Die modellbasierte Entwicklung von Regelungen für elektrische Antriebe beginnt typischerweise mit einer Simulation am Rechner. Danach werden Prototypen der Regelungsentwürfe erstellt: Mit Rapid Control Prototyping kann der Regelungsentwurf auf flexibler und leistungsstarker Hardware in Echtzeit ausgeführt werden. Sobald das Regelungsdesign auf einem Mikrocontroller bereitgestellt ist, lässt es sich auf Signalebene in einem Hardware-in-the-Loop-Aufbau (HIL) mit digitalen Zwillingen von Elektromotor und Antrieb testen. Anschließend wird der Motorantrieb im Rahmen von Leistungs-HIL-Tests bei der tatsächlichen Leistung geprüft.
Simulation am Rechner
Ein intelligenter Ansatz ermöglicht es, den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und Designprobleme frühzeitig aufzudecken. Dabei ist der nahtlose Übergang vom frühen Entwurf und der Simulation auf dem Rechner hin zum Rapid Control Prototyping sowie HIL-Tests entscheidend. Idealerweise sind alle Schritte der Entwicklung für das eingebettete System, wie Hardware-, Firmware- und Softwareentwicklung, in einen modellbasierten Design-Workflow integriert. So können Entwicklungs- und Testingenieure alle Schritte des Testens automatisieren und sicherstellen, dass die erforderlichen Anforderungen eingehalten werden. Damit besteht die Möglichkeit die Regelungsentwürfe in jeder Phase des Entwicklungsprozesses kontinuierlich zu testen und weiterzuentwickeln.
Testsystem als Controller für Prototyping
In der Prototyping-Phase wird der Regelungsentwurf auf dem Echtzeittestsystem ausgeführt – er steuert den tatsächlichen Elektromotor und wird so validiert: Die Algorithmen lassen sich testen und verbessern, bevor man sie in der echten Regelung einsetzt. Traditionelles Prototyping ist aufgrund der langen Iterationszyklen zeitaufwändig. Rapid Control Prototyping löst diese Probleme mit einem leistungsstarken und flexiblen Prototyp-Controller und verkürzt die Entwicklungszeit.
Beispielsweise kann man Regelungsdesigns von Simulink kontinuierlich und iterativ mit Hilfe von Hardware früh im Entwicklungsprozess testen. Der Ablauf unterstützt außerdem die Qualitätskontrolle. Nicht zuletzt erzeugt die automatische Codegenerierung Code mit höherer Qualität, sodass Fehler schneller gefunden und korrigiert werden können.
Um diese Vorteile voll nutzen zu können, müssen die Testsysteme bestimmte Anforderungen erfüllen: Speedgoat-Testsysteme sind beispielsweise mit leistungsstarken Multicore-Prozessoren und FPGAs konfigurierbar. Regelungsdesigns für die Leistungselektronik mit Halbleitern aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) lassen sich auch auf Simulink-programmierbaren FPGAs implementieren. Darüber hinaus bieten Speedgoat-Testsysteme schlüsselfertige I/O-Konnektivität und unterstützen eine Vielzahl an Kommunikationsprotokollen.
Testsystem für Controller-HIL-Tests
In der folgenden Testphase wird anstelle des physischen Antriebs ein digitaler Zwilling auf einem Echtzeit-Testsystem ausgeführt, das mit dem Regelungssystem verbunden ist. Diese Controller-Hardware-in-the-Loop-Tests (C-HIL) erlauben die Validierung des Regelungssystems für Motorantriebe zum Beispiel mit feldorientierter oder direkter Drehmomentsteuerung, was das vollständige und anforderungsbasierte Testen aller Schnittstellen ermöglicht. Um Regelungssysteme mit hohen Schaltfrequenzen zu validieren, lassen sich Echtzeitsimulationen von Leistungswandlern oder Motorantrieben durchführen. Der Einsatz des Echtzeit-Testsystems erlaubt eine gefahrlose Validierung unter normalen sowie unter Fehlerbedingungen. Mit einem herkömmlichen Testansatz an einer realen Anlage ist das nicht möglich, da das Testen von Grenzfällen den Motorantrieb oder das elektrische System beschädigen könnte.
