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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation der
Wirkung eines Bauelementes an einem Steuergerät, wobei
das Bauelement einen Stromfluss entsprechend einer elektrischen
Last hervorrufen würde.
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Bei
der Steuergeräte-Implementierung wird in der Regel ein
Regelalgorithmus auf ein in der Praxis einzusetzendes Steuergerät übertragen. Üblicherweise
folgt daraufhin die Durchführung von Testfahrten und Testprozeduren,
die auch unter extremen Bedingungen stattfinden muss, um Funktionssicherheit
nachzuweisen. Diese Testszenarien werden vorteilhafterweise auf
Simulatoren durchgeführt. D. h. das entwickelte reale Steuergerät
wird anhand einer simulierten Testumgebung getestet. Dieses Vorgehen
wird Hardware-In-the-Loop (HIL) Prozess genannt.
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Ein
Anwendungsgebiet eines solchen Verfahrens liegt in der Simulation
von elektromotorischen Aktuatoren beispielsweise bei sogenannten leistungsoptimierten
Flugzeugen (Power Optimized Aircraft).
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Ein
weiteres Anwendungsgebiet eines solchen Verfahrens liegt in der
Design-Verifikation von Hybridantrieben im Auto. Hierbei wird entweder
eine Simulation verwendet, bei der entweder kein Motor/Generatorstrom
fliesst oder aber ein realer Elektromotor über seine Welle
an einem zweiten Elektromotor gekoppelt ist und mit diesem das Drehmoment der
Kurbelwelle simuliert wird. Beim Einsatz des realen Motors wird
auch bei generatorische Rückspeisung in das Netz durch
den zweiten Motor eine Heizleistung vom Netz gezogen, die mehr als
10% größer ist als die aktuelle Leistungsaufnahme
des realen Elektromotors vom Hybridantrieb. Bei Motoren in einer
Leistungsklasse von mehr als 50 kW ist es daher technisch sehr anspruchsvoll
diese Simulatoren in einer Laborumgebung zu realisieren. Ausserdem
müssen Vorkehrungen getroffen werden, durch die die an der
Simulation arbeitenden Entwickler vor einem Bersten der Motoren
geschützt werden.
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Demgegenüber
wird gemäß neuerem Stand der Technik (
DE 10 2005 048 464 )
ein Verfahren zur Simulation der Wirkung einer elektrischen Last,
insbesondere einer induktiven Last an einem Anschluss eines Steuergerätes
dadurch bewerkstelligt, dass ein theoretisch durch die simulierte
Last fließender Strom dadurch real nachgebildet wird, dass
mittels einer mit dem Anschluss verbundenen ansteuerbaren Stromeinheit
ein Strom dem Steuergerät entnommen oder aufgeprägt
wird. Dadurch können schnelle Schaltzeiten erreicht werden
(1 Mikrosekunde und besser), wodurch eine realistische Stromnachbildung erzielt
wird. Ausserdem entfällt das Umrüsten von Reallasten.
Auch die gute Skalierbarkeit der verschiedenen Parameter ist gegeben.
Zudem können so hohe Stromlasten simuliert werden, wie
sie insbesondere bei Antriebstrangtechnologien, wie beispielsweise
bei dem Test von Hybridantrieben vorkommen, simuliert werden.
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Allerdings
kann damit nur eine grobe Approximation einer elektrischen Maschine
nachgebildet werden, mit der beispielsweise Feldschwächeffekte im
motorischen oder generatorischen Betrieb dieser Maschine nicht möglich
sind. Damit können dann wesentliche Effekte beim Einsatz
von größeren permanent-magnetisch erregten Drehfeldmaschinen,
wie sie in Hybridantrieben von Autos eingesetzt werden, nicht simuliert
werden.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben,
gemäß dem, ohne dass rotierende Komponenten eingesetzt
werden müssen, ein Steuergerät in Bezug auf die
fliessenden Ströme so betrieben werden kann wie am realen
Motor. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung liegt darin
ein Verfahren anzugeben gemäß welchem eine Energie-Rückspeisung
in den Gleichspannungs-Zwischenkreis erfolgt, wodurch nahezu ohne
Zusatz-Aufwand nur mehr die Verlustleistung des simulierten Motors
vom Netz gezogen werden muss.
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Mit
einem erfindungsgemäßen Verfahren können
Exemplarsteuerungen und Fehlermodi von Motoren per Software eingestellt
werden. Die einstellbare Bandbreite für Exemplarsteuerungen
ist dabei groß genug, um auch ein sehr breites Spektrum von
Motoren abdecken zu können. Mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren kann jeder Typ einer Drehfeld-Maschine in der aufbauabhängigen
Leistungsklasse abgedeckt werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass ein zu testendes Steuergerät an eine Motornachbildung
angeschlossen wird, wobei die Motornachbildung einen ersten Komponentenkomplex
und einen zweiten Komponentenkomplex umfasst. Im ersten Komponentenkomplex
wird die Steuerung, Regelung und Überwachung der Motornachbildung übernommen,
im zweiten Komponentenkomplex wird anhand von 3 Wicklungssträngen
der eigentliche Gleichstrommotor simuliert. Die Rückspeisung
der während der Simulation fliessenden Ladungsträger
in die Spannungsquelle erlaubt die Reduktion des Stromverbrauchs
auf die realen Verluste der Simulation.
cic
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1 zeigt
beispielhaft den Aufbau eines mit einem Gleichstrommotor in Verbindung
stehenden Steuergerätes 101 gemäß dem
Stand der Technik.
