DE102022200798A1

DE102022200798A1 - Method for simulating an electrical system controller and simulation module

Info

Publication number: DE102022200798A1
Application number: DE102022200798.0A
Authority: DE
Inventors: Laszlo Mathe
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2023-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems (300) mit Inverter, umfassend:
Ermitteln (101) eines pulsweitenmodulierten Spannungssignals (PWM) einer Betriebsspannung (U) eines zu simulierenden Systems (300), wobei das ermittelte pulsweitenmodulierte Spannungssignal (PWM) der Betriebsspannung (U) geeignet ist, das System (300) gemäß eines vorbestimmten Betriebsparameters des Systems (300) anzusteuern;
Berechnen (103) eines Schwingungsspektrums des ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (PWM) der Betriebsspannung;
Ermitteln (105) wenigstens einer Oberschwingung (HARM) oder einer Mehrzahl von Oberschwingungen (HARM) aus dem Schwingungsspektrum des ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (PWM) der Betriebsspannung (U);
Generieren (107) eines modulierten Spannungssignals (MOD) basierend auf der wenigstens einen Oberschwingung (HARM) oder der Mehrzahl von Oberschwingungen (HARM) aus dem Schwingungsspektrum des ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (PWM) der Betriebsspannung (U); und
Simulieren (109) eines Verhaltens des Motors mit Bezug auf den vorbestimmten Betriebsparameter des Systems (300) bei Ansteuerung des Systems mit dem generierten modulierten Spannungssignal (MOD) als Betriebsspannung (U).

The invention relates to a method (100) for simulating a control of an electrical system (300) with an inverter, comprising:
Determining (101) a pulse width modulated voltage signal (PWM) of an operating voltage (U) of a system (300) to be simulated, wherein the determined pulse width modulated voltage signal (PWM) of the operating voltage (U) is suitable for controlling the system (300) according to a predetermined operating parameter of the system (300);
calculating (103) an oscillation spectrum of the ascertained pulse width modulated voltage signal (PWM) of the operating voltage;
Determining (105) at least one harmonic (HARM) or a plurality of harmonics (HARM) from the oscillation spectrum of the determined pulse width modulated voltage signal (PWM) of the operating voltage (U);
Generating (107) a modulated voltage signal (MOD) based on the at least one harmonic (HARM) or the plurality of harmonics (HARM) from the oscillation spectrum of the determined pulse width modulated voltage signal (PWM) of the operating voltage (U); and
Simulating (109) a behavior of the motor with reference to the predetermined operating parameters of the system (300) when the system is controlled with the generated modulated voltage signal (MOD) as the operating voltage (U).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems mit Inverter und ein Simulationsmodul.The invention relates to a method for simulating a control of an electrical system with an inverter and a simulation module.

Stand der TechnikState of the art

Für das Betreiben von elektrischen Motoren sind Simulation eines Betriebs der elektrischen Motoren essentiell, um optimierte Betriebsparameter des Motors bestimmen zu können. Simulation der Steuerung von elektrischen Motoren sind aufwendig und rechenintensiv.For the operation of electric motors, simulation of an operation of the electric motors is essential in order to be able to determine optimized operating parameters of the motor. Simulating the control of electric motors is complex and computationally intensive.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems mit Inverter und ein Simulationsmodul bereitzustellen.It is therefore an object of the invention to provide an improved method for simulating a control of an inverter electrical system and a simulation module.

Diese Aufgabe wird durch ein verbessertes Verfahren zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems mit Inverter und ein Simulationsmodul gemäß den unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.This object is achieved by an improved method for simulating a control of an electrical system with an inverter and a simulation module according to the independent claims. Advantageous configurations are the subject matter of the subordinate claims.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems mit Inverter, umfassend:

Ermitteln eines pulsweitenmodulierten Spannungssignals einer Betriebsspannung eines zu simulierenden Systems, wobei das ermittelte pulsweitenmodulierte Spannungssignal der Betriebsspannung geeignet ist, das System gemäß eines vorbestimmten Betriebsparameters des Systems anzusteuern;
Berechnen eines Schwingungsspektrums des ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignals der Betriebsspannung;
Ermitteln wenigstens einer Oberschwingung oder einer Mehrzahl von Oberschwingungen aus dem Schwingungsspektrum des ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignals der Betriebsspannung;
Generieren eines modulierten Spannungssignals basierend auf der wenigstens einen Oberschwingung oder der Mehrzahl von Oberschwingungen aus dem Schwingungsspektrum des ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignals der Betriebsspannung; und
Simulieren eines Verhaltens des Systems mit Bezug auf den vorbestimmten Betriebsparameter des Systems bei Ansteuerung des Systems mit dem generierten modulierten Spannungssignal als Betriebsspannung.

According to one aspect of the invention, there is a method for simulating control of an inverter electrical system, comprising:

determining a pulse width modulated voltage signal of an operating voltage of a system to be simulated, the determined pulse width modulated voltage signal of the operating voltage being suitable for controlling the system according to a predetermined operating parameter of the system;
calculating an oscillation spectrum of the ascertained pulse width modulated voltage signal of the operating voltage;
determining at least one harmonic or a plurality of harmonics from the oscillation spectrum of the determined pulse-width-modulated voltage signal of the operating voltage;
generating a modulated voltage signal based on the at least one harmonic or the plurality of harmonics from the oscillation spectrum of the ascertained pulse width modulated voltage signal of the operating voltage; and
Simulating a behavior of the system in relation to the predetermined operating parameters of the system when the system is controlled with the generated modulated voltage signal as the operating voltage.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass ein verbessertes Verfahren zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems mit Inverter bereitgestellt werden kann. Die Simulation des elektrischen Systems umfasst hierbei ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal einer Betriebsspannung des zu simulierenden Systems. Erfindungsgemäß wird für die Simulation der Steuerung des elektrischen Systems das pulsweitenmodulierte Spannungssignal der Betriebsspannung nicht als ideale Rechteckfunktion eines idealen pulsweitenmodulierten Signals berücksichtigt. Stattdessen wird die Rechteckfunktion des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals durch eine Überlagerung einer variabel gestaltbaren Anzahl von Oberschwingungen eines Schwingungsspektrums der Rechteckfunktion des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals angenähert. Durch die Näherung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals durch die Überlagerung der Anzahl von Oberschwingungen des Schwingungsspektrums kann die zur Durchführung der Simulation der Steuerung des elektrischen Systems benötigte Rechenkapazität verringert werden. Hiermit verbunden kann die zur Ausführung der Simulation benötigte Zeitdauer ebenfalls herabgesetzt werden. Die Qualität bzw. Präzision der Simulation der Steuerung des elektrischen Systems wird durch die Verwendung der Überlagerung der Oberschwingungen des Schwingungsspektrums des pulsweitenmodulierten Spannungssignals an Stelle der Rechteckfunktion des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals nur geringfügig herabgesetzt. Die Ersparnisse der zur Ausführung der Simulation benötigten Rechenkapazität und Zeitdauer überwiegen hierbei die Einbußen der Qualität der Simulationsergebnisse, sodass eine absolute Verbesserung der Simulation der Steuerung des elektrischen Systems erreicht wird. Das elektrische System mit Inverter kann beispielsweise als ein elektrisch Motor oder als DC-DC Wandler oder eine Energiequelle eneuerbarer Energien ausgebildet sein.This can achieve the technical advantage that an improved method for simulating a control of an electrical system with an inverter can be provided. The simulation of the electrical system includes a pulse width modulated voltage signal of an operating voltage of the system to be simulated. According to the invention, the pulse width modulated voltage signal of the operating voltage is not taken into account as an ideal square-wave function of an ideal pulse width modulated signal for simulating the control of the electrical system. Instead, the square-wave function of the ideal pulse-width-modulated voltage signal is approximated by superimposing a variably configurable number of harmonics of an oscillation spectrum of the square-wave function of the ideal pulse-width-modulated voltage signal. By approximating the pulse width modulated voltage signal by superimposing the number of harmonics of the vibration spectrum, the computing capacity required to carry out the simulation of the control of the electrical system can be reduced. In connection with this, the time required to carry out the simulation can also be reduced. The quality or precision of the simulation of the control of the electrical system is only slightly reduced by using the superposition of the harmonics of the oscillation spectrum of the pulse width modulated voltage signal instead of the square wave function of the ideal pulse width modulated voltage signal. The savings in computing capacity and time required to run the simulation outweigh the losses in the quality of the simulation results, so that an absolute improvement in the simulation of the control of the electrical system is achieved. The electrical system with an inverter can be designed, for example, as an electric motor or as a DC-DC converter or as an energy source for renewable energies.

