Modellbasierte Simulation von Elektromotoren: Echtzeit-Simulation als Ersatz für mechanische Teststände

Energie fließt in beide Richtungen

Ein Effekt, der in einfachen Modellen unberücksichtigt bleibt, ist die generatorische Wirkung des Motors. In der Regel wird die in den Motor eingebrachte elektrische Energie in mechanische Bewegungsenergie umgesetzt. Es ist aber auch der umgekehrte Fall zu berücksichtigen. Jeder Motor ist auch ein Generator: Beim Bremsen des Motors oder bei der Rückwirkung von Lastmomenten auf den Rotor erzeugt der Motor elektrische Energie, die in das Steuergerät zurückgespeist wird. Die Motorsimulation muss für beide Fälle die richtigen Ergebnisse liefern – und das auch bei hoher Dynamik. Denn der generatorische Betrieb eines bürstenlosen Elektromotors ist ein wichtiger Testfall für die Verifikation des Steuergerätes. Das Steuergerät muss schließlich für die auftretende Rückspeisung ausgelegt sein. Wird dieser Betriebsfall in der Motorsimulation nicht berücksichtigt, kann das Steuergerät nicht für alle Betriebsfälle getestet werden. Insbesondere dynamische Regelvorgänge bei Positionsreglern lassen sich dann überhaupt nicht darstellen.

Wohin geht die Leistung?

Im Normalfall wirkt ein Elektromotor motorisch. Wird der Test des Steuergerätes nicht mit einem realen Motor, sondern an einem simulierten Modell durchgeführt, muss dieses die elektrische Energie aus dem Steuergerät aufnehmen. Bei kleinen Leistungen bis etwa 3 kW wird die aufgenommene Energie von den Motorsimulationen der SET in Wärme umgesetzt. Für größere „virtuelle Motoren“ bereitet dieses Konzept Schwierigkeiten. Man kann nicht einige Dutzend Kilowatt sinnvoll an die Laborumgebung abgeben. Kühlwassersysteme sind aufwendig und unbeweglich. Ein weiteres Argument gegen solche Kühlsysteme sind die Kosten. Auch unter ökologischen Gesichtspunkten ist es unzeitgemäß, etwa die elektrische Antriebsleistung eines 40-kW-Steuergerätes einfach zu „verheizen“.

Die Lösung für dieses Problem ist die Rückführung der Energie in das Stromnetz. Dafür wird bei dem Gerät für die Phasensimulation eine spezielle 4-Quadranten-Schaltung eingesetzt. Bei der Verwendung einer Energierückspeisung ist es möglich, das Motorsteuergerät unter Last so zu betreiben, dass aus dem Stromnetz nur die Verluste des Motorsteuergerätes und der Motorsimulation entnommen werden. So lassen sich Steuerung und Simulation unter Lastbedingungen ohne große Wärmeabgabe auch in normalen Labors durchführen.

Die Amplitude dieser Spannungsquellen ist eine lineare Funktion der Drehzahl, während die Signalform von der Konstruktion des Motors abhängt. Für den Verlauf des Drehmoments als Funktion des Ankerwinkels interessiert vor allem die Radialkomponente der Luftspaltinduktion entlang des Rotor-Umfangs.

Diese Feldkurve bestimmt die Größe des magnetischen Flusses und damit die induzierte Gegenspannung und das Drehmoment. Folglich ist eine korrekte Nachbildung der Gegen-EMK-Kurve als Urspannung der Phasen die Grundlage für eine korrekte Berechnung des Drehmoments in einer Motorsimulation.

Für die Simulation der einzelnen Phasen lassen sich näherungsweise auch trapezförmige Gegenspannungen ansetzen, allerdings führt dies zu Ungenauigkeiten bei der Berechnung des Drehmoments. Es lässt sich auch beobachten, dass sich bei dieser Vereinfachung das Motormodell nicht korrekt verhält:

Bei einer Bestromung des Modells mit Konstantstrom kommt es, anders als beim originalen Motor, zu einem mehr oder weniger großen „Zittern“ des Rotors. Neben der Simulation der Motorphasen gemäß dem elektrischen Ersatzschaltbild wird ein Regelmodell für die physikalischen Vorgänge im Motor erforderlich (Bild 2).