DE102008057167A1

DE102008057167A1 - Simulationseinheit zur Simulation eines bürstenlosen Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE102008057167A1
Application number: DE102008057167A
Authority: DE
Inventors: Horst Hammerer
Original assignee: SET GmbH Smart Embedded Technologies
Current assignee: SET GmbH Smart Embedded Technologies
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2008-11-13
Publication date: 2009-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Simulationseinheit zur Simulation des elektrischen Verhaltens von Motoren bei unterschiedlichen Lastfällen, insbesondere von bürstenlosen Gleichstrommotoren und deren Kommutierungskomponenten, welche für große Leistungen des simulierten Motors eine Rückspeiseeinheit vorsieht. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Vorrichtung als "virtueller Motor" ausgebildet ist, welcher ein elektrisches Verhalten eines elektromechanischen Motors, vorzugsweise eines bürstenlosen Gleichstrommotors zusammen mit seinen Kommutierungskomponenten in Echtzeit ausbildet.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Simulationseinheit zur Simulation eines bürstenlosen Gleichstrommotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Um Steuergeräte für Motoren, insbesondere bürstenlose Gleichstrommotoren zu erproben, ist es erforderlich, dass das Steuergerät mit einer Last betrieben wird, welche sich wie ein belasteter Elektromotor verhält.
Oft werden hierzu aus dem Stand der Technik bekannte Motoren eingesetzt, welche mit einer Bremseinheit gekoppelt sind.
Derartige Aufbauten mit Motoren zur Erprobung von Steuergeräten sind jedoch kostenintensiv und weisen einen komplexen Aufbau auf.
Darüber hinaus weisen derartige Erprobungsaufbauten einen relativ hohen Verschleiß auf und benötigen einen relativ großen Platzbedarf, da die hier eingesetzten Motoren entsprechend Ihren Leistungen entsprechend große Abmessungen aufweisen.
Des Weiteren erzeugen die hier eingesetzten Motoren einen erheblichen Geräuschpegel und stellen aufgrund rotierender Teile ein Gefahrenpotential für einen Menschen dar.
Ein eingangs beschriebener Aufbau zur Erprobung von Motorsteuergeräten mit einem elektromechanischen Motor lässt darüber hinaus nahezu keine Modellierung des Motors zu, da der Motor als eine elektrische Maschine mit fester Geometrie und festen elektromagnetischen Eigenschaften ausgebildet ist.
Aus diesem Grunde hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Simulationseinheit zur Simulation einer Steuerungseinheit derart weiterzubilden, dass eine elektrische Vorrichtung die flexibel einstellbaren Eigenschaften anstelle eines herkömmlichen Motors simuliert.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gekennzeichnet.
Wichtig ist, dass mit der Erfindung eine elektrische Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird, die ein elektrisches Verhalten eines elektromechanischen Motors, vorzugsweise eines bürstenlosen Gleichstrommotors zusammen mit seinen Kommutierungskomponenten in Echtzeit ausbildet.
Somit dient die erfindungsgemäße, elektrische Vorrichtung als ein adäquater Ersatz für einen aus dem Stand der Technik bekannten Motor mit gekoppelter Bremseinheit.
Eine derartige Simulationseinheit ist geeignet, Motorsteuergeräte zu erproben und zu optimieren, ohne das ein elektromechanisch arbeitender Motor mit Bremseinheit erforderlich ist.
Somit löst die im Patentanspruch 1 beschriebene Vorrichtung flexibel viele Aufgaben und Problemstellungen bei der Erprobung von Steuergeräten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erprobung von Steuerungskonzepten ist somit als ein so genannter „virtueller Motor" mit variablen Eigenschaften dargestellt, wobei hier mit dem Begriff „virtuell" die Eigenschaften eines elektromechanischen Motors beschrieben wird, die nicht in der Form existieren, in der sie zu wirken scheinen, jedoch in ihrem Wesen und ihrer Wirkung eines real existierenden elektromechanischen Motors gleichartig sind.
Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen elektrischen Vorrichtung als „virtueller Motor" sind die Eigenschaften einer derartigen Simulationseinheit flexibel einstellbar gegenüber einen elektromechanischem Motor, da dieser durch elektrische Modelle ersetzt ist, die über Software in ihrer Charakteristik flexibel steuerbar sind.
Somit ist es erstmals möglich, den simulierten „virtuellen Motor" inklusive Kommutierung in seinem Verhalten in Echtzeit zu beeinflussen.
Weiterhin setzt der eingangs beschriebene Aufbau zur Erprobung von Motorsteuergeräten im Allgemeinen die vom angeschlossenen Steuergerät an die Motor-Lasteinheit abgegebene Energie in Wärme um.
Für Steuergeräte mit relativ hoher Leistung bedeutet dies, dass erhebliche Wärmemengen aus dem Testlabor abgeführt werden müssen. Dies erfordert Wärmetauscher, Kühlkreisläufe oder andere Apparaturen.
Somit werden große Mengen elektrischer Energie mit derartigen Anlagen „verheizt", ohne einer weiteren Verwendung zugeführt zu werden.
Normalerweise kann die Abwärme aus solchen Testanlagen auch nur schwer einer Verwendung zugeführt werden, da sie völlig unregelmäßig auftritt und die erforderlichen Anlagen für eine weitere Verwendung dieser Abwärme zu kostspielig sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung der Simulationseinheit löst dieses Problem, indem die der Simulationseinheit zugeführte elektrische Energie durch ein Rückspeisegerät in das Netz oder in die Versorgung des Steuergerätes zurückgeführt wird.
Hierdurch können kostenintensive Anlagen zur Wärmeabfuhr eingespart werden und der Stromverbrauch der gesamten Prüfeinheit zusammen mit dem Prüfling sinkt beträchtlich.
Um die Kenndaten des simulierten Motors, wie z. B. das Trägheitsmoment, die magnetische Koppelung oder dergleichen bei der elektrischen Vorrichtung flexibel einstellbar auszubilden ist vorgesehen, dass diese mittels einer entsprechenden Software durch direkte Eingabe veränderbar sind. Auf diese Weise sind in der Elektronik der Vorrichtung auch die typischen Fehlerfälle eines Motors vorgesehen, die einen Defekt des Motors wie z. B. eine defekte Kommutierung oder einen blockierten Rotor darstellen können.
Ein entsprechendes Programm zur Ansteuerung und Einstellung von Kenngrößen des Motors sowie dem Lastmoment des „virtuellen Motors" ist dadurch gekennzeichnet, dass das Programm eine direkte und flexible Einstellung von diesen Größen vorsieht, wobei diese Größen entsprechend dem auszuführenden Simulationsprogramm angepasst sind.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen:
1: Simulationseinheit mit einem elektromechanischen Motor;
2: Simulationseinheit mit einer als „virtuellen Motor" ausgebildeten elektrischen Vorrichtung
Der in 1 dargestellte Aufbau zur Erprobung einer Steuerungseinheit 1 zeigt eine Steuerungseinheit 1, welche mit dem Motor 2 elektrisch verbunden ist.
Um die Steuerungseinheit 1 zu testen ist es erforderlich, dass unterschiedliche Lastzustände an dem Motor 2 eingestellt werden. Hierzu wird an den Motor 2 eine Bremseinrichtung 3 gekoppelt, welche den Motor 2 unter Last bremst.
Ein derartiger Erprobungsaufbau für eine Steuerungseinheit 1 ist aus dem Stand der Technik bekannt.
In 2 wird ein Aufbau zur Erprobung einer Steuerungseinheit 1 dargestellt, wobei die Steuerungseinheit 1 mit einer Simulationseinheit 5 gekoppelt ist.
Eine derartige Simulationseinheit 5 weist elektronische Bauteile auf, welche die Simulationseinheit 5 in Form eines „virtuellen Motors" 6 ausbilden.
Zusätzlich weist die Simulationseinheit 5 eine Rückspeiseeinheit 4 auf, welche mit der Simulationseinheit 5 elektrisch verbunden ist und die zugeführte elektrische Energie aus dem Steuergerät 1 in das Stromnetz oder in die Stromversorgung des Steuerungseinheit 1 zurückspeist.
Die Simulationseinheit 5 ist mit einer entsprechenden Software derart ansteuerbar, dass unterschiedliche Eigenschaften eines herkömmlichen, elektromechanischen Motors 2 mittels flexibel einstellbaren Regelgrößen ausgebildet werden.
Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1: Steuerungseinheit
2: Motor
3: Bremse
4: Rückspeisung
5: Simulationseinheit
6: „virtueller Motor"
7: Ankerposition

