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Entwicklung von elektrischen Aktoren mit modellbasiertem Entwurf

Veröffentlicht: 01.07.2014

Mahendra Muli, Director of Marketing & New Business Development, dSPACE Inc.

Der jüngste Innovationsschwerpunkt der Luft- und Raumfahrtindustrie auf „More Electric Aircrafts“ verlagert zunehmend mechanische und auf Hydraulik basierende Aktorsysteme auf die Elektrik. Diese Aktoren werden im gesamten Spektrum eingesetzt, vom Antrieb bis zu den Steuerflächen, vom Fahrwerk bis zu den Trägerraketen. Diese allumfassende Entscheidung für elektrische Aktoren ist auf ihre Fähigkeit zurückzuführen, Systeme hochdynamisch, schnell und präzise zu steuern.

Es wird jedoch oft festgestellt, dass dieser Trend zur elektrischen Aktivierung die Komplexität durch die Integration von elektrischer Hardware, Software und mechanischen Systemen erhöht. Diese Komplexität, verbunden mit einer schnellen Antwortzeit der Aktivierung, führt zu einer Komplexität bei der Entwicklung der Regelungstechnik – nicht nur auf Aktorebene, sondern auch auf Systemebene.
Der modellbasierte Entwurf (Model-based Design, MBD) hat sich als die Technologie zur Bewältigung der Komplexität im Systementwurf erwiesen. Die Vorteile von MBD für eine effizientere Entwicklung und Kostensenkung sind sehr gut bekannt. Die Kombination der Vorteile von MBD mit den Fortschritten in der leistungsfähigen Halbleitertechnologie mit flexiblen, schnell rechnenden Field Programmable Gate Arrays (FPGA) eröffnet den Ingenieuren ein neues Feld an Möglichkeiten mit sehr schnellen Ausführungsgeschwindigkeiten auf dem Weg zu präzisen Steuerungen. Dieser Artikel untersucht Werkzeuge für die Entwicklung eingebetteter Software, insbesondere für Steuerungen von Elektromotoren, die den modellbasierten Entwurfsprozess verwenden.

Elektrische Aktoren

Es gibt im Wesentlichen zwei Arten an elektrischen Aktoren: Linear- und Drehantriebe. Die Linearantriebe werden je nach Kopplung mit dem Endverstärker entweder als Direktantrieb oder als Getriebeantrieb bezeichnet. Die Art der im System verwendeten Sensoren, insbesondere für die Bewegungsmessung, variiert von linear-variablen Differential-Transformatoren (LVDT) bis hin zu Resolvern je nach Aktortyp. Die anderen Komponenten des Aktors, also Motor und Leistungselektronik, bleiben für den Aktors gleich, sind aber an die Leistungsebene des Systems angepasst.

In diesen Aktoranwendungen werden verschiedene Arten von Motoren eingesetzt, zum Beispiel Asynchronmotoren, Gleichstrommotoren, bürstenlose Gleichstrommotoren oder permanenterregte Synchronmaschinen. Hochleistungsanwendungen, die ein höheres Drehmoment und eine höhere Drehzahl erfordern, verwenden häufig Asynchronmotoren, im Gegensatz zu Anwendungen mit höherer Präzision und geringerer Leistung, bei denen oftmals bürstenlose Gleichstrommotoren zum Einsatz kommen. Die umrichterbasierten Steuerungen können in beiden Fällen eingesetzt werden, auch wenn die tatsächlichen Techniken, zum Beispiel nur Drehzahlregelung vs. Drehzahl-, Leistungs- und Lageregelung, je nach Motor und Anwendung variieren.

Anwendungsfälle für eingebettete Systeme in der Werkzeugkette für die Aktorentwicklung

Rapid Control Prototyping (RCP) und Hardware-in-the-Loop (HIL)-Technologien zur Simulation von Regelungshardware und -software sowie zur Simulation von Aktoren, einschließlich Motor und Gesamtsystem, werden häufig bei der Entwicklung der Antriebstechnik eingesetzt. Diese Technologien können nicht nur für die Software-Entwicklung und das Testen eingesetzt werden, sondern auch, um die Hardware-Komponenten auf Herz und Nieren zu prüfen.

 
Use Case Type of Development System
Actuator Acceptance Test RCP
Controller and Actuator Prototyping RCP
Actuator Simulation HIL
Actuator Simulation + System Simulation HIL
System Integration Testing HIL

Abbildung 1: RCP- und HIL-Simulation für Aktorsysteme

Einerseits erfordert eine Rapid-Control-Prototyping-Plattform für die Entwicklung der Reglersimulation Prozessoren oder FPGAs, also Rechenplattform und Leistungselektronik. Andererseits kann eine Entwicklungsplattform in HIL-Anwendungen das System ganz oder teilweise bis hin zur Leistungselektronik des Steuergeräts simulieren (siehe Grafik 1).

Techniken der Motorsteuerung

Abbildung 2

Je nach Motor können die Steuerungssysteme eine Drehzahl- und Lageregelung für bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) oder eine feldorientierte Regelung für Permanentmagnet-Synchronmotoren (PSM) verwenden. Die für die Reglerentwicklung erforderlichen Sensorschnittstellen und Messungen variieren und müssen bei der Entwicklung von Steuerungssystemen berücksichtigt werden.

Abbildung 3

Anwendungen für bürstenlose Gleichstrommotoren erfordern typischerweise Messungen der Drehzahl mit Resolvern, zusätzliche Positionssensoren je nach Anwendung und üblicherweise Stromsensoren aus der Leistungselektronik für Leistungsregelkreise. Bei Permanentmagnet-Synchronmotoren sind zusätzliche Sensoren zur Strom- und Spannungsmessung erforderlich (siehe Grafik 3).

