Banco de prueba para motores eléctricos

Recientemente Dynosens participó en un concurso para un banco de pruebas de motores eléctricos convocado por la Comisión Francesa de la Energía Atómica (CAE). El objetivo del concurso era estudiar un motor del Renault ZOE y obtener resultados que permitieran optimizar las leyes del control del motor. El banco de pruebas debía entregarse con el motor ZOE y; con una máquina capaz de simular los cambios que se aplican al motor durante la aceleración y la desaceleración o cuando el vehículo asciende o desciende por una pendiente. El sistema de carga es un servomotor eléctrico asíncrono con control de par y/o velocidad. Dado que el objetivo era estudiar los parámetros del motor. Toda la información de las mediciones debía ser registradas (tensión, corriente, energía eléctrica, par torsional, velocidad, etc.). Dentro de las especificaciones del concurso se estipulaba que las mediciones debían poder transmitirse mediante un bus de campo EtherCAT.

Dynosens se especializa en el desarrollo de bancos de pruebas para motores y todo tipo de vehículos. Fue fundada en 1990 y fabrica alrededor de 30 bancos de prueba cada año, para diferentes industrias (carros, motocicletas, scooters, go-karts, tractores, motores agrícolas, etc.)

EtherCAT

EtherCAT es un bus de campo relativamente nuevo que es usado en sistemas de automatización industrial; pero recientemente se está usando en todo tipo de sistemas embebidos. Fue presentando a inicios de los noventa y fue resultante de la necesidad de contar con mediciones en tiempo real mucho más rápidas, sin aumentar los costos para las empresas. Con la idea de solventar estos problemas, Beckhoff Automation GmbH llevó a cabo un estudio para desarrollar un sistema de bus de campo capaz de trabajar en tiempo real y que hiciera un mejor uso del ancho de banda que los protocolos Ethernet estándar. El resultado fue EtherCAT (Ethernet Control Automation Technology); un protocolo de comunicación industrial de alto rendimiento que amplía el estándar IEEE 802.3 Ethernet y, que permite transferir datos con una temporización predecible y una mejor sincronización. La novedad del Ethernet Control Automation Technology reside en que los paquetes Ethernet no se reciben, interpretan, procesan y copian en cada dispositivo. El protocolo sigue transportando datos directamente dentro de un frame Ethernet estándar, pero sin cambiar su estructura básica. Los dispositivos esclavos del sistema pueden leer los datos dirigidos a ellos mientras el frame pasa por el nodo del dispositivo. Al mismo tiempo, pueden añadir nuevos datos de entrada, con una demora de unos pocos nanosegundos. Dado que los marcos EtherCAT comprenden datos de muchos dispositivos que funcionan en modo de envío y recepción, la tasa de transmisión de datos real se incrementa hasta más del 90 % del ancho disponible. Esto permite aprovechar plenamente las características full duplex de 100BaseTX con velocidades de transmisión de datos efectivas superiores a 100 Mbit/s.

HBM: Una relación basada en confianza y calidad

Con los años, HBM se ha convertido en un aliado para Dynosens, ya que la empresa confía plenamente en la calidad de los equipos y el soporte técnico que le brinda HBM, por lo que no es sorprendente que para este proyecto se acercaran de nuevo a los expertos. Para este banco de pruebas Dynosens quería usar un transductor de par, específicamente el T40B de HBM. Este tipo de transductores son muy robustos, lo que los hace ideales para aplicaciones en banco de pruebas de motores térmicos, en donde los métodos de funcionamiento del motor y los sistemas de transmisión crean condiciones mecánicas más demandantes.  