Claims

Simulationseinheit zur Simulation des elektrischen Verhaltens von Motoren, insbesondere von bürstenlosen Gleichstrommotoren und deren Kommutierungskomponenten, welche eine Steuerungseinheit und einen mit der Steuerungseinheit gekoppelten Motor aufweist, wobei der Motor mittels einer angeordneten Bremse ein Lastverhalten ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Vorrichtung als „virtueller Motor" ausgebildet ist, welcher ein elektrisches Verhalten eines elektromechanischen Motors (2), vorzugsweise eines bürstenlosen Gleichstrommotors zusammen mit seinen Kommutierungskomponenten in Echtzeit ausbildet.
Simulationseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulationseinheit (5) die elektromagnetische Gegenspannung hinsichtlich Frequenz, Kurvenform und Amplitude aller Motorphasen in einem 4-Quadrantenbetrieb simuliert.
Simulationseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der 4-Quadrantenbetrieb für große Leistungen durch Klasse D Verstärker für jede Phase ausgebildet ist.
Simulationseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommutierungseinheiten, wie zum Beispiel Hall-Sensoren oder Resolver oder Ähnliches zur Erfassung der im elektromechanischen Motor vorhandenen Ankerpositionen (7) mittels elektrischer Modelle mit gleichem Anschlussverhalten synchron zur simulierten Rotorbewegung simuliert werden.
Simulationseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulationseinheit (5) ein parametrierbares Regelmodel aufweist, indem die regelungstechnischen Gesetzmäßigkeiten des zu simulierenden Motors sowie der Kommutierungseinheit durch eine Kombination von elektrischen Schaltkreisen und Software festgelegt ist, wobei dieses Regelungstechnische Modell mindestens einen Parameter zur Steuerung der gewünschten Motorlast aufweist.
Simulationseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu simulierende Phaseninduktivität oder der zu simulierende Phasenwiderstand durch eine reale Induktivität und/oder durch einen realen Widerstand ersetzbar ausgebildet ist.
Simulationseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Simulationseinheit (5) eine entsprechende Rückspeiseeinheit (4) angeschlossen ist, welche die zugeführte elektrische Energie aus der Steuerungseinheit (1) in das Stromnetz oder in die Stromversorgung der Steuerungseinheit (1) zurückspeist.