Control of a parallel kinematics manipulator for wind tunnel tests of floating wind turbines

This thesis fits in the research activities of Politecnico di Milano inside the European Lifes50plus project. This project aims to study and optimize 10 MW offshore wind turbines, together with the qualification of their floating substructure. To this end, in order to validate numerical codes and the results of CFD simulations, it is necessary to perform aero-elastic dynamic tests in the wind tunnel, through HIL technique. This thesis deals with the development of the control logics of the Hexaslide robot, a 6-DOF parallel manipulator that will be used to simulate on the wind turbine scaled model the hydro-structure interaction due to the floating substructure. Since the real robot will be immediately installed in the wind tunnel and it will not be possible to develop the control logics directly on it, the work has been carried out on a downscaled (1:3) prototype. Starting from the multi-body model of the prototype the control algorithm has been introduced thanks to the Adams/Simulink co-simulation environment. After that, the software architecture, based on the state machines logic, has been created and the robot has been completed from a mechanical point of view. The subsequent electrical configuration allowed to make the robot completely operative. Then the control logics have been implemented on Power PMAC motion controller, and the tools to move synchronously with an external reference have been realized, assuring proper motion smoothness. The study of the robot workspace allowed to develop an algorithm to guarantee the robot safety during movements, avoiding the exit of the machine from the admissible workspace. The control logics and the safety algorithms have been experimentally tested, confirming good performances.

Questo lavoro di tesi si inserisce nelle attività di ricerca del Politecnico di Milano all'interno del progetto europeo Lifes50plus. Tale progetto mira allo studio e all'ottimizzazione di turbine eoliche offshore di taglia 10 MW, unitamente alla caratterizzazione della loro sottostruttura galleggiante. In quest'ottica, al fine di validare codici numerici e i risultati delle analisi CFD, è necessario eseguire dei test dinamici aero-elastici in galleria del vento, mediante la tecnica HIL. Questa tesi si propone di sviluppare le logiche di controllo del robot Hexaslide, un manipolatore a 6 gradi di libertà a cinematica parallela che verrà utilizzato per simulare l'interazione fluido-sottostruttura galleggiante sul modello in scala della turbina eolica. Dal momento che il robot reale verrà installato immediatamente in galleria del vento e non sarà possibile lavorare direttamente su di esso allo sviluppo delle logiche di controllo, il lavoro è stato sviluppato su un prototipo in scala ridotta (1:3). A partire dal modello multi-body del prototipo l'algoritmo di controllo è stato introdotto grazie all'ambiente di co-simulazione Adams/Simulink. In seguito è stata sviluppata l'architettura software, basata sulla logica delle macchine a stati, ed il robot è stato ultimato da un punto di vista meccanico. La successiva configurazione elettrica ha permesso la completa messa in opera della macchina. Successivamente le logiche di controllo sono state implementate sul motion controller Power PMAC, e sono stati sviluppati gli strumenti per muoversi in modo sincrono con un riferimento esterno, garantendo la necessaria fluidità di movimento. Lo studio del volume di lavoro della macchina ha permesso di sviluppare un algoritmo per garantire la sicurezza di movimentazione del robot, evitandone l'uscita dal volume di lavoro stesso. Le logiche di controllo e gli algoritmi di sicurezza sono stati testati sperimentalmente, confermando ottime prestazioni.