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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Simulation der Wirkung wenigstens einer elektrischen/elektronischen,
insbesondere induktiven Last an einem Steuergerät, insbesondere einem Kfz-Steuergerät. Hierbei
wird unter einer elektrischen/elektronischen Last ein Vorrichtung
oder ein Bauelement verstanden, welches beim Anschluss an ein Steuergerät einen
Stromfluss aus diesem heraus oder in dieses hinein hervorrufen würde entsprechend
den physikalischen Eigenschaften der Last.
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Ein
Anwendungsgebiet von Steuergeräten liegt
im Kraftfahrzeuggebiet, wo Steuergeräte eingesetzt werden, um verschiedene
Aufgabe in einem Fahrzeug zu steuern, z.B. die Kraftstoffeinspritzung, Bewegung
von Drosselklappen, Ansteuerung von Stellmotoren (z.B. Scheibenwischer,
Klimaanlagenklappen etc.). Die Bezugnahme auf dieses Gebiet im Rahmen
der vorliegenden Erfindungsbeschreibung beschränkt die Erfindung nicht auf
dieses Gebiet, sondern soll lediglich als Beispiel dienen.
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Um
moderne Fahrzeuge effektiv zu betreiben, werden verschiedene Fahrzeugaufgaben
von einer Reihe von Steuergeräten
mit entsprechenden Sensoreingaben, Regelungsalgorithmen und Aktuatorenausgaben
umgesetzt. Die Entwicklung von solchen Steuergeräten für den automotiven Bereich umfasst
mehrere Schritte.
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Am
Anfang einer regelungstechnischen Aufgabenstellung steht zunächst die
mathematische Modellierung und Simulation eines technisch-physikalischen
Prozesses, dem ein wunschgemäßes dynamisches
Verhalten aufgeprägt
werden soll. Anhand des resultierenden abstrakten mathematischen Modells
lassen sich verschiedene Regelungskonzepte, die ebenfalls ausschließlich als
mathematische Modellvorstellung vorliegen, im Rahmen numerischer
Simulationen erproben; dieser Schritt stellt die Phase der Modellierung
und des Reglerentwurfes meist auf Basis computergestützter Modellierungswerkzeuge
dar.
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In
einem zweiten Schritt wird der im mathematischen Modell entworfene
Regler auf eine echtzeitfähige
Simulations-Einheit übertragen,
die meist sowohl in ihrer Rechenleistung wie auch hinsichtlich ihrer
I/O-Fähigkeiten
ein übliches
Serien-Steuergerät bei
weitem übertrifft
und mit dem echten physikalischen Prozess bzw. einer diesen Prozeß bestimmenden
Vorrichtung wechselwirkend in Verbindung steht.
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Da
die Übertragung
des abstrakt formulierten Reglers von einem Modellierungswerkzeug
auf die Simulations-Einheit weitestgehend automatisiert erfolgt,
wird in der zweiten Phase von Rapid-Control-Prototyping (RCP) oder
Funktions-Prototyping gesprochen.
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Ist
das regelungstechnische Problem mit dem auf der Simulations-Einheit
betriebenen Regler gelöst,
wird der Regelungsalgorithmus im Rahmen der Steuergeräte-Implementierung – meist
voll automatisiert – auf
das letztendlich in der Praxis einzusetzende (Serien-) Steuergerät übertragen.
Dieser Prozess wird als Implementierung bezeichnet.
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Prinzipiell
steht nun ein fertiges Steuergerät zur
Verfügung
und konsequenterweise könnten
nun Testfahrten und Testprozeduren durchgeführt werden. Solche Testfahrten/Prozeduren
finden unter widrigen und extremen Bedingungen statt, um Ausfallsicherheit
zu gewährleisten.
Da Fahrzeugprototypen zum Zeitpunkt dieser Entwicklungsstufe meist noch
nicht vorhanden sind, und um paralleles Entwickeln aufgrund der
Verkürzung
von Entwicklungszeiten zu ermöglichen,
werden Testszenarien auf Simulatoren durchgeführt.
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D.
h. das entwickelte reale Steuergerät inklusive Software wird anhand
einer simulierten Regelstrecke bzw. einer Testumgebung getestet.
