Präzise und hochgenaue Echtzeitsimulation von Elektromaschinen
Eine erfolgreiche und zuverlässige Implementierung von Hardware-in-the-Loop für die Leistungselektronik erfordert fundierte Modelle, eine schnelle Programmausführung mit Reaktionszeiten von höchstens einigen Mikrosekunden sowie eine äußerst schnelle I/O-Kommunikation, um realitätsnahe Prüfbedingungen der Steuerung zu erhalten. Zudem werden Daten durch Werkzeuge für die Überwachung und Interaktion mit dem Simulator und eine Visualisierung zur Ergebnisinterpretation (Bereich, Kurven, Datenaufzeichnung usw.) benötigt.
Auf Grundlage der Simulationsplattform RT-LAB ist OPAL-RTs FPGA-Bibliothek der Elektromaschinen in die besondere Programmumgebung von eFPGASIM integriert und wird damit zur idealen Plattform für die Konstruktion und Erprobung von Steuerungen, Leistungselektroniken und elektrischen Antriebssystemen.
Generische Konfiguration über die FPGA-Bibliothek der Elektromaschinen
Die Firmware der FPGA-Bibliothek der Elektromotoren enthält Gleich- und Wechselrichter der Leistungselektronik, die sich über eHS, den Solver von OPAL-RT, wechseln und bearbeiten lassen.
Das Modell enthält fest zugeordnete I/Os, die in den meisten Motorsteuerungen vorkommen, also zum Beispiel PWMs, Resolver, Encoder und Hall-Sensoren. Alle I/Os können in RT-XSG umkonfiguriert werden.
FPGA-Bibliothek Elektromaschinen
Die FPGA-Bibliothek der Elektromaschinen enthält eine Liste der Leistungselektroniken und Motoren, mit denen Sie alle Komponenten des elektrischen Motorantriebs simulieren können. Sie enthält detaillierte mathematische Modelle von unterschiedlichen Elektromotoren wie:
Synchrone Permanentmagnetmaschinen (PMSM – IPM – BLDC – SPM)
Kernmärkte für PMSMs finden sich in der Automobil- und Transportbranche. Dieser Maschinentyp ist besonders wegen seiner Leistungsdichte (Leistung pro Größen-/Gewichtseinheit) und das höhere Drehzahlvermögen bekannt. Die Lösungen von OPAL-RT enthalten I/O-Schnittstellen für Drehmelder und Inkrementalgeber sowie Kommunikationsprotokolle für zeitgenaue Informationen und Rückmeldungen der Wegmesseinrichtungen wie sie besonders für die erfolgreiche Erprobung und Simulation dieses Motortyps benötigt werden.
Induktionsmaschinen (DFIG – DFIM – Käfigläufermotoren)
Wegen ihres Selbstanlaufs sowie der verlässlichen und wirtschaftlichen Betriebsweise finden Induktionsmotoren breite Anwendung als Industrieantriebe. Auch in Antriebe mit variabler Frequenz (VFDs) kommen sie im Regelbetrieb, aber zum Beispiel auch in Windturbinen immer häufiger zum Einsatz. Die Lösungen von OPAL-RT unterstützen verschiedene, zur Laufzeit modifizierbare Maschinenkonfigurationen und -parameter, was die Prüfmöglichkeiten erhöht und unsere Simulatoren damit zu unverzichtbaren Werkzeugen bei Steuerungstests an Induktionsmaschinen macht.
Geschaltete Reluktanzmaschinen (SRMs)
Geschaltete Reluktanzmaschinen laufen mit Reluktanzmoment und liefern Leistung an die Statorwicklungen. SRMs kommen in Anwendungen und Fahrzeugen zum Einsatz, gelten als entkoppelt und weisen eine komplexe Beziehung zwischen Erregerstrom, Rotorlage und magnetischer Flussverkettung auf. Die Lösungen von OPAL-RT erlauben eine einfache Einbindung in Programme für die Fertigteilmodellierung wie das JMAG-Studio von JSOL, MotorSolve von Infolytica oder ANSYS Maxwell. Damit werden hochpräzise Tests sowie die Protokollierung komplexer Informationsflüsse zwischen dem magnetischen Fluss und den anderen oben genannten Variablen ermöglicht.
