Funktions- und Leistungstest von E-Motor-Steuergeräten Echtzeit-Emulation gewinnt an Bedeutung

Gesamtsystem zur Steuergeräteprüfung

Um Elektromotoren möglichst effizient entwickeln zu können, kommen bislang traditionelle Prüfkonzepte für die Steuergeräte zum Einsatz. SET geht nun einen anderen Weg – den der Echtzeit-Emulation. Sie soll die Entwicklung und den Test deutlich beschleunigen und effizienter gestalten.

Elektrische Antriebstechnik als Ersatz für mechanische und hydraulische Antriebsaggregate eröffnet den Anwendern vielfältige neue Anwendungen. Die breiten Einsatzmöglichkeiten ergeben sich in erster Linie durch die Funktionalität des Steuergerätes für den jeweils eingesetzten Elektromotor. Um jedoch einen über alle Funktionen und Einsatzbedingungen sicheren und dauerhaften Betrieb des gesamten E-Antriebessystems zu gewährleisten, ist es wichtig, vor allem der Entwicklung und der Prüfung der E-Motor-Steuergeräte von Beginn an große Aufmerksamkeit zu schenken.

Bisherige Prüfkonzepte

Das Konzept, zum Test eines Steuergerätes einen Elektromotor als Belastungsmaschine in Laborumgebung einzusetzen, ist nach Überzeugung von Thomas Platte, Technischer Berater bei der Firma SET – smart-embedded-technologies, aus mehreren Gründen nicht mehr realistisch. »Zunächst erfordert der Druck bezüglich kurzer Markteinführungszeiten ein gewisses Maß an Parallel Engineering, d.h. das benötigte Testnormal, also der Elektromotor, ist in der Regel für Testzwecke nicht verfügbar«, erklärt Platte. »Zudem ist der Aufbau eines E-Motorenprüfstandes mit Belastungsmaschine und den nötigen Sicherheitsmaßnahmen aufwendig und teuer und kann weder im Entwicklungslabor noch bei der Systemintegration und dem End-of-Line-Test sinnvoll aufgebaut werden.« Darüber hinaus schätzt Platte das Variieren von Motorkenndaten und das Simulieren von Motor-Fehlerszenarien zu Testzwecken problematisch ein, denn sie seien nur begrenzt oder gar nicht möglich. »Das gilt auch für den Betrieb des gesamten Antriebsstranges nach der Systemintegration«, so der Experte. »Nicht zuletzt lässt der Einsatz geregelter Lastwiderstände den 4-Quadranten-Betrieb nicht zu und ist damit für das Testen von Steuergeräten ungeeignet.«

Die bislang vielfach genutzten, auf der HiL-Methode (Hardware in the Loop) basierenden Werkzeuge, die entwicklungs- und produktionsbegleitend zur Verifizierung von Steuergeräten eingesetzt werden, eignen sich gut, um die Steuergerätelogik auf Vollständigkeit und Fehlerfreiheit zu prüfen. Das Verhalten der Leistungselektronik wird jedoch auf Basis von Ansteuersignalen der Leistungselektronik und einem vereinfachten Motormodell in Software simuliert. »Abgesehen von der begrenzten Echtzeitfähigkeit des Softwaremodells, können bei diesem Testkonzept keine realen Phasenströme fließen«, erklärt Platte. »Daher lässt sich auch die Gegen-EMK und somit der Verlauf der Phasensignale nicht wirklich nachbilden. Daher ist ein echter Belastungstest für das Steuergerät nicht möglich.« Zusätzlich erschwerend sei, dass die Steuergeräte für diese Art von Überprüfung modifiziert werden müssten (Zugriff während des Tests auf Messpunkte der Geräteelektronik).

Der neue Weg - das Emulatoren-Konzept

Die Herauforderung ist also, eine Testumgebung zu gestalten, mit deren Hilfe E-Motor-Steuergeräte entsprechend ihrer Betriebsarten, Funktionen und Einsatzbedingungen getestet, optimiert und geprüft werden können. Die Lösung ist nach Plattes Überzeugung eine reale Nachbildung des zum Einsatz kommenden Motors hinsichtlich seiner gesamten elektrophysikalischen Charakteristik wie Massenträgheit, Momentbildung, Gegen-EMK und Reibungseffekte. Erreicht wird dies durch die Kombination eines Echtzeit-Motormodells mit geeigneter Leistungselektronik und Messtechnik.

Das Konzept des E-Motor-Emulators nutzt diese Technik. Basierend auf realen Motordaten lassen sich alle gängigen Motorarten (Gleichstrom- oder Asynchron-Motoren sowie permanent erregte Synchron-Motoren) im motorischen und im generatorischen Betrieb nachbilden. Die Betriebsspannungen sind abhängig von Leistung und Motorenart und reichen vom Niedervoltbereich bis zu den vom Hochvolt-Board-Netz abgeleiteten Phasenspannungen.

Der E-Motor-Emulator selber besteht im Wesentlichen aus dem Emulator-Kern, in dem die Nachbildung des E-Motors stattfindet und die Messdaten entstehen. Weiterhin gehören das Steuerungs- und Bediensystem sowie eine Zwei-Quadranten-DC-Quelle zum System, die den Emulatorkern versorgt und die vom Steuergerät kommende Antriebsenergie in das Versorgungsnetz zurück speist. Das Steuerungs- und Bediensystem beinhaltet die Bedienoberfläche und Betriebssoftware und verfügt über die Schnittstellen zum umgebenden Testaufbau, zur DC-Quelle, zu optionaler Messtechnik sowie zu Netzwerken via TCP/I- und zu Bus-Systemen.