Dieser Entwicklungsschritt wird Hardware-In-the-Loop (HIL) Prozess
genannt. Ein weiterer Vorteil eines solchen Vorgehens liegt darin,
dass auch ein einzelnes Steuergerät oder nur Teile des Steuergeräteverbunds oder
auch reale Komponenten (z. B. der Motor) im Verbund mit dem Steuergerät simulierbar
sind. Dies ermöglicht
virtuelle Testfahrten, lange bevor der erste Fahrzeugprototyp fertig
gestellt ist. Die Folge sind enorme Kosten- und Zeitersparungen.
Ein solcher Simulator kann auch Testfahrten jenseits der Grenzbereiche,
die für
reale Fahrzeuge möglich
sind, durchführen.
Weiterhin sind Testfahrten reproduzierbar, automatisierbar und können hinsichtlich
der Parameter geändert
werden.
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Die
Regelstrecke bzw. eine Testumgebung kann sowohl softwareseitig als
auch mittels Hardware simuliert werden. Jedoch kann nicht ohne weiteres
jedes Verhalten simuliert werden, insbesondere nicht das Verhalten
einer elektrischen oder elektronischen Last, so dass dann die reale
Last an das Steuergerät
angeschlossen wird. Als Beispiel sei hier die Drosselklappe oder
auch ein Scheibenwischermotor genannt.
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Insbesondere
induktive Lasten bereitet Schwierigkeiten bei einer Simulation,
da beim Abschalten der Spannungsversorgung die Induktivität die Energie
im System aufrecht erhalten möchte
und somit einen Strom IL in entgegengesetzter
Richtung des Vesorgungsstroms hervorruft.
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Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, dass elektrische/elektronische
Lasten durch entsprechende Hardwarebauteile, die zugeschaltet oder
eingebaut werden, simuliert werden. Häufig wird dabei die Reallast,
also konkret z.B. ein Scheibenwischermotor angeschlossen, um so
verschiedene Aspekte des Verhaltens zu analysieren. Hierbei hat
diese Hardware eine bestimmte physikalische Eigenschaft bzw. ein
festes physikalisches Verhalten am Steuergerät, so dass bei geänderten
Bedingungen an ein Steuergerät
eine andere Hardware angeschlossen werden muss.
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Daraus
folgenden Nachteile wie häufiger Umbau
und Umrüstung
der Reallasten. Einhergehend damit sind solche System nicht gut
skalierbar. Vor allem ist es schwierig hohe Stromlasten bei geringen
Herstellungskosten zu realisieren.
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Ansätze das
Verhalten der elektrischen/elektronischen Lasten durch rechnergestützte Simulationsmodelle
nachzubilden scheitern an dem dynamischen Verhalten realer Lasten.
Um das dynamische Verhalten einer Last hinreichend gut zu simulieren, sind
Ausführungszeiten
von kleiner gleich 1 Mikrosekunde notwendig, wobei eine solche Ausführungszeit die
Zeiteinheit meint, die ein Simulationsmodell benötigt, um einmal abgearbeitet
zu werden. Reine rechnergestützte
Simulationsmodelle wie beispielsweise unter der Simulationsumgebung „Simulink" de Firma MathWorks
erreichen Ausführungszeiten
von 100 Mikrosekunden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen,
mittels denen die Simulation einer elektrischen/elektronischen Last möglich ist
ohne die simulierte reale Last an einem Steuergerät anschließen zu müssen. Weiterhin
ist es Aufgabe eine Simulation zu ermöglichen, die schnell genug
ist, auch das schnelle dynamische Verhalten von Lasten, insbesondere
induktiven Lasten nachzubilden. Weiterhin ist es Aufgabe eine schnelle Änderung
der Simulationsbedingungen zu ermöglichen.
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Diese
Aufgaben werden durch ein Verfahren gelöst, bei dem ein theoretisch
durch die simulierte Last an dem wenigstens einen Anschluss fließender Strom
dadurch real nachgebildet wird, dass mittels einer mit dem wenigstens
einen Anschluss eines Steuergerätes
verbundenen ansteuerbaren Stromeinheit ein Strom dem Steuergerät entnommen oder
aufgeprägt
wird.
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Wesentlicher
Gedanke bei diesem Verfahren ist es, dass statt der realen Last,
die zu Testzwecken an ein Steuergerät anzuschließen wäre, nunmehr
an ein Steuergerät
eine Stromeinheit angeschlossen wird, die den Strom, der durch die
reale Last fließen würde praktisch,
d.h. real nachbildet, indem mittels dieser Stromeinheit der Strom
der theoretisch durch die Last fließen würde nun durch die Stromeinheit
erzeugt wird.