Nach einer Ausführungsform umfasst das Berechnen des Schwingungsspektrums:

Ausführen einer Fouriertransformation des pulsweitenmodulierten Spannungssignals der Betriebsspannung und Bestimmen von Fourierkoeffizienten.

According to one embodiment, calculating the vibrational spectrum includes:

Carrying out a Fourier transformation of the pulse width modulated voltage signal of the operating voltage and determining Fourier coefficients.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine präzise und einfache Berechnung des Schwingungsspektrums des als Rechteckfunktion ausgebildeten idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals erreicht werden kann.As a result, the technical advantage can be achieved that a precise and simple calculation of the oscillation spectrum of the ideal pulse-width-modulated voltage signal designed as a square-wave function can be achieved.

Nach einer Ausführungsform ist eine Anzahl der Oberschwingungen, die zum Generieren des modulierten Spannungssignals als Betriebsspannung verwendet werden, während der Simulation des Verhaltens des Systems veränderbar.According to one embodiment, a number of the harmonics used to generate the modulated voltage signal as the operating span be used during the simulation of the behavior of the system.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass die Präzision der Simulation der Steuerung des elektrischen Systems durch Auswahl der Anzahl von Oberschwingungen zur Näherung des als Rechteckfunktion ausgebildeten idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals während der Simulation wählbar ist. Hierzu kann je nach Anforderung an die Simulation die Anzahl der zur Näherung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals verwendeten Oberschwingungen verändert werden. Bei einer Simulation, für die eine hohe Präzision benötigt wird, kann eine entsprechende hohe Anzahl von verwendeten Oberschwingungen zur Näherung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals verwendet werden. Durch die erhöhte Anzahl von Oberschwingungen entspricht das durch die Überlagerung der Oberschwingungen erzeugte modulierte Signal in einem höheren Maße dem idealen pulsweitenmodulierten Signal. Dies hat zur Folge, dass eine Steigerung der Präzision der ausgeführten Simulation der Steuerung des Systems erreicht werden kann. Für Simulationen, für die lediglich eine geringe Präzision erforderlich ist, kann hingegen eine entsprechend geringe Anzahl von zur Näherung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals verwendeten Oberschwingungen verwendet werden. Mit einer geringen Anzahl von verwendeten Oberschwingungen sinkt die Präzision und Genauigkeit der Näherung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals und damit verbunden des Simulationsergebnisses der Simulation der Steuerung des elektrischen Systems. Mit der Anzahl der zur Näherung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals verwendeten Oberschwingungen steigt bzw. fällt gleichzeitig die zur Ausführung der Simulation benötigte Rechenkapazität bzw. Zeitdauer. Je nach erforderter Präzision der Simulation kann somit durch Herabsetzen der Anzahl von Oberschwingungen die Rechenkapazität und die zur Ausführung der Simulation benötigte Zeitdauer entsprechend herabgesetzt werden, wobei gleichzeitig die Präzision der Simulation ebenfalls sinkt. Für hochpräzise Simulationen können hingegen große Anzahlen von Oberschwingungen zur Näherung des pulsweitenmodulierten Spannungssignals verwendet werden, wodurch jedoch nicht nur die Präzision der Simulation, sondern auch die zur Ausführung der Simulation benötigte Rechenkapazität bzw. Ausführungsdauer steigt.In this way, the technical advantage can be achieved that the precision of the simulation of the control of the electrical system can be selected during the simulation by selecting the number of harmonics for approximating the ideal pulse-width-modulated voltage signal designed as a square-wave function. Depending on the requirements of the simulation, the number of harmonics used to approximate the pulse width modulated voltage signal can be changed. In a simulation that requires high precision, a correspondingly high number of harmonics used can be used to approximate the pulse width modulated voltage signal. Due to the increased number of harmonics, the modulated signal generated by the superimposition of the harmonics corresponds to a greater extent to the ideal pulse width modulated signal. As a result, an increase in the precision of the executed simulation of the control of the system can be achieved. On the other hand, for simulations for which only low precision is required, a correspondingly small number of harmonics used to approximate the pulse width modulated voltage signal can be used. With a small number of harmonics used, the precision and accuracy of the approximation of the pulse width modulated voltage signal and the associated simulation result of the simulation of the control of the electrical system decreases. With the number of harmonics used to approximate the pulse width modulated voltage signal, the computing capacity or time required to carry out the simulation increases or decreases at the same time. Depending on the required precision of the simulation, by reducing the number of harmonics, the computing capacity and the time required to carry out the simulation can be correspondingly reduced, with the precision of the simulation also decreasing at the same time. For high-precision simulations, on the other hand, large numbers of harmonics can be used to approximate the pulse width modulated voltage signal, which not only increases the precision of the simulation, but also the computing capacity and execution time required to run the simulation.

Bei der Wahl der zur Näherung des pulsweitenmodulierten Signals verwendeten Oberschingungen können beliebige Oberschwingungen des Schwingungsspektrums verwendet werden. Bei einer Anzahl von N Oberschingungen müssen nicht die erste Oberschwingung bis zur N-ten Oberschwingung verwendet werden. Beispielsweise können auch die 40-te Oberschwingung bis zur (40+N)-ten Oberschwingung verwendet werden. Es können auch beliebiege nicht aufeinander folgende Oberschwingungen verwendet werden.When choosing the harmonics used to approximate the pulse width modulated signal, any harmonics of the vibration spectrum can be used. If the number of harmonics is N, it is not necessary to use the first harmonic through the Nth harmonic. For example, the 40th harmonic through the (40+N)th harmonic can also be used. Any non-consecutive harmonics can also be used.

