Analog Devices
Modellbasierte Entwicklung moderner Motorsteuerungssysteme
Heutzutage können Ingenieure modellbasierte Entwürfe mit MATLAB und Simulink realisieren und so von einer noch höheren Entwicklungsflexibilität profitieren. Motorsteuerungen lassen sich damit optimieren und die benötigte Entwicklungszeit verkürzen.
Modellbasiertes Design (MBD) war seit Jahrzehnten das Thema vieler Diskussionen. Erst in den letzten Jahren hat sich MBD in einen kompletten Entwicklungsablauf (Design Flow) gewandelt - von der Modellerstellung bis zur kompletten Implementierung. Seit dem Beginn dieses Jahrzehnts erlaubt ein komplettes MBD ein gemeinsames Steuerungsdesign sowohl für Simulations- wie auch für Hardware-Implementierungsplattformen.
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Dieses simulationsbasierte Konzept ermöglicht ein besseres Verständnis von Entwicklungsalternativen als herkömmliche Entwicklungsmethoden auf Basis von Hardware-Prototypen. Statt komplexe Strukturen und umfangreichen Software-Code zu nutzen, können Entwickler mit Hilfe von »Continuous-time«- und »Discrete-time«-Funktionsblöcken Modelle mit modernsten Funktionen definieren. Bereits vorhandener Code in »C« kann zur Maximierung der Entwicklungseffizienz mit Standard-Steuerungsbibliotheksblöcken integriert werden. Diese Modelle können in Verbindung mit Simulationstools ein schnelles Prototyping, Software-Testing und eine Hardware-in-the-Loop-Simulation (HIL) ermöglichen. Das vereinfacht die Entwicklung, minimiert Fehler bei der Implementierung der Hardware und verkürzt das Time-to-Market.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass Entwickler mit MBD klassische Entwicklungskonzepte hinter sich lassen können. Statt dessen können sie direkt von der Modellerstellung zur Simulation, Code-Erzeugung und HIL-Test auf kontrollierte Weise übergehen, die inkrementelle Änderungen des Systemverhaltens ohne ein komplettes Redesign des Systems ermöglicht. In Bild 2 sind die verschiedenen Entwicklungsphasen und die einzelnen Schritte im Entwicklungsablauf dargestellt. Diese Schritte zusammen beschreiben den »Standard«-Ablauf von MBD. Aus der Sicht einer Motorsteuerungsentwicklung sind dies:
- Konzept der Operationen - gesamte Funktionalität des Motorsystems.
- Fabrik-Modellierung/Architektur - Entwicklung von Modellen für Motor, Last, Leistungselektronik, Signalaufbereitung usw.
- Steuerungs-Modellierung und Anforderungen - Encoder-basierte feldorientierte Steuerung eines 3-Phasen-PM-Motors.
- Analyse und Synthese (detailliertes Design) - oben erzeugte Modelle werden verwendet, um die dynamischen Eigenschaften des Fabrikmodells zu identifizieren; Feinabstimmung und Konfiguration des Systems.
- Validierung und Test - Off-line-Simulation und/oder Echtzeit-Simulation; Untersuchung des Zeitverhaltens des dynamischen Systems.
- Einbindung in das Ziel (Betrieb) - automatische Code-Erzeugung; Test und Verifikation; Aktualisierung des Controller-Modells.
Zusammen bildet dies ein mehrstufiges Konzept für das gesamte Design, und es erlaubt die unabhängige Analyse einzelner Steuerungsschritte. Nachdem die Hard- und Software-Spezifikation abgeschlossen ist, kann die komplette Systemarchitektur zur Implementierung spezifischer Algorithmen und Funktionen für das Gesamtsystem eingerichtet werden (Bild 3). Die Simulation von Steuerungs- und Fabrik-Modellen kann evaluiert werden. Die Off-line-Entwicklung von Algorithmen ohne Zugriff auf Hardware kann konzipiert und feinabgestimmt werden, um die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des Systems zu erfüllen. Erstmalige Code-Erzeugung, entweder mit vorhandenem, wiederverwendetem Code oder mit dem von einem Code-Erzeugungstool generierter Software, kann in den Embedded Controller implementiert werden, um die Systemsimulation auf einem PC mit den tatsächlichen Implementierungsdaten auf der Zielhardware zu vergleichen.
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