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Hierbei
bietet die Stromeinheit die Möglichkeit,
einen Strom aus dem Steuergerät
zu entnehmen, d.h. der Strom fließ aus dem Steuergerät in die Stromeinheit
oder diesem Steuergerät
aufzuprägen, d.h.
der Strom fließt
von der Stromeinheit in das Steuergerät. Hierbei fließt der Strom
jeweils über
den einen oder mehrere Anschlüsse
des Steuergerätes, an
dem/denen die reale Last angeschlossen wäre und an dem/denen statt dessen
die Stromeinheit angeschlossen ist.
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Vorteilhaft
ist dieses Vorgehen gegenüber dem
Anschluss einer realen Last, da die Stromeinheit fähig sein
kann, das physikalische Verhalten nicht nur einer sondern bevorzugt
mehrerer verschiedener realer Lasten nachzubilden, z.B. durch eine
geeignete Parametrierung, die z.B. durch eine Software vorgenommen
werden kann.
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Erreicht
werden kann dies durch eine Vorrichtung, die an einem Steuergerät anschließbar ist und
bei welcher zur realen Nachbildung des durch die simulierte Last
an wenigstens einem Anschluss eines Steuergerätes fließende Strom wenigstens eine
Recheneinheit vorgesehen ist, welche eine den Strom in der Last
repräsentierende
Steuergröße berechnet
und/oder bereitstellt, insbesondere in Abhängigkeit einer Gesamtspannung
oder deren Betrag, die über
der simulierten Last abfällt,
und bei der wenigstens eine Stromeinheit mit wenigstens einer Hilfsspannungsquelle
zur Bildung einer Stromquelle und/oder Stromsenke vorgesehen ist,
an welche die Steuergröße von der
Recheneinheit übertragbar
ist, und die einen von der übertragenen
Steuergröße abhängigen realen
Strom aus dem Steuergerät
entnimmt oder dem Steuergerät
aufprägt.
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Wesentlich
ist es bei dieser Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahren eingesetzt
werden kann, dass anhand einer Berechnungsvorschrift, die in einer
Recheneinheit vorgegeben ist, eine Steuergröße gebildet wird, die wiederum
zur Steuerung der vorgenannten Stromeinheit eingesetzt ist, um so
einen Strom konkret und real am Steuergerät zu bilden, der dem Strom
entspricht, der fließen
würde,
wenn die simulierte Last real am Steuergerät angeschlossen wäre.
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Um
zu erreichen, dass mittels der Stromeinheit ein im physikalischen
Verhalten der realen Last entsprechender Strom an dem jeweiligen
Anschluss des Steuergerätes
nachbildbar ist, kann es vorgesehen sein, dass ein solcher Anschluss
mittels der Stromeinheit mit wenigstens einem Hilfspotential verbunden
wird. Hierbei können
Hilfspotentiale z.B. durch die Anschlüsse für Versorgungsspannung und Masse
des Steuergerätes
gegeben sein.
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Wird
demnach ein Anschluss eines Steuergerätes, an welchem das Steuergerät eine Steuerspannung
angelegt hat, die vom Betrag zwischen Masse und Versorgungsspannung
liegt, durch die Stromeinheit auf Masse gezogen, so wird ein Strom aus
dem Steuergerät
heraus erzeugt. Wird hingegen der Anschluss auf Versorgungspotential
gezogen, so erfolgt der Stromfluß in das Steuergerät hinein.
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So
kann auf diese Weise die Stromrichtung beeinflusst werden. Die Verbindung
eines Anschlusses zu einem Hilfspotential erfolgt dabei durch die
erfindungsgemäße Vorrichtung
mittels entsprechender Schaltungen.
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Hierbei
kann es insbesondere vorgesehen sein, dass das Hilfspotential in
Abhängigkeit
der Steuergröße auswählbar ist
und/oder die Größe des Hilfspotential
einstellbar ist. So kann in Abhängigkeit der
Steuergröße die Potentialdifferenz
an einem Anschluss des Steuergerätes
beeinflusst werden sowohl hinsichtlich der Polarität als auch
hinsichtlich des Betrages. Somit sind Ströme in beiden Richtungen und
verschiedenen Stromstärken
nachbildbar.
