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HIL-Simulation für Fahrzeug-Traktionsmotoren

Reglertests für Elektromotoren auf Signalebene

Auf Signalebene wird das Testsystem mit den internen Steuergeräte-Schnittstellen des Elektroantriebs verbunden: mit den Signalen der Gate-Treiber und mit den Signalen der Messwandler. Leistungselektronische Komponenten werden vom Prüfling getrennt. Dieser Ansatz ermöglicht maximale Skalierbarkeit und vollen Zugriff auf das Modell.

Dieses Beispiel beschreibt die FPGA-basierte Simulation mit SCALEXIO®. Die FPGA-basierte Simulation wird üblicherweise eingesetzt, wenn schnellstmögliche Berechnungszeiten erforderlich sind.

Sind diese nicht notwendig, können Sie mit SCALEXIO zudem den Elektromotor prozessorbasiert simulieren und testen. Der Motor- und Invertermodelle werden dann auf der SCALEXIO Processing Unit berechnet.

Anwendungsbereiche

  • Steuergeräte für Elektromotoren und Antriebsstränge testen:
    • Hybrid- und batterieelektrische Fahrzeuge
    • Brennstoffzellenfahrzeuge
  • Testen aller übrigen Reglerarten für Elektromotoren, die hohe Präzision bei der Simulation höherer Grundfrequenzen und Stabilität benötigen
  • Entwickeln elektrischer Antriebsstränge
  • Entwickeln von Geländefahrzeugen

 

Leistungsmerkmale

  • Sehr hohe Überabtastrate entsprechend der PWM-Schaltfrequenz
  • Keine PWM-Synchronisierung notwendig
  • Simulation von Stromwelligkeit (PWM-Effekte)
  • Schnelle Signalberechnung mit benutzerprogrammierbarem FPGA
  • Motor- und Invertermodelle auf FPGA
  • Einsatzfertige offene FPGA-Modelle für alle gängigen Motoren und Sensoren
  • Nichtlineare Effekte durch FEM-basierte Parametrierung, zum Beispiel JMAG
  • Abtastraten < 500 ns für höchste Simulationsgüte
  • FPGA-basierte Erfassung von Gate-Treibersignalen
  • FPGA-basierte Simulation von Strom- und Positionssensorik
  • Komfortable grafische Systemkonfiguration

 

Das DS2655 FPGA Base Board ist für Anwendungen ausgelegt, die sehr schnelle, hochauflösende Signalverarbeitung erfordern, wie beispielsweise die HIL-Simulation von Elektromotoren. Es verfügt über ein leistungsstarkes, frei programmierbares FPGA (Field-Programmable Gate Array), den Xilinx Kintex-7 160T. Sie können bis zu fünf I/O-Module auf dem Board verbinden, um I/O-Kanäle hinzuzufügen. In Kombination mit der XSG Electric Components Library ermöglicht das DS2655 genau die schnellen Reaktionszeiten, die für die Simulation elektrischer Maschinen im Closed-Loop-Betrieb mit einem Regler notwendig sind.

Um die I/O-Kanäle des DS2655 zu erweitern, stehen zwei I/O-Module zur Auswahl: das DS2655M1 Multi-I/O Module und das DS2655M2 Digital I/O Module. Diese stellen eine hohe Anzahl analoger und digitaler I/O-Kanäle bereit, die für Anwendungen wie elektrische Antriebe notwendig sind.

 

Softwarebasierte FPGA-Konfiguration

Das SCALEXIO-System für die HIL-Simulation bietet ein breites Portfolio an I/O-Hardware, um den Anschluss unterschiedlicher Konverter und Motortypen zu ermöglichen.

Sie können Anwendungen für das FPGA des DS2655 FPGA Base Boards mit Xilinx System Generator programmieren, zudem bietet das RTI FPGA Programming Blockset die I/O und den Prozessorzugriff. Die Programme lassen sich mit ConfigurationDesk auf das FPGA herunterladen.

Sie können die Programme in der Offline-Simulation testen, bevor Sie sie auf die Echtzeit-Hardware implementieren. Dadurch sind Sie in der Lage, flexibel auf neue Anforderungen zu reagieren, zum Beispiel wenn neue Schnittstellen hinzukommen oder die Ausführung von Teilmodellen beschleunigt werden muss.

Elektrische Motorsteuerungsanwendungen, die hohe Präzision und Abtastraten erfordern, werden auf FPGAs (Field-programmable Gate Array) bestmöglich simuliert. Die XSG Electric Components Models (Komponenten für die Closed-Loop-Simulation) werden als XSG (Xilinx System Generator)-Modelle implementiert. Ausgeführt werden sie auf einem dSPACE DS5203 FPGA Board (PHS-Bussysteme) oder einem DS2655 FPGA Base Board (SCALEXIO), so dass die Prozesse für die Reglerentwicklung und den Test gleich sind. So wird die Closed-Loop-Simulation elektrischer Geräte und ihrer Regelungen bei sehr hohen Abtastraten in Echtzeit möglich.

Direkter FPGA-I/O-Zugriff

Neben dem Streckenmodell bietet die XSG Electric Components Library für das DS5203 und das DS2655 erweiterte I/O-Funktionen der enthaltenen XSG Utils Library, zum Beispiel für Zeitanalysen und das direkte Erfassen digitaler Ausgänge. Die XSG Electric Component Library und die DS5203/DS2655 FPGA Boards können zusammen für die Simulation von Elektromotoren sowohl auf Signal- als auch auf Leistungsebene eingesetzt werden.

Komponenten und Eigenschaften

  • Permanentmagneterregte Synchronmotoren (PMSM)
  • Bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC)
  • Ausgereiftes Invertermodell unterstützt DCM (Discontinous Conduction Mode)
  • Asynchronmotor mit Käfigläufer
  • Resolver sowie Sinus-, TTL- und Hall-Encoder
  • XSG Electric Components Library mit XSG Utils Library und weiteren Funktionen
  • Stern-Dreieck-Schaltung konfigurierbar für Dreiphasenmotormodell