Sviluppo di un banco prova per la caratterizzazione meccanica ed elettrica di motori elettrici DC brushed

- Gianluca Franchi, EN4

"La flessibilità di LabVIEW ha permesso di ottenere un banco prova per motori elettrici di semplice utilizzo con un’interfaccia grafica gradevole, intuitiva e completa. "

- Gianluca Franchi, EN4

The Challenge:

Sviluppare un banco prova di dimensioni estremamente ridotte, a basso costo e di semplice utilizzo per il rilevamento delle prestazioni di motori elettrici.

The Solution:

Sviluppare un sistema di controllo e acquisizione a elevate prestazioni basato su NI CompactRIO. L’utilizzo di tale piattaforma e di NI LabVIEW ha permesso, in tempi brevi, di sviluppare e presentare sul mercato un banco prova per la caratterizzazione elettro-meccanica di motori elettrici di piccola taglia che risulti di dimensioni compatte, in grado di interfacciarsi con dispositivi esterni e di semplice utilizzo.

Author(s):

Gianluca Franchi - EN4
Lorenzo Pittola - EN4
Marco Greco - MAGNETI MARELLI
Fabio Facciolo - MAGNETI MARELLI

 

 

EN4 ha sviluppato un sistema per la caratterizzazione delle prestazioni di motori elettrici in corrente continua di piccole dimensioni. È stata dedicata particolare cura alla definizione del layout per mantenere compatte le dimensioni del sistema.. La scelta dei componenti si è rivelata fondamentale per ottenere un’accuratezza della misura elevata e al tempo stesso contenere i costi. Il software è stato sviluppato in maniera tale da risultare di semplice utilizzo anche per l’operatore inesperto.



Layout
La linea di misura è costituita da un torsiometro con fondo scala di 100Nmm ed encoder integrato accoppiato a un freno a isteresi magnetica per la regolazione del carico applicato al motore. La meccanica della linea di misura è completata da un limitatore di coppia a riarmo manuale che protegge il torsiometro da carichi torcenti accidentali che potrebbero danneggiarlo e da supporti con cuscinetti doppi che lo salvaguardano da carichi assiali.



Il motore in prova è collocato in una fixture di materiale non ferromagnetico con serraggio a vite che è in grado di ospitare un vasto range di motori con corpo cilindrico. L’allineamento a elevata precisione tra l’asse di rotazione del motore elettrico e quello della catena di misura viene permesso da un posizionatore a tre assi con viti micrometriche e viene controllato tramite due comparatori centesimali montati su due guide a elevata precisione che consentono di effettuare la misura dell’allineamento tra i due alberi. Il sistema sviluppato permette di evitare lo svolgimento di una misura falsata da eventuali disallineamenti e fornisce all’operatore uno strumento molto affidabile per svolgere il set up del banco. In questo modo si evita di eseguire l’allineamento tra motore e linea di misura con il motore acceso, basando la regolazione sulle vibrazioni provocate dal disallineamento.

 



La parte meccanica del banco è completata da un semplice sistema per eliminare l’eventuale magnetizzazione residua del freno. Il sistema è costituito da un motore elettrico, capace di erogare una coppia superiore alla coppia massima del freno, posto su una guida lineare e provvisto di un innesto a lobi che permette di accoppiarlo con facilità alla linea di misura ed eseguire la smagnetizzazione in maniera automatica e guidata dal software che ne indica la necessità dell’esecuzione, lo stato di avanzamento e il completamento.



Il banco prova è stato progettato in maniera tale da permettere la caratterizzazione dei motori in prova a temperature diverse da quella ambientale, essendo le loro prestazioni fortemente influenzate dalla temperatura. Per evitare l’utilizzo di un torsiometro ad alta temperatura, la meccanica del banco è stata realizzata in maniera tale da avere una predisposizione per l’inserimento della fixture che supporta il motore in prova all’interno di una cella climatica.



Altra grandezza meccanica determinante per la caratterizzazione di un motore DC è la velocità a vuoto. L’esecuzione della misura è semplice ma implica una gestione del motore differente da quella utilizzata per lo svolgimento di un test classico. L’utilizzo di un sensore laser per il rilevamento dei giri effettuati dall’albero motore permette di svolgere questo tipo di test in maniera molto semplice e mantenendo completamente scollegato il motore dalla linea di misura del banco prova senza ricorrere all’estrapolazione tramite software, di questa caratteristica fondamentale.



Le caratteristiche meccaniche del sistema sono:
• Coppia massima frenabile 70Nmm
• Accuratezza torsiometro 0.1% F.S.
• Fondo scala torsiometro 100Nmm
• Velocità massima 15000rpm.

 

 

Il software è strutturato in vari livelli:
• Target NI FPGA presente su CompactRIO-9146 che acquisisce, processa i dati, esegue i loop di controllo e provvede al trasferimento dei dati al PC host tramite collegamento Ethernet
• PC che gestisce l’interfaccia utente, il database delle prove svolte e delle varie tipologie di test che vengono sviluppati dall’utente.



Software
Il software sviluppato in LabVIEW è stato pensato per guidare in maniera completa la procedura di prova. Ogni operazione che deve essere svolta dall’operatore è descritta tramite immagini esaustive. Il software è suddiviso in varie sezioni. La sezione  Edit Test Plan permette all’utente di progettare come verrà svolta la prova andando a modificare parametri come durata, curva di carico (profili temporali coppia/velocità), valori di alimentazione del motore. I piani di prova sviluppati vengono salvati e gestiti in un database apposito dal quale possono essere caricati e modificati. Il cuore dell’applicativo risiede nella parte denominata Test. 



In questa fase non sono richiesti input da parte dell’utente ma viene svolto uno dei piani di prova sviluppati. Il Test viene automaticamente svolto dal banco mentre l’operatore ha a disposizione, come output a schermo, l’indicazione delle grandezze acquisite dal banco prova. Al termine del test viene mostrata un'anteprima dei risultati. Il software è completato dalla sezione Result Analysis che gestisce il database di tutti i test svolti e permette di analizzare ogni grandezza acquisita o derivata di ogni prova eseguita e di confrontare l’andamento di più prove diverse.

 

RISULTATI

La flessibilità di LabVIEW ha permesso di ottenere un banco prova per motori elettrici di semplice utilizzo con un’interfaccia grafica gradevole, intuitiva e completa. La piattaforma CompactRIO ha dato la possibilità di realizzare in tempi rapidi, contenendo i costi, un sistema completo ed espandibile.

 

Author Information:

Gianluca Franchi
EN4

Figura 1: Schermata del software di controllo, con una sezione di monitoraggio (a sinistra) e quella di report del test (a destra)
Figura 2: Banco di prova, con in vista la linea di misura: comparatori, piazzamento tre assi, torsiometro, freno, sistema di smagnetizzazione
Figura 3: Sistema di acquisizione e controllo basato su CompactRIO