Einsatz der E-Maschinenemulation zur Optimierung der...

Einsatz der E-Maschinenemulation zur Optimierung der Traktionsumrichterprüfung Inverter Test by SET Power Systems Norbert Schmalhofer www.set-powersys.de schmalhofer@set-powersys.de Tel. 07522 91687 640

Inhalt

Die Herausforderung

Die Anwendungen Einsatzfelder / Vorteile gegenüber Dyno

Technologie / Modellierungsgenauigkeit

Typische Anlagen Konfiguration

Automatisierung

Die Herausforderung

• Kurze Entwicklungszeiten: Parallele Entwicklungsprozesse - nicht alle Komponenten verfügbar

• Möglichst breite Prüfabdeckung: Verfügbare Prüflinge decken die Fertigungstoleranzbänder nicht ab

• Begrenzte Kosten: Nur endlicher Prüfaufwand möglich

• Komplexe Eigenschaften: Optimierungsstrategie modellieren über erweitere Prüfmöglichkeiten

• Einhaltung von Standards

Antriebstrangentwicklung

Der Begriff

• E-Maschinenemulation, ein virtueller Elektromotor:

Real Time Real Power Real Precision

Das Werkzeug

Invert

Sensor

Interface

Prüfling

Lastmotor

Inverter

Lastregelung

Originalmotor

derzeitige Lösung…

Von der Lastmaschine zum EME

Der Elektromotor Emulator (EME)

als ideales Testwerkzeug für die E-Motor-Schnittstelle

Der Elektromotor Emulator (EME)

als ideales Testwerkzeug für die E-Motor-Schnittstelle

Sensor

Interface

Prüfling

(UUT) Sch

Elektromotor Emulator

Emulation

Sensor

Emulation

Motor Model

Simulation

Invert

Funktionale Voraussetzungen

• 4-Quadranten-Betrieb

• potentialfrei

• R elektr. einstellbar

• L (Ld, Lq) elektr. einstellbar

• Nichtlinearitäten darstellbar

• Fehlerstimulation Phase

Emulation

Sensor

Emulation

Motor Model

• Emulierter Rotorlagesensor

(Vogt, Tamagawa, Hall, Encoder…)

• potentialfrei

• relative Position einstellbar

• Fehlerstimulation

Funktionale Voraussetzungen

Emulation

Sensor

Emulation

Motor Model

• Echtzeitmodelle

• versch. Maschinentypen

• Anbindung an FEM

(JMAG)

• Spezielle Funktionen

(z.B. Parameter Freeze)

• versch. Plattformen

(z.B. sbRIO, NI-PXI)

• Einfaches Interface

Ergebnis

Modellierung in

Echtzