Moderne elektrische Antriebe verbinden hohe Leistung mit perfekter Steuerung, bis auf die Mikrosekunde. Bei der Entwicklung heutiger Antriebe sind die Hersteller auf effiziente Plattformen angewiesen, die diese hohen Leistungen freisetzen und gleichzeitig die Betriebssicherheit gewährleisten. Um dies zu erreichen, nutzt JEE Hardware-in-the-Loop (HIL)-Tests mit leistungsstarker Software-Modellierung und SCALEXIO-Hardware von dSPACE.

Als Chinas führender Anbieter von elektrischen Antriebssystemen treibt JEE Entwicklungen in verschiedenen Bereichen voran. Diese reichen von einzelnen Komponenten bis hin zu hochintegrierten Lösungen, die aus Elektromotor, Umrichter und Untersetzungsgetriebe bestehen. Neben rein batterieelektrischen Systemen für Industriefahrzeuge und Pkws stehen auch E-Antriebssysteme für Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEV) im Fokus. Gemäß der Norm ISO 26262 muss auch die funktionale Sicherheit des Motorsteuerungssystems gewährleistet sein. Um die geforderte Sicherheit zu gewährleisten und die höchstmögliche Effizienz auf der Entwicklungsebene zu erreichen, setzte JEE in frühen Entwicklungsphasen dSPACE HIL-Systeme für Software-Sicherheitstests und die Validierung auf der Ziel-Hardware ein.

Mehrstufige Steuerung

Der typische Aufbau eines Motorsteuerungssystems besteht aus einem Controller und einem Leistungsmodul. Dieses leistungsstarke System berechnet Algorithmen und wandelt Steuersignale in dreiphasige Hochspannung für den Antrieb des Elektromotors um. Das vom Motor erzeugte Drehmoment wird auf den Antriebsstrang übertragen

Setup of the motor control.

Validierungssystem und Entwurf

Zur Validierung des Motorsteuergeräts stellte dSPACE JEE ein kundenspezifisches HIL-Simulationssystem zur Verfügung, das für die Simulation auf Signalebene ausgelegt ist. Das bedeutet, dass der eigentliche Regler des Steuergeräts unter Umgehung der Leistungsstufen an den HIL-Simulator angeschlossen wird und nur die relevanten Signale eingespeist werden. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass das Steuergerät vollständig validiert werden kann, ohne dass die realen Ströme und Spannungen unter Laborbedingungen erzeugt werden müssen. Dies senkt nicht nur Kosten und Ressourcenverbrauch, sondern ist auch besonders vorteilhaft für die Arbeitssicherheit, da mögliche Risiken durch potenziell gefährliche Spannungen und Ströme in der Testphase vermieden werden können.

Modelle des HIL-Simulators

In diesem HIL-System stellt sich Modelltopologie wie folgt dar: Das Simulationsmodell umfasst ein Umrichtermodell, ein Motormodell, ein Batteriemodell und ein mechanisches Modell. Die hohe Dynamik sowie die Regeleigenschaften des Umrichter- und Motormodells erfordern hohe Simulations- und Berechnungsgeschwindigkeiten. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, müssen die Simulationsalgorithmen in FPGA-Chips (Field Programmable Gate Array) implementiert werden. Die Struktur der JEE-Simulation ist daher entsprechend aufgeteilt: Der FPGA-Teil enthält Modelle, die eine schnelle Berechnung erfordern – Umrichter, Motoren und Resolver –, während der Hauptprozessorteil die weniger zeitkritischen Modelle enthält, z. B. das Lastmodell.

Structure of the HIL model.

Offene Modelle erleichtern die Anpassung

Auch die Software-Modelle aus der dSPACE XSG Electric Components Library und ASM Electric Components spielen eine zentrale Rolle. JEE nutzt die offenen dSPACE ASM-Bibliotheken, die ganze Fahrzeuge oder Teile davon, wie Asynchronmotoren und Regler, simulieren. JEE verwendet auch die XSG Electric Components Library, die Kunden in Verbindung mit dSPACE Engineering Services zur Entwicklung neuer Modelle nutzen können. JEE hat das bestehende Asynchronmotormodell überarbeitet, um daraus den Regler für einen Asynchronmotor zu entwickeln. Der Umbau ermöglichte zudem Messungen, die für den Erfolg des Gesamtprojekts von entscheidender Bedeutung waren, da die Durchführung der entsprechenden Tests auf einem realen Prüfstand, was die Alternative gewesen wäre, mit erheblichen Herausforderungen verbunden gewesen wäre.

Model topology.

Funktionale Sicherheit

Während der Entwicklung und dem Test der funktionalen Sicherheit der Motorsteuerung simuliert JEE verschiedene Fehler auf dem HIL-System, um die Regelstrategien für die Fehlerdiagnose und Fehlerbehandlung im Regelsystem zu testen. Die Fehlerdiagnoseeinheit der Failure Insertion Unit (FIU) im dSPACE HIL-System wird hauptsächlich für den Kabelbaum des Steuergeräts verwendet, um mögliche Fehler im Kabelbaum zu testen, wie Kurzschlüsse gegen Masse oder Potenzial oder zwischen Pins sowie Spannungsabfälle. Diese Aufgabe übernimmt der Host-PC, der die entsprechenden Hardware-Module über eine ein RS232-Schnittstelle steuert. Die Failure Insertion Units der dSPACE HIL-Systeme ermöglichen es JEE, sicherheitsrelevante Funktionstests und Fehlerinjektionen bequem zu implementieren. Dank der flexiblen Echtzeitrestbussimulation ist dies auch bei unvollständigen Systemen möglich. Außerdem sind die Testfälle reproduzierbar und der Entwicklungszyklus kann beschleunigt werden.

Diagram of the Failure Insertion Unit (FIU).

Testautomatisierung

Ein wichtiger Bestandteil von HIL-Tests ist die Testautomatisierung. Die Testautomatisierung konzentriert sich auf die Durchführung automatisierter, wiederholbarer Tests und Inbetriebnahmen auf der Grundlage vordefinierter Automatisierungssequenzen. Unter der Federführung von dSPACE Ingenieuren und mit Hilfe der the Python-API-Bibliothek in dSPACE ControlDesk können Testfälle programmiert werden, um komplexere Testroutinen durchzuführen. JEE baute die HIL-Testautomatisierungsplattform und erstellte eine HIL-Testfalldatenbank für verschiedene Projekte, was die Entwicklungseffizienz und Wiederverwendbarkeit von Testfällen erheblich verbesserte.

Ergebnisse

Der umfassende Einsatz von dSPACE HIL-Systemen von den frühen Entwicklungsphasen bis hin zur Testphase hat das JEE-Motorsteuerungsprojekt erheblich beschleunigt. Neben einer effizienten Erhöhung des technischen Reifegrads konnten die Einsatzzeiten auf dem realen Prüfstand reduziert werden. Das HIL-System verbesserte somit die Arbeitssicherheit bei gleichzeitiger Reduzierung der erforderlichen Ressourcen.

Über die Autoren:

Ying Jiang

Ying Jiang

Ying Jiang is Senior System Engineer at JEE in Hefei, China.

Ci Zhang

Ci Zhang

Ci Zhang is R&D supervisor at JEE in Hefei, China.

dSPACE MAGAZIN, VERÖFFENTLICHT November 2020

Produktinformationen

  • XSG Electric Component Library
    XSG Electric Component Library

    Plant models of electric drives featuring FPGA-based simulations

  • ASM Motor
    ASM Motor

    Electric motor simulation for battery-electric vehicles and all kind of drives

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