KU LeuvenDe Playground voor motorcontrole: Van Simulink naar Real-Time PWM

In een notendop

De M-Group van de KU Leuven was op zoek naar een meer uitgebreide oplossing dan een standaard laboratorium voor elektromotoren. De vereiste was een flexibel en transparant platform dat simulatie naadloos kon verbinden met gedrag in de echte wereld.
In samenwerking met Imperix ontwikkelde CTRL Engineering een testbank voor snelle prototyping die MATLAB/Simulink-simulaties koppelt aan de werkelijke motordynamica.
Dit realtime platform faciliteert praktijkgericht leren, experimenteren en algoritmevalidatie. Ons productassortiment omvat snelheids- en koppelregeling, evenals PWM-signaalgeneratie op industriële hardware.

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

De uitdaging: niet alleen black-box motoraandrijvingen

De meeste academische motorlaboratoria beperken zich tot simulatie of zijn afhankelijk van gesloten, black-box motoraandrijvingen die alleen kunnen worden geparametriseerd. Dit betekent dat studenten en onderzoekers meestal de interne werking van de stroom-, koppel- en snelheidsregelkringen niet kunnen begrijpen en deze ook niet kunnen wijzigen.

De M-Group van de KU Leuven wilde daar verandering in brengen. Ze wilden een volledig open en transparant platform dat elke laag van de motorregeling blootlegt, van PWM-generatie tot koppelregeling, allemaal binnen MATLAB en Simulink. Het doel was om gebruikers niet alleen in staat te stellen om elke regelkring in realtime te observeren, maar ook om deze te ontwerpen, te testen en af te stemmen.

Om dit niveau van openheid te bereiken, was meer nodig dan simulatiemodellen of kant-en-klare aandrijvingen. Er was realtime FPGA-verwerking nodig, motoren en encoders van industriële kwaliteit, een regeneratieve gelijkstroomvoeding voor flexibele testomstandigheden en robuuste veiligheidssystemen die zonder compromissen hoogwaardige experimenten aankunnen.

De oplossing: een playground voor rapid prototyping

CTRL Engineering en Imperix zijn een samenwerking aangegaan om een modulaire testbank voor rapid prototyping te ontwerpen en te leveren voor onderzoek en onderwijs op het gebied van motorbesturing.

De kern ervan wordt gevormd door een krachtig realtime platform dat een krachtige CPU combineert met een direct geïntegreerde MATLAB/Simulink SDK en een FPGA. De FPGA verwerkt encoderpulsen met een nauwkeurigheid van microseconden, waardoor hoogfrequente rotorsnelheidsfeedback wordt geleverd en deterministische uitvoering van regelkringen mogelijk wordt.

De opstelling is geïntegreerd met bestaande Bosch Rexroth e-motoren uit het laboratorium van de KU Leuven, uitgerust met resolvers die realistische mechanische dynamica leveren. Een actieve regeneratieve gelijkstroomvoeding zorgt voor flexibele en herhaalbare testomstandigheden, terwijl een uitgebreid Pilz-veiligheidssysteem zowel gebruikers als apparatuur tijdens het gebruik beschermt.

CTRL Engineering ontwierp het complete elektrische systeem, inclusief de indeling van de kasten, de bedrading en de manier waarop de motoren, sensoren en veiligheidscircuits zouden samenwerken. Hierdoor werd de oude hardware omgevormd tot een testomgeving die uit één stuk bestond en gemakkelijk te begrijpen was.

Als onderdeel van de inbedrijfstellingsfase ging CTRL Engineering verder dan alleen de hardware-installatie. We ontwikkelden en implementeerden een MATLAB/Simulink-implementatie van Field-Oriented Control (FOC), inclusief zowel snelheids- als koppelregelkringen, om de volledige mogelijkheden van het platform te demonstreren en te valideren. De implementatie omvat het modelleren van d–q-stroom- en koppelregelkringen, de toepassing van Clarke- en Park-transformaties, realtime stroomfeedback en rotorpositieschatting via encodersignalen, PWM-generatie met deterministische timing naar de huidige fasepoorten, en gesloten-lus snelheids- en koppelregeling voor dynamische belastingstests.

Het resultaat: simulatie voldoet aan de industriële realiteit

Met de nieuwe testbank kunnen studenten en onderzoekers van de KU Leuven rechtstreeks experimenteren met industriële motorbesturing. Algoritmen zoals FOC en DTC kunnen nu worden ontwikkeld in Simulink, in realtime worden geïmplementeerd en worden gevalideerd aan de hand van echte koppel- en stroomresponsies. Dankzij hoogfrequente data-acquisitie kunnen gebruikers schakelevenementen, besturingsstabiliteit en transiënte respons met ongeëvenaarde duidelijkheid analyseren.

Het platform ondersteunt een breed scala aan toepassingen, van basisonderwijs op het gebied van besturing tot geavanceerd onderzoek en ontwikkeling op het gebied van voorspellende besturing, sensorloze schatting en coördinatie van meerdere motoren. Dankzij het eenvoudige ontwerp kan het in de toekomst worden geüpgraded met nieuwe vermogenselektronica, besturingshardware of veiligheidssystemen.

Waarom is dit belangrijk voor u? Van reactief naar proactief onderhoud

Voor KU Leuven verbindt dit platform modellering met validatie in de praktijk. Voor CTRL Engineering laat het zien dat we snelle oplossingen kunnen bieden voor het maken van prototypes, van Simulink-model tot realtime PWM. Dit maakt motorbesturing veiliger, sneller en duidelijker.

Dit project laat zien hoe CTRL Engineering complexe besturingstheorie omzet in echte, werkende hardware. We combineren onze kennis van besturingssystemen, FPGA-programmering en industriële integratie om omgevingen te creëren waar leren, testen en innovatie samenkomen.