Virtuelle Fehlerinjektion bei Stromrichtern, Brücken und Elektromotoren
Eine vollständige Testabdeckung bei Elektromotoren erfordert eine Bewertung des Regelverhaltens bei verschiedenen Fehlerszenarien in Elektromotoren und Umrichtern. Die von OPAL-RT angebotene Lösung ermöglicht bei vielen Umrichtern und Motoren die Simulation von Fehlern wie:
- Leitungsunterbrechung, Kurzschluss oder Gatterfehler auf jedem beliebigen IGBT
- Leitungsunterbrechung und Leiter-Leiter-Kontakt als mögliche Motorfehler
- Gleichstromverbindungsfehler
- Nicht optimales Verhalten des Resolversensors
Kosten und Zeit bis zur Markteinführung mit einem umfassenden und wiederholgenauen Prüfwerkzeug senken
OPAL-RTs FPGA-Bibliothek der Elektromaschinen enthält alle Python-, TestStand- und MATLAB-konformen Module, die Sie für eine automatische und wiederholgenaue Test- und Monte-Carlo-Auswertung benötigen. Mit minimalen Programmierkenntnissen können Sie bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium Open-Loop- und Closed-Loop-Tests für die zu prüfende Hardware erstellen:
- Erstellung komplexer Ausführungsabläufe
- Erzeugen beliebiger Testvektoren zur Simulation komplexer Transienten- und Fehlerbedingungen
- Erstellung detaillierter Berichte und Grafiken
- Anpassbare Bedienschnittstelle zur Präsentation und Darstellung der Ergebnisse in Echtzeit
- Speichern der Daten in einer externen Datenbank
Lesen Sie dazu unsere Artikel zu Elektromaschinen:
Integration mit der Finite-Elemente-Methode
Die FPGA-Bibliothek der Elektromaschinen kann die per Finite-Elemente-Methode (FEM) erzeugten Induktivitäten und Gegen-EMF-Daten in die Motormodelle importieren. Die FEM wird benötigt, wenn klassische D-Q-Modelle wegen der großen Asymmetrie im Motoraufbau und den daraus entstehenden nicht-sinusförmigen Flüssen und Strömen nicht eingesetzt werden können. Das ist besonders für die Hersteller von Hybridfahrzeugen und die dort verwendeten Hochgeschwindigkeitsmotoren von Bedeutung, die auf Raum, Kosten und Sättigung optimiert sind.
In FEM-Werkzeuge integrierte Motoren bieten bei der Simulation folgende Vorteile:
- Motormodelle mit größerer Präzision als herkömmliche D-Q-Modelle
- Effekte der Rotorasymmetrie
- Oberwelle der Gegen-EMF
- Sättigungseffekte
- Rastmoment
Lösungspartner
JMAG-RT generiert sehr zuverlässige Anlagenmodelle. Verwenden Sie den JMAG-RT-Block in OPAL-RTs Hardware-in-the-Loop-Simulationen (HIL-Simulationen), die ein reales elektronisches Steuergerät (ESG) mit einem virtuellen Motor verbinden. Das von JMAG-RT erzeugte Anlagenmodell kann das elektromagnetische Gerät in Simulationen auf Systemebene präziser darstellen und eine sehr schnelle Berechnung erreichen.
Mit Infolyticas MotorSolve können Maschinenentwickler eine mit der OPAL-RT-Software kompatible Motordatendatei erstellen. Regelungstechniker können diese Daten zur Erzeugung einer extrem präzisen und flexiblen Motorsimulation in FPGA-Simulatoren unter RT-LAB übernehmen und damit das Vorgehen bei der Prüfung von Elektromotoren dramatisch verändern.
Zur Prüfung und Validierung komplexer Antriebssysteme aus verschiedenen Anwendungsbereichen wie Antriebsstränge von Elektro- und Hybridfahrzeugen, Industrieantriebe, Werkzeugmaschinen usw. lassen sich die von Ansys Maxwell mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) erstellten Softwaremodelle in eine OPAL-RT-Simulationsplattform für Hardware-in-the-Loop (HIL) einbinden.
Perfekte Werkzeuge für alle Simulationen und Tests
Die von OPAL-RT angebotenen Hardware-in-the-Loop– und Power-Hardware-in-the-Loop-Simulatoren sind skalierbar und beinhalten einen leistungsfähigen Echtzeitrechner, Elektromotoren sowie präzise Hochgeschwindigkeitssolver, die den strengen Anforderungen bei der akkuraten Steuerungserprobung und Antriebssimulation genügen.
Lesen Sie hier, wie Ford OPAL-RTs HIL-Simulationsplattform für Tests am PMSM-Hybridantrieb des Ford Fusion eingesetzt hat
Plastic Omnium hat OPAL-RTs PHIL-Prüfstand zur Erprobung der sensorlosen Regelung eines 3-Phasen-BLDC-Motors eingesetzt
Anwendungen
Bordnetze
Elektro- und Hybridtransporter
Regelungen für Stromnetze
Zugehörige Quellen