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Dabei
liegen bei einem solchen Motor 102 drei Wicklungen vor.
Von jeder Wicklung ist jeweils ein Ende über Leitungen 103, 104 und 105 zugänglich,
während die anderen Enden intern zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet
sind.
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Obwohl
bei der Erfindung die Wicklungen vom Hardware-Aufbau auf einen Sternpunkt
laufen, lassen sich auch Maschinen mit Dreiecks-Schaltung, wie sie
speziell zur Steigerung der installierten Leistungsdichte verwendet
werden, durch eine Umschaltung in der Modell-Software realisieren.
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Die
zugänglichen Enden werden mit einem Steuergerät 101,
d. h. mit den dort jeweils dafür vorgesehenen Anschlüssen
verbunden. Das Steuergerät 101 versorgt den Gleichstrommotor 102 mit
Spannung. Zur Steuerung der Kommutierung benötigt das Steuergerät 101 die
Winkelposition des Rotors. Bei der Erfindung kann diese Position
entweder von der Simulation selbst oder von einem externen Element vorgegeben
werden. Das Signal der Winkelposition wird so konditioniert, dass
es dem eingesetzten Positionsgebers 106 entspricht und
dem Steuergerät zugeführt wird. Aus der Winkelposition
berechnet das Steuergerät die entsprechenden PWM-Spannungen mit
deren Hilfe die Drehfeldmaschine mit Spannung so über die
Anschlüsse 103, 104, und 105 versorgt wird,
dass sie mit optimalem Drehmoment betrieben wird. D. h. über
die Leitungen 103, 104, und 105 erhält
jede Wicklung der Drehfeldmaschine eine Klemmenspannung, wie dies
zur Ansteuerung von solchen Motoren/Generatoren üblich
ist.
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Wie
in 2 dargestellt, lässt sich jede Wicklung
i, i = a, b, c durch ein Ersatzschaltbild modellieren. Dieses Ersatzschaltbild
setzt sich aus einer Wicklungsinduktivität Li einem Wicklungswiderstand Ri
und einer Spannungsquelle SPi, die jeweils eine Regelungsspannung
liefert, zusammen. Die Regelungsspannung simuliert in jedem Wicklungsstrang
i die induzierte Gegenspannung in der Wicklung i.
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Der
Spannungsabfall an den drei Komponenten muss addiert die PWM-Spannung
Ui ergeben.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nun dadurch
gelöst, dass, um die Größe der Regelungsspannung
richtig einzustellen, ein Ist-Soll Vergleich vollzogen wird. Die
Regelungsspannung Uei_st muss ein Abweichen der Summe des Spannungsabfalls
am Widerstand Ri und an der Spule Li von der entsprechenden Polradspannung
kompensieren. Die Polradspannung bildet daher den Istwert. Der dazugehörige
Sollwert wird, aus der Polradspannung des Motormodells gebildet, in
das sowohl die vom Steuergerät ausgegebene Klemmenspannung
als auch die Rotorposition und die Rotordrehzahl als Eingangssignale
verwendet. Dabei wird im Modell berücksichtigt, dass bei
dieser Maschinen-Nachbildung für Wicklungsinduktivität und
-Widerstand reale Komponenten eingesetzt werden über die
der Wicklungsstrom fließt.
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Die
Polradspannung wird gemäß einer Ausführungsform
der Vorliegenden Erfindung dadurch ermittelt, dass das Luftspaltmoment
des zu simulierenden Motors mittels der Klemmspannung des Motors
mit Hilfe eines Motormodells berechnet wird, das Luftspaltmoment
einem Fahrzeugmodell zugeführt wird und über das
Widerstandsmoment und die Schwungmasse die aktuelle Rotorposition
und Rotordrehzahl berechnet wird. Aus diesen Parametern wird dann
unter Berücksichtigung der Klemmspannung die Polradspannung
des Motors bestimmt. Die Rotorposition könnte jedoch auch
von einem realen Sensor geliefert werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird erreicht, dass vom
Netz nur diejenige Leistung genommen werden muss, die zur Abdeckung
der Verluste benötigt wird. Dies wird dadurch erzielt,
dass an der Leistungs-Endstufe, mit der die Polradspannung des Motors
nachgebildet wird, primärseitig ein Gleichspannungszwischenkreis
und sekundärseitig ein Drehstromkreis vorgesehen wird und
dadurch sowohl von der Primär- zur Sekundärseite
als auch umgekehrt elektrische Energie verschoben werden kann.
