C6E2 – Conception d’actionneurs électromécaniques
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Transcript of C6E2 – Conception d’actionneurs électromécaniques
C6E2 , Toulouse, 25 juin 2008
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C6E2 – Conception d’actionneurs électromécaniques
Présentation : J. LISCOUET, S. ORIEUX Préparation : M. BUDINGER, J. LISCOUET, S. ORIEUX , T. El HALABI
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Plan de la présentation
Objectifs de la présentation Cas test WP2 Electromécanique et cycle de
conception Power Sizing : Lois d’échelles et implantation
dans une librairie MODELICA Publication Proto virtuel : Bilan nul de puissances et d’efforts
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Objectifs de la présentation
Donner des éléments de discussion pour le document chapeau de septembre 2008
Faire un bilan des outils logiciels réalisé dans le cadre du cas test WP2 Actionneurs électriques pour l’aéronautique
Donner les perspectives de travail pour la fin du projet
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Cas test aéronautique MESSIER
Dans le domaine aéronautique : Changement de technologie d’actionnement => passage de l’hydraulique vers l’électrique
Problématique : conception d’une direction électrique de train d’atterrissage
Objectifs de C6E2 WP2 : Concevoir des outils logiciels pour aider à la
conception préliminaire de système d’actionnement électrique.
Servo-hydraulic jack
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Charge mécanique
Chaîne cinématique et réducteur
Moteur Electrique
Frein
Capteurs
Variateur de vitesse
Source d’énergie
Architecture à choisir et à dimensionner
Contraintes définies par l’application
Conception d’un système d’entraînement
Au début de la conception :
• Comment évaluer rapidement les différentes architectures possibles ?
• Comment évaluer les principales performances et les principales caractéristiques ?
• Comment spécifier les différents composants au mieux ?
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La conception d’un système d’entraînement passe classiquement par plusieurs étapes :
Besoins Produit
Constituants du système
Conception de détail
Synthèse de la commande
Cycle de conception classique (1)
Synth
èse
du sy
stèm
eIn
tégra
tion d
u p
roto
type
Recherche de solutions
Cahier des charges
Spécifications des
composants
Dimenssionement en
puissance
Architectures
Intégration des composants
Prototype
Validation des performances
Le choix des composants se fait à l’aide d’outils
maison (ex. routine excel)
Des outils de simulation (ex.
Simulink) sont utilisés pour synthétiser la
commande
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Ce cycle classique peut être lourd et complexe: - Dans le cadre de système d’actionnement mécatronique : présences de différentes technologies-=> Grand jeu de paramètres difficiles a connaitre en debut de cycle : nécessite aller-retour (1) entre niveau système et niveau constituant (utilisation de catalogues, devis, expertise de spécialistes métiers, …)-=> Difficiles de prédire les performances en boucle fermée avant d’atteindre les étapes de simulation dynamique. -Importances des modes de résonance (2) mécanique qui ont un gros impact sur ce dernier point.
Besoins Produit
Constituants du système
Conception de détail
Synthèse de la commande
Cycle de conception classique (2)
Recherche de solutions
Cahier des charges
Spécifications des
composants
Dimenssionement en
puissance
Architectures
Intégration des composants
Prototype
Validation des performances
(1) (2)
Bilan : présence de boucles qui augmentent fortement les temps de développement et l’interaction entre les intervenants => On veut ici donner des outils logiciels pour limiter ces problèmes
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Les outils logiciels doivent permettre de répondre aux questions du développeur et présenter différentes caractéristiques :
Modèles à nombre de paramètres d’entrée
réduitModèles avancés
Intégration :
Le dispositif peut-il valider les spécifications demandées ?
La commande synthétisée est-elle robuste ?
Comment utiliser les données constructeurs, les résultats de
simulations éléments finis et rendre compte des mesures ?
Synthèse ou conception préliminaire :
Le dispositif peut-il respecter le cahier des charges (points
nominaux ou profil de missions) aux niveaux efforts
et vitesses (puissance) ?
Objectifs Produit
Constituants du système
Dimensionnement en puissance
Estimation des performances limites
Validation des performances
Spécification des composants
Conception de détail
Synthèse de la commande
Quels outils de simulation ?
Simulation inverse acausale
sur un profil de mission (Effort, vitesse fonction du temps) imposé au niveau de la charge.
Simulation directe causale
Evaluation des modes propres et influence des raideurs de la
transmission ou de l’accrochage
Vérification des performances en boucle fermée
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Génération des macro
modèles
Besoins Produits
Constituants du système
Conception préliminaire :
spécification des composants
Validation des performances
Conception de détail
Prototype virtuel
Partenaires C6E2 – WP2 sur ce cycle
Cahier des charges du cas
test
Modèles analytiques de dimensionnem
ent moteur Obtention de la géométrie pour éléments finis
Messier et LGMT-INSA
LGMT-INSA
LAPLACE-N7CEDRAT
LG2LAB-ENSIEGLGMT-INSA
LAPLACE-N7
Messier et LGMT-INSANiveau fonctionnel
Niveau 1D – modele Network (Modelica)
1D verts 3D (géométrie)Géométrie vers Eléments Finis
3D vers 1D fin
Niveau 1D fin
Niveau fonctionnel
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Une simulation nécessite de nombreux paramètres
paramètres de simulation , par ex. : inertie, raideur, constante de temps thermique, …
Le concepteur veut balayer rapidement un grand choix de solutions et voudrait éviter de chercher ces paramètres de simulation.
il préférerait travailler en terme de paramètres de définition, par ex. : couple nominal, vitesse, rapport de réduction, …
A l’issues de ces simulations, le concepteur veut également valider le choix des composants et comparer différentes architectures.
évaluation de variables dimensionnantes, par ex. : TRMS (moteurs électriques), TRMC (réducteurs),…
et de paramètres de comparaison, par ex. masse
Modèles très simples obtenus par des lois de
similitude (loi d’échelle).
Paramétrage de ces lois sur des gammes de
dispositifs industriels
Optimisation de la masse, de la consommation, …
et sélection d’architectures
actionneurs électriques
réducteurs mécaniques
Conception préliminaire : modèles
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C6E2 : état d’avancement INSA ToulouseObjectifs :Réaliser des modèles qui permettrait de créer une librairie de conception préliminaire de systèmes d’actionnement électromécanique comprenant notamment :- un bloc moteur générique - des blocs de transmissions mécaniques
Ces blocs seront construits autour de modèles simples avec un nombre réduit de paramètres à rentrer :- Utilisation de loi d’échelle pour obtenir des modèles prédictifs
Travail réalisé en grande partieRéalisation d’un programme Matlab utilisant ces modèles pour réaliser du dimensionnement automatique
- Modèles à bilan de puissance nulle (sortie puissance thermique) et bilan d’effort nuls (sortie d’ancrage) pour aider à spécifier certaines caractéristiques importantes
Début d’étude en causal sous AMESim, premières briques
- Utilisation de la simulation inverse ModelicaLibrairie en cours de réalisation
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DESIGN PROBLEMATICDESIGN PROBLEMATIC
PROPOSED APPROACH (2)
• Modular Approach:– Modules of components (sizing, simulation)– Architecture: combination of component modules– Sizing wave
Compo-nent 1
Compo-nent 2
Compo-nent 3
Compo-nent 4
Compo-nent 5
DesignExplorer
Reduction ratio N
Mass AnalysisArchitecture comparison
Mass opt. architectureStorage Analysis results
Mission cycle
Archit-ecture 1
Comp-onents Masses
Σ
MassMass obj.
Power sizing
Mission cycle
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DESIGN PROBLEMATICDESIGN PROBLEMATIC
PROPOSED APPROACH (3)
• Module of components:– Sizing variables– Definition parameters– Simulation parameters
– Simulation model– Considering internal energetic losses– Comparison parameters
Sizing variables
Component mission cycle
T(t), F(t)
[θ(t),ω(t),γ(t)]
Life Time
Lh
Tmax, Fmax
Trms, Ttherm
Tfat, Ffat
Tsizing Fsizing Scaling
Laws
Simulation parameters
J, K, τth,ŋ
Simulation model
T(t), F(t)
Lh
[θ(t),ω(t),γ(t)]
Next component mission cycle
Life Time
Definition parameters N, Lead
Comparison parameters M
Verify component validity range
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POWER SIZING MODULES (examples)POWER SIZING MODULES (examples)
Mechanical Component: Roller-Screw• Principle:
– Rotation of a screw leading to a movement of translation of a nut. Nut based on rollers around the screw. End bearings maintain the roller-screw in position.
– Reduction ratio given by the lead (mm/rev) of the screw.
Nut
End bearings
Screw
Picture from SKF website
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POWER SIZING MODULES (examples)POWER SIZING MODULES (examples)
Mechanical Component: Roller-Screw• Scaling Laws
– Constant maximum constraint in the material.– Homothetic geometrical variation– Screw dimension, lead efficiencies– Course, nut and bearing lengths screw length and mass
2
5*
* FJ
23** FM
21** Fl
1*max σ
2** lF
***max SFσ
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POWER SIZING MODULES (examples)POWER SIZING MODULES (examples)
Mechanical Component: Roller-Screw
• Roller screw module:– Sizing variables– Definition parameters– Simulation parameters
– Comparison parameters– Simulation model– Incl. internal energetic losses
Sizing variables
Component mission cycle
F(t)
[x(t),v(t),α(t)]
Life Time
Lh
Fmax
Feq.,fat
Fsizing Scaling Laws
Simulation parameters
J, ŋ
T(t)
Lh
[θ(t),ω(t),γ(t)]
Next component mission cycle
Life Time
Definition parameters Lead
Comparison parameter M
Verify lead angle and Fsizing ranges
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POWER SIZING MODULES (examples)POWER SIZING MODULES (examples)
Electric Component: Annular Brushless Motor (PM)
• General Description– Typical architecture for annular permanent magnet motor.– high number of poles + higher torque density, - lower speed
T (Nm)
0 n (rpm)
Cont. torque
Trans. torque
Picture from “Comparaison du couple massique de diverses architectures de machines tournantes synchrones à aimants”, B. MULTON, H. BEN AHMED, M. RUELLAN, G. ROBIN
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POWER SIZING MODULES (examples)POWER SIZING MODULES (examples)
• Scaling Laws:– Homothetic scaling, constant induction– Iron losses function of motor speed– Constant max heat power dissipation PJ+Pf=Plosses
– Number of poles increasing with the motor size
Electric Component: Annular Brushless Motor (PM)
4**** lBJC 2/1** lJ
5,3** lC
3*** lfPb
fer
stalljfer PP@maxΩ@
)/1(**maxΩ bbl
bstallnomCC )Ω/Ω(1)Ω( max,
2** lM
4** lJ
BJrdVC
dVJρPj2
Jfer PP **
2*3*2** . llJPj
blf
1**
**max
* .Ω lf
TMBO210-050 ETEL
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POWER SIZING MODULES (examples)POWER SIZING MODULES (examples)
Electric Component: Annular Brushless Motor (PM)
• Annular brushless motor module:– Sizing variables– Definition parameters– Simulation parameters
– Comparison parameters– Simulation model– Incl. internal energetic losses
Sizing variables
Component mission cycle
T(t)
[θ(t),ω(t),γ(t)]
Tmax
Trms,Tth
Tsizing Scaling Laws
Simulation parameters
J, τth, ŋ
Comparison parameter M
Pel(t)
Next component mission cycle
T
0 n
Verify Tsizing range and motor capacity in speed-torque plan
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TEST CASETEST CASE
• Nose gear steering system– Scaled to regional range commercial aircrafts
• Mission profile• 3 electromechanical candidate architectures
Nose Gear Steering System
Servo-hydraulic jack
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TEST CASETEST CASE
• Results:– In-house prototype developped within a Matlab environment– Variation of total mass as function of transmition ratio for each
architecture Mass optimization Architecture comparison
Nose Gear Steering System
Architecture AArchitecture CArchitecture B
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Publication
• M. Budinger, J. Liscouët, S. Orieux, J.-C. Maré, « Automated Preliminary Sizing of Electromechanical Actuator Archtiectures », ELECTRIMACS, Québec, Canada, June 2008.
