Çalışma Konusu
Elektrikli araçların hızla dünyamıza girişi, mühendisler için yeni tasarım, test ve ölçüm zorlukları yarattı. Bu konuda en acil ihtiyaçlardan biri titreşim analizi alanında oldu. Mühendisler özellikle slotting etkisinden gelen harmonikleri (yani rotor ve stator yuvalarından kaynaklanan hava boşluğu geçirgenliği dalgalanmaları) ve invertörden gelen harmonikleri ayırmak için uğraştılar.
2011 yılından önce asenkron motor enerji kayıplarının %0,5 olduğu varsayılmıştır. Bunun gibi yaklaşık değerler “yeterince iyi” olarak kabul edilirdi, ancak artık değil – bugün çok daha yüksek doğruluk ve hassasiyetle ölçülmeleri gerekiyor. Aslında günümüzün asenkron motorları en azından IEC 60034 standardının IE2 seviyesini karşılamalıdır. Verimlilik ve enerji kaybının hassas ölçümü, tüm ölçüm zincirinde mümkün olan en yüksek doğruluğu gerektirir.
Şekil 1. Spectrumlardaki ana elektomanyetik gürültü ve titreşim çizgileri
Ne yazık ki, otomotiv test ve tasarım mühendisleri bu ölçümleri yapmaya çalışırken bir soru ile karşı karşıya kaldılar: İnvertörün neden olduğu frekansları slotting etkisinin neden olduğu frekanslardan nasıl ayırabiliriz? Bu durum gerçek bir ölçüm zorluğuydu.
Farklı uzmanlıklara sahip iki farklı otomotiv Ar-Ge şirketine aynı anda bu zorluk ile ilgili danışıldı ve çözmek için birlikte çalışmaya karar verildi. Bu makale bu ölçümün nasıl yapıldığının hikayesi.
Fransız şirketi EOMYS, özellikle e-mobiliteye, yani elektrikli araçlara odaklanan lider bir multifizik mühendislik hizmetleri şirketidir. Bu alanda 150’den fazla mühendislik projesinde çalışmış, elektrik sistemlerinde elektromanyetik kuvvetlerin neden olduğu gürültü ve titreşimi analiz etme ve azaltma konusunda uzman kişilerden oluşmaktadır.
Slovenya merkezli Dewesoft, otomotiv pazarında lider bir DAQ (veri toplama) sistem sağlayıcısıdır. Genel amaçlı DAQ cihazları dünyasına güç kalitesi analizi, NVH (gürültü, titreşim ve sertlik), mertebe analizi ve akustik analiz konusunda yenilikçi çözümler sunmaktadır. Bunu sadece yazılımla değil, aynı zamanda enkoderler ve RPM sensörleri için yüksek çözünürlüklü sayaç/zamanlama girişlerini analog girişlerle sıkı bir şekilde entegre ederek ve analog sensörlerin gerektirdiği örnekleme hızından bağımsız olarak bunları 1 mikrosaniyeden daha iyi bir şekilde senkronize ederek başarmışlardır.
Proje
İlk testler hızla başladı. Şekil 2, 12 stator yuvası ve 4 kutup çifti (12s8p) ile bir Dahili Daimi Mıknatıslı Senkron Makine (IPMSM) üzerindeki tipik bir test kurulumunu göstermektedir. EOMYS, motor ve gövde titreşim gürültüsünü 1000 RPM’ye kadar ölçmek için yarı yankısız bir oda kullandı. Amaç, inverter tarafından indüklenen harmoniklerin neden olduğu gürültü ve titreşimi azaltmaktı.
Şekil 2. Yarı yankısız bir odada 12s8p IPMSM motoru
Birçok test tekrarı gerçekleştirildikten sonra, EOMYS ve Dewesoft, verilerin nasıl analiz edileceğini düşündü. Her biri kendi avantajları ve sınırlamaları olan birkaç yöntem denediler.