  A lo largo del tiempo se ha ampliado la gama de transductores de HBM (el intervalo de medición se sitúa actualmente entre 50 Nm y 80 kNm), con familias de productos dirigidas cada vez más específicamente a diferentes aplicaciones. De esta forma, el T40B ofrece una relación costo-beneficio inigualable. Si lo comparamos con modelos de la generación anterior, ofrece mejores características por la mitad de precio. En el momento en que se diseñó el banco de pruebas, HBM no disponía de un conector EtherCAT para el transductor T40B. Por ello, se pensó inicialmente en la solución clásica de integrar el transductor dentro de un módulo de entrada/salida EtherCAT. Pero, para Yves Rosnoblet, Director General de Dynosens, al hacerlo de esta forma no se habría podido aprovechar al máximo el transductor.

Los fabricantes de transductores son los que están en mejor situación para desarrollar las funciones de procesamiento y diagnóstico integradas en los conectores de los buses de campo. Los bloques de E/S diseñados por los fabricantes de dispositivos automáticos no son específicos y no se pueden optimizar para todos los tipos de transductores; y menos aún para un transductor evolucionado, como es el caso de la clase T40B.

Por supuesto, Dynosens informó a HBM de sus inquietudes. La respuesta fue inmediata. Exactamente al mismo tiempo, el mayor fabricante europeo de automóviles había hecho la misma petición, lo que llevó a HBM a desarrollar una interfaz EtherCAT.

Conexión directa a EtherCAT con el módulo TIM-EC

La interfaz, que se denominó TIM-EC, se entregó en el plazo acordado y Dynosens se convirtió en su primer usuario en Francia.

Asumimos un poco de riesgo, pero valió la pena. El producto entró en servicio inmediatamente e integrarlo en el banco de pruebas no supuso ningún problema. En términos de desempeño, tiene una resolución de 25 bits, un nivel que sobrepasa el alcance de un módulo de E/S industrial. Como sabemos, la exactitud es un elemento clave para los usuarios de bancos de pruebas, porque es la llave para mejorar su desempeño, explica Yves Rosnoblet.

La interfaz TIM-EC de HBM también permite seleccionar distintas velocidades de filtrado y proporciona datos de diagnóstico a lo largo de toda la cadena de medición (desde el transductor hasta la interfaz).

Conectando los transductores de par a los sistemas EtherCAT usando TIM-EC

Los sensores de par usualmente son conectados usando módulos estándar EtherCAT I/O tal como se hace con la frecuencia o entradas analógicas. A pesar de que este tipo de conexiones tiene varias ventajas, no permite aprovechar toda la capacidad de alto desempeño y exactitud del transductor de par T40B. ¿Por qué las conexiones estándar son ocasionalmente insuficientes para transductores de alto desempeño? La explicación es simple. Los métodos regulares de comunicación de datos no son lo suficiente rápidos para sensores modernos como el T40B

El módulo de interfaz TIM-EC resuelve este inconveniente al conectar el transductor de par T40B a los sistemas EtherCAT. Gracias a su alta resolución de entrada de 25 bits. La interfaz TIM- EC brinda una exactitud excepcional y, con un retraso mínimo en la cadena de medición, transporta el máximo desempeño del sensor del par dentro del mundo EtherCAT; optimizando las capacidades de desempeño tanto del EtherCAT como del sensor de par de HBM. Este tipo de rendimiento abre una gran variedad de posibilidades para el control y análisis de alta exactitud en las cadenas de medición; especialmente para pruebas dinámicas.  

  La arquitectura modular del TIM-EC permite que la solución de control y automatización funcione óptimamente y responda a los desafíos de las tareas de prueba. Markus Haller, Gerente de Producto de par torsional en HBM, explica.

TIM-EC proporciona a los usuarios que cuentan con una gran cantidad de datos y valores de medición de par, velocidad rotacional, ángulo de rotación y energía una nueva función de intercomunicación; los usuarios pueden operar un transductor simple o dos módulos TIM-EC separados conectados entre sí mediante el bus backplane. Esto permite guardar y modificar todos los ajustes, tales como acondicionamiento de señales, escalado, datos de calibración, etc., en cada módulo sin problemas de comunicación e independientemente entre sí.

Mucho más que solo una unidad I/O de alta exactitud, la unidad TIM-EC tiene numerosas funciones para mejorar y optimizar las mediciones de par torsional.