Ein digitaler Zwilling erlaubt es Testfälle für alle Anforderungen zu definieren und ermöglicht das automatisierte Testen unter reproduzierbaren Testbedingungen. So lassen sich nicht nur Fehler frühzeitig erkennen, durch die hohe Verfügbarkeit kann man rund um die Uhr kontinuierlich testen und buchstäblich Millionen von Tests zu einem Bruchteil der Kosten durchführen. Da außerdem die Umgebung von den Anforderungen bis zur Zertifizierung gleich bleibt, wird die Qualität der Regler-Tests sichergestellt.
Speedgoat-Testsysteme bieten diesbezüglich schlüsselfertige I/O-Konnektivität sowie Unterstützung für alle relevanten Kommunikationsprotokolle und ermöglichen unter anderem die Simulation von Busnetzwerken. Mit dedizierten I/O-Modulen ist die Emulation von Sensoren wie Encodern, Resolvern, RTDs, Thermoelementen, Relais oder Batteriezellen möglich.
Tests unter voller Leistung
Leistungs-HIL (Power-HIL) erlauben die Tests von Komponenten unter Strom. Hierfür wird der digitale Echtzeit-Zwilling des Elektromotors auf einem Testsystem ausgeführt, während er an den Motorantrieb, den Leistungsverstärker sowie an die Regelung über die Standard-I/O-Schnittstelle angeschlossen ist. So kann der Motorantrieb bei voller Leistung validiert werden: Damit werden Tests von Motorantrieben, Leistungswandlern und Elektromotoren unter typischen Betriebs- und Fehlerbedingungen vor dem endgültigen Einsatz möglich.
Für Leistungs-HIL-Tests ist es erforderlich, dass der digitale Zwilling die elektrische Leistung der Ausrüstung genau abbildet. Mit Simulink und seinen Produkten lassen sich zum Beispiel präzise Modelle von Elektromotoren erstellen, einschließlich nicht linearer Eigenschaften, experimenteller Daten oder FEA-Daten aus Software, wie Ansys Maxwell und JMAG-RT. Mit einem Speedgoat-Testsystem kann man auch Sensoren wie Encoder, Resolver, RTDs, Thermoelemente oder Relais emulieren.
Effiziente und skalierbare Testsysteme
Speedgoat-Testsysteme und Simulink-Produkte ermöglichen anforderungsbasiertes Testen und Testautomatisierung. Die Verwendung einer einzigen Plattform für Entwicklung und Tests gleichermaßen ist für ein effizientes Testregiment von entscheidender Bedeutung: Damit können dieselben Arbeitsabläufe für das Rapid Control Prototyping sowie als Anlagenmodelle für HIL- oder Leistungs-HIL-Tests genutzt werden. Speedgoat-Testsysteme erlauben eine nahtlose Simulink-Workflow-Integration mit Simulink Real-Time. Sie sind schlüsselfertig und bieten serienmäßige I/O-Konnektivität, Protokollunterstützung sowie Sensoremulation. Anwendungsspezifische Modelle von Regelungsdesigns und Anlagensimulationen beschleunigen den Prozess erheblich. Auch Kalibrierungstools und Leistungsverstärker von Drittanbietern können integriert werden.
Fazit
Das Testen der Elektromotor-Hardware – einschließlich Sensoren, Antrieben und Leistungswandlern -, die mit dem Regelungssystem verbunden ist, ist für die Entwicklung von Elektromotorregelungen von entscheidender Bedeutung. Ein effizientes wie skalierbares Testsystem für alle notwendigen Schritte ermöglicht kontinuierliche Arbeitsabläufe und die sichere Validierung der Komponenten. Da alle Phasen in derselben Umgebung getestet werden, können optimale Regler entwickelt und gleichzeitig die Qualität sichergestellt werden – bei hohem Innovationsgrad.