Şekil 3, bu örnekte, 863 RPM’de bir gürültü ve titreşim spektrumunun bir FFT spektrum karşılaştırmasını göstermektedir. Bunun gibi ölçümler oldukça faydalıdır, ancak bir sistemin davranışını tüm RPM çalışma aralığında tanımlayamazlar.
Şekil 3. Motor Gürültüsünün FFT Spektrum Karşılaştırması: a)Gürültü Azaltma Olmadan(Mavi) b)Gürültü azaltma ile(Kırmızı)
Ayrıca Şekil 4’te gösterildiği gibi spektrum karşılaştırmaları yaptılar. Bunlar da oldukça faydalıydı, ancak yalnızca niteliksel bir karşılaştırma sağladı.
Şekil 4. Motor Gürültüsünün FFT spektrumlarının karşılaştırılması: Üstteki gürültü azaltma olmadan; gürültü azaltma ile
Motorun tüm çalışma aralığı boyunca inverter kaynaklı harmoniklerin nicel bir karşılaştırmasını elde etmek için EOMYS ve Dewesoft mühendislerinin daha iyi bir yol bulması gerekti.
İlk olarak, slotting ve PWM (darbe genişliği modülasyonu) gürültü ve titreşim harmoniklerinin frekanslarını daha iyi anlamak için, Şekil 5’te gösterildiği gibi motor gövdesi titreşiminin spektrumu analiz edildi.
Bu spektrumda, slotting’e karşılık gelen harmonikler, 0 Hz / 0 RPM noktasını geçen eğik çizgiler olarak görünmektedir. Frekansları, makinenin topolojisine bağlı olarak mekanik mertebeler (örneğin, rotorun dönüş frekansının H8 = 8 katı) cinsinden ifade edilir. 12 yuvalı ve 4 kutuplu (12s8p) bir IPMSM için, yuva harmonikleri H8 ve katlarında meydana gelir.
PWM harmonikleri, PWM taşıyıcı frekansı fs ve harmonikleri etrafında bir “plam-tree” davranışına sahiptir. fs etrafındaki harmonik dağılım, uygulanan motor kontrol stratejisine bağlıdır. Mevcut durumda, taşıyıcı frekansı fs 3000 Hz’e eşittir ve fs etrafındaki harmonikler vs. şeklindedir.
Şekil 5. 3D grafikte gösterilen titreşimin frekans vs. hız spektrumu (12s8p IPMSM)
Bu spektrumda PWM ile ilgili harmonikleri görülebiliyor, ancak bu noktada ilgili bilgileri çıkarmak için zaman alan bir sonlu elemanlar analizi yapmak gerekiyor. Dönme hızındaki (RPM) değişiklikler, invertör taşıyıcı frekans etkisindeki değişiklikler ve enerji modelini değiştirir. Bu, motor tanılama için genel ve otomatik prosedürlerin belirlenmesini zorlaştırır.
Mühendisler, PWM harmoniklerinden gelen akım ve titreşim seviyelerinin denetimini otomatikleştirmenin mümkün olması gerektiğini teorisel olarak belirledi ve bunun üzerine çalışmaya başladı.
Mertebe analizini(order tracking) kullanarak, zaman başına veri örneklerini (zaman tabanında) dönüş başına örneklere (açı tabanında) dönüştürerek dönme hızı değişimlerini hesaba katabildiler. Açı tabanlı verilere dayanan FFT spektrumları, spektral çizgilerin, motor devrinden bağımsız olarak, dönüş başına sinüzoidal periyotların sayısı ile ilişkili olduğu Mertebe FFT spektrumları ile sonuçlanmaktadır.
Mertebe analizi, tamamen dönme hızı değişimleriyle ilgili olan enerji bileşenleri için dikey mertebe çizgilerini gösterir. Şekil 6, tüm RPM aralıklarında düz dikey mertebe çizgileri ile slotting harmoniklerini göstermektedir. Ancak, inverter taşıyıcı frekansıyla da ilgili olan enerji bileşenleri nasıl belirlenecek? Taşıyıcı frekansı RPM ile değişmediği için bu tür bileşenler belirli mertebe satırlarında sabitlenmeyecektir. Ayrıca, PWM bileşenleri, birkaç yüzün üzerindeki mertebelerin bulunmalarını sağlayan frekansta çok daha yükseğe yerleştirilir.