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Die
Erfindung wird nun im Detail anhand eines in der 3 gezeigten
Ausführungsbeispiels dargestellt.
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In 3 ist
ein Übersichtsschema zu den Komponenten für die
Motornachbildung gezeigt. Das Testsystem 1 umfasst ein
Netzteil 3 (PSU = power supply unit), eine DC//DC Schranke 5,
das zu testende Steuergerät 7 (UUT = Unit under
Test) und eine Motornachbildung 9. Die Motornachbildung 9 umfasst
einen ersten Komponentenkomplex 11 und einen zweiten Komponentenkomplex 13.
Im ersten Komponentenkomplex 11 sind die Ersatzkomponenten
der Drehstromwicklung vereinigt. Gezeigt sind drei Wicklungsstränge
mit jeweils einem separaten Anschluss Ua,
Ub und Uc. Jeder
Wicklungsstrang i umfasst in Reihe geschaltet einen Widerstand Ri, eine
Indutkivität Li und eine Spannungsquelle PSi mit Spannung
Uei, wobei i = a, b, c. Die Spannungsquellen PSa, PSb, PSc haben
einen zu einem Sternenpunkt SP zusammengeschlossenen Ausgang.
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Im
zweiten Komponentenkomplex 13 sind die Komponenten zur
Steuerung, Regelung und Überwachung der Motornachbildung
vereinigt. Dieser Komponentenkomplex 13 umfasst eine Steuerung 15,
die mit der DC//DC-Schranke 5 verbunden ist und ein Hoch-Volt
Boardnetz realisiert. Der Komponentenkomplex 13 umfasst
ausserdem das Simulationsmodel 23 der elektrischen Strecke
des Elektromotors: Ausserdem umfasst der Komponentenkomplex 13 den
OEM-Anteil 17 des Simulationsmodels des Fahrzeugs, in dem
die mechanische Strecke 19 aus Kombination der Daten vom
Simulationsmodel 23 und MFZL des
Auto Lastmomentes bzw. Antriebsmoments 21 eingespeist wird.
Auf diese Weise wird der Missmatch zwischen Ansteuerung und Motorreaktion,
der zu einer unerwünschten Feldschwächung oder
Feldstärkung führen kann, kompensiert. Ausserdem
umfasst der Komponentenkomplex 13 den Stellsignalregler 25.
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Beim
Verfahren gemäß der Vorliegenden Erfindung werden
die Ausgangsspannungen Ua, Ub,
Uc des zu testenden Steuergerätes 7 an
die entsprechenden Eingänge des Komponentenkomplexes 11 und
des Komponentenkomplexes 13 angeschlossen. Mit dem Simulationsmodel 23 der
elektrischen Strecke des Elektromotors werden dann auf der Basis
der Ausgangsspannungen Ua, Ub, Uc und der in den Wicklungssträngen
fliessenden Ströme Ia, Ib, Ic die Soll-Spannungen Uea_soll,
Ueb_soll, Uec_soll als Referenzwerte für den Stellsignalregler 25 berechnet.
Der Stellsignalregler 25 greift für jeden Wicklungsstrang
i die jeweils am Widerstand Ri und an der Induktivität
Li abfallende Spannung Uei_ist ab und ermittelt über einen
Ist-Soll-Vergleich die über die Spannungsquelle SPi einzuspeisende
Regelungsspannung Uei_st um den Ist-Wert auf den Sollwert einzuregeln.
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Die
Spannung vom Sternenpunkt SP wird schliesslich wiederum mit der
PSU 3 verbunden. Durch die in der 3 gezeigte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird erreicht,
dass eine Simulation eines Elektromotors realisiert wird, bei der sich
nichts dreht und das Motorsteuergerät so betrieben werden
kann, wie am echten Motor. Darüber hinaus kann mit diesem
Konzept eine generatorische Rückspeisung in den Gleichspannungs-Zwischenkreis
erfolgen, wodurch nur mehr die Verlustleistung des 'simulierten'
Motors vom Netz gezogen werden muss. Diese Heizleistung beträgt
damit nur mehr etwa 10% der aktuellen Motor- bzw. Generator-Leistung.
Bei der Simulation eines 50 kW-Motors also etwa 5 kW und nicht > 55 kW
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Des
weiteren können damit Exemplarstreuungen und Fehlermodi
des Motors per Software eingestellt werden. Die einstellbare Bandbreite
für Exemplarstreuungen ist groß genug, um auch
ein relativ breites Spektrum von Motoren damit abdecken zu können.
Es ist sogar möglich jeden Typ einer Drehfeld-Maschine
in der aufbauabhängigen Leistungsklasse damit abdecken
zu können. Bis zu 500 kW sollte möglich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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