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Hochwertige Entwicklung für Leistungselektronik

Veröffentlicht: 16.11.2015

Lukas Kalinowski, Project Manager, dSPACE Inc.

Sie sind sich dessen vielleicht nicht bewusst, aber wenn Sie diesen Blog lesen, haben Sie heute bereits Leistungselektronik verwendet.

Die Leistungselektronik ist ein Bereich der Elektronik, die sich auf die Transformation elektronischer Energiequellen spezialisiert hat. Leistungselektronik gibt es fast überall, in elektronischen Geräten wie PCs, Handy-Ladegeräten und vielem mehr.

Mit Blick auf die Automobilindustrie gibt es Hybridfahrzeuge schon seit geraumer Zeit. Der aktuelle Trend, dem nahezu alle Automobilhersteller folgen, sind vollelektrische Autos. Ebenso integriert die Automobilindustrie die elektronische Servolenkung in Autos, um Fahrerassistenzsysteme zu implementieren und das autonome Fahren zu unterstützen.

Diese steigende Nachfrage nach Leistungselektronik und den dazugehörigen Steuergeräten erfordert Methoden zur Sicherstellung einer qualitativ hochwertigen Entwicklung. Insbesondere wenn sie in Fahrerassistenzsysteme und andere sicherheitskritische Anwendungen integriert wird, bei denen die Verifikation von leistungselektronischen Systemen höchste Priorität hat.

Die Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulation hat sich in der Automobilindustrie als Standard etabliert, was die Simulation der Leistungselektronik zu einem Schlüsselfaktor für moderne Entwicklungsprozesse macht.

Für die HIL-Simulation ist ein Streckenmodell unerlässlich, mit dem sich das Verhalten der elektrischen Komponenten in Kombination mit dem realen Steuergerät reproduzieren lässt. Diese Modelle müssen echtzeitfähig sein und das tatsächliche Verhalten widerspiegeln, um zuverlässige Testergebnisse zu erzielen. Es gibt sicherlich mehrere Methoden, um Ihr Streckenmodell zu implementieren. Ich beschränke mich darauf, wie Sie SimPowerSystems™ zusammen mit Echtzeitanwendungen nutzen können.

Die Verwendung eines modellbasierten Ansatzes mit SimPowerSystems™, wie in Abbildung 1 zu sehen ist, macht es einfach, Modelle offline zu simulieren, da der topologieorientierte Aufbau dabei hilft, ein Modell unter Verwendung der elektronischen Bauteile wie Transformatoren, Dioden und Schalter zu erstellen, anstatt sich mit dem mathematischen blockorientierten Modell zu befassen.

Abbildung 1: Beispiel für ein einfaches SimPowerSystems™-Modell

Topologieorientierte Modelle sorgen für die Übertragung der elektrischen Schaltung in Differentialgleichungen und die Diskretisierung der Gleichungen in Matrizen, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: SimPowerSystems™ – vom Modell zu den Gleichungen

Dies bedeutet auch, dass für jede diskrete Komponente wie Schalter oder Dioden ein Differenzial für jeden Schaltzustand gelöst wird, wie in Abbildung 3 dargestellt. Daraus ergibt sich eine Matrix mit einer Gesamtzahl von 2^n, wobei n die Gesamtzahl der Schalter im Modell ist. Zum Beispiel führt ein B6 Brückenwechselrichter zu 2^6 = 64 Gleichungen.

Abbildung 3: SimPowerSystems™ – diskrete Komponenten zu Differenzialgleichung pro Schaltzustand

Die Herausforderung besteht darin, diese topologieorientierten Modelle in eine Echtzeitanwendung zu transformieren. Für die PC-basierte Simulation können gute Ergebnisse durch den Einsatz von Variable-Step-Solvern oder sehr kleinen, festen Schrittweiten erzielt werden. Beide Solver-Optionen negieren die Verwendung dieser Modelle in einem Echtzeitsystem. Darüber hinaus kann SimPowerSystems™ vermutlich keine Abtastzeiten vererben und manche Blöcke müssen kontinuierlich abgetastet werden. Zusätzlich werden die Matrizen zur Laufzeit berechnet, wenn der Zustand der Schalter aktualisiert wird, was aufgrund der begrenzten Rechenzeit zu Problemen mit hohen Schaltfrequenzen führt. Das bedeutet, dass SimPowerSystems™ generell nicht echtzeitfähig ist.

Erst der Einsatz von dSPACE PowerlibRT ermöglicht die Echtzeitfähigkeit von SimPowerSystems™. PowerlibRT ist ein Blockset, das Mittelwertmodelle für Leistungselektronik, Model-Caching, Modellteilung und Task-Handling für SimPowerSystems™-basierte Modelle enthält.

Aufgrund der begrenzten Abtastraten moderner Echtzeitplattformen können normale SimPowerSystems™-Blöcke nur für niedrig schaltende Frequenzen kleiner 10kHz und lineare Anteile verwendet werden. Für schnell schaltende Frequenzen enthält PowerlibRT Mittelwertmodelle, zum Beispiel Wechselrichter, die durch dSPACE I/O-Boards wie die Electric Motor HIL Solution an die PWM-Messung angeschlossen werden können. Dadurch können die Gate-Steuerwerte aus dem realen Steuergerät in den Regelkreis integriert werden. Das Task-Handling in PowerlibRT ermöglicht getriggerte Tasks, was für das Lesen der PWM-Gate-Signale des Steuergeräts unerlässlich ist.

Performance-Verbesserungen bei der Berechnung der Anzahl der Matrizen während einer Modellschrittweite werden durch das Model-Caching von PowerlibRT erreicht. Das bedeutet, dass die diskretisierten Matrizen im RAM des Echtzeitprozessors gespeichert werden, indem die berechneten Modellzustände während der Modellerstellung gespeichert werden. Daher ist keine Berechnung dieser Zustände während der Laufzeit mehr erforderlich, was zu einer geringeren Durchlaufzeit auf dem Echtzeitprozessor führt.

Die Echtzeitfähigkeit kann durch die PowerlibRT-Modellteilung weiter verbessert werden, indem die Differenzialgleichungen entkoppelt werden. In der Schematik in Abbildung 4 wäre die Matrixgröße 2^8 = 256 Elemente, ohne den blauen PowerlibRT-Block zur Modellteilung. Bei der Modellteilung beträgt die Matrixgröße 2^6+^2 = 68 Elemente. Dies führt zu einer erheblichen Reduzierung des Speicherplatzes für das Model-Caching.

Abbildung 4: Beispielhafte PowerlibRT-Modellteilung

PowerlibRT bietet eine neue Möglichkeit, SimPowerSystems™-Modelle auf Echtzeit-Hardware zu implementieren. In Kombination mit dSPACE I/O-Boards kann es in eine komplette HIL-Umgebung integriert werden, um Tests an Steuergeräten durchzuführen.