Diseño y validación del sistema de control de un motor doble lineal de inducción para un vehículo Hyperloop

Abstract

[ES] Hyperloop UPV es un equipo de estudiantes de la UPV que lleva 8 años investigando y desarrollando tecnología Hyperloop. Hyperloop se define como el quinto medio de transporte, combinando las ventajas de la alta velocidad de los aviones con la eficiencia de los trenes. Este año la propuesta de Hyperloop UPV para la European Hyperloop Week (EHW) es un vehículo y una infraestructura formada por 25 m de conducto cerrado que permiten realizar el vacío con raíles de metal. El vehículo contiene unidades EMS (Electrodynamic Suspension) y HEMS (Hybrid Electromagnetic Suspension) que permiten que levite, y junto con el motor doble lineal de inducción, siguiendo los principios de Hyperloop, se mantiene sin contacto en ningún momento con el conducto, minimizando el rozamiento. El sistema de control deberá actuar sobre un motor doble lineal de inducción (DLIM) diseñado por Hyperloop UPV. Se ha seleccionado este tipo de motor porque, al estar constituido por dos primarios enfrentados con un desfase de 180º, las líneas de campo magnético atraviesan en mayor medida el secundario, aumentando la fuerza y la eficiencia del motor. Estos motores son asíncronos, la velocidad mecánica dependerá de la frecuencia de la onda aplicada y del deslizamiento que aparezca. Este deslizamiento en condiciones de aceleración variará entre 0 y 1 y dependerá de la carga aplicada. Para alimentar el motor se usará un inversor trifásico con modulación de ancho de pulso del vector espacio (SVPWM) alimentado por un conjunto de baterías capaces de suministrar hasta 220 V. La corriente máxima se ha fijado en 100 A. El objetivo del sistema de control, del tipo V/F (actúa sobre la frecuencia y la tensión de la onda aplicada), es acelerar hasta 35 km/h y frenar electromagnéticamente en menos de 18 m, estando optimizado para la máxima eficiencia de operación. Uno de los aspectos más críticos para conseguir un control robusto es la obtención del modelo del motor. En el caso de los motores lineales, la obtención del circuito equivalente se complica porque el secundario es un raíl y las corrientes no tienen un camino fijo. Por ese motivo se obtendrá el modelo del motor mediante un barrido de simulaciones electromagnéticas empleando como parámetros la corriente aplicada, el deslizamiento (slip) del motor y la frecuencia de la onda, para obtener la fuerza y el flujo que realizará obtenidos en el motor, permitiendo caracterizarlo. El control actuará sobre las dos variables analizadas. Para la frecuencia se calculará el slip óptimo para todas las velocidades mecánicas mediante el análisis de los datos del anterior barrido, obteniendo una ecuación lineal que relacione la velocidad actual y la frecuencia que se debe aplicar. El control de la velocidad se realizará mediante dos controladores PI (Proporcional Integral) en cascada. El bucle externo se cerrará con los valores de velocidad obtenidos integrando una IMU (Inertial Measurement Unit) y determinará la corriente de referencia; y el bucle interno con los valores de corrientes obtenidos de un sensor obtendrá la magnitud de la tensión de la onda a aplicar. Con estos dos valores se calculará el ciclo de trabajo de cada uno de los transistores del inversor para realizar la modulación SVPWM. Una vez diseñado el sistema de control, empezara la validación mediante la metodología de Testing In the Loop (TIL). TIL es una metodología de validación formada por 4 fases para sistemas de control que cubre desde la creación de la planta y los controladores hasta la implementación en microprocesador: - MIL (Model In the Loop): Creación de los bloques del modelo y del control en un programa de simulación. - SIL (Software In the Loop). Se substituyen todos los bloques que deben ser implementados en el microprocesador por código en el mismo lenguaje a ser usado en el microprocesador y se ejecuta en el mismo programa que el MIL, permitiendo depurar el código y comprobar la correcta correlación. - PIL (Processor In the Loop): Se ejecut

[EN] Hyperloop UPV is a team of students of the UPV that has been researching and developing Hyperloop technology for 8 years. Hyperloop is defined as the fifth mean of transport, combining the advantage of the high speed of airplanes with the efficiency of trains. This year the Hyperloop UPV propose for the European Hyperloop Week (EHW) is a vehicle and an infrastructure made up of 25 m of closed conduit that allow the vacuum to be carried out with metal rails. The vehicle contains EMS (Electrodynamic Suspension) and HEMS (Hybrid Electromagnetic Suspension) that units that allow it to levitate, and together with the double linear induction motor, following Hyperloop principles, it is kept without contact with the duct al any time, minimizing the friction. The control system must act on a double linear induction motor (DLIM) designed by Hyperloop UPV. This type of motor has been selected because, as it consists of two facing primaries with a 180º phase shift, the magnetic field lines cross the secondary to a greater extent, increasing the strength and efficiency of the motor. These motors are asynchronous, the mechanical speed will depend on the frequency of the applied wave and the slip that appears. This slip under accelerating conditions vary between 0 and 1 and will depend on the applied load. To power the motor a three-phase inverter with Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) will be used. Powered by a set of batteries capable of supplying up to 220 V. The maximum current has been set at 100 A. The objective in the control system, formed by a V/F type (acts on the frequency and voltage of the applied wave), is to accelerate up to 35 km/h and brake electromagnetically in less than 18 m, being optimized for maximum operating efficiency. One of the most critical aspects to achieve robust control is obtaining the motor model. In the case of lineal motor, obtaining the equivalent circuit is complicated because the secondary is a rail and the currents do not have a fixed path. For this reason, the model of the motor will be obtained through a sweep of electromagnetic simulations using as parameters the applied current, the slip (slip) of the motor and the frequency of the wave, to obtain the force and the flux that will be obtained in the motor, allowing to characterize it. The control will act on the two variables analysed. For the frequency, the optimal slip will be calculated for all mechanical speeds by analyzing the data from the previous sweep, obtaining a linear equation that relates the current speed and the frequency that must be applied. The speed control will be carried out by means of two PI (Proportional Integral) controllers in cascade. The external loop will close with the speed values obtained by integrating an IMU (Inertial Measurement Unit) and it will determine the reference current; and the internal loop with the current values obtained from a sensor will obtain the magnitude of the voltage of the wave to be applied. With these two values, the duty cycle of each one of the inverter transistors will be calculated to carry out the SVPWM modulation. Once the control system has been designed, validation will begin using the Testing In the Loop (TIL) methodology. TIL is a validation methodology made up of 4 phases for control systems that covers from the creation of the plant and the controller to the implementation in the microprocessor: - MIL (Model In the Loop): Creation of model and control blocks in a simulation program. - SIL (Software In the Loop). All the blocks that must be implemented in the microprocessor are replaced by code in the same language to be used in the microprocessor and it is executed in the same program as the MIL, allowing code debugging and checking the correct correlation. - PIL (Processor In the Loop): The SIL code is executed in the microprocessor and they are connected by means of a communication protocol with the simulation program. - HIL (Hardware In the Loop). The in