DE102005048464B4

DE102005048464B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Simulieren einer induktiven Last

Info

Publication number: DE102005048464B4
Application number: DE102005048464.6A
Authority: DE
Inventors: Jörg Bracker; Marc Dolle
Original assignee: Dspace GmbH; Dspace Digital Signal Processing and Control Engineering GmbH
Current assignee: Dspace GmbH
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2025-10-08
Also published as: JP5334579B2; DE102005048464A1; US8768675B2; US9857820B2; CN101278242A; US20140222240A1; WO2007042228A1; CN101278242B; JP2009510994A; US20080270090A1

Abstract

Verfahren zur Simulation der Wirkung wenigstens einer induktiven Last an einem Anschluss eines Steuergerätes, bei dem ein theoretisch durch die simulierte Last an wenigstens einem Anschluss (3, 4, 5) fließender Strom real mittels einer mit dem wenigstens einen Anschluss (3, 4, 5) verbundenen ansteuerbaren Stromeinheit (11) nachgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Quelleneinheit der Stromeinheit (11) mit einer Hilfsspannungsquelle oder eine Senkeneinheit der Stromeinheit (11) mit einer Hilfsspannungsquelle in Abhängigkeit einer berechneten Steuergröße und der Stromrichtung aktiviert wird und zur Nachbildung dem Steuergerät (1) mit dem Hilfspotential (15A, 15B) der jeweiligen Hilfsspannungsquelle ein Strom entnommen oder aufgeprägt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation der Wirkung wenigstens einer induktiven Last an einem Anschluss eines Steuergerätes, insbesondere eines Kfz-Steuergerätes, bei dem ein theoretisch durch die simulierte Last an wenigstens einem Anschluss fließender Strom real mittels einer mit dem wenigstens einen Anschluss verbundenen ansteuerbaren Stromeinheit nachgebildet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Simulation der Wirkung wenigstens einer induktiven Last an einem Steuergerät, insbesondere einem Kfz-Steuergerät, die an einem Steuergerät anschließbar ist und bei welcher der durch die simulierte Last an wenigstens einem Anschluss eines Steuergerätes fließende Strom nachgebildet ist durch wenigstens eine Recheneinheit, welche eine den Strom in der Last repräsentierende Steuergröße berechnet und/oder bereitstellt und die eine Stromeinheit aufweist, an welche die Steuergröße von der Recheneinheit übertragbar ist und die einen von der übertragenen Steuergröße abhängigen realen Strom erzeugt.
Hierbei wird unter einer induktiven Last eine 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.
Ein Anwendungsgebiet von Steuergeräten liegt im Kraftfahrzeuggebiet, wo Steuergeräte eingesetzt werden, um verschiedene Aufgaben 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Prinzipiell steht nun ein fertiges Steuergerät zur Verfügung und konsequenterweise könnten nun Testfahrten und Testprozeduren durchgeführt werden. Solche Testfahrten/Prozeduren finden unterwidrigen 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.
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.
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.
Insbesondere induktive Lasten bereiten Schwierigkeiten bei einer Simulation, da beim Abschalten der Spannungsversorgung die Induktivität die Energie im System aufrecht erhalten möchte und somit einen Strom I_L in entgegengesetzter Richtung des Versorgungsstroms hervorruft.
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.
Daraus folgenden Nachteile wie häufiger Umbau und Umrüstung der Reallasten. Einhergehend damit sind solche Systeme nicht gut skalierbar. Vor allem ist es schwierig hohe Stromlasten bei geringen Herstellungskosten zu realisieren.
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.
Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung sind bereits aus der Veröffentlichung JP 2005 045 981 A bekannt, wobei die dort beschriebene Stromquelle keinerlei Zweiteilung unter Nutzung separater Hilfsspannungsquellen aufweist. Weiterhin beschreibt die Veröffentlichung DE 102 05 795 A1 eine Vorrichtung, deren Anschlußwerte derart einstellbar sind, dass sich ein gleiches Anschlußverhalten hinsichtlich eines bewegten Elementes wie bei einer nachzubildenden Komponente ergibt. Die Veröffentlichung US 4 751 443 A beschreibt die Bestimmung einer elektromotorischen Kraft, jedoch nicht die reale Nachbildung von durch eine induktive Last theoretisch fließenden Strömen.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels denen die Simulation einer induktiven 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 induktiven Lasten nachzubilden. Weiterhin ist es Aufgabe eine schnelle Änderung der Simulationsbedingungen zu ermöglichen.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine Quelleneinheit der Stromeinheit mit einer Hilfsspannungsquelle oder eine Senkeneinheit der Stromeinheit mit einer Hilfsspannungsquelle in Abhängigkeit einer berechneten Steuergröße und der Stromrichtung aktiviert wird und zur Nachbildung dem Steuergerät mit dem Hilfspotential der jeweiligen Hilfsspannungsquelle ein Strom entnommen oder aufgeprägt wird.
