Testinfrastruktur Regelungssystem für Elektromotoren: Von der Desktop-Simulation bis zum Test

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Die Regelungsentwicklung von Elektromotoren und das Testen eingebetteter Regler für Motorantriebe ist zeitaufwändig und die erforderlichen Tests mit rotierenden Komponenten unter Hochspannung können potenziell gefährlich sein. Hier schafft ein Regelungssystem mit digitalen Zwillingen eine sichere Umgebung. Sie ermöglicht auch einen durchgängigen Testworkflow über alle Phasen hinweg.

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 Mikrocon-troller bereitgestellt ist, kann es auf Signalebene in einem Hardware-in-the-Loop (HIL)-Aufbau mit digitalen Zwillingen von Elektromotor und Antrieb getestet werden. Anschließend wird der Motorantrieb bei tatsächlicher Leistung geprüft.

Regelungssystem: Simulation am Rechner

Ein intelligenter Entwicklungsansatz ermöglicht es, neue Ideen auszuprobieren, den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und gleichzeitig Designprobleme frühzeitig aufzudecken. Dabei ist der nahtlose Übergang vom frühen Entwurf und der Simulation auf dem Rechner zu Rapid Control Prototyping und HIL-Tests entscheidend. Idealerweise werden alle Schritte der Softwareentwicklung für das eingebettete System wie Hardware-, Firmware- und Softwareentwicklung in einen modellbasierten Design-Workflow integriert. Entwicklungs- und Testingenieure können so alle Schritte des Testens automatisieren und sicherstellen, dass die erforderlichen Anforderungen eingehalten werden. So können Regelungsentwürfe in jeder Phase des Entwicklungsprozesses getestet und weiterentwickelt werden.

Testsystem als Controller

In der Prototyping-Phase wird der Regelungsentwurf auf dem Echtzeittestsystem ausgeführt – er steuert den tatsächlichen Elektromotor und wird so validiert: Die Algorithmen können getestet und optimiert werden, bevor sie in der echten Regelung zum Einsatz kommen. Traditionelles Prototyping ist aufgrund der langen Iterationszyklen zeitaufwändig. Rapid Control Prototyping löst diese Probleme mit einem leistungsstarken und flexiblen Prototyp-Controller und erhöht die Entwicklungsgeschwindigkeit.

Regelungsdesigns von Simulink beispielsweise lassen sich kontinuierlich und iterativ mithilfe von Hardware früh im Entwicklungsprozess testen. Der Ablauf unterstützt außerdem die Qualitätskon­trolle; optimale Kontrollstrategien für die definierten Anforderungen lassen sich leichter finden. Nicht zuletzt erzeugt die automatische Codegenerierung Code mit höherer Qualität, Fehler können schneller gefunden und korrigiert werden.

Dazu müssen die Testsysteme bestimmte Anforderungen erfüllen: Speedgoat-Testsysteme können mit Multicore-Prozessoren und FPGAs konfiguriert werden. Regelungsdesigns für die Leistungselektronik mit Halbleitern aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) können auch auf Simulink-programmierbaren FPGAs implementiert werden. 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 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: Damit wird das vollständige und anforderungsbasierte Testen aller Schnittstellen möglich. Um Regelungssysteme mit hohen Schaltfrequenzen zu validieren, können Echtzeitsimulationen von Leistungswandlern oder Motorantrieben durchgeführt werden. Durch den Einsatz des Echtzeit-Testsystems kann eine gefahrlose Validierung unter normalen als auch unter Fehlerbedingungen erfolgen. Mit einem herkömmlichen Testansatz an einer realen Anlage ist das nicht möglich – das Testen von Grenzfällen könnte den Motorantrieb oder das elektrische System beschädigen. Zudem kann in einem solchen Szenario derselbe Testaufbau nicht wiederholbar hergestellt werden und die Anlage steht nicht immer zum Testen zur Verfügung. Das macht es teuer und schwierig, die notwendigen Testbedingungen wieder her- und die Qualität der Regler-Tests durchgängig sicherzustellen.

Mit herkömmlichen Tests dauert die Iteration des Regelungsalgorithmus länger. Ein digitaler Zwilling erlaubt es dagegen, Testfälle für alle Anforderungen zu definieren und macht das automatisierte Testen unter reproduzierbaren Testbedingungen möglich. Fehler können frühzeitig erkannt werden. Dank der hohen Verfügbarkeit kann rund um die Uhr kontinuierlich getestet und buchstäblich Millionen von Tests zu einem Bruchteil der Kosten durchgeführt werden. Da außerdem die Umgebung von den Anforderungen bis zur Zertifizierung gleichbleibt, wird die Qualität der Regler-Tests sichergestellt.

Speedgoat-Testsysteme bieten hier schlüsselfertige I/O-Konnektivität und 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.

Unter voller Leistung

Elektroingenieure nutzen die letzte Testphase, Leistungs-HIL (Power-HIL), um voll mit Strom versorgte Komponenten zu testen: 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 Einsatz möglich. Das Testsystem kann elektrische Schnittstellen mit hoher Bandbreite mithilfe von Leistungsverstärkern im Bereich von einigen Hundert Watt bis hin zu Megawatt emulieren.

Für Leistungs-HIL-Tests ist es erforderlich, dass der digitale Zwilling die elektrische Leistung der Ausrüstung genau abbildet. Mit Simulink und seinen Produkten können präzise Modelle von Elektromotoren erstellt werden, einschließlich nicht linearer Eigenschaften, experimenteller Daten oder FEA-Daten aus Software wie Ansys Maxwell und JMAG-RT. Und mit einem Speedgoat-Testsystem lassen sich auch Sensoren wie Encoder, Resolver, RTDs, Thermoelemente oder Relais emulieren.

Effizientes und skalierbares Regelungssystem

Anforderungsbasiertes Testen und Testautomatisierung werden mit Speedgoat-Testsystemen und Simulink-Produkten möglich. Die Verwendung einer einzigen Plattform für Entwicklung und Tests gleichermaßen ist für ein effizientes Testregiment entscheidend: Damit können dieselben Arbeitsabläufe für das Rapid Control Prototyping und als Anlagenmodelle für Hardware-in-the-Loop (HIL)- oder Leistungs-HIL-Tests genutzt werden. Speedgoat-Testsysteme ermöglichen eine nahtlose Simulink-Workflow-Integration mit Simulink Real-Time. Sie sind schlüsselfertig und bieten serienmäßige I/O-Konnektivität, Protokollunterstützung und Sensoremulation. Anwendungsspezifische Modelle von Regelungsdesigns und Anlagensimulationen beschleunigen den Prozess. Auch Kalibrierungstools und Leistungsverstärker von Drittanbietern können integriert werden.