Nach einer Ausführungsform umfasst das Generieren des modulierten Spannungssignals:

Überlagern eines Referenzsignals mit den ermittelten Oberschwingungen aus dem Schwingungsspektrum des ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignals der Betriebsspannung.

According to one embodiment, generating the modulated voltage signal includes:

Superimposing a reference signal with the determined harmonics from the vibration spectrum of the determined pulse width modulated voltage signal of the operating voltage.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass durch Verwendung der Anzahl von Oberschwingungen eine präzise Näherung des gewünschten pulsweitenmodulierten Spannungssignals ermöglicht ist. Durch die Verwendung eines Referenzsignals kann durch die Überlagerung mit der zuvor ausgewählten Anzahl von Oberschwingungen ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal mit einer gewünschten Duty Cycle erreicht werden.In this way, the technical advantage can be achieved that a precise approximation of the desired pulse width modulated voltage signal is made possible by using the number of harmonics. By using a reference signal, a pulse width modulated voltage signal with a desired duty cycle can be achieved by superimposing the previously selected number of harmonics.

Nach einer Ausführungsform werden zum Berechnen des modulierten Signals ferner eine Schaltfrequenz zum Bestimmen eines Tastgrads des modulierten Signals, ein Gleichspannungssignal zum Erreichen einer zu erzielenden Signalamplitude des modulierten Spannungssignals und eine Totzeit berücksichtigt.According to one embodiment, a switching frequency for determining a duty cycle of the modulated signal, a DC voltage signal for achieving a signal amplitude to be achieved for the modulated voltage signal, and a dead time are also taken into account for calculating the modulated signal.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass durch die Berücksichtigung der Schaltfrequenz ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal mit einer gewünschten Frequenz genähert werden kann. Durch die Berücksichtigung des Gleichspannungssignals kann ferner ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal mit einer gewünschten Signalamplitude durch die Überlagerung mit der vorbestimmten Anzahl von Oberschwingungen angenähert werden.In this way, the technical advantage can be achieved that a pulse width modulated voltage signal with a desired frequency can be approximated by taking the switching frequency into account. Furthermore, by taking the DC voltage signal into account, a pulse width modulated voltage signal with a desired signal amplitude can be approximated by superimposing the predetermined number of harmonics.

Nach einer Ausführungsform umfasst ist die Mehrzahl von Oberschwingungen des Schwingungsspektrums des ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignals der Betriebsspannung in einer Vektordarstellung dargestellt.According to one embodiment, the plurality of harmonics of the oscillation spectrum of the ascertained pulse width modulated voltage signal of the operating voltage is shown in a vector representation.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine einfache Berücksichtigung der Anzahl von Oberschwingungen des Schwingungsspektrums des pulsweitenmodulierten Spannungssignals in der Simulation der Steuerung des elektrisch betreibbaren Systems bewirkt werden kann.As a result, the technical advantage can be achieved that the number of harmonics of the oscillation spectrum of the pulse-width-modulated voltage signal can be easily taken into account in the simulation of the control of the electrically operable system.

Nach einer Ausführungsform umfasst der Betriebsparameter eine Rotorgeschwindigkeit und/oder eine Betriebstemperatur und/oder eine Leistung des Systems.According to one embodiment, the operating parameter comprises a rotor speed and/or an operating temperature and/or a power of the system.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass durch eine Simulation ein aussagekräftiger Betriebsparameter des zu simulierenden Systems bewirkt werden kann.In this way, the technical advantage can be achieved that a meaningful operating parameter of the system to be simulated can be brought about by a simulation.

Nach einer Ausführungsform wird die Simulation als eine Hardware-in-the-Loop-Simulation ausgeführt, wobei das Verfahren ferner umfasst:

Ausgeben von Steuersignalen basierend auf den ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignalen an eine Systemsteuerung eines elektrischen Systems zum Ansteuern des Systems mit einer pulsweitenmodulierten Betriebsspannung, die dem ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignal entspricht.

According to one embodiment, the simulation is performed as a hardware-in-the-loop simulation, the method further comprising:

Outputting control signals based on the ascertained pulse width modulated voltage signals to a system controller of an electrical system for driving the system with a pulse width modulated operating voltage which corresponds to the ascertained pulse width modulated voltage signal.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass eine präzise Simulation des Verhaltens des Systems bereitgestellt werden kann. Durch die Ausführung der Simulation als eine Hardware-in-the-Loop-Simulation, in der gemäß der berechneten Simulationsdaten eine Ansteuerung eines realen Systems erfolgt und Messdaten der Ansteuerung des realen, beispielsweise eines realen Motors, aufgenommen und in weiteren Simulationsschritten berücksichtigt werden, kann eine präzise Anbindung der Simulation an das reale Verhalten eines realen Systems und damit verbunden eine präzise Darstellung des Systems durch die Simulation erreicht werden.This can achieve the technical advantage that a precise simulation of the behavior of the system can be provided. By running the simulation as a hardware-in-the-loop simulation, in which a real system is controlled according to the calculated simulation data and measurement data for the control of the real motor, for example a real motor, are recorded and taken into account in further simulation steps, a precise connection of the simulation to the real behavior of a real system and, associated with this, a precise representation of the system can be achieved by the simulation.

Nach einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner:

Empfangen von Messwerten wenigstens einer physikalischen Messgröße des Systems, wobei basierend auf der Messgröße ein Betriebszustand des Systems bestimmbar ist; und
Berücksichtigen der Messwerte und/oder des auf den Messwerten bestimmten Betriebszustands des Systems in der Simulation.

According to one embodiment, the method further comprises:

receiving measured values of at least one physical measured variable of the system, an operating state of the system being able to be determined based on the measured variable; and
Taking into account the measured values and/or the operating state of the system determined on the basis of the measured values in the simulation.

Hierdurch kann der technische Vorteil erreicht werden, dass für die Simulation Messwerte des realen Betriebs des realen Systems berücksichtigt werden können, sodass eine wiederum präzisere Anbindung der Simulation an das reale Verhalten eines realen Systems ermöglicht ist.As a result, the technical advantage can be achieved that measured values of the real operation of the real system can be taken into account for the simulation, so that in turn a more precise connection of the simulation to the real behavior of a real system is made possible.

Nach einem weiteren Aspekt wird ein Simulationsmodul zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems bereitgestellt, wobei das Simulationsmodul eingerichtet ist, das Verfahren zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems nach einer der voranstehenden Ausführungsformen auszuführen.According to a further aspect, a simulation module for simulating a control of an electrical system is provided, the simulation module being set up to carry out the method for simulating a control of an electrical system according to one of the preceding embodiments.

Hierdurch kann der technische Vorteil eines verbesserten Simulationsmoduls bereitgestellt werden, dass eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems mit den oben genannten technischen Vorteilen auszuführen.As a result, the technical advantage of an improved simulation module can be provided, which is set up to carry out the method according to the invention for simulating a control of an electrical system with the above-mentioned technical advantages.

