Inhaltsverzeichnis
1. Regelungssysteme für Elektromotoren – Simulation am Rechner
2. Regelungssysteme für Elektromotoren – Testsystem als Controller für das Prototyping
3. Regelungsdesigns früh im Entwicklungsprozess testen
4. Regelungssysteme für Elektromotoren – Testsystem für Controller-HIL-Test
5. Leistungs-HIL–Tests unter voller Leistung
6. Regelungssysteme für Elektromotoren – Testautomatisierung möglich
7. Regelungssysteme für Elektromotoren – Testen der Elektromotor-Hardware von großer Bedeutung
Modellbasierte Entwicklung von Regelungen für E-Antriebe beginnt typischerweise mit einer Simulation am Rechner. Danach werden Prototypen der Regelungsentwürfe erstellt: Mit Rapid Control Prototyping kann der Regelungsentwurf auf leistungsstarker Hardware in Echtzeit ausgeführt werden. Sobald das Regelungsdesign auf einem Mikrocontroller bereitgestellt ist, kann es auf Signalebene in einem Hardware-in-the-Loop (HIL)-Aufbau mit digitalen Zwillingen von E-Motor und Antrieb getestet werden. Anschließend wird der Motorantrieb im Rahmen von Leistungs-HIL-Tests bei tatsächlicher Leistung geprüft.
Regelungssysteme für Elektromotoren – Simulation am Rechner
Ein intelligenter Entwicklungsansatz ermöglicht es, neue Ideen auszuprobieren, den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und gleichzeitig Designprobleme frühzeitig aufzudecken. Dabei ist der nahtlose Übergang vom frühen Entwurf und der Simulation auf dem Rechner zu Rapid Control Prototyping und HIL-Tests entscheidend. Idealerweise werden alle Schritte der Softwareentwicklung für das eingebettete System, wie Hardware-, Firmware- und Softwareentwicklung, in einen modellbasierten Design-Workflow integriert. Entwicklungs- und Testingenieure können so alle Schritte des Testens automatisieren und sicherstellen, dass die erforderlichen Anforderungen eingehalten werden. Damit können Regelungsentwürfe in jeder Phase des Entwicklungsprozesses kontinuierlich getestet und weiterentwickelt werden.
Bild: Speedgoat
Regelungssysteme für Elektromotoren – Testsystem als Controller für das Prototyping
In der Prototyping-Phase wird der Regelungsentwurf auf dem Echtzeittestsystem ausgeführt – er steuert den tatsächlichen Elektromotor und wird so validiert: Die Algorithmen können getestet und optimiert werden, bevor sie in der echten Regelung eingesetzt werden. Traditionelles Prototyping ist aufgrund der langen Iterationszyklen zeitaufwendig. Innovationen kommen somit entweder erst nach langwierigen Tests, oder im schlimmsten Fall gar nicht ins Produkt. Rapid Control Prototyping löst diese Probleme mit einem leistungsstarken und flexiblen Prototyp-Controller und erhöht die Entwicklungsgeschwindigkeit des Regelungssystems massiv.
Bild: Speedgoat
Regelungsdesigns früh im Entwicklungsprozess testen
Regelungsdesigns von Simulink beispielsweise können kontinuierlich und iterativ mithilfe von Hardware früh im Entwicklungsprozess getestet werden. Der Ablauf unterstützt außerdem die Qualitätskontrolle; optimale Kontrollstrategien für die definierten Anforderungen lassen sich leichter finden. Nicht zuletzt erzeugt die automatische Codegenerierung Code mit höherer Qualität, Fehler können schneller gefunden und korrigiert werden. Um diese Vorteile voll nutzen zu können, müssen die Testsysteme bestimmte Anforderungen erfüllen: Speedgoat-Testsysteme können beispielsweise mit leistungsstarken Multicore-Prozessoren und FPGAs konfiguriert werden. Regelungsdesigns für die Leistungselektronik mit Halbleitern aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) können auch auf Simulink-programmierbaren FPGAs implementiert werden. Darüber hinaus bieten Speedgoat-Testsysteme schlüsselfertige I/O-Konnektivität und unterstützen eine Vielzahl an Kommunikationsprotokollen.
Regelungssysteme für Elektromotoren – Testsystem für Controller-HIL-Test
In der folgenden Testphase wird anstelle des physischen Antriebs ein digitaler Zwilling auf einem Echtzeit-Testsystem ausgeführt, das mit dem Regelungssystem verbunden ist. Diese Controller-Hardware-in-the-Loop-Tests (C-HIL) erlauben die Validierung des Regelungssystems für Motorantriebe zum Beispiel mit feldorientierter oder direkter Drehmomentsteuerung: Damit wird das vollständige und anforderungsbasierte Testen aller Schnittstellen möglich. Um Regelungssysteme mit hohen Schaltfrequenzen zu validieren, können Echtzeitsimulationen von Leistungswandlern oder Motorantrieben durchgeführt werden.
