Echtzeitsimulation leistungselektronischer Systeme Simulieren erlaubt

Für effiziente Entwicklung leistungselektronischer Systeme
Für effiziente Entwicklung leistungselektronischer Systeme

Für die effiziente Entwicklung leistungselektronischer Systeme ist eine Plattform nötig, die es ermöglicht, die Systemanforderungen durchgängig durch Simulation, FPGA-Echtzeitsimulation und Prüfstandtest zu validieren. Die offene Plattform von National Instruments ermöglicht die Integration von Soft- und Hardware der Hersteller, die die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung optimal erfüllt. Schlüsselfertige E-Motor-Emulatoren und -Testsysteme diverser Alliance-Partner für Leistungen bis zu über 100 kW runden das Angebot zu einem Gesamtpaket ab.

In Deutschland sind 4.541 Elektrofahrzeuge und 47.642 Hybridfahrzeuge (Stand: 1. Januar 2012) im Einsatz. Alternative Antriebe stellen nach einer Steigerung um 6,7 Prozent im Vorjahr nun einen Anteil von 1,4 Prozent aller Autos. Damit Entwickler diese Technologie erfolgreich einsetzen können, sind neue Herangehensweisen und Werkzeuge für Entwurf, Simulation und Test notwendig. Umrichter und Elektromotoren, zeigen im Gegensatz zu konventionellen Antrieben eine höhere Dynamik. Um die Dynamik- anforderungen zu erfüllen, kommen oft FPGAs mit Zyklusraten von über 100 kHz zum Einsatz, um diese Systeme zu regeln. Prototypen und Testsysteme müssen über eine noch höhere Dynamik verfügen. Sollen diese Komponenten in einem größeren Verbund, z.B. im Gesamtfahrzeug, ganz oder teilweise simuliert werden, sind schnelle Echtzeitsimulatoren gefragt. Diese sollen auf Standard-Hardware aufbauen, eine einfache und erweiterbare Hardware-Schnittstelle bereitstellen und eine möglichst hohe Code-Wiederverwendung durch den Entwicklungs- und Produktionsprozess ermöglichen.

Motivation für Hardware-in-the-Loop-Systeme

HiL-Systeme (Bild 1) ersetzen die echte Regelstrecke während des Entwicklungsprozesses durch einen Echtzeit-simulator mit elektrisch gleichen Ein- und Ausgängen. Die zu entwickelnde Steuerung sieht keinen Unterschied zwischen realer und simulierter Regelstrecke. Dieses Verfahren weist erhebliche Vorteile auf. Beispielsweise sind schon früh im Entwicklungsprozess funktionale Tests möglich, weil Fehler in der Steuerung die simulierte Regelstrecke im Gegensatz zu einer realen Regelstrecke nicht zerstören können.

Bei gleichen Eingangsgrößen liefert ein Echtzeitsimulator immer die gleichen reproduzierbaren Ausgangsgrößen und sorgt so für verlässliche automatisierte Tests - ohne Schwankungen der Ergebnisse über die Lebensdauer. Durch unterschiedliche Parametersätze lassen sich ohne Aufwand verschiedene physikalische Verhaltensweisen darstellen. So sind etwa Motoren mit unterschiedlichen Größen und Bauarten auf demselben Simulationsprüfstand abbildbar.

Wo liegt nun die Herausforderung bei der Simulation von elektrischen Systemen? Elektrische Systeme - v.a. Elektromotoren und Frequenzumrichter - sind im Vergleich zu mechanischen Systemen erheblich dynamischer, d.h., einzelne Größen können sich schneller ändern. Um das reale Verhalten des elektrischen Systems auf dem Simulator nachzubilden, müssen die Modelle mit hoher Geschwindigkeit berechnet werden.