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Die
genannte Stromeinheit kann in Abhängigkeit der Steuergröße, welche
bevorzugt den theoretischen Strom in der simulierten Last repräsentiert, ein
variables Strombegrenzungsmittel einstellen oder auswählen. Als
ein solches Strombegrenzungsmittel kann zum einen das vorgenannte
Hilfspotential eingesetzt werden, da ein Strom hinsichtlich seines
Betrages vom Betrag der Potentialdifferenz zwischen Hilfspotential
und Anschluss des Steuergerätes
abhängt.
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Alternativ
oder auch kumulativ zu dieser Ausführung kann ein Strombegrenzungsmittel
auch durch ein einstellbares Widerstandselement gebildet werden.
Dieses Strombegrenzungsmittels kann z.B. auch durch einen Transistor
gebildet werden.
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Die
vorgenannte Stromeinheit kann eine Quelleneinheit und eine Senkeneinheit
aufweisen, die in Abhängigkeit
der Steuergröße aktivierbar
sind. Je nach gewünschter
Stromrichtung kann also somit die eine oder andere dieser beiden
Einheiten aktiviert werden. Insofern kann es bevorzugt vorgesehen sein,
dass sowohl die Quelleneinheit als auch die Senkeneinheit wenigstens
ein Strombegrenzungsmittel der vorgenannten Art aufweisen kann.
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Die
Steuergröße, welche
zur Ansteuerung der Stromeinheit dient und Einfluss nimmt auf den Strom,
der nachgebildet werden soll, kann in besonders bevorzugter Ausführung mittels
eines Simulationsmodelles berechnet werden, welches z.B. in der Recheneinheit
der Vorrichtung implementiert sein kann. Hierdurch ergibt sich auch
die besondere Variabilität
der Erfindung, da durch eine Änderung
bzw. Festlegung des Simulationsmodells bestimmt werden kann, was
für eine
reale Last mit der Vorrichtung simuliert werden soll. So können ohne
aufwendige Umbauarbeiten lediglich durch eine Umprogrammierung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
verschiedene Lasten simuliert werden. Hierfür kann die Vorrichtung eine
entsprechende Parametrierbarkeit vorsehen. Je nach Parametrierung
kann sich so die Berechnungsvorschrift, die durch das Simulationsmodell
gegeben ist, ändern,
was unmittelbar Einfluss nimmt auf die Berechnung der Steuergröße und das Verhalten
der Stromeinheit.
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Um
eine Reaktion der simulierten realen Last und somit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auf eine Steuerspannung des Steuergerätes zu ermöglichen, kann es hierbei bevorzugt
vorgesehen sein, dass die Berechnung der Steuergröße zumindest
in Abhängigkeit
der Steuerspannung des Steuergerätes
erfolgt, die an wenigstens einem der Anschlüsse des Steuergerätes anliegt
aufgrund eines Steuer- oder Regelalgorithmus, der im Steuergerät läuft. Somit
kann bevorzugt eine solche Steuerspannung wenigstens einen Eingangsparameter
des Simulationsmodells bilden.
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In
einer Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
es vorgesehen sein, dass die Steuergröße rein Software-basiert berechnet
wird, wofür
in der Recheneinheit ein Programm abläuft, welches das Simulationsmodell
in Mikroprozessorschritte umsetzt. Gerade bei hochdynamischem Verhalten
einer Last, wie z.B. einer induktiven Last kann ggfs. die Rechengeschwindigkeit
nicht ausreichend sein, um den Strom zeitnah nachzubilden.
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So
kann es in einer besonders bevorzugten Ausführung vorgesehen sein, dass
die Berechnungsvorschriften des Simulationsmodells wenigstens zu einem
Teil in Hardware, ggfs. auch vollständig in Hardware gebildet sind.
Bei nicht vollständiger
Hardwareausbildung kann ein anderer Teil der Berechnungsvorschriften
in Software gebildet sein, also z.B. dadurch dass Berechnungsvorschriften
als Programm von einem Mikroprozessor in einer Datenverarbeitungseinheit
abgearbeitet werden. Hierbei ist bevorzugt der in Hardware gebildete
Anteil von dem Softwareanteil beispielsweise durch eine Datenverarbeitungseinheit
parametrierbar, z.B. können
berechnete Eingangsgrößen oder
Zwischengrößen vom
Softwareanteil berechnet werden und an den Hardwareteil übergeben
werden.