Şekil 6. Mertebe Analizi-3D grafikte titreşimin hızı vs. mertebe spektrumu. Dikey çizgiler, dönüş hızının (12s8p IPMSM) harmoniklerini gösterir.
Çözüm
İnverter taşıyıcı frekansına göre ölçülen zaman verilerinin demodüle edilmesiyle frekans ofseti, invertör modülasyon frekansında 0 Hz olacak şekilde kaydırıldı. Bu demodüle edilmiş zaman verilerine dayanan mertebe analizi, dönme hızı ile ilgili olan ve aynı zamanda taşıyıcı frekans ofsetine dayanan enerji bileşenleri için dikey mertebe çizgilerini gösterdi – PWM harmoniklerini.
Testleri gerçekleştirmek için uygun bir DAQ sistemi gerekliydi. Dewesoft‘un SIRIUS DAQ cihazı, 12 faza kadar elektrik motorlarını ölçmeye imkan tanıdığı ve aynı anda hız, tork ve deformasyon gibi mekanik parametreleri ölçebildiği için seçildi. Bu modülle birlikte titreşim, ses seviyesi ve sıcaklık gibi ek parametrelerin ölçümü, güç parametreleriyle tam olarak senkronize edildi. SIRIUS sistemi, 7 faza kadar sistemler için tüm I/O konfigürasyonlarının ölçümü dahil olmak üzere invertör testi de yapabilir. 0,5 Hz’den 3 kHz’e kadar olan temel frekansların yanı sıra yüzlerce kHz’e kadar switching frekansları da analiz edilebilir.
Normalde bu tür testler birkaç farklı aletin aynı anda çalıştırılmasını gerektirir. Ancak ekip, tek bir SIRIUS sisteminin tüm parametreleri senkronize olarak her şeyi ölçebileceğini belirledi. GPS konum verileri, sıcaklık, CAN BUS verileri ve video kameralardan gelen hareketli görüntüler gibi ek parametreler de güç verileriyle senkronize olarak eklenebilir ve kaydedilebilir.
Donanım olarak DewesoftX ve Order Analysis yazılımı kullanıldı. Bunlar, yüksek oranlı modülasyon/taşıyıcı frekansı fs ile ilgili PWM değişim harmoniklerini incelemek için kullanıldı.
İlk olarak, sensörler ve kullanılması gereken kanallar belirlendi ve tako/frekans kaynağı, verileri zaman tabanından açı tabanına dönüştürmek için kullanıldı.
Ardından, demodülasyon işlemi etkinleştirildi ve temel elektrik frekansına dayalı olarak, fs ölçülen elektrik motoru tarafından kullanılan sabit veya değişken bir taşıyıcı frekans seçildi.
Şekil 8. PWM mertebe bileşenlerini ve spektrumlarını çıkarmak için Dewesoft Order Tracking Kurulumu
Kullanılan tam hız aralığında spektrum sonuçlarını ve harmonik bileşenleri incelemek için, Binning ayarları, waterfall grafiği için RPM çözünürlüğünü tanımlayan 1 RPM’ye ayarlanmış Delta RPM ile birlikte 300 – 1000 RPM RPM aralığını kapsayacak şekilde yapılandırıldı. Ölçüm ayarları ekranı, Şekil 8’de gösterilmektedir.
Son olarak spektral ayarlar tanımlanmış ve ilgili harmonik bileşenler seçilmiştir. Demodülasyon etkinleştirildiği için, ilk harmonik bileşen şuydu:fs+fe. Bu, taşıyıcı frekansın artı yöndeki temel değişim frekansıdır. Aynı şekilde ilgili ilk negatif harmonik:fs-fe olarak hesaplandı.