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.
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.
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.
Erreicht werden kann dies durch eine Vorrichtung, bei der die Stromeinheit eine Hilfsspannungsquelle zur Bildung einer Quelleneinheit und eine Hilfsspannungsquelle zur Bildung einer Senkeneinheit umfasst, wobei in Abhängigkeit der Steuergröße je nach Stromrichtung die eine oder die andere dieser beiden Einheiten aktiviert und deren Hilfspotential mit dem Anschluß des Steuergeräts verbunden ist und mit denen wahlweise aus dem Steuergerät ein Strom entnehmbar oder dem Steuergerät aufprägbar ist.
Wesentlich ist es bei dieser Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens 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.
Um zu erreichen, dass mittels der Stromeinheit ein im physikalischen Verhalten der realen Last entsprechender Strom an dem jeweiligen Anschluss des Steuergerätes nachbildbar ist, ist es vorgesehen, 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.
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.
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.
Hierbei ist es vorgesehen, dass das Hilfspotential in Abhängigkeit der Steuergröße auswählbar ist, insbesondere, wobei die Größe des Hilfspotentials 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.
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.
Alternativ oder auch kumulativ zu dieser Ausführung kann ein Strombegrenzungsmittel auch durch ein einstellbares Widerstandselement gebildet werden. Dieses Strombegrenzungsmittel kann z. B. auch durch einen Transistor gebildet werden.
Die vorgenannte Stromeinheit weist eine Quelleneinheit und eine Senkeneinheit auf, die in Abhängigkeit der Steuergröße aktivierbar sind. Je nach gewünschter Stromrichtung wird also somit die eine oder andere dieser beiden Einheiten aktiviert. Insofern kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass sowohl die Quelleneinheit als auch die Senkeneinheit wenigstens ein Strombegrenzungsmittel der vorgenannten Art aufweisen kann.
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.
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.
In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 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.
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.
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.
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.
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.
In erfindungsgemäßer Anwendung werden Verfahren und Vorrichtung eingesetzt, 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.
An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung nicht auf elektronisch kommutierte 3-Phasen-Gleichstrommotoren beschränkt, sondern alle Arten von Induktivitäten und Elektromotoren, wie beispielsweise Asynchronmotoren einbezieht.
Ein auf Induktivitäten bezogenes Ausführungsbeispiel wird anhand der nachfolgenden Figuren näher beschreiben. Es zeigen:
1: einen Drei-Phasen-Gleichstrommotor, der an ein Steuergerät angeschlossen ist,
2: das elektrische Ersatzschaltbild dieser Anordnung,
3: eine Prinzipdarstellung eines hardwarebasierten Anteils des nötigen zugrunde liegenden Simulationsmodells,
4: eine erfindungsgemäße Stromeinheit um an einem Anschluss eines Steuergerätes einen Stromfluss zu erzeugen.
5: eine schematische Gesamtübersicht einer Vorrichtung zur Simulation eines 3-Phasenmotors mit drei Stromeinheiten, die je eine der Wicklungen des Motors simulieren.
Im Folgenden wird anhand der 1 der Aufbau bestehend aus Steuergerät in Verbindung mit einem Gleichstrommotor wie er beispielsweise im Automobilbereich verwendet wird erläutert.
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.
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.
Wie in 2 dargestellt, lässt sich jede der Wicklungen elektrisch durch ein Ersatzschaltbild modellieren.
Dieses Ersatzschaltbild setzt sich aus einer Reihenschaltung der externen Spannungsversorgung U_PWM, die aus dem Steuergerät an einem Anschluss stammt, der Wicklungsinduktivität L, des Wicklungswiderstandes R sowie einer Spannungsquelle U_EMK zusammen. Die Spannungsquelle U_EMK 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 U_ST, 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.
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.
