< Terug naar vorige pagina

Project

Virtuele koppelmeting: Een modelgebaseerde aanpak voor indirecte meting van dynamische operationele belastingen op mechatronische aandrijvingen

Moderne mechatronische aandrijfsystemen worden gekenmerkt door een steeds hogere vermogendichtheid en een uitermate hoog-dynamische werking. Tegelijk worden steeds hogere verwachtingen gesteld voor wat betreft de energie-efficiëntie, alsook een trillingvrije en stille werking. Dit geldt zowel voor aandrijflijnen in industriële machines, wind-turbines en voertuigen.

Deze toenemende eisen, samen met een aanhoudende druk op de steeds korter wordende ontwikkeltijd, hebben geleid tot een toenemend gebruik van modellen in de ontwerpfase van mechatronische systemen. State-of-the-art modelleertechnieken laten toe om met een beperkte rekentijd het complexe trillingsgedrag van mechanische componenten en systemen tot in detail te simuleren. Toch blijft er bij een louter model-gebaseerde aanpak dikwijls grote twijfel bestaan rond het gedrag van de werkelijke machine in bedrijf. Die is in veel gevallen het gevolg van slecht gekende (veranderlijke) model-parameters of een ongekende excitatie waaraan het operationele systeem onderhevig is. De hieruit volgende discrepantie tussen model en werkelijkheid kan leiden tot ongewenst trillingsgedrag en geluids-afstraling, een verminderde performantie omwille van sub-optimale controle of - in extreme gevallen - tot de faling van een component of van het hele systeem.

In principe kan veel onzekerheid over operationeel gedrag weggenomen worden door sensoren aan te brengen en de meetdata te analyseren. Meting van de meest relevante dynamische grootheden, zoals krachten en krachtenkoppels, zijn echter zeer intrusief van aard en daarom vaak onmogelijk uit te voeren op operationele machines.

Dit werk heeft gepoogd een stap te zetten richting meer inzicht in het operationele gedrag van mechatronische aandrijflijnen door model- en sensor-informatie te combineren. Het maakt hierbij gebruik van reeds bestaande technieken voor model-gebaseerde toestands- en ingangs-schatting, waarbij de a priori onbekende input overeenkomt met het koppel dat door een ongekende last opgelegd wordt aan het gekende systeem. De keuze voor deze koppelschatting is ingegeven door de vaststelling dat dit een uitermate belangrijke grootheid is voor wat betreft de werking van een aandrijflijn, maar tegelijkertijd slechts in uitzonderlijke situaties direct meetbaar is. Het opgestelde model verenigt kennis over het dynamisch gedrag van zowel de elektrische actuator als van de mechanische aandrijflijn tussen deze actuator en de last. Het multi-fysische karakter ervan laat toe om metingen uit zowel het elektrische als het mechanische domein te combineren.

De hieruit voortvloeiende virtuele koppelsensor is experimenteel gevalideerd op een eigen ontwikkelde proefstand. Deze proefstand is zodanig ontworpen dat de mechatronische aandrijflijn te modelleren is zonder de noodzaak om ook het dynamisch gedrag van de omliggende behuizing of de bevestiging met de omgeving te kennen.

Specifieke aandacht is gevestigd op het hoogdynamisch karakter van de ongekende torsie-excitatie. Dit werk heeft aangetoond dat een model van de elektrische actuator in de meeste gevallen niet volstaat, maar dat een multi-fysisch, elektro-mechanisch model van de aandrijflijn wel toelaat om het lastkoppel accuraat te schatten binnen de bandbreedte van structurele excitatie, met name deze van 0 Hz tot 200 Hz.

Naast de noodzaak van een mechanisch model, heeft dit werk tevens de invloed van beschikbare sensoren op de bereikbare bandbreedte van de virtuele koppelsensor in kaart gebracht. Klassieke criteria voor selectie van een geschikte set van sensoren leiden wat dit betreft niet tot een duidelijke conclusie. Door de gelineariseerde gesloten-lus-bandbreedte van de ingangs-schatting te bekijken, wordt de toegevoegde waarde van rotationele versnellings-opnemers duidelijk. Het gebruik van versnellingsmetingen leidt namelijk tot een gevoelig verhoogde bandbreedte van de virtuele koppelsensor.

Datum:5 feb 2013 →  26 apr 2018
Trefwoorden:Virtual sensing, Torque estimation
Disciplines:Controlesystemen, robotica en automatisatie, Ontwerptheorieën en -methoden, Mechatronica en robotica, Computertheorie
Project type:PhD project