Demodüle edilmiş ve izlenen verilerin bir sonucu olarak, Şekil 9’da gösterildiği gibi, PWM mertebe bileşenleri, hem dönüş hızından hem de PWM taşıyıcı frekansındaki değişikliklerden bağımsız olarak belirli mertebe satırlarında sabit kalmıştır.
Şekil 9. PWM harmoniklerini, titreşimi(üstte) ve gürültüyü(altta) gösteren demodüle order waterfall spektrumu ile hız karşılaştırması. Demodülasyon taşıyıcı frekansı 3kHz’e sabitlendi.
Bu noktada EOMYS ve Dewesoft mühendislerinin bir çözümü vardı. Bu tür ölçüm ve analiz kurulumu kullanılarak, PWM flux ve kuvvet harmonikleri, ölçüm sırasında otomatik bir şekilde kolayca çıkarılabilir. Aynı yazılımın içinde, sonradan belirlenen değerleri ölçüm sonrası analiz sırasında matematiğe eklemek veya ayarlamak da mümkün oldu.
Sonuç olarak: gürültü ve titreşim PWM spektrumlarından ve çıkarılan PWM harmoniklerinden, PWM tarafından üretilen titreşimin gücünü ve bu tür titreşim modelleriyle ilişkilendirilen gürültü seviyelerini belirlemek mümkündür.
Bu tekniği kullanarak, mühendisler artık tüm bu tür harmonik bileşenlerin etkilerini kolayca ayırabilir, karşılaştırabilir ve birbirleriyle nasıl ilişkili olduklarını görebilirler. Test sırasında her şeyi “anlık” olarak izleyebilirler. Bu kurulum, test süresini azaltır ve sonuçların ve tüm önemli parametrelerin hem çevrimiçi hem de çevrimdışı olarak görüntülenmesini sağlar.
Titreşim verileri artık PWM gürültüsü ve PWM titreşimleri arasındaki tutarlılığı doğrulamak için de kullanılabilir. Aynı şekilde, elektrik akımı verileri artık PWM titreşimlerinin hem dönme hızı harmoniklerine hem de elektrik akımının PWM flux harmoniklerine tutarlılığını doğrulamak için kullanılabilir.
Gürültü harmonikleri, mikrofon konumuna en çok hangi titreşim frekanslarının yayıldığını gösterir. Örneğin, elektrikli bir arabada, bazı PWM titreşim harmonikleri kritik görünebilir, ancak arabanın dış ve iç tasarımı, çeşitli titreşim harmonikleriyle ilişkili gürültüyü büyük ölçüde etkiler. Bazıları zayıflatılabilir, bazıları ise zayıflatılamaz. PWM titreşim harmonikleri, belirli bir harmoniğin yapısal bir rezonans moduyla kesiştiği hızlarda tepe noktalarına sahip olacaktır. Bu testler sırasında harmonik pikler mevcut değildi.
Şekil 10’da gürültü ölçümlerinden en kritik PWM harmonik bileşenleri, hem gürültü azaltma uygulanmış hem de uygulanmamış olarak çıkarılmıştır.
Şekil 10. Gösterilen harmonik bileşenlerin toplamı ile birlikte ölçülen hız aralığı boyunca çıkarılan gürültü PWM flux harmonikleri(dB, ref 20 mikroPa)
Çıkarılan kritik PWM harmoniklerinin toplamına dayanarak, gürültü ve titreşim azaltma sisteminin kullanılmasının etkisi kolaylıkla araştırılabilir. Şekil 11, gürültü azaltma sistemini kullanma ve kullanmama arasındaki ses basınç seviyesi (SPL) farkını gösterir.
Şekil 11.Grafikte gürültü azaltma yöntemi kullanılan ve kullanılmayan seçilen PWM kuvvetiyle ilgili gürültü harmoniklerinin toplamı arasındaki ses basıncı seviyesindeki dB cinsinden farkı gösterir.