• …
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Librairie MODELICA
Contenu :
• Les lois d’échelles• L’évaluation de variables dimensionnantes• Les modèles à bilan nul d’effort et de puissance
Dans une librairie de conception préliminaire
A tester en inverse et directe
Etat actuel d’avancement : premières briques (moteur, réducteur, embrayage) et premiers essais de simulation
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LOAD
DC brushless motor
Gearbox
Clutch
Spur gear
Librairie de conception préliminaire
Profil de mission
position
couplePremières briques sous modelica :
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Profil de mission
position
coupleUn réducteur Cyclo Sumitomo CF :Paramètres de définition : Couple nominalParamètre de référence : couple nominal, l’inertie, masse Paramètres de simulation : inertie, masse
Un moteur cylindrique Brushless Danaher BH 626 :Paramètres de définition : Couple nominalParamètres de référence : Couple maximal, couple nominal, inertie, constante de temps thermiqueParamètre de simulation : Inertie, Constante de temps thermique
Un embrayage Telecomec GDF à dents :Paramètres de définition : Couple nominaleParamètre de référence : couple maximal a la sortie
de l’embrayage, l’inertie, masse de référence pour le réducteur. Paramètres de simulation : l’inertie de l’embrayage, masse de l’embrayage.
Paramètres des composants Modelica
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Exemple de résultatsPour un réducteur :
Couple RMC (fatigue)
Couple dimensionnant
Le dimensionnement se fait composant par composant en remontant la chaîne d’actionnement de la charge vers le moteur.
Pour chaque composant une première simulation permet de calculer la grandeurs dimensionnante.
L’utilisateur entre ensuite cette valeur comme paramètre de définition et peut continuer pour le composant suivant.
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Bilan nul d’efforts et de puissance
Pour le prototype virtuel, il est intéressant :- De pouvoir tenir des pertes à partir des grandeurs constructeurs et des frottements correspondants- De pouvoir tenir compte des modes de résonances provenant notement de la souplesse des accrochages
=> Influence sur l’asservissement et les performances en boucle fermée
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moteur
embrayage
Reducteur Cylo Drive
tube
tournant
roue
mo
teu
r
reducteur
tube
tournant
Vis à rouleaux
Cré
mai
llèr
e
pignon
Deux cas tests
Développement de 5 modèles de composant :- Vis à rouleaux- Réducteur CycloDrive- Roue et vis sans fin- Crémaillère- Embrayage
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Iecrou
Ivis
Mecro
u
Mvis
Port antiRotation
de l’écrou
Port de fixation de la vis
Mvis + Mecrou
Port thermique
Bilan puissance
)θsgn(E p µπd
)θsgn(E πµd p
2
d ET
m
mm
Port rotation
Port translation
frottement de Coulomb + Stribeck + VisqueuxIdentification de six paramètres
Expérimentation
Calage sur les courbes de rendements constructeurs
Vis à rouleaux
Roue et vis sans fin
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Iecrou
Ivis
Mecro
u
Mvis
Port antiRotation
de l’écrou
Port de fixation de la vis
Mvis + Mecrou
Port thermique
Bilan puissance
Port rotation
Port translation
Raideur dépendantedu mode de fixation de la visde la position de l’écrou
Intégration éventuelle du jeu
Mvis + Mecrou
Pertes mécanique Chaleur
Vis à rouleaux
Roue et vis sans fin
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Iecrou
Ivis
Mecro
u
Mvis
Port antiRotation
de l’écrou
Port de fixation de la vis
Mvis + Mecrou
Port thermique
Bilan puissance
Port rotation
Port translation
Modèle existant déjà sous AmesimParamètres calés
expérimentalement
En cours d’intégration sous Amesim / Modelica
Vis à rouleaux
Roue et vis sans fin
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Icorps
Ir
Port antiRotation
Mtotale
Port thermique
Port rotationArbre rapide
Port rotation
arbre lentIl
Réducteur CycloDrive
Raideur dépendante du couple de sortieIntégration éventuelle du jeu.
Pertes mécanique réparties sur l’entrée et la sortie Chaleur
Mtotale
Réducteur CycloDrive
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Icorps
Ir
Port antiRotation
Mtotale
Port thermique
Port rotationArbre rapide
Port rotation
arbre lent
Modèle physique en cours de développementRécupération de données expérimentales possibleModèle certainement générique pour d’autres types de
réducteur
Il
Réducteur CycloDrive
Réducteur CycloDrive