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Die
vorgenannte Recheneinheit kann in einer Ausführung sowohl die hardwarebasierten
als auch die softwarebasierten Anteile umfassen. Hierbei können gerade
die hardwarebasierten Anteile Untereinheiten bilden, die vom Softwareteil
parametrierbar sind.
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Weiterhin
können
sämtliche
Eingangs, End- oder Zwischengrößen die
im Rahmen dieser Erfindung verwendet werden, also z.B. vorgenannte
Parameter und auch die Steuergröße durch
physikalische Spannungen oder Ströme oder durch deren Beträge, bzw.
Werte gegeben sein, insbesondere je nach Realisierung des Hardwareanteils
z.B. als analoge oder digitale Bauelemente.
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Die
grundlegende Idee dieser bevorzugten Ausführung liegt darin, dass eine
Hardwarebeschleunigung eines Simulationsmodells erreicht wird. D.h. die
zugrunde liegende Modellierungsaufgabe wird in zwei Teile separiert.
Zum einen in ein Softwaremodell, welches z.B. die langsamen Bestandteile,
wie beispielsweise drehmomentabhängige
Größen, berechnet.
Zum anderen in ein Hardwarebestandteil, der die Modellteile berechnet,
die besonders kurze Ausführungszeiten
brauchen. Dabei sind bevorzugt Größen wie Widerstände und
Induktivitäten
als Parameter dem Gesamtmodell übergebbar.
Die Werteübergabe,
die sowohl die Werte mit längeren
Ausführungszeichen
als auch Parameter zur Bedatung umfasst, wird in einer bevorzugten
Ausführungsform
von dem Softwaremodell an den Hardwarebestandteil übergeben.
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In
einer besonders bevorzugten Anwendung können Verfahren und Vorrichtung
eingesetzt werden, um induktive Lasten zu simulieren, z.B. kann
so das Verhalten einer induktiven Last wie beispielsweise ein elektronisch
kommutierter 3-Phasen-Gleichstrommotor
hardwaretechnisch nachgebildet werden.
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An
dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung nicht
auf elektronisch kommutierte 3-Phasen-Gleichstrommotoren beschränkt, sondern
alle Arten von Lasten, wie z.B. Induktivitäten, Widerständen und
Elektromotoren wie beispielsweise Asynchronmotoren einbezieht.
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Ein
auf Induktivitäten
bezogenes Ausführungsbeispiel
wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschreiben. Es zeigen:
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1:
einen Drei-Phasen-Gleichstrommotor, der an ein Steuergerät angeschlossen
ist,
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2:
das elektrische Ersatzschaltbild dieser Anordnung,
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3:
eine Prinzipdarstellung eines hardwarebasierten Anteils des nötigen zugrunde
liegenden Simulationsmodells,
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4:
eine erfindungsgemäße Stromeinheit um
an einem Anschluss eines Steuergerätes einen Stromfluss zu erzeugen.
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5:
eine schematische Gesamtübersicht einer
Vorrichtung zur Simulation eines 3-Phasenmotors mit drei Stromeinheiten,
die je eine der Wicklungen des Motors simulieren.
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Im
Folgenden wird anhand der 1 der Aufbau
bestehend aus Steuergerät
in Verbindung mit einem Gleichstrommotor wie er beispielsweise im Automobilbereich
verwendet wird erläutert.
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Intern
besteht ein solcher (bürstenloser) Gleichstrommotor 2 aus
drei Wicklungen, von jeder Wicklung ist eine Seite von außen zugänglich über die
Leitungen 3, 4 und 5, die anderen Seiten
der Wicklungen werden intern zu einem sogenannten Sternpunkt zusammengeschaltet.