Gürültü azaltma sisteminin, tüm hız aralığında SPL’yi 1,5 dB ile 3,5 dB arasında azalttığı gözlemlenmiştir. Bu azalma, temel elektriksel anahtarlama frekansı fs etrafındaki en baskın PWM harmoniklerine dayanıyordu.
Diğer PWM bileşenlerinde ve palm-tree çevresinde fs’nin ikinci, üçüncü ve dördüncü katlarında da SPL azalmaları görülmüştür. Eşdeğer ses basıncı seviyeleri Leq tüm hız aralıklarında 5 dB’den fazla azaldı.
PWM harmoniklerinin çıkarılması, birden fazla test çalışmasını karşılaştırmak için hızlı ve kolay bir süreç akışı sağlar ve ölçülen hız aralığında genel akım, gürültü ve titreşim seviyelerine kıyasla PWM harmoniklerinin kısmi etkisini belirlemeyi mümkün kılar.
PWM harmoniklerini çıkarmak, bu tür inverter motorların simüle edilmiş modellerini karşılaştırmak ve doğrulamak için de harika bir yoldur.
DewesoftX yazılımında, tolerans eğrilerini ayarlamak için tüm harmonik çıkış kanalları ve kullanıcı tanımlı işaret kanalları kullanılabilir. Ayrıca, testler yapılırken alarm limitleri aktiftir ve mühendislerin yakından takip etmek istediği herhangi bir durum için eş zamanlı bildirim sağlar.
Son olarak, çıkarılan gürültü ve titreşim harmonikleri (PWM kuvvet harmonikleriyle ilgili), yazılım içerisindeki rapor oluşturma aracı kullanılarak yazdırılabilir. Kağıda veya PDF dosyalarına yazdırılabilen raporlar, testler sırasında olduğu gibi gösterilen tüm grafiklerle birlikte testin bir tanımını içerir.
Rapor oluşturmaya ek olarak, tüm veriler (çıkarılmış PWM harmonikleri dahil) DewesoftX’ten çok çeşitli veri formatlarında dışa aktarılabilir. EOMYS Manatee yazılımının test verilerini doğrudan DewesoftX’ten içe aktarabilmesi için otomatik bir ağ geçidi oluşturmak da mümkündür. Manatee, gerçek test verilerini simülasyonlarla karşılaştırmak için basit bir iş akışı sağlamıştır.
Sonuç
Dewesoft ölçüm ekipmanı ile EOMYS, inverter PWM ile ilgili voltaj, akım, titreşim ve ses gibi ilgili tüm fiziksel büyüklükleri elde edip analiz edebildi ve ardından güç kalitesi ve yalnızca motor dönüşü ile ilgili harmonikler için değil, aynı zamanda flux ve kuvvet harmonikleri için de gelişmiş tanılama gerçekleştirebildi.
İstenen tüm ölçümler ve spektral sonuçlar saklanabilir, dışa aktarılabilir ve simülasyon karşılaştırması ve rapor oluşturmak için kullanılabilir. Rapor oluşturma sürecinin otomasyonu çok büyük bir zaman tasarrufu sağladı ve üretkenliği önemli ölçüde artırdı. Test sırasında, tüm ölçümler ve spektral sonuçlar, tanımlanmış tolerans eğrileri ve alarm seviyeleri ile canlı olarak izlenebilir ve alarm tetikleyicileri dahil tüm veriler üçüncü parti sistemlere/yazılımlara aktarılabilir.
Motor üreticisi yalnızca verilerden değil, yalnızca tek bir DAQ platformunun kullanılması gerektiği gerçeğinden de memnundu. Güç ölçümlerini elektromotor titreşim verileriyle ilişkilendirmenin önemi artmaktadır. Elektrikli araç pazarının taleplerini karşılamak için EOMYS ve Dewesoft gibi endüstri liderleri tarafından bunları daha verimli ve otomatik bir şekilde gerçekleştirmek için yeni teknikler ve teknolojiler geliştiriliyor.