Um den Wicklungsstrom zu berechnen wird hier im Beispiel ein Analogrechner verwendet. Die Berechnungsvorschrift, die der Analogrechner abbilden muss, lautet: I = ∫(U_PWM – U_EMK – U_ST – I(t)·R)· 1 / Ldt
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 der Eingangsspannung U_PWM des Steuergerätes, die unmittelbar an den Addierer 10 angelegt wird, die Gegen-EMK U_EMK, die Sternspannung U_ST sowie den Spannungsabfall über dem ohmschen Wicklungswiderstand R.
Die Spannungen U_PWM, U_EMK sowie U_ST werden an den Addierer 10 angelegt, dabei wird der Spannungsabfall über dem Widerstand R in einem anderen Schaltungsteil berechnet. U_PWM ist die tatsächliche am Steuergerät anliegende Ausgangsspannung, U_EMK sowie U_ST 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.
Stufe 2: Der Integrator 8 integriert die Ausgangsspannung des Addieres 10 mit einer einstellbaren Integrationskonstante L, welche die Induktivität der Wicklung beschreibt.
Dadurch errechnet sich gemäß der Formel I = ∫ U / Ldt der Spulenstrom.
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.
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 U_PWM abgezogen. Hierdurch erfolgt eine schnelle Rückkopplung der Steuergröße als eine Eingangsspannung in den Addierer 10.
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, U_ST, U_EMK 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 U_PWM wird dem System durch den Ausgang der einstellbaren Stromquelle/Senke 11 rückgekoppelt zugeführt.
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.
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.
Dies wird dadurch erreicht, dass der Schalter 16 einen Schaltungsteil auf 0 V 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).
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 0 V an. Dies führt dazu, dass der Verstärker 14A sperrt und kein Strom durch den Shunt R_SA fließt.
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.
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.
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).
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 R_SB misst, liegt auch am (–) Eingang des OPV 12B der Wert von Eingang 17 an. D. h. durch den Steuergeräteanschluss U_PWM fließt ein Strom entsprechend des Wertes am Eingang 17 über die Hilfsspannungsquelle 15B zur Masse des Steuergerätes GND.
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.
Somit kann nun das Verhalten einer induktiven Last simuliert und somit das Steuergeräteverhalten getestet werden.
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.
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.
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.
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.
In einer weiteren Ausgestaltung kann der beschriebene analoge Hardwareaufbau durch einen schnellen digitalen Rechner (z. B. Digitale-Signal-Prozessoren – DSP mit geeigneter Analog/Digital-Wandlung) realisiert werden. Auch können FPGA's eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Simulation der Wirkung wenigstens einer induktiven Last an einem Anschluss eines Steuergerätes, bei dem ein theoretisch durch die simulierte Last an wenigstens einem Anschluss (3, 4, 5) fließender Strom real mittels einer mit dem wenigstens einen Anschluss (3, 4, 5) verbundenen ansteuerbaren Stromeinheit (11) nachgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Quelleneinheit der Stromeinheit (11) mit einer Hilfsspannungsquelle oder eine Senkeneinheit der Stromeinheit (11) mit einer Hilfsspannungsquelle in Abhängigkeit einer berechneten Steuergröße und der Stromrichtung aktiviert wird und zur Nachbildung dem Steuergerät (1) mit dem Hilfspotential (15A, 15B) der jeweiligen Hilfsspannungsquelle ein Strom entnommen oder aufgeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die berechnete Steuergröße den theoretischen Strom durch die Last repräsentiert, wobei ein Strombegrenzungsmittel (14A, 14B) in Abhängigkeit dieser Steuergröße eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strombegrenzungsmittel (14A, 14B) gebildet wird durch ein im Wert einstellbares Widerstandselement.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße mittels eines Simulationsmodelles berechnet wird, welches den Stromfluss durch die Last, insbesondere in Abhängigkeit einer Steuerspannung (U_PWM) des Steuergerätes (1), beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsvorschriften des Simulationsmodells wenigstens zu einem Teil in Hardware (8, 9, 10) realisiert sind und zu einem anderen Teil in Software, welche auf einer Datenverarbeitungseinheit (18) läuft.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Hardware realisierte Anteil (8, 9, 10) des Simulationsmodells parametrierbar ist durch einen in Software realisierten Anteil des Simulationsmodells.