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Die
von außen
zugänglichen
Wicklungen werden mit dem Steuergerät 1, d.h. den dort
jeweils dafür
vorgesehenen Anschlüssen
verbunden. Das Steuergerät 1 versorgt
den Gleichstrommotor 2 mit Spannung. Zur optimalen Steuerung
des Gleichstrommotors benötigt
das Steuergerät 1 die
Winkelposition des Rotors im Gleichstrommotor. Dazu wird die Winkelposition
in dieser Ausführung
mit Hilfe eines Winkelencoders 6, der z.B. Hallsensoren
oder Inkrementalencoder umfasst, vom Steuergerät erfasst. Aus der Winkelposition
berechnet das Steuergerät die
entsprechenden PWM-Spannungen mit deren Hilfe der Gleichstrommotor
mit Spannung so über
die Anschlüsse 3, 4 und 5 versorgt
wird, dass der Gleichstrommotor mit optimalem Drehmoment betrieben wird.
D. h. über
die Leitungen 3, 4 und 5 erhält jede Wicklung
des Gleichstrommotors eine PWM-Spannung,
wie dies zur Ansteuerung von Motoren üblich ist.
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Wie
in 2 dargestellt, lässt sich jede der Wicklungen
elektrisch durch ein Ersatzschaltbild modellieren.
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Dieses
Ersatzschaltbild setzt sich aus einer Reihenschaltung der externen
Spannungsversorgung UPWM, die aus dem Steuergerät an einem
Anschluss stammt, der Wicklungsinduktivität L, des Wicklungswiderstandes
R sowie einer Spannungsquelle UEMK zusammen.
Die Spannungsquelle UEMK simuliert die Spannung,
die durch die elektromagnetische Induktion bei drehendem Motor in
die Wicklungen induziert wird (Elektromotorische Kraft). Um das Verhalten
des Gleichstrommotors nachbilden zu können müssen die Ströme und Spannungen
an den einzelnen Bauteilen bestimmt werden. Dabei muss die Sternspannung
UST, die an den unzugänglichen Enden der Wicklungen
anliegt, berücksichtigt
werden. Alle Wicklungen sind identisch, so dass im Folgenden immer
nur eine Wicklung 7 betrachtet wird.
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Die
elektrische Simulation einer Wicklung wird in zwei Blöcke unterteilt.
Zum einen eine Einheit, die den Strom, der durch die Wicklung fließt, anhand der
anliegenden Spannungen und Motorparametern berechnet. Zum anderen
eine Einheit, die eine Stromquelle/Senke umfasst, die dem Gesamtstromkreis
(auch im Steuergerät)
den errechneten Strom aufprägt.
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Um
den Wicklungsstrom zu berechnen wird hier im Beispiel ein Analogrechner
verwendet. Die Berechnungsvorschrift, die der Analogrechner abbilden
muss, lautet:
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Die
Umsetzung der Formel erfolgt durch eine dreistufige Hardware-Schaltung,
die in 3 dargestellt ist. Gezeigt ist hier im linksseitigen
Teil des Kasten die vorgenannte Recheneinheit 8, 9, 10 und
im rechtsseitigen Teil die Stromeinheit 11 zwischen denen
eine Steuergröße übergeben
wird. Die Recheneinheit umfasst dabei drei Stufen:
Stufe 1:
Der Addierer 10 subtrahiert von den Eingangsspannung UPWM des Steuergerätes, die unmittelbar an den
Addierer 10 angelegt wird, die Gegen-EMK UEMK,
die Sternspannung UST sowie den Spannungsabfall über dem
ohmschen Wicklungswiderstand R.
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Die
Spannungen UPWM, UEMK sowie
UST werden an den Addierer 10 angelegt,
dabei wird der Spannungsabfall über
dem Widerstand R in einem anderen Schaltungsteil berechnet. UPWM ist die tatsächliche am Steuergerät anliegende
Ausgangsspannung, UEMK sowie UST werden
von einem Mikroprozessor zugeführt,
der die Werte vom Software-basierten Anteil des Simulationsmodells
berechnet erhält.
Die Softwareberechnung ist hierfür
ausreichend, da sich diese Größen nur
langsam (Drehzahlproportional) ändern.
Die Ausgangsspannung dieses Addierers entspricht der über der
Induktivität
L anliegenden Spannung und wird an einen Integrator 8 übergeben.
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Stufe
2: Der Integrator 8 integriert die Ausgangsspannung des
Addieres 10 mit einer einstellbaren Integrationskonstante
L, welche die Induktivität der
Wicklung beschreibt.
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Dadurch
errechnet sich gemäß der Formel
der Spulenstrom.