Nach einem weiteren Aspekt wird eine Recheneinheit bereitgestellt, die eingerichtet ist, das Verfahren zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems nach einer der voranstehenden Ausführungsformen auszuführen und/oder das erfindungsgemäße Simulationsmodul auszuführen.According to a further aspect, a computing unit is provided which is set up to carry out the method for simulating a control of an electrical system according to one of the preceding specific embodiments and/or to carry out the simulation module according to the invention.

Nach einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt umfassend Befehle bereitgestellt, die bei der Ausführung des Programms durch eine Datenverarbeitungseinheit diese veranlassen, das Verfahren zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems nach einer der voranstehenden Ausführungsformen auszuführen und/oder das erfindungsgemäße Simulationsmodul auszuführen.According to a further aspect, a computer program product is provided comprising instructions which, when the program is executed by a data processing unit, cause the latter to execute the method for simulating a control of an electrical system according to one of the preceding embodiments and/or to execute the simulation module according to the invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Simulationsmoduls zum Simulieren einer Steuerung eines elektrischen Systems mit Inverter;
2 eine graphische Darstellung eines pulsweitenmodulierten Spannungssignals und eines modulierten Spannungssignals;
3 eine graphische Darstellung eines Betriebsstroms und eines Stromfehlers;
4 graphische Darstellungen eines Schwingungsspektrums einer Betriebsspannung und eines Schwingungsspektrums eines Betriebsstroms;
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Simulieren einer Steuerung eines elektrischen Systems; und
6 eine schematische Darstellung eines Computerprogrammprodukts.

Exemplary embodiments of the invention are explained using the following drawings. In the drawings show:

1 a schematic representation of a simulation module for simulating a control of an electrical system with inverter;
2 a graphical representation of a pulse width modulated voltage signal and a modulated voltage signal;
3 a graphical representation of an operating current and a current error;
4 graphical representations of an oscillation spectrum of an operating voltage and an oscillation spectrum of an operating current;
5 FIG. 12 is a flow chart of a method for simulating control of an electrical system; FIG. and
6 a schematic representation of a computer program product.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Simulationsmoduls 200 zum Simulieren einer Steuerung eines elektrischen Systems 300 mit Inverter. 1 FIG. 12 shows a schematic representation of a simulation module 200 for simulating a control of an electrical system 300 with an inverter.

1 zeigt in Graphik a eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Simulationsmoduls 200 zum Simulieren einer Steuerung eines Systems 300. In der gezeigten Ausführungsform ist das elektrische System als elektrische Motor ausgebildet. Alternativ kann das System 300 aber beispielsweise als ein DC-DC Wandler oder eine Energiequlle für eneuerbare Energien ausgebildet sein. Das Simulationsmodul 200 ist hierbei eingerichtet, ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal zu simulieren, um darauf basierend die Funktionsweise des Systems 300 simuliert anzunähern. Zum Erzeugen des pulsweitenmodulierten Spannungssignals sieht das Simulationsmodul 200 aus dem Stand der Technik eine Überlagerung eines Referenzsignals REF mit einem sägezahnförmigen Signal einer Schaltfrequenz Fsw zum Erzeugen der Rechteckfunktion des pulsweitenmodulierten Spannungssignals vor. Das Simulationsmodul 200 sieht ferner die Berücksichtigung einer Austastfrequenz AT zum Erzeugen der Rechteckfunktion des pulsweitenmodulierten Spannungssignals vor. Ferner sieht das Simulationsmodul 200 eine Überlagerung mit einem Gleichspannungssignal U_DC zum Bestimmen einer gewünschten Signalamplitude des pulsweitenmodulierten Spannungssignals vor. Mittels des derart generierten pulsweitenmoduliertes Spannungssignals ist folglich eine Simulation eines Betriebs des Systems 300 unter Berücksichtigung beliebiger Betriebsparameter des Systems 300 ermöglicht. In der gezeigten Ausführungsform ist das Simulationsmodul 200 des Standes der Technik ebenfalls als eine Hardware-in-the-Loop-Simulation ausgebildet. Dies sieht vor, dass gemäß den Simulationsergebnissen des Simulationsmoduls 200 ein realer Motor 300 angesteuert wird und Messwerte eines während der Simulation zu optimierenden Betriebsparameters des Systems 300 aufgenommen und dem Simulationsmodul 200 als Ausgangsdaten für eine weitere Simulation bereitgestellt werden. 1 Graph a shows a schematic representation of a simulation module 200 known from the prior art for simulating a control of a system 300. In the embodiment shown, the electrical system is designed as an electrical motor. Alternatively, however, the system 300 can be embodied as a DC-DC converter or an energy source for renewable energies, for example. In this case, the simulation module 200 is set up to simulate a pulse width modulated voltage signal in order to base ren to approximate the operation of the system 300 simulated. In order to generate the pulse-width-modulated voltage signal, the simulation module 200 from the prior art provides for superimposing a reference signal REF with a sawtooth-shaped signal having a switching frequency Fsw in order to generate the square-wave function of the pulse-width-modulated voltage signal. The simulation module 200 also provides for a blanking frequency AT to be taken into account for generating the square-wave function of the pulse-width-modulated voltage signal. Furthermore, the simulation module 200 provides for superimposing a direct voltage signal U _DC to determine a desired signal amplitude of the pulse-width-modulated voltage signal. Using the pulse-width-modulated voltage signal generated in this way consequently makes it possible to simulate an operation of the system 300 taking into account any operating parameters of the system 300 . In the embodiment shown, the prior art simulation module 200 is also implemented as a hardware-in-the-loop simulation. According to the simulation results of the simulation module 200, a real engine 300 is controlled and measured values of an operating parameter of the system 300 to be optimized during the simulation are recorded and provided to the simulation module 200 as output data for a further simulation.

In Graphik b der 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Simulationsmoduls 200 dargestellt, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zum Simulieren einer Steuerung eines elektrisch betreibbaren Systems 300 auszuführen. Erfindungsgemäß ist hierzu das Simulationsmodul 200 eingerichtet, zur Simulation der Steuerung des Systems 300 eine Näherung eines idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals als Betriebsspannung des Systems 300 durch eine Überlagerung einer Mehrzahl von Oberschwingungen eines Schwingungsspektrums des pulsweitenmodulierten Spannungssignals auszuführen.In graph b the 1 an embodiment of the simulation module 200 according to the invention is shown, which is set up to execute the method according to the invention for simulating a control of an electrically operable system 300. According to the invention, the simulation module 200 is set up to simulate the control of the system 300 by approximating an ideal pulse width modulated voltage signal as the operating voltage of the system 300 by superimposing a plurality of harmonics of an oscillation spectrum of the pulse width modulated voltage signal.

Erfindungsgemäß ist das Simulationsmodul 200 somit zur Simulation der Steuerung des Systems 300 eingerichtet, ein ideales pulsweitenmoduliertes Spannungssignal der Betriebsspannung des Systems 300 durch eine Überlagerung einer Anzahl von Oberschwingungen HARM der Rechteckfunktion des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals anzunähern. Zur Bestimmung der Oberschwingungen HARM des pulsweitenmodulierten Spannungssignals ist das Simulationsmodul 200 eingerichtet, ein Schwingungsspektrum der Rechteckfunktion des pulsweitenmodulierten Spannungssignals zu erzeugen. Hierzu ist das Simulationsmodul 200 eingerichtet, eine Fouriertransformation der Rechteckfunktion des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals zu berechnen und die Komponenten in Form der Oberschwingungen HARM des Schwingungsspektrums des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals zu bestimmen. According to the invention, the simulation module 200 is thus set up to simulate the control of the system 300, to approximate an ideal pulse-width-modulated voltage signal of the operating voltage of the system 300 by superimposing a number of harmonics HARM of the square-wave function of the ideal pulse-width-modulated voltage signal. In order to determine the HARM harmonics of the pulse-width-modulated voltage signal, the simulation module 200 is set up to generate an oscillation spectrum of the square-wave function of the pulse-width-modulated voltage signal. To this end, the simulation module 200 is set up to calculate a Fourier transformation of the square-wave function of the ideal pulse-width-modulated voltage signal and to determine the components in the form of the harmonics HARM of the oscillation spectrum of the ideal pulse-width-modulated voltage signal.

Zur Erzeugung eines modulierten Spannungssignals in Form einer Näherung eines idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals ist das erfindungsgemäße Simulationsmodul 200 eingerichtet, ein Referenzsignal REF mit einer wählbaren Anzahl N von Oberschwingungen HARM des Schwingungsspektrums des anzunähernden idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals zu bewirken. Das Simulationsmodul 200 ist ferner eingerichtet, zusätzlich eine Schaltfrequenz Fsw zu berücksichtigen und eine Überlagerung des Referenzsignals REF und der Anzahl N von Oberschwingungen HARM mit einem Gleichspannungssignal U_DC zu bewirken. Darüber hinaus kann das Simulationsmodul 200 eine Totzeit DT berücksichtigen und das Referenzsignal REF mit einem Sättigungssignal SAT belegen. Über eine derartige Belegung der verschiedenen Signale ist eine je nach Anzahl N der Oberschwingungen HARM des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM präzise Näherung des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM ermöglicht. Eine graphische Darstellung einer derartigen Näherung eines idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM durch eine Überlagerung einer Anzahl N von Oberschwingungen HARM unter Berücksichtigung einer Schaltfrequenz Fsw, eines Referenzsignals REF und eines Gleichspannungssignals U_DC ist in 2 für zwei verschiedene Anzahlen N von Oberschwingungen HARM dargestellt.To generate a modulated voltage signal in the form of an approximation of an ideal pulse width modulated voltage signal, the simulation module 200 according to the invention is set up to produce a reference signal REF with a selectable number N of harmonics HARM of the oscillation spectrum of the ideal pulse width modulated voltage signal to be approximated. The simulation module 200 is also set up to additionally take into account a switching frequency Fsw and to superimpose the reference signal REF and the number N of harmonics HARM with a DC voltage signal U _DC . In addition, the simulation module 200 can take into account a dead time DT and assign a saturation signal SAT to the reference signal REF. Such an assignment of the various signals enables a precise approximation of the ideal pulse-width-modulated voltage signal PWM, depending on the number N of the harmonics HARM of the ideal pulse-width-modulated voltage signal PWM. _FIG 2 for two different numbers N of harmonics HARM.

In der gezeigten Ausführungsform ist das Simulationsmodul 200 ausgebildet, eine Hardware-in-the-Loop-Simulation des Systems 300 auszuführen. Hierzu umfasst das Simulationsmodul 200 einen simulierten 3-Phasen-Inverter 201 und eine simulierte Systemeinheit 203. Über den 3-Phasen-lnverter 201 und die simulierte Systemeinheit 203 kann unter Berücksichtigung des wie oben beschriebenen modulierten Spannungssignals MOD der Betriebsspannung eine vollständige Simulation eines Betriebs des Systems 300 durchgeführt werden. Die simulierte Systemeinheit 203 ist hierbei eine exakte Simulation des realen Systems 300. Zur Ausführung einer Hardware-in-the-Loop-Simulation ist das Simulationsmodul 200 auf einer Recheneinheit 302 ausführbar und mit einem realen Motor 300 verbindbar. In der gezeigten Ausführungsform können somit die Simulationsergebnisse des Simulationsmoduls 200 an einen realen 3-Phasen-Inverter 201 ausgegeben werden und der reale Motor 300 somit gemäß der Simulationsergebnisse des Simulationsmoduls 200 real angesteuert werden. Zur Hardware-in-the-Loop-Simulation können ferner Messdaten eines zu optimierenden Betriebsparameters des Systems 300 dem Simulationsmodul 200 für weitere Simulationsschritte bereitgestellt werden.In the embodiment shown, the simulation module 200 is configured to carry out a hardware-in-the-loop simulation of the system 300 . For this purpose, the simulation module 200 includes a simulated 3-phase inverter 201 and a simulated system unit 203. The 3-phase inverter 201 and the simulated system unit 203 can be used to carry out a complete simulation of an operation of the system 300, taking into account the modulated voltage signal MOD of the operating voltage as described above. In this case, the simulated system unit 203 is an exact simulation of the real system 300. In order to carry out a hardware-in-the-loop simulation, the simulation module 200 can be executed on a computing unit 302 and can be connected to a real motor 300. In the embodiment shown, the simulation results of the simulation module 200 can thus be output to a real 3-phase inverter 201 and the real motor 300 can thus be controlled in real terms according to the simulation results of the simulation module 200 . For hardware-in-the-loop simulation, measurement data of an operating parameter to be optimized can also be used Systems 300 are provided to the simulation module 200 for further simulation steps.

Erfindungsgemäß kann ein in der Simulation zu optimierender Betriebsparameter des Systems 300 durch eine Rotorgeschwindigkeit, eine Betriebstemperatur, eine Leistung bzw. eine Last des Systems 300 gegeben sein.According to the invention, an operating parameter of the system 300 to be optimized in the simulation can be given by a rotor speed, an operating temperature, a power or a load of the system 300 .

2 zeigt eine graphische Darstellung eines pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM und eines modulierten Spannungssignals MOD. 2 shows a graphical representation of a pulse width modulated voltage signal PWM and a modulated voltage signal MOD.

In 2 sind in den Graphiken a und b zwei Näherungen eines beispielhaften idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM durch ein moduliertes Spannungssignal MOD. Das modulierte Spannungssignal MOD ist hierbei als eine Überlagerung von einer Anzahl N von Oberschwingungen HARM eines Schwingungsspektrums des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM generiert. In 2 sind zwei Beispiele einer derartigen Näherung durch ein moduliertes Spannungssignal MOD für zwei verschiedene Anzahlen N von überlagerten Oberschwingungen HARM dargestellt. Das ideale pulsweitenmodulierte Spannungssignal PWM ist in 2 mit einer beispielhaften Signalamplitude, Taktfrequenz und Duty Cycle dargestellt. Das ideale pulsweitenmodulierte Spannungssignal PWM ist in Form einer idealen Rechteckfunktion dargestellt.In 2 in graphs a and b are two approximations of an exemplary ideal pulse width modulated voltage signal PWM by a modulated voltage signal MOD. In this case, the modulated voltage signal MOD is generated as a superimposition of a number N of harmonics HARM of an oscillation spectrum of the ideal pulse-width-modulated voltage signal PWM. In 2 two examples of such an approximation are shown by a modulated voltage signal MOD for two different numbers N of superimposed harmonics HARM. The ideal pulse width modulated voltage signal PWM is in 2 shown with an example signal amplitude, clock frequency and duty cycle. The ideal pulse-width modulated voltage signal PWM is shown in the form of an ideal square-wave function.

In Graphik a ist eine Näherung des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM durch ein moduliertes Spannungssignal MOD dargestellt. Das modulierte Spannungssignal MOD ist in Graphik a durch eine Überlagerung von N = 3 Oberschwingungen des Schwingungsspektrums des pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM generiert. In Graphik b ist eine Näherung des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM durch ein moduliertes Spannungssignal MOD dargestellt, das durch Überlagerung von N = 20 Oberschwingungen des Schwingungsspektrums des pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM generiert ist. Wie in den Graphiken a und b deutlich zu erkennen ist, ist durch das modulierte Spannungssignal MOD der Graphik b mit N = 20 Oberschwingungen eine deutlich bessere Beschreibung des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM erreicht als durch das modulierte Spannungssignal MOD der Graphik a, das auf N = 3 Oberschwingungen basiert.Graph a shows an approximation of the ideal pulse width modulated voltage signal PWM by a modulated voltage signal MOD. The modulated voltage signal MOD is generated in graphic a by superimposing N=3 harmonics of the oscillation spectrum of the pulse width modulated voltage signal PWM. Graph b shows an approximation of the ideal pulse-width-modulated voltage signal PWM by a modulated voltage signal MOD, which is generated by superimposing N=20 harmonics of the oscillation spectrum of the pulse-width-modulated voltage signal PWM. As can be clearly seen in graphs a and b, the modulated voltage signal MOD in graph b with N=20 harmonics achieves a significantly better description of the ideal pulse width modulated voltage signal PWM than the modulated voltage signal MOD in graph a, which is based on N=3 harmonics.

Analog zu den obigen Ausführungen sind beide modulierten Spannungssignale MOD ferner durch eine Überlagerung eines Referenzsignals REF und eines Gleichspannungssignals U_DC und durch eine Berücksichtigung einer Schaltfrequenz Fsw generiert. Über das Referenzsignal REF, das Gleichspannungssignal U_DC und die Schaltfrequenz Fsw wird erreicht, dass das modulierte Spannungssignal MOD die gewünschte Signalamplitude, Schaltfrequenz und Duty Cycle des darzustellenden idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM abbildet.Analogously to the above statements, both modulated voltage signals MOD are also generated by superimposing a reference signal REF and a DC voltage signal U _DC and by taking a switching frequency Fsw into account. The reference signal REF, the _{DC voltage signal U DC} and the switching frequency Fsw ensure that the modulated voltage signal MOD maps the desired signal amplitude, switching frequency and duty cycle of the ideal pulse width modulated voltage signal PWM to be displayed.

Erfindungsgemäß sieht das Verfahren zur Simulation einer Steuerung eines elektrisch betreibbaren Systems 300 vor, dass zur Generierung eines modulierten Spannungssignals MOD der Betriebsspannung U des Systems 300 während der Simulation die verwendete Anzahl N von Oberschwingungen des Schwingungsspektrums des pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM veränderbar ist. Die Graphiken a und b des Diagramms der 2 können somit zwei zeitlich aufeinanderfolgende Simulationsabschnitte darstellen, in denen das modulierte Spannungssignal MOD der Betriebsspannung U des Systems 300 zunächst für eine Anzahl N = 3 Oberschwingungen generiert wurde und in einem späteren Simulationsabschnitt ein moduliertes Spannungssignal MOD für eine Anzahl N = 20 Oberschwingungen berücksichtigt wurde. Durch die Erhöhung der Anzahl N von Oberschwingungen des modulierten Spannungssignals MOD kann eine präzisere Darstellung des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM erreicht werden. Hierdurch kann eine erhöhte Präzision der gesamten Simulation der Steuerung des Systems 300 bewirkt werden. Analog kann durch die Verringerung der Anzahl N von verwendeten Oberschwingungen zur Generierung des modulierten Spannungssignals MOD eine zur Durchführung der Simulation benötigte Rechenkapazität bzw. Zeitdauer der Simulation verringert werden.According to the invention, the method for simulating a control of an electrically operable system 300 provides that the number N of harmonics used in the oscillation spectrum of the pulse width modulated voltage signal PWM can be changed during the simulation to generate a modulated voltage signal MOD of the operating voltage U of the system 300. Graphics a and b of the diagram of the 2 can thus represent two consecutive simulation sections in which the modulated voltage signal MOD of the operating voltage U of the system 300 was first generated for a number N=3 harmonics and in a later simulation section a modulated voltage signal MOD for a number N=20 harmonics was taken into account. By increasing the number N of harmonics of the modulated voltage signal MOD, a more precise representation of the ideal pulse width modulated voltage signal PWM can be achieved. Increased precision of the entire simulation of the control of the system 300 can thereby be brought about. Analogously, by reducing the number N of harmonics used to generate the modulated voltage signal MOD, a computing capacity or duration of the simulation required to carry out the simulation can be reduced.

3 zeigt eine graphische Darstellung eines Betriebsstroms I und eines Stromfehlers ΔI. 3 shows a graphical representation of an operating current I and a current error ΔI.

3 zeigt die Güte der Simulation eines Verhaltens des Systems 300 einmal für ein ideales pulsweitenmoduliertes Spannungssignal PWM der Betriebsspannung U und zum anderen für ein moduliertes Spannungssignal MOD basierend auf einer Überlagerung einer Mehrzahl von Oberschwingungen des Schwingungsspektrums des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM. 3 shows the quality of the simulation of a behavior of the system 300 for an ideal pulse width modulated voltage signal PWM of the operating voltage U and for a modulated voltage signal MOD based on a superimposition of a plurality of harmonics of the oscillation spectrum of the ideal pulse width modulated voltage signal PWM.

In den Graphiken a und b ist eine zeitliche Entwicklung eines Betriebsstroms I des Systems 300 für eine Simulation basierend auf einem idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignal PWM und für eine Simulation basierend auf einem modulierten Spannungssignal MOD basierend auf einer beliebigen Anzahl N von Oberschwingungen des Schwingungsspektrums des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM dargestellt. Graphik a berücksichtigt hierbei eine Simulation basierend auf einem modulierten Spannungssignal MOD mit einer Anzahl N = 3 von berücksichtigten Oberschwingungen. Graphik b zeigt hingegen den Betriebsstrom I für eine Simulation basierend auf einem modulierten Spannungssignal MOD mit einer Anzahl N = 20 berücksichtigten Oberschwingungen.Graphs a and b show a time development of an operating current I of the system 300 for a simulation based on an ideal pulse width modulated voltage signal PWM and for a simulation based on a modulated voltage signal MOD based on any number N of harmonics of the oscillation spectrum of the ideal pulse width modulated voltage signal PWM. Graph a takes into account a simulation based on a modulated voltage signal MOD with a number N=3 of considered harmonics. Graph b, on the other hand, shows the operating current I for a simulation based on a modulated voltage signal MOD with a number N=20 harmonics taken into account.

Die Graphiken c und d beschreiben ferner einen zeitlichen Verlauf eines Stromfehlers ΔI. Der Stromfehler ΔI ergibt sich hierbei als eine Differenz zwischen dem Betriebsstrom I_PWM der Simulation basierend auf dem idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignal PWM und dem Betriebsstrom I_MOD basierend auf dem modulierten Spannungssignal MOD gemäß den Graphiken a und b.Graphics c and d also describe a time course of a current error ΔI. The current error ΔI results here as a difference between the operating current I _PWM of the simulation based on the ideal pulse width modulated voltage signal PWM and the operating current I _MOD based on the modulated voltage signal MOD according to graphics a and b.

Wie die Graphiken a und b zeigen, entspricht die Güte der Simulation basierend auf dem modulierten Spannungssignal MOD der Güte der Simulation basierend dem idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignal PWM. Beide Kurven I_MOD, I_PWM zeigen einen nahezu identischen zeitlichen Verlauf.As the graphics a and b show, the quality of the simulation based on the modulated voltage signal MOD corresponds to the quality of the simulation based on the ideal pulse width modulated voltage signal PWM. Both curves I _MOD , I _PWM show an almost identical course over time.

Die Graphiken c und d zeigen, dass die Abweichungen der Betriebsströme I_MOD für die verschiedenen Anzahlen N berücksichtigter Oberschwingungen von dem Betriebsstrom I_PWM lediglich geringfügig für die verschiedenen Anzahlen N von berücksichtigten Oberschwingungen variieren. Beide Simulationen, sowohl für N = 3 als auch N = 20, zeigen eine hohe Präzision und lediglich eine geringe Abweichung von der Simulation basierend auf dem idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignal PWM. Die Simulation basierend auf dem modulierten Spannungssignal MOD mit N = 20 Oberschwingungen zeigt eine höhere Präzision und einen entsprechenden geringeren Stromfehler ΔI bzw. eine geringe Abweichung von den Simulationsergebnissen der Simulation basierend auf dem idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignal PWM.The graphs c and d show that the deviations of the operating currents I _MOD for the different numbers N of considered harmonics from the operating current I _PWM vary only slightly for the different numbers N of considered harmonics. Both simulations, both for N = 3 and N = 20, show a high level of precision and only a small deviation from the simulation based on the ideal pulse width modulated voltage signal PWM. The simulation based on the modulated voltage signal MOD with N=20 harmonics shows higher precision and a correspondingly lower current error ΔI or a small deviation from the simulation results of the simulation based on the ideal pulse-width modulated voltage signal PWM.

4 zeigt graphische Darstellungen eines Schwingungsspektrums einer Betriebsspannung U und eines Schwingungsspektrums eines Betriebsstroms I. 4 shows graphical representations of an oscillation spectrum of an operating voltage U and an oscillation spectrum of an operating current I.

Die Graphik a der 4 zeigt ein Frequenzspektrum einer Betriebsspannung U. Das Frequenzspektrum umfasst eine spektrale Verteilung der Betriebsspannung U basierend auf einem idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignal U_PWM und einmal basierend auf einem modulierten Spannungssignal U_MOD. Die Graphik c zeigt einen gezoomten Bereich des Frequenzspektrums der Graphik a. Aus dem gezoomten Bereich der Graphik c ist zu entnehmen, dass eine hohe Übereinstimmung zwischen der Betriebsspannung U_PWM des idealen pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM und der Betriebsspannung U_MOD des modulierten Spannungssignals MOD existiert.The graphic a the 4 shows a frequency spectrum of an operating voltage U. The frequency spectrum includes a spectral distribution of the operating voltage U based on an ideal pulse width modulated voltage signal U _PWM and once based on a modulated voltage signal U _MOD . Graph c shows a zoomed portion of the frequency spectrum of graph a. From the zoomed area of graph c it can be seen that there is a high level of agreement between the operating voltage U _PWM of the ideal pulse width modulated voltage signal PWM and the operating voltage U _MOD of the modulated voltage signal MOD.

Analog beschreibt die Graphik d ein Frequenzspektrum des Betriebsstroms I, zum einen für einen Betriebsstrom I_PWM basierend auf dem pulsweitenmodulierten Spannungssignal PWM und einem Betriebsstrom I_MOD basierend auf dem modulierten Spannungssignal MOD. Die Graphik d beschreibt wiederum einen Zoombereich des Frequenzspektrums der Graphik b. Aus dem gezoomten Bereich der Graphik d ist wiederum zu entnehmen, dass die Betriebsströme I_PWM und I_MOD eine hohe Übereinstimmung aufweisen.Similarly, the graph d describes a frequency spectrum of the operating current I, on the one hand for an operating current I _PWM based on the pulse width modulated voltage signal PWM and an operating current I _MOD based on the modulated voltage signal MOD. The graph d in turn describes a zoom range of the frequency spectrum of the graph b. From the zoomed area of graph d it can again be seen that the operating currents I _PWM and I _MOD show a high level of agreement.

5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zum Simulieren einer Steuerung eines elektrischen Systems 300. 5 1 shows a flow diagram of a method 100 for simulating a control of an electrical system 300.

Erfindungsgemäß wird in einem ersten Verfahrensschritt 101 ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal PWM einer Betriebsspannung U eines zu modulierenden Systems 300 ermittelt, wobei das ermittelte pulsweitenmodulierte Spannungssignal PWM der Betriebsspannung U geeignet ist, den Motor 300 gemäß eines vorbestimmten Betriebsparameters anzusteuern.According to the invention, a pulse width modulated voltage signal PWM of an operating voltage U of a system 300 to be modulated is determined in a first method step 101, the pulse width modulated voltage signal PWM determined of the operating voltage U being suitable for controlling the motor 300 according to a predetermined operating parameter.

In einem weiteren Verfahrensschritt 103 wird ein Schwingungsspektrum des ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM der Betriebsspannung U berechnet.In a further method step 103, an oscillation spectrum of the ascertained pulse width modulated voltage signal PWM of the operating voltage U is calculated.

Hierzu wird in einem weiteren Verfahrensschritt 111 eine Fouriertransformation des pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM der Betriebsspannung U ausgeführt und eine Mehrzahl von Fourierkomponenten berechnet.For this purpose, in a further method step 111, a Fourier transformation of the pulse width modulated voltage signal PWM of the operating voltage U is carried out and a plurality of Fourier components is calculated.

In einem weiteren Verfahrensschritt 105 wird wenigstens eine Oberschwingung HARM oder eine Mehrzahl von Oberschwingungen HARM aus dem Schwingungsspektrum des pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM der Betriebsspannung U ermittelt.In a further method step 105, at least one harmonic HARM or a plurality of harmonics HARM is determined from the oscillation spectrum of the pulse width modulated voltage signal PWM of the operating voltage U.

In einem weiteren Verfahrensschritt 107 wird ein moduliertes Spannungssignal MOD basierend auf den ausgewählten Oberschwingungen HARM des Schwingungsspektrums des pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM der Betriebsspannung U generiert.In a further method step 107, a modulated voltage signal MOD is generated based on the selected harmonics HARM of the oscillation spectrum of the pulse width modulated voltage signal PWM of the operating voltage U.

Hierzu wird in einem Verfahrensschritt 113 eine Überlagerung eines Referenzsignals REF mit den Oberschwingungen HARM aus dem Schwingungsspektrum des ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignals PWM der Betriebsspannung U bewirkt. Zur Berechnung des modulierten Spannungssignals MOD kann ferner eine Schaltfrequenz Fsw, ein Gleichspannungssignal U_DC und eine Totzeit DT berücksichtigt werden.For this purpose, in a method step 113, a reference signal REF is superimposed with the harmonics HARM from the oscillation spectrum of the ascertained pulse width modulated voltage signal PWM of the operating voltage U. To calculate the modulated voltage signal MOD, a switching frequency Fsw, a DC voltage signal U _DC and a dead time DT can also be taken into account.

In einem Verfahrensschritt 109 wird das Verhalten des Systems 300 mit Bezug auf den vorbestimmten Betriebsparameter des Systems 300 bei Ansteuerung des Systems 300 mit dem generierten modulierten Spannungssignal MOD als Betriebsspannung U simuliert.In a method step 109, the behavior of the system 300 with reference to the predetermined operating parameters of the system 300 when the system 300 is controlled with the generated modulated voltage signal MOD as the operating voltage U is simulated.

In der gezeigten Ausführungsform wird die Simulation des Verhaltens des Systems 300 als eine Hardware-in-the-Loop-Simulation ausgeführt. In einem weiteren Verfahrensschritt 115 werden hierzu Steuersignale basierend auf den ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignalen PWM an eine Systemsteuerung 301 eines elektrischen Systems 300 zum Ansteuern des Systems 300 mit einer pulsweitenmodulierten Betriebsspannung U ausgegeben, die dem ermittelten pulsweitenmodulierten Spannungssignal PWM entspricht.In the embodiment shown, the simulation of the behavior of the system 300 is performed as a hardware-in-the-loop simulation. In a further method step 115, control signals based on the determined pulse width modulated voltage signals PWM are output to a system controller 301 of an electrical system 300 for driving system 300 with a pulse width modulated operating voltage U, which corresponds to the determined pulse width modulated voltage signal PWM.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Computerprogrammprodukts 400, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Datenverarbeitungseinheit dieses veranlassen, das Verfahren 100 zur Simulation einer Steuerung eines elektrischen Systems 300 und/oder das Simulationsmodul 200 auszuführen. 6 shows a schematic representation of a computer program product 400, comprising instructions which, when the program is executed by a data processing unit, cause the latter to execute the method 100 for simulating a control of an electrical system 300 and/or the simulation module 200.

Das Computerprogrammprodukt 400 ist in der gezeigten Ausführungsform auf einem Speichermedium 401 gespeichert. Das Speichermedium 401 kann hierbei ein beliebiges aus dem Stand der Technik bekanntes Speichermedium sein.The computer program product 400 is stored on a storage medium 401 in the embodiment shown. The storage medium 401 can be any storage medium known from the prior art.

Claims

A method (100) for simulating a control of an electrical system (300) with an inverter, comprising: Determining (101) a pulse width modulated voltage signal (PWM) of an operating voltage (U) of a system (300) to be simulated, wherein the determined pulse width modulated voltage signal (PWM) of the operating voltage (U) is suitable for controlling the system (300) according to a predetermined operating parameter of the system (300); calculating (103) an oscillation spectrum of the ascertained pulse width modulated voltage signal (PWM) of the operating voltage; Determining (105) at least one harmonic (HARM) or a plurality of harmonics (HARM) from the oscillation spectrum of the determined pulse width modulated voltage signal (PWM) of the operating voltage (U); Generating (107) a modulated voltage signal (MOD) based on the at least one harmonic (HARM) or the plurality of harmonics (HARM) from the oscillation spectrum of the determined pulse width modulated voltage signal (PWM) of the operating voltage (U); and Simulating (109) a behavior of the system (300) with reference to the predetermined operating parameters of the system (300) when the system (300) is driven with the generated modulated voltage signal (MOD) as the operating voltage (U).

Method (100) according to claim 1 , wherein the calculation (103) of the oscillation spectrum comprises: performing (111) a Fourier transformation of the pulse width modulated voltage signal (PWM) of the operating voltage (U).

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein a number (N) of the harmonics that are used to generate the modulated voltage signal (MOD) as the operating voltage (U) can be changed during the simulation of the behavior of the system (300).

Method (100) according to claim 3 , wherein the generation (107) of the modulated voltage signal (MOD) comprises: superimposing (113) a reference signal (REF) with the determined harmonics (HARM) from the oscillation spectrum of the determined pulse width modulated voltage signal (PWM) of the operating voltage (U).

Method (100) according to claim 4 , wherein for calculating the modulated voltage signal (MOD) a switching frequency for determining a duty cycle of the modulated voltage signal (MOD), a DC voltage signal (U _DC ) for achieving a signal amplitude to be achieved for the modulated voltage signal and a dead time (DT) are also taken into account.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein the plurality of harmonics (HARM) of the oscillation spectrum of the determined pulse width modulated voltage signal (PWM) of the operating voltage (U) are shown in a vector representation.

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein the operating parameter comprises a rotor speed and/or an operating temperature and/or a power of the system (300).

Method (100) according to one of the preceding claims, wherein the simulation is carried out as a hardware-in-the-loop simulation, and wherein the method (100) further comprises: outputting (115) control signals based on the determined pulse width modulated voltage signals (PWM) to a system controller (301) of an electrical system (300) with an inverter for driving the system (300) with a pulse width modulated operating voltage (U), which corresponds to the determined pulse width modulated voltage signal (PWM).

Method (100) according to claim 8 , further comprising: receiving measured values of at least one physical measured variable of the system (300), wherein an operating state of the system (300) can be determined based on the measured variable; and taking into account the measured values and/or the operating state of the system (300) determined on the basis of the measured values in the simulation.

Simulation module (200) for simulating a control of an electrical system (300) with an inverter, the simulation module (200) being set up, the method (100) for simulating a control of an electrical system (300) with an inverter according to one of the preceding ones Claims 1 until 9 to execute.

Arithmetic unit (302) which is set up, the method (100) for simulating a control of an electrical system (300) with an inverter according to one of the preceding ones Claims 1 until 9 to execute and/or to execute the simulation module (200) according to claim 10.

Computer program product (400) comprising instructions which, when the program is executed by a data processing unit, cause the latter to use the method (100) for simulating a control of an electrical system (300) with an inverter according to one of the preceding ones claims 1 until 9 execute and/or the simulation module (200) after claim 10 to execute.