Piattaforma FPGA per la Caratterizzazione delle Sospensioni semi-attive in Rapid Control Prototyping

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Barbara Cappelletti
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1 Piattaforma FPGA per la Caratterizzazione delle Sospensioni semi-attive in Rapid Control Prototyping "Per le acquisizioni e per le attuazioni ci si è avvalsi di una piattaforma NI PXI munita di FPGA sede dei controllori PID di basso livello delle sospensioni semiattive e del SIT in cui è stata importata la strategia di controllo Skyhook." - V. Fiorillo, ELASIS La sfida: Valutare le potenzialità offerte dall architettura NI nelle applicazioni di Rapid Control Prototyping in campo Automotive in particolare nel controllo delle sospensioni semi-attive. La soluzione: Utilizzare una strategia di controllo scritta in ambiente MATLAB e Simulink ed importata in ambiente NI LabVIEW utilizzando NI LabVIEW Simulation Interface Toolkit (SIT) per poi comandare le attuazioni mediante una scheda FPGA. Autore (i): V. Fiorillo - ELASIS G. Toscano - SIPAL La procedura consente di effettuare test al banco 4-poster a ciclo chiuso del sistema di controllo degli ammortizzatori CDC-Skyhook, montato su vettura, e dei suoi attuatori, per valutarne parte delle performance in condizioni controllate e ripetibili. Tramite il software del banco 4-poster possono essere riprodotti sia alcuni profili stradali esistenti che profili definiti matematicamente. Il banco 4-poster installato in Elasis Pomigliano, è un banco per prove comfort su veicoli completi, composto da 4 piattelli, la cui posizione verticale può essere controllata entro un range di +-75 mm e una banda di frequenza tra 0.5 Hz e 40 Hz. La vettura in prova, adeguatamente strumentata, viene posizionata in modo che ogni ruota sia posizionata su un piattello, dopodiché sono imposte delle time-history di spostamento verticale specifiche ai piattelli. A differenza di altri banchi prova sospensioni (es.: banchi KnC o banchi handling), durante le prove le ruote non subiscono rotazioni né sono imposte forze/spostamenti laterali o longitudinali. Gli spostamenti verticali dati in input ai piattelli sono scelti in modo da sollecitare specifiche dinamiche di cassa/sospensioni, o tali da riprodurre un particolare profilo stradale. La vettura in prova è stata allestita con accelerometri supplementari specifici per i test (6 sono già presenti con questo tipo di allestimento), e si è fatto uso del sistema di acquisizione/comando National Instruments basato su piattaforma PXI. All occorrenza è stato progettato e realizzato in Elasis S.C.p.A., uno specifico driver di potenza per il comando degli ammortizzatori, con relativa protezione da sovracorrenti e corto circuiti comandato a sua volta dalla scheda FPGA di NI. Per effettuare i test è stato indispensabile utilizzare un controllo a ciclo chiuso del sistema ed in particolare: l FPGA è stata sede dei quattro controllori PID, necessari alla generazione dei segnali PWM da inviare al driver di potenza che comanda gli ammortizzatori semiattivi. La foto a lato evidenzia le 4 uscite PWM dell FPGA ; mentre il condizionamento dei segnali provenienti dal campo e la logica Skyhook, già implementata nell ambiente MATLAB e Simulink, sono stati convertiti in una dll ed importata in ambiente NI LabVIEW mediante il software NI LabVIEW Simulation Interface Toolkit (SIT).Tutto il sistema di sviluppo è residente sulla piattaforma PXI. Nella prima fase delle prove, le correnti di riferimento degli ammortizzatori sono state fissate a valori costanti dall operatore (strategia Skyhook disattivata), per determinare il comportamento del veicolo (moti di cassa/sospensioni/ruote) quando il sistema di controllo degli ammortizzatori è funzionante (corrente modulata dalla centralina elettronica), ed eventualmente determinare le diverse performance del sistema ottenibili laddove siano disponibili diverse modalità di funzionamento (es.: confort/sport). Quindi si sono analizzate le acquisizioni dei sensori che normalmente sono presenti in vetture con questo tipo di allestimento (sono 6 sensori in totale) ed i sensori aggiuntivi disposti in vari punti della vettura come ad esempio il sensore di spostamento cassa-mozzo ruota. Dopo una attenta analisi delle acquisizioni sono state individuate le performance del veicolo allestito con sospensioni semi-attive. Successivamente invece, è stato chiuso il loop di controllo con i segnali provenienti dai soli sensori disposti sulla vettura. In questo caso la strategia di controllo individua l opportuno valore di corrente da attuare in funzione dei segnali provenienti dal campo. Tutti i sensori citati sono stati acquisiti dalla scheda FPGA NI PXI-7831R presente sul bus PXI e processati dal controller NI PXI La presente procedura ha permesso di caratterizzare la vettura con allestimento Skyhook, dal punto di vista del comfort, partendo da modelli ed architetture sviluppate in ambienti software diversi da NI LabVIEW come ad esempio MATLAB, Simulink e Stateflow. NI LabVIEW, grazie alle elevate integrazioni possibili con i software enunciati e grazie alle potenzialità dell hardware disponibile, ha permesso una veloce implementazione dei test e dei relativi risultati. Inoltre grazie alle elevate potenzialità dell FPGA si sono potuti comandare ed acquisire i segnali provenienti dai sensori con frequenze elevate in maniera tale da non trascurare nessuna delle componenti che potrebbero influire sul comfort della vettura. Di seguito sono riportati solo alcuni dei risultati ottenuti durante i test. In particolare nella figura 5, sono raffigurati lo spostamento del piattello (che simula il profilo stradale) e l accelerazione del duomo (punto in cui è rigidamente collegata la sospensione semi-attiva e lo chassis della vettura) e la corrente circolante nell ammortizzatore che in questo caso è nulla. Nella figura 6, sono rappresentate le stesse grandezze della figura precedente, ma con una corrente circolante nell ammortizzatore modulata dalla strategia Skyhook. Dai risultati si nota come l azione della strategia di controllo delle sospensioni semi-attive è efficiente per ridurre le accelerazioni presenti sulla cassa della vettura in presenza di forti variazioni del profilo stradale, infatti essa passa da circa 0.5g nel caso di sospensioni passive a 0.25g per sospensioni controllate elettronicamente. MATLAB, Simulink e Stateflow sono marchi registrati di The MathWorks, Inc. 1/5

Fiorillo, ELASIS La sfida: Valutare le potenzialità offerte dall architettura NI nelle applicazioni di Rapid Control Prototyping in campo Automotive in particolare nel controllo delle sospensioni

2 Figura 1 - Configurazione adottata Figura 2 - FPGA è la sede dei quattro controllori 2/5

3 Figura 3 - Integrazione delle parti sulla piattaforma PXI 3/5

4 Figura 4 - Vettura sul banco 4-poster con annessa strumentazione Figura 5 - Insaccamento a 120Km/h con corrente I_damp_FL =0A 4/5

5 Figura 6 - Insaccamento a 120Km/h con corrente I_damp_FL modulata Informazioni Legali Questo case study (questo "case study") è stato fornito da un cliente di National Instruments ("NI"). QUESTO CASE STUDY È FORNITO SENZA NESSUN TIPO DI GARANZIA ED È SOGGETTO AD ALCUNE LIMITAZIONI PIÙ SPECIFICATAMENTE DESCRITTE NEI TERMINI D USO DI NI.COM 5/5

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