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Die
Ausgangsspannung des Integrators 8 repräsentiert also im Simulationsmodell
den Spulenstrom und somit den Gesamtstrom. Sie wird daher als Steuergröße für die Stromquelle/Senke
der Stromeinheit 11 verwendet und an diese übergeben.
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Stufe
3: Der Multiplizierer 9 errechnet aus dem Spulenstrom (bzw.
Ausgangswert des Integrators 8) und dem von außen vorgegebenen
ohmschen Widerstandswert R der Spule den Spannungsabfall über dem
Widerstand R nach der Formel U = I·R. Der errechnete Spannungsabfall
wird am Addierer 10 von der Spannung UPWM abgezogen.
Hierdurch erfolgt eine schnelle Rückkopplung der Steuergröße als eine
Eingangsspannung in den Addierer 10.
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Dabei
ist der Addierer 10 bevorzugt als analoge Operationsverstärkerschaltung
realisiert. Sowohl als Integrator 8 als auch als Multiplizierer 9 werden
bevorzugt kommerzielle analoge Bauteile verwendet, aber insbesondere
der Integrator kann mit einem Multiplizierer realisiert werden.
Die Größen R, UST, UEMK und L werden
dem in 3 dargestellten System von außen bevorzugt über die
Analogausgänge
einer mikroprozessorgesteuerten Karte zugeführt, welche auch einen Bestandteil
der vorgenannten Recheneinheit bilden kann. Die Größe UPWM wird dem System durch den Ausgang der
einstellbaren Stromquelle/Senke 11 rückgekoppelt zugeführt.
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In 4 wird
die steuerbare Stromeinheit 11 mit Stromquelle/Senke detailliert
dargestellt. Die Stromquelle/Senke 11 kann in dieser beispielhaften Ausführung zwei
Szenarien realisieren. Zum einen dient sie als Stromsenke. Dies
simuliert den Fall B, bei dem die induktive Last mit Strom aus dem
Steuergerät 1 versorgt
wird. Das andere Szenario umfasst den Fall A, in dem die Stromquelle/Senke 11 als Stromquelle
dient, die Strom in das Steuergerät 1 treibt. Die beiden
Szenarios ergeben sich aus der Tatsache, dass an einem 3-Phasen
System ohne Sternpunktrückführung grundsätzlich an
den Wicklungen Ströme
in beide Richtungen auftreten. Das liegt daran, dass ein Strom,
der einer Wicklung aufgeprägt
wird, durch mind. eine andere Wicklung zum Steuergerät zurückfließen muss.
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Die
am Ausgang des Integrators 8 anliegende Steuergröße für die einstellbare
Stromquelle/Senke 11 wird an deren Eingang 17 angelegt.
Dabei ist der anliegende Wert bevorzugt galvanisch vom Ausgang des
Integrators 8 getrennt. Für positive Werte am Eingang 17 ist
der untere Teil der Schaltung B und für negative Werte der obere
Teil A aktiv.
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Dies
wird dadurch erreicht, dass der Schalter 16 einen Schaltungsteil
auf 0V und den entsprechenden anderen Schaltungsteil mit dem Eingang 17 verbindet.
Dabei wird der Schalter 16 bevorzugt als Invertierer auf
Operationsverstärkerbasis
realisiert, in der Weise dass je nach Polarität der Eingangsspannung immer
einer der Schaltungsteile eine negative Eingangsspannung erhält und dadurch
seinen Ausgang sperrt (der jeweils andere Schaltungsteil ist dann
aktiv).
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Im
Folgenden sei der Schalter 16 so geschaltet, dass der untere
Teil der Schaltung B mit dem Eingang 17 verbunden ist.
Dadurch liegt am (+) Eingang des Operationsverstärkers (OPV) 12A eine
Spannung von 0V an. Dies führt
dazu, dass der Verstärker 14A sperrt
und kein Strom durch den Shunt RSA fließt.
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Weiterhin
liegt am (+) Eingang des OPV 12B eine Spannung entsprechend
des Wertes am Eingang 17 an. Der Ausgang des OPV 12B ist
mit dem Steuereingang des steuerbaren Strombegrenzers/Widerstands 14B verbunden.
Bevorzugt wird dieser steuerbare Widerstand 14B als Bipolarer
Transistor oder MOS-FET realisiert, aber auch sonstige steuerbare
Widerstände
können
verwendet werden. Ebenso wäre
eine Endstufe aus PWM gesteuerten Schaltern in Kombination mit einer
Induktivität
denkbar.