Entwicklungsplattform für Rapid Control Prototyping (RCP)

Abbildung 4: dSPACE Prozessor und FPGA-basierte Plattform MicroAutoBox II für die Entwicklung von Motorsteuerungen

Um hochdynamische Systeme präzise steuern zu können, sind Regelkreise mit sehr hohen Ausführungsgeschwindigkeiten von über 100 kHz notwendig. Fortschrittliche RCP-Systeme wie die MicroAutoBox II von dSPACE ergänzen die prozessorbasierte Berechnung um spezielle FPGA-basierte Berechnungs- und Sensorschnittstellenfunktionalitäten, um diese Anforderungen zu erfüllen.
Durch die Kombination der Prozessor- und FPGA-Plattformen in einer einzigen Einheit ermöglicht das dSPACE RCP-System den Ingenieuren, langsame und schnelle Teile der Regelungssysteme separat und gleichzeitig zu entwickeln. Die FPGA-Schicht des Systems bietet alle notwendigen Schnittstellen für Sensoren und den Anschluss dieses Systems zur Ansteuerung der Leistungselektronik.

Durch die Kombination der Prozessor- und FPGA-Plattformen in einer einzigen Einheit ermöglicht das dSPACE RCP-System den Ingenieuren, langsame und schnelle Teile der Regelungssysteme separat und gleichzeitig zu entwickeln. Die FPGA-Schicht des Systems bietet alle notwendigen Schnittstellen für Sensoren und den Anschluss dieses Systems zur Ansteuerung der Leistungselektronik.

HIL-System für Motor- und Systemsimulation

Um den Regelalgorithmus im Rahmen der modellbasierten Entwicklung zu validieren, ist es notwendig, dass das Motormodell, das schneller als das Reglermodell berechnet werden kann, aussagekräftige Eingaben für das Reglermodell liefert. Im HIL-Szenario können verschiedene Ansätze zur Motormodellierung für PMSM verwendet werden.

Motormodell

Abbildung 5: Modell eines permanentmagneterregten Synchronmotors

Das PMSM-Modell basiert auf einem Stator und einem Magnetfeld mit einer konfigurierbaren Anzahl von Magnetpolen. Das erzeugte Gegen-EMK in den Statorwicklungen ist sinusförmig, so dass die Maschine in d-q-Koordinaten modelliert ist (auch bekannt als Rotorbezugssystem). Die Echtzeitfähigkeit bezüglich Rechenzeit und I/O wird bei der Modellentwicklung berücksichtigt. Die Nichtlinearität des PMSM-Motors in Bezug auf Induktivitäten und magnetischen Fluss wird anhand von Wertetabellen modelliert. Der Rotor hat keine elektrische Verbindung, so dass es ausreicht, nur die Statorwicklungen zu modellieren. Es ist wichtig, die Berechnungsabweichung unterschiedlicher Solver zu beachten und geeignete Solver-Techniken zu wählen. In diesem Simulationsmodell wird eine geeignete Kombination von Mixed-Backward-Euler- und Tustin-Ansätzen verwendet.

Abbildung 6

Typische Motormodelle sind rechenintensiv. Auch hier können die schnellen und langsamen Teile des Motormodells, zum Beispiel die Berechnung des Motortemperaturmodells, im Vergleich zu Gegen-MEK-Berechnungen deutlich langsamer sein und zwischen dem FPGA und dem Prozessor aufgeteilt werden. Die FPGA-Lösung (XSG Blockset) von dSPACE ermöglicht eine einfache Aufteilung der Motormodellkomponenten auf das FPGA und der Restanteile, also langsame Dynamikanteile der Simulation, auf die Prozessorkarte (siehe Grafik 6).

HIL-Prüfsystem für BLDC-Motoren mit elektronischen Lasten für ein Hydraulikpumpensystem

Mit den dSPACE HIL-Systemen kann die eigentliche Leistungselektronik des Steuergeräts in das gesamte Testsystem eingebunden und gleichzeitig der Rest des Systems simuliert werden. Ein solche Testen auf Leistungsebene wird notwendig, wenn die Trennung von Steuerungs- und Leistungselektronik nicht möglich ist. In solchen Fällen ist die Stromaufnahme durch die Leistungselektronik durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeitsmotorsimulationen in Kombination mit hochdynamischen Stromlasten die einzige Testmöglichkeit. dSPACE Lösungen, die von kleineren 60-V-Systemen bis hin zu Hochleistungssystemen reichen, sind für solche Anwendungen ausgelegt.
Fortschrittliche Simulationen mit hoher Abdeckungsgüte, zum Beispiel die Finite-Elemente-Simulation, stehen zur Verfügung, um nichtlineare Eigenschaften basierend auf Position oder Strom zu simulieren. dSPACE Werkzeuge ermöglichen den Einsatz solcher Technologien, um eine qualitativ hochwertige Simulation in Ihre Entwicklungs- und Testprozesse zu integrieren.

Zusammenfassung

Die Entwicklung moderner, elektrifizierter Antriebssysteme erfordert ausgefeilte Simulationsmöglichkeiten in der Werkzeugkette, um Regelstrategien effektiv zu entwickeln und abzusichern. Fortschrittliche Hochgeschwindigkeitsberechnungen von Regelalgorithmen und Streckenmodellen auf FPGA-basierten Plattformen sind echte Voraussetzungen für die Weiterentwicklung der Aktortechnologie. Hardware-Plattformen und Software von dSPACE ermöglichen die einfache Programmierung dieser Modelle durch modellbasierten Entwurf und können Ihre Reglerentwicklung beschleunigen und dabei gleichzeitig Zeit und Kosten sparen.

Weiterführende Informationen