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

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

Alle Praktiker wissen, dass diese Methode viele Schwierigkeiten birgt. Obwohl der geschilderte Versuchsaufbau sich in manchen Punkten den Verhältnissen in der Praxis nähert, ist die Prüfung eines Elektromotors im Labor in vieler Hinsicht problematisch und unzulänglich:

  • Kommt als Lasteinheit nur eine geregelte Bremse zum Einsatz, kann der generatorische Betriebsfall nicht erzeugt werden.
  • Das zusätzlich durch die Lasteinheit eingebrachte Trägheitsmoment muss kompensiert werden. Viele Lastsysteme lassen darüber hinaus ein Bremsmoment ab Drehzahl Null nicht zu.
  • Viele Fehlerszenarien lassen sich am Motor nur bedingt oder praktisch gar nicht nachbilden: defekte Sensoren, Phasenbrüche, überhitzte Magnete, veränderte Viskosität des Öls in einem angeflanschten Getriebe, ein blockierter Rotor etc.
  • Automatisierte Tests, insbesondere mit simulierten Fehlerszenarien, sind kaum möglich.
  • Rasche Veränderungen des Aufbaus und der Kenndaten des Motors können kaum vorgenommen werden. Entwicklungsversuche mit veränderten Motordaten – etwa eine geänderte Stator-Wicklung, Variationen des Luftspalts oder der magnetischen Flussdichte – sind deshalb praktisch nicht möglich.

Hinzu kommt, dass aufwendige mechanische Aufbauten mit Vibrationen, Geräuschentwicklung und rotierenden Teilen schlecht zu den Labors und Arbeitsbedingungen von Elektronikern und Software-Entwicklern passen. Um die notwendige Sicherheit zu gewährleisten, ist eine Abdeckung sich bewegender Teile notwendig, was ebenfalls aufwendig und hinderlich ist.

Ein weiterer Grund, der einen echten Motor als einzigen Teststand oft in Frage stellt, sind die Zeitabläufe während einer Antriebsentwicklung. Bei einer Entwicklung wird versucht, möglichst viele Einzelaufgaben parallel abzuarbeiten. Die Entwicklung der Steuer-Elektronik für den Motor wird dabei schon in Angriff genommen, wenn der Motor selbst und die Komponenten am Wellenabtrieb noch nicht existieren. Die Folge sind Verzögerungen: „Time to Market“ für ein Steuergerät ist oft eine Frage der Testumgebung.

Motorsimulation als Werkzeug

Aus diesen Gründen gibt es schon seit längerem das Bestreben, den Elektromotor mit Modellen nachzubilden und an dieser Simulation das Steuergerät zu entwickeln. Das Ziel ist, in einem sehr frühen Stadium die Leistungs-Elektronik, die Kommutierungslogik und die Regelalgorithmen ausgiebig erproben zu können. Bislang standen dafür nur sehr unzulängliche Werkzeuge zur Verfügung. Vereinfachte Modellierungen von Elektromotoren verzichten darauf, die originalen Phasenströme richtig darzustellen. Manchmal werden die Ersatzschaltungen des Motors nur ganz simpel als passive RL-Last umgesetzt. Diese Vereinfachungen führen jedoch dazu, dass sich solche Vorrichtungen nur in engen Grenzen verwenden lassen. Die Probleme eines Steuergerätes treten jedoch häufig gerade dann auf, wenn die Leistungsstufen auch wirklich belastet werden. Deshalb ist bei einer Systemverifikation die Einbeziehung des Leistungskreises unbedingt erforderlich.