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Case History
Determinazione
delle logiche di controllo
per trasmissioni
con cambi meccanici robotizzati
Si riporta come
il costruttore francesce
Renault sia riuscito
a gestire il gap di sviluppo
fra meccanica, elettronica
e software di controllo
in questo sistema molto
complesso da progettare.
A cura di Paolo Silvestri, Università di Genova, MGMV Lab, Genova
Marco Maggi, LMS Italiana, Novara
na delle caratteristiche di una nuova
automobile che può servire a migliorare
l’immagine per i clienti di tutto il
mondo è la trasmissione meccanica con cambio robotizzato (Automated Manual
Transmission - AMT) – sistemi che si comportano come i cambi automatici tradizionali, ma
che permettono anche al guidatore un controllo diretto della trasmissione e di cambiare
le marce elettronicamente con un’interfaccia
vettura più avanzata utilizzando un comando
elettrico senza il pedale frizione. La tecnologia ATM ha i vantaggi di bassi consumi energetici, prestazioni brillanti e il controllo diretto della trasmissione meccanica manuale
mantenendo i benefici dei cambi automatici
tradizionali – elevato confort di guida specie
in condizioni di traffico “stop-and-go” tipico
della guida in città.
Semplificando l’utilizzo del cambio e riducendo l’affaticamento della guida nel traffico
giornaliero dove si hanno frequenti cambi
marcia, i costruttori di auto stanno equipaggiando un numero sempre crescente di nuovi
modelli di veicoli con questi tipi di trasmissione. Difatti, un report su una indagine di mercato eseguita da Frost and Sullivan, prevede
con certezza che per il 2012 il 15% delle auto
di taglia piccola sarà caratterizzata da sistemi
ATM.
Con l’industria dell’automobile attualmente in
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una lenta fase di ripresa, i costruttori di auto
stanno focalizzando notevolmente i loro sforzi sul contenimento dei costi; la dolcezza
della cambiata con i sistemi AMT sembra tuttavia essere un modo per persuadere i clienti.
Questi sistemi meccatronici complessi sono
difficili da realizzare e mettere a punto in
quanto le loro prestazioni dipendono dal funzionamento di tre differenti sottosistemi che
devono lavorare in perfetto sincronismo: un
asservimento elettromeccanico che cambia le
marce e muove la frizione, sensori che monitorano lo stato del veicolo e un software specifico nella Centralina Controllo Trasmissione
(Transmission Control Unit - TCU) – il “cervello” che controlla l’intera trasmissione meccanica.
il progetto meccanico e quello elettronico
sono molto specifici e non possono essere
modificati in modo significativo per migliorare le prestazioni dell’intera trasmissione. Di
conseguenza viene speso molto tempo per
risolvere i problemi che insorgono verso la
fine del progetto invece di utilizzarlo ad
esempio per migliorare le strategie di controllo della TCU.
Per soddisfare le scadenze tassative del lancio
di un veicolo, team di ingegneri devono spesso definire un progetto globale che difficilmente riesce a soddisfare tutte le specifiche
applicative piuttosto che uno con prestazioni
meccaniche, elettroniche e software perfettamente bilanciate fra loro.
Più facile dire che fare
Fin dalle prime fasi
dello sviluppo
Di solito, è necessario fino ad un anno per
definire totalmente i requisiti funzionali, progettare la meccanica degli attuatori, sviluppare e calibrare il software della TCU e validare il
sistema completo. Lo sviluppo del software e
la calibrazione sono colli di bottiglia particolarmente problematici, dato che queste messe
a punto generalmente richiedono estesi test
sperimentali di tipo “trial-and-error” che non
possono essere eseguiti fino a che non vengono realizzati i prototipi hardware. Comunque,
Con un atto pioneristico, il costruttore francese di automobile Renault S.A., sta riorganizzando lo sviluppo dei sistemi AMT seguendo
un approccio basato su simulazione 1D col
software LMS Imagine.Lab AMESim; in questo
modo è possibile prevedere le prestazioni e il
reale funzionamento di sistemi multi dominio
complessi costruendo un unico modello basato su una fisica unificata.
Gli ingegneri trascinano, rilasciano e connettono fra loro semplici icone per creare grafi- Analisi e Calcolo Giugno 2010
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LMS Imagine.Lab AMESim è stato utilizzato per simulare il comportamento dell’intero sistema Renault AMT riducendo
di metà i tempi di sviluppo.
camente il modello, visualizzarlo sullo schermo nella modalità lavoro (“working sketch”)
che evidenzia le connessioni fra tutti i singoli
elementi e poter così prevedere il comportamento dell’intero sistema AMT.
