KU LeuvenLe terrain de jeu pour le contrôle moteur : de Simulink au PWM en real-time

En bref

M-group de la KU Leuven recherchait une solution plus complète qu’un laboratoire de moteurs électriques standard. Il fallait une plateforme flexible et transparente capable de relier de manière transparente la simulation au comportement réel.
En collaboration avec Imperix, CTRL Engineering a développé un banc d’essai de prototypage rapide qui relie les simulations MATLAB/Simulink à la dynamique réelle des moteurs.
Cette plateforme en real-time facilite l’apprentissage pratique, l’expérimentation et la validation des algorithmes. Notre gamme de produits comprend le contrôle de la vitesse et du couple, ainsi que la génération de signaux PWM sur du matériel de qualité industrielle.

Working with CTRL Engineering gave us a robust platform to bridge research and industrial practice.🏆
Dries Vanoost, Research Manager @ KU Leuven M Group

Le défi : pas seulement des entraînements moteurs en blackbox

La plupart des laboratoires universitaires spécialisés dans les moteurs se limitent à la simulation ou dépendent d’entraînements moteurs fermés, en boîte noire, qui ne peuvent être paramétrés. Cela signifie que les étudiants et les chercheurs ne peuvent généralement pas comprendre le fonctionnement interne des boucles de contrôle du courant, du couple et de la vitesse, et qu’ils ne peuvent pas les modifier.

Le Group-M de la KU Leuven a décidé de changer cela. Il souhaitait une plateforme entièrement ouverte et transparente qui expose toutes les couches du contrôle des moteurs, de la génération PWM à la régulation du couple, le tout dans MATLAB et Simulink. L’objectif était de permettre aux utilisateurs non seulement d’observer, mais aussi de concevoir, tester et régler chaque boucle de contrôle en temps réel.

Pour atteindre ce niveau d’ouverture, il fallait plus que des modèles de simulation ou des variateurs prêts à l’emploi. Il fallait un traitement FPGA en temps réel, des moteurs et des codeurs de qualité industrielle, une alimentation CC régénérative pour des conditions de test flexibles et des systèmes de sécurité robustes capables de gérer des expériences hautes performances sans compromis.

La solution : un terrain de jeu pour le prototypage rapide

CTRL Engineering et Imperix se sont associés pour concevoir et fournir un banc d’essai modulaire de prototypage rapide destiné à la recherche et à l’enseignement dans le domaine du contrôle des moteurs.

Au cœur de ce banc se trouve une plateforme haute performance en temps réel qui combine un processeur puissant avec un SDK MATLAB/Simulink directement intégré et un FPGA. Le FPGA traite les impulsions de l’encodeur avec une précision de l’ordre de la microseconde, fournissant un retour d’information sur la vitesse du rotor à haute fréquence et permettant l’exécution déterministe des boucles de contrôle.

La configuration s’intègre aux moteurs électriques Bosch Rexroth existants du laboratoire de la KU Leuven, équipés de résolveurs qui offrent une dynamique mécanique réaliste. Une alimentation électrique CC régénératrice active garantit des conditions de test flexibles et reproductibles, tandis qu’un système de sécurité Pilz complet protège à la fois les utilisateurs et les équipements pendant le fonctionnement.

CTRL Engineering a conçu l’ensemble du système électrique, y compris la disposition des armoires, le câblage et le fonctionnement conjoint des moteurs, des capteurs et des circuits de sécurité. Cela a permis de transformer l’ancien matériel en un environnement de test homogène et facile à comprendre.

Dans le cadre de la phase de mise en service, CTRL Engineering est allé au-delà de la configuration matérielle. Nous avons développé et déployé une implémentation MATLAB/Simulink du contrôle orienté champ (FOC), comprenant des boucles de contrôle de vitesse et de couple, afin de démontrer et de valider toutes les capacités de la plateforme. L’implémentation comprend la modélisation des boucles de contrôle du courant et du couple d-q, l’application des transformations de Clarke et Park, le retour d’information en temps réel sur le courant et l’estimation de la position du rotor à l’aide de signaux d’encodeur, la génération de PWM avec un timing déterministe vers les portes de phase actuelles, et la régulation en boucle fermée de la vitesse et du couple pour les tests de charge dynamique.

Le résultat : la simulation répond à la réalité industrielle

Le nouveau banc d’essai permet aux étudiants et aux chercheurs de la KU Leuven d’expérimenter directement le contrôle des moteurs de qualité industrielle. Des algorithmes tels que le FOC et le DTC peuvent désormais être développés dans Simulink, déployés en temps réel et validés par rapport à des réponses réelles en termes de couple et de courant. L’acquisition de données à haute fréquence permet aux utilisateurs d’analyser les événements de commutation, la stabilité du contrôle et la réponse transitoire avec une clarté inégalée.

La plateforme prend en charge un large éventail d’applications, de la formation de base au contrôle à la recherche et au développement avancés dans les domaines du contrôle prédictif, de l’estimation sans capteur et de la coordination de plusieurs moteurs. Sa conception simple permet de la mettre à niveau à l’avenir avec de nouveaux composants électroniques de puissance, du matériel de contrôle ou des systèmes de sécurité.

Pourquoi est-ce important pour vous ? De la maintenance réactive à la maintenance proactive

Pour la KU Leuven, cette plateforme relie la modélisation à la validation dans le monde réel. Pour CTRL Engineering, elle montre que nous pouvons fournir des solutions rapides pour la création de prototypes, du modèle Simulink au PWM en temps réel. Cela rend le contrôle des moteurs plus sûr, plus rapide et plus clair.

Ce projet montre comment CTRL Engineering transforme une théorie de contrôle complexe en matériel réel et fonctionnel. Nous combinons nos connaissances en matière de systèmes de contrôle, de programmation FPGA et d’intégration industrielle pour créer des environnements où l’apprentissage, les tests et l’innovation se rejoignent.