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Die
PWM-Frequenz sollte dabei viel höher sein
als die des Steuergerätes.
Die Induktivität
sollte viel kleiner sein als die niedrigste zu simulierende Induktivität und kann
unter Umständen
auch durch die reine Zuleitungsinduktivität realisiert werden.
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Vorteil
einer solchen Anordnung: Die vom Steuergerät an die Stromsenke gelieferte
Leistung muss nicht in der Stromsenke selbst abgegeben (z.B. in
Form von Wärme
an den Transistoren) sondern kann über Leitungen an anderer Stelle
einem Verbraucher zugeführt
werden (z.B. Widerstände
außerhalb
der Stromsenke).
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Durch
die Rückkoppelung über den
steuerbaren Widerstand 14B und dem OPV 13B, der
die Spannung, die dem Strom aus dem Steuergerät 1 entspricht, über den
Shunt RSB misst, liegt auch am (–) Eingang
des OPV 12B der Wert von Eingang 17 an. D. h.
durch den Steuergeräteanschluss
UPWM fließt ein Strom entsprechend des
Wertes am Eingang 17 über
die Hilfsspannungsquelle 15B zur Masse des Steuergerätes GND.
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Analog
erfolgt der Stromfluss für
negative Werte an dem Eingang 17. Dabei ist nun der Schaltungsteil
A aktiv. Ein dem Eingangswert 17 entsprechender Strom fließt aus der
Spannungsversorgung U+ des Steuergeräts mit Unterstützung der
Hilfsspannungsquelle 15A in den Steuergeräteanschluss UPWM.
Die Hilfsspannungsquellen 15 ermöglichen einen entsprechenden
Stromfluss auch bei abgeschaltetem Ausgang (UPWM) des Steuergerätes. Das
Steuergerät
besitzt zwangsläufig
geeignete Maßnahmen,
die den Stromfluss in seinem Innern ermöglichen (z.B. Dioden), da nur
dadurch das Prinzip einer PWM Leistungsteuerung gewährleistet
wird.
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Somit
kann nun das Verhalten einer induktiven Last simuliert und somit
das Steuergeräteverhalten
getestet werden.
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Um
einen elektronisch kommutierten 3-Phasen-Gleichstrommotor zu simulieren,
müssen
drei simulierte Wicklungen 20 an das Steuergerät 1 angeschlossen
werden. Dieser Aufbau ist in 5 dargestellt.
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Die
Bedatung der simulierten Wicklungen 20 erfolgt durch die
Analogausgänge
einer mikrocontrollergesteuerten Einheit 18. Über die
Verbindung 19 erhält
das Steuergerät 1 die
simulierte Information des Winkelencoders 6.
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Somit
können
induktive Lasten simuliert werden ohne dabei Bauteile ein- bzw.
auszubauen. Eine Bedatung kann rein softwaretechnisch für „beliebige" Werte für Widerstände und/oder
Induktivitäten
erfolgen.
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Vorteile
der Erfindung sind unter anderem:
Durch die Hardwaresimulation
können
schnelle Schaltzeiten erreicht werden (1 Mikrosekunden und besser).
Das ermöglicht
die realistische Stromnachbildung innerhalb eines PWM-Zyklus. Weiterhin
kann die Erzeugung des real auftretenden Stromes in beide Flussrichtungen
auch bei abgeschalteter Endstufe im Steuergerät realisiert werden. Zudem
entfällt
der Umbau und die Umrüstung
von Reallasten. Auch ist gute Skalierbarkeit der verschiedenen Parameter
gegeben. Zudem können
so hohe Stromlasten simuliert werden, wie sie insbesondere bei Antriebstrangtechnologien,
wie beispielsweise bei dem Test von Hybridantrieben vorkommen. Gegenüber den
Reallasten lassen sich geringere Kosten bei der Herstellung realisieren.
Zusätzlich
können
aufwendige mechanische Motorprüfstände entfallen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der
beschriebene analoge Hardwareaufbau durch einen schnellen digitalen
Rechners (z.B. Digitale-Signal-Prozessoren – DSP mit
geeigneter Analog/Digital-Wandlung) realisiert werden. Auch können FPGA's eingesetzt werden.