“Utilizzando un approccio di simulazione di
tipo multi dominio basato su LMS Imagine.Lab
AMESim, possiamo vedere nelle prime fasi
dello sviluppo come le diverse parti del complesso sistema AMT operino interfacciate fra
loro – meccanica, elettronica e software di
controllo” ha affermato Edouard Négre, ingegnere progettista senior, nella divisione ingegneria di controllo di Renault Powertrain.
“Con la conoscenza completa del sistema
meccatronico, possiamo ottimizzare prontamente l’intero progetto fin dalle fasi iniziali
dello sviluppo ed evitare molti problemi e
ritardi negli stadi avanzati”.
Attraverso questo processo, il modello LMS
Imagine.Lab AMESim evolve mentre progredisce il progetto e le specifiche del sistema possono essere definite con maggior dettaglio.
Renault molto recentemente ha utilizzato
questo metodo per sviluppare un nuovo attuatore per uno dei modelli esistenti di AMT,
ridefinire le esistenti strategie di controllo
della TCU e valutare le prestazioni globali del
sistema AMT.
È stato inizialmente creato un modello semplificato che ha permesso di definire i carichi
agenti sull’intera trasmissione e dimensionare
i principali componenti meccanici includendo
componenti idraulici, attuatori elettrici e
stadi di riduzione. Successivamente per valutare le caratteristiche prestazionali dell’intero
sistema, definire i controlli di base e determinare la risposta globale dell’intero sistema
meccatronico sono stati inseriti nel modello i
parametri ottenuti dai disegni di progetto e
da dati tecnici provenienti dalle specifiche
ingegneristiche. In questa fase concettuale,
gli ingegneri hanno analizzato il comportamento di differenti configurazioni meccatroniche alternative – in particolare il progetto
di diversi attuatori per fornire una migliore
dolcezza della cambiata – fino a che non è
stata raggiunta la configurazione e quindi la
- Analisi e Calcolo Giugno 2010
Il modello LMS
Imagine.Lab
AMESim realizzato
nel corso dello
sviluppo della
trasmissione;
si tratta di un
modello avanzato
che permette agli
ingegneri di
esplorare aspetti
concettuali come
la definizione
delle tipologie di
attuatori per
ottenere cambiate
morbide e
prestazioni ottime
della trasmissione.
prestazione ottima dell’intera trasmissione.
Sulla base dei risultati ottenuti da questa
simulazione, il modello è stato quindi utilizzato per sviluppare gli algoritmi di controllo
attraverso una cosimulazione fra LMS
Imagine.Lab AMESim e la piattaforma integrata di sviluppo del software “real-time” per la
definizione delle logiche della TCU. In questo
approccio “Sof tware in the Loop” (SiL),
AMESim viene utilizzato per simulare
l’hardware della trasmissione – essenzialmente fornire un motore virtuale e una trasmissione come elementi virtuali aggiunti, mentre
il vero hardware è ancora in una fase di sviluppo.
Infine, le prestazioni del software della TCU
sono validate e calibrate utilizzando un
approccio di tipo “Hardware in the Loop”
(HiL) per far funzionare il modello della trasmissione in tempo reale.
Su un banco prova, una TCU con il codice di
controllo integrato trasmette segnali per il
funzionamento di un prototipo fisico di un
attuatore per un sistema AMT basandosi su
carichi simulati e segnali dei sensori generati
con LMS Imagine.Lab AMESim per l’intera trasmissione. In questo modo, gli ingegneri mettono a punto in maniera accurata il software
della TCU per raggiungere la prestazione ottima della trasmissione secondo i consumi, la
risposta dinamica e altri fattori funzionali.
“Lo sviluppo basato sulla simulazione attraverso LMS Imagine.Lab AMESim ha permesso
a Renault di accorciare in maniera significativa i tempi di sviluppo per i sistemi ATM”, ha
evidenziato Mr. Négre. “Migliorare le prestazioni dei sistemi meccatronici nelle prime fasi
dello sviluppo evita problemi che possono
portare via molto tempo per essere risolti
nella fase finale del ciclo di sviluppo. Inoltre,
utilizzando l’approccio SiL e HiL si può sviluppare, calibrare e validare il software TCU in
parallelo con lo sviluppo e la realizzazione
dell’hardware, permettendo un notevole
risparmio di tempo. La simulazione ci permette di ridurre i tempi di sviluppo di quasi metà
e progettare sistemi AMT che incontrano esattamente le prestazioni obiettivo richieste. I
modelli sviluppati e le conoscenze acquisite
con questo progetto saranno usate come base
conoscitiva per nuove applicazioni e per contenere nel futuro i tempi di sviluppo. Con questo processo, Renault sarà in grado di lanciare
sul mercato nuovi modelli di vetture con sistemi ATM molto più rapidamente che in qualunque altro modo possibile”.
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