Durch den Einsatz des Echtzeit-Testsystems kann eine gefahrlose Validierung unter normalen als auch unter Fehlerbedingungen erfolgen. Mit einem herkömmlichen Testansatz an einer realen Anlage ist das nicht möglich – das Testen von Grenzfällen könnte den Motorantrieb oder das elektrische System beschädigen. Außerdem kann in einem solchen Szenario derselbe Testaufbau nicht wiederholbar hergestellt werden und die Anlage steht nicht immer zum Testen zur Verfügung. Das macht es teuer und schwierig, die notwendigen Testbedingungen wieder her- und die Qualität der Regler-Tests durchgängig sicherzustellen. Mit herkömmlichen Tests dauert die Iteration des Regelungsalgorithmus länger, was zu einer geringen Innovationsgeschwindigkeit führt.
Bild: Speedgoat
Ein digitaler Zwilling erlaubt es dagegen, Testfälle für alle Anforderungen zu definieren und macht das automatisierte Testen unter reproduzierbaren Testbedingungen möglich. Fehler können frühzeitig erkannt werden. Dank der hohen Verfügbarkeit kann rund um die Uhr kontinuierlich getestet und buchstäblich Millionen von Tests zu einem Bruchteil der Kosten durchgeführt werden. Das ermöglicht und erleichtert Innovation. Da außerdem die Umgebung von den Anforderungen bis zur Zertifizierung gleich bleibt, wird die Qualität der Regler-Tests sichergestellt. Testsysteme des Herstellers bieten hier beispielsweise schlüsselfertige I/O-Konnektivität und Unterstützung für alle relevanten Kommunikationsprotokolle und ermöglichen unter anderem die Simulation von Busnetzwerken. Mit dedizierten I/O-Modulen ist die Emulation von Sensoren wie Encodern, Resolvern, RTDs, Thermoelementen, Relais oder Batteriezellen möglich.
Leistungs-HIL–Tests unter voller Leistung
Elektroingenieure nutzen die letzte Testphase, Leistungs-HIL (Power-HIL), um voll mit Strom versorgte Komponenten zu testen: Hierfür wird der digitale Echtzeit-Zwilling des Elektromotors auf einem Testsystem ausgeführt, während er an den Motorantrieb, den Leistungsverstärker sowie an die Regelung über die Standard-I/O-Schnittstelle angeschlossen ist. So kann der Motorantrieb bei voller Leistung validiert werden: Damit werden Tests von Motorantrieben, Leistungswandlern und Elektromotoren unter typischen Betriebs- und Fehlerbedingungen vor dem endgültigen Einsatz möglich.
Bild: Speedgoat
Das Testsystem kann elektrische Schnittstellen mit hoher Bandbreite mithilfe von Leistungsverstärkern im Bereich von einigen Hundert Watt bis hin zu Megawatt emulieren. Für Leistungs-HIL-Tests ist es erforderlich, dass der digitale Zwilling die elektrische Leistung der Ausrüstung genau abbildet. Mit Simulink und seinen Produkten können zum Beispiel präzise Modelle von Elektromotoren erstellt werden, einschließlich nicht linearer Eigenschaften, experimenteller Daten oder FEA-Daten aus Software wie Ansys Maxwell und JMAG-RT. Und mit einem Speedgoat-Testsystem können auch Sensoren wie Encoder, Resolver, RTDs, Thermoelemente oder Relais emuliert werden.
Regelungssysteme für Elektromotoren – Testautomatisierung möglich
Anforderungsbasiertes Testen und Testautomatisierung werden mit Testsystemen des Herstellers und Simulink-Produkten möglich. Die Verwendung einer einzigen Plattform für Entwicklung und Tests gleichermaßen ist für ein effizientes Testregiment von entscheidender Bedeutung: Damit können dieselben Arbeitsabläufe für das Rapid Control Prototyping und als Anlagenmodelle für Hardware-in-the-Loop (HIL)– oder Leistungs-HIL-Tests genutzt werden. Speedgoat-Testsysteme ermöglichen eine nahtlose Simulink-Workflow-Integration mit Simulink Real-Time. Sie sind schlüsselfertig und bieten serienmäßige I/O-Konnektivität, Protokollunterstützung und Sensoremulation. Anwendungsspezifische Modelle von Regelungsdesigns und Anlagensimulationen beschleunigen den Prozess erheblich. Auch Kalibrierungstools und Leistungsverstärker von Drittanbietern können integriert werden.
Regelungssysteme für Elektromotoren – Testen der Elektromotor-Hardware von großer Bedeutung
Das Testen der Elektromotor-Hardware – einschließlich Sensoren, Antrieben und Leistungswandlern –, die mit dem Regelungssystem verbunden ist, ist für die Entwicklung von Elektromotorregelungen von entscheidender Bedeutung. Ein effizientes wie skalierbares Testsystem für alle notwendigen Schritte ermöglicht kontinuierliche Arbeitsabläufe und die sichere Validierung der Komponenten sowohl unter Normal- als auch unter Fehlerbedingungen. Da alle Phasen in derselben Umgebung getestet werden, können optimale Regler entwickelt und gleichzeitig die Qualität sichergestellt werden – bei hohem Innovationsgrad. (jg)
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