Bild 2 zeigt die schematische Darstellung eines E-Antriebes. Die Batteriegleichspannung muss so in eine dreiphasige Wechselspannung gewandelt werden, dass im Motor das gewünschte magnetische Drehfeld entsteht. Das rotierende Magnetfeld treibt den Rotor an und sorgt so für die Drehbewegung. Die Motor- und Umrichtersteuerung liest die drei Phasenströme I a , I b , I c sowie die aktuelle Position des Motors über Drehwinkelgeber ein und erzeugt sechs PWMs. Mit den PWMs lassen sich Leistungsschalter, beispielsweise IGBTs, ansteuern, um die Gleichspannung in die drei Wechselspannungen zu zerhacken.

Um glatte Stromverläufe in den Motorwindungen und damit einen ruhigen Lauf des Rotors zu ermöglichen, sind PWM-Frequenzen von 20 kHz notwendig. Daraus ergibt sich eine Regelfrequenz von 20 kHz. Damit die dynamischen Vorgänge in Umrichter und Motor richtig dargestellt werden, ist eine zehnfache Überabtastung erforderlich. Ein Echtzeitsimulator muss also das Modell aus Umrichter und Motor sowie Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung der Signale mit etwa 200 kHz verarbeiten können. Während die 20 kHz des Reglers noch mit leistungsfähigen Prozessoren erreichbar sind, müssen FPGAs für Zyklusraten von 200 kHz zum Einsatz kommen. FPGAs unterstützen in der Regel keine Fließkomma-Operationen. Aus diesem Grund müssen die numerischen Algorithmen mit Festkomma- oder Ganzzahl-Mathematik dargestellt werden.

FPGA-Echtzeitmodell entwickeln

Echtzeitsimulatoren für E-Maschinen und Umrichter müssen also aufgrund der hohen Zyklusraten in FPGA-Technologie entworfen werden (Bild 3). Im ersten Schritt werden die Parameter des Motors ermittelt. Darüber hinaus sind auch Rohmessdaten von Bedeutung, mit denen sich die späteren Simulationsergebnisse validieren lassen. Danach werden die Gleichungen, z.B. in Zustandsraum-Darstellung, erstellt. Mit gängigen Simulatoren lässt sich überprüfen, ob das mathematische Modell mit dem realen Motor übereinstimmt.

Der Entwurf des FPGA-Codes kann wegen der langen VHDL-Kompilierzeiten eine zeitraubende Angelegenheit sein. Gute Werkzeuge können den -FPGA-Code ohne Kompilierung in einem FPGA-Simulator ablaufen lassen. Stehen in der Entwicklungsumgebung Schnittstellen zu anderen Programmen zur Verfügung, können FPGA- und Regler-Modell gegeneinander simuliert werden. Dieser Model-in-the-Loop-Ansatz (MiL) ermöglicht schon früh im Entwicklungsprozess die Validierung von Regler und Streckenmodell.

Das größte Problem stellt die Umsetzung des Fließkommamodells aus etablierten Entwicklungsumgebungen in die FPGA-Umgebung dar. Festkommazahlen haben einen fixen Wertebereich und eine feste Genauigkeit. Ändern sich die Werte der physikalischen Größen, z.B. bei einem Übergang von einem 2- zu einem 20-kW-Motor, müssen alle Festkomma-Operationen angepasst werden. Um generalisierte Modelle zu erzielen, empfiehlt es sich, im Per-Unit-System mit normierten Größen zu rechnen.

Für den Entwurf von FPGA-Modellen eignen sich Werkzeuge, die eine Co-Simulation des FPGA-Modells unter einer Windows-Umgebung ermöglichen. So lässt sich das FPGA- auch direkt zusammen mit dem Regler-Modell verwenden. Ist das logische Verhalten des FPGA-Modells sichergestellt, kann der VHDL-Code für den FPGA kompiliert werden und das Echtzeitmodell des elektrischen Antriebs ist einsatzbereit. Durch die Wiederverwendung des FPGA-Codes zwischen Simulation und FPGA-Chip lassen sich reproduzierbare Ergebnisse von Windows- über Echtzeitsimulation bis zum realen System erreichen.