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

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

In einem bürstenlosen Gleichstrommotor treten unter Last verschiedene Effekte auf, die in den einfachen Modellen nicht berücksichtigt werden. Dazu muss man sich die Wirkungsweise eines Motors verdeutlichen. In diesem dreht sich der Rotor im Stator-Feld. Nach dem Generatorprinzip wird so in dessen Spulen eine Spannung induziert. Diese induzierte Spannung ist der angelegten Phasenspannung entgegengesetzt und wirkt daher dem Phasenstrom entgegen. Sie wird Gegenspannung oder Gegen-EMK (Elektro-Motorische-Kraft) genannt. Fehlt bei der Simulation die Erzeugung der Gegen-EMK, wie dies bei einfachen RL-Lasten der Fall ist, können die Regelkreise des Steuergerätes nicht überprüft werden. Solche stark vereinfachenden Modelle haben eine völlig andere Charakteristik als die reale Motorphase. Je nach Funktionsweise der Steuer-Software ist ein „virtuell drehender Motor“ mit solchen Phasen-Ersatzschaltungen manchmal gar nicht darstellbar: Ein Motor ist eben keine passive RL-Last.

Elektrische Motorsimulation in Echtzeit

Bei der elektrischen Motorsimulation in Echtzeit entfallen die Nachteile des realen Testmotors und die erheblichen Unzulänglichkeiten vereinfachter Modellierungen. Das hier vorgestellten System der SET GmbH [1] kann die gesamte Signalkette des Originalsystems mit den entsprechenden Kennwerten simulieren: Trägheitsmomente, Reibungen, Viskosität des Getriebeöls und Lastmoment. Der Anwender kann alle Werte während des Betriebs verändern.

So kann er das zu testende Steuergerät gründlich und in Betriebszuständen prüfen, die zwar im Praxiseinsatz vorkommen, sich aber auch mit größeren Aufbauten im Labor kaum nachbilden lassen. Ein besonderer Vorteil dieses Systems besteht darin, dass neben der korrekten elektrophysikalischen Simulation der Motorphasen ein Motormodell zugrundeliegt, auf das der Entwickler jederzeit Einfluss nehmen kann. Daher hat der Entwickler die Möglichkeit, das Verhalten des Steuergerätes hinsichtlich aller Belange ausgiebig und reproduzierbar zu testen.

Grundlage für diese Echtzeit-Simulation ist ein Phasenmodell, das sich unmittelbar an den realen Verhältnissen orientiert. Neben dem Wirkwiderstand und der Wicklungsinduktivität muss insbesondere auch die Gegen-EMK als eine Urspannungsquelle in jeder Phase nachgebildet werden (Bild 1).