Vorrichtung zur Simulation der Wirkung wenigstens einer induktiven Last an einem Steuergerät, die an einem Steuergerät (1) anschließbar ist und der durch die simulierte Last an wenigstens einem Anschluss (3, 4, 5) eines Steuergerätes (1) fließende Strom nachgebildet ist durch wenigstens a. eine Recheneinheit, welche eine den Strom in der Last repräsentierende Steuergröße berechnet und/oder bereitstellt und b. eine Stromeinheit (11) an welche die Steuergröße von der Recheneinheit übertragbar ist, und die einen von der übertragenen Steuergröße abhängigen realen Strom erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass c. die Stromeinheit (11) eine Hilfsspannungsquelle (15A) zur Bildung einer Quelleneinheit und eine Hilfsspannungsquelle (15B) zur Bildung einer Senkeneinheit umfasst, wobei in Abhängigkeit der Steuergröße je nach Stromrichtung die eine oder die andere dieser beiden Einheiten aktiviert und deren Hilfspotential mit dem Anschluß (3, 4, 5) des Steuergeräts verbunden ist und mit denen wahlweise aus dem Steuergerät (1) ein Strom entnehmbar oder dem Steuergerät (1) aufprägbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfspotential (15A, 15B) in Abhängigkeit der Steuergröße auswählbar ist und die Größe des Hilfspotentials einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelleneinheit und die Senkeneinheit wenigstens ein ansteuerbares Strombegrenzungsmittel (14A, 14B) aufweisen, dessen Strombegrenzung abhängig von der Steuergröße ist, wobei ein Strombegrenzungsmittel (14A, 14B) gebildet ist durch ein einstellbares Widerstandselement (14A, 14B).
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelleneinheit und die Senkeneinheit wenigstens ein ansteuerbares Strombegrenzungsmittel (14A, 14B) aufweisen, das als Endstufe aus PWM-gesteuerten Schaltern in Kombination mit einer Induktivität ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergröße in der Recheneinheit (8, 9, 10) mittels eines Simulationsmodells berechenbar ist, wobei die Berechnungsvorschriften des Simulationsmodells wenigstens zu einem Teil (8, 9, 10) in Hardware gebildet sind und zu einem anderen Teil in Software gebildet sind, die auf einer Datenverarbeitungseinheit (18) läuft.
Vorrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Datenverarbeitungseinheit (18) die Recheneinheit oder Untereinheiten der Recheneinheit parametrierbar ist/sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Hardware gebildeter Teil (8, 9, 10) der Recheneinheit eine, insbesondere analoge, Integrationseinheit (8) umfasst, welche eine Steuergröße berechnet und/oder bereitstellt, die den Strom in einer induktiven Last repräsentiert in Abhängigkeit einer Gesamtspannung oder deren Betrag, die über der simulierten induktiven Last abfällt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Hardware gebildeter Teil der Recheneinheit eine Additionseinheit (10) umfasst, welche die Gesamtspannung oder deren Betrag bildet durch Addition der an/in der induktiven Last wirkenden Einzelspannungen oder deren Beträge, die der Additionseinheit zugeführt sind und von der die Gesamtspannung oder deren Betrag an die Integrationseinheit (8) übertragbar ist,
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Hardware gebildeter Teil der Recheneinheit eine Rückkopplungseinheit (9) umfasst zur Rückkopplung der Steuergröße in die Additionseinheit (10) als eine an/in der induktiven Last wirkende Einzelspannung oder deren Betrag.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückkopplungseinheit (9) gebildet ist durch einen mit einem ohmschen Widerstandswert (R) parametrierten Multiplizierer (9), mittels dem in Abhängigkeit des Widerstandswertes (R) aus der Steuergröße eine an die Additionseinheit (10) übertragbare Einzelspannung oder deren Betrag bildbar ist, die aufgrund des ohmschen Widerstandes (R) über der induktiven Last abfällt, insbesondere wobei der Widerstandswert (R) von der Datenverarbeitungseinheit (18) vorgebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit eine Datenverarbeitungseinheit umfasst, mit einem in Software gebildeten Modell zur Berechnung wenigstens einer an einer induktiven Last wirkenden Einzelspannung oder deren Betrag, die an die Additionseinheit (10) und/oder Integrationseinheit (8) übertragbar ist/sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass an die Additionseinheit (10) eine von dem Steuergerät (1) an die induktive Last angelegte Steuerspannung (U_PWM) oder deren Betrag übertragbar ist.