensuite, le modèle électromagnétique des moteurs a
été intégré dans le modèle de simulation via une interface spéciale
(FLUX-to-Simulink). Le réglage final a été réalisé par une simulation de
différentes configurations de moteur.
Simulink et FLUX
Simulink est un logiciel spécifiquement conçu pour la simulation et le
développement de systèmes dynamiques. Le logiciel propose une conception basée
sur des modèles pour les projets complexes nécessitant de gros modèles en
schémas blocs qui contiennent des centaines de milliers de paramètres et blocs,
répartis sur plusieurs équipes de conception et groupes de travail. Grâce aux
fonctionnalités de modélisation basée sur des composants et de gestion de
données, les équipes de conception peuvent développer et échanger plusieurs
configurations et sous-systèmes indépendamment les uns des autres au sein et
entre les organisations.
La dernière version de Simulink permet d’ailleurs aussi de modéliser, simuler et
implémenter en temps réel plusieurs types de systèmes et de composants, comme
l’électronique RF pour les systèmes sans fil et les systèmes vidéo et de
traitement d’images. Cette version peut également être utilisée pour la
modélisation et la simulation de lignes d’entraînement pour l’équipement
automobile, aérospatial et industriel. Les équipes d’ingénierie peuvent
désormais concevoir, implémenter et vérifier des systèmes, composés de matériel
et de logiciels en virgule fixe, à l’aide de Simulink 6 et du nouveau support
dans MATLAB 7 pour les calculs en virgule fixe.
La société française CEDRAT a spécialement écrit pour Simulink/MATLAB une
interface vers son logiciel d’analyse par éléments finis. Ce logiciel de
co-simulation – appelé FLUX to SIMULINK Technology – assure un lien direct entre
les calculs électromagnétiques transitoires dans le progiciel de conception et
le modèle par éléments finis dans FLUX. Contrairement à la méthode
traditionnelle (visant par exemple à exporter les données d’un paquet et à les
importer dans l’autre), cette co-simulation va de pair avec un échange de
données direct lors de chaque étape de conception. Simulink peut ainsi tenir
compte – sur le plan électromagnétique – de la saturation, des courants de
Foucault, des mouvements et boucles de contrôle. Dans la pratique, la
co-simulation est initiée via un bloc spécial pouvant être intégré dans chaque
concept par simple ‘copier-coller’. Le concepteur choisit ensuite par une
sélection d’entrées et de sorties si les aspects électriques et mécaniques (ou
les deux) sont pilotés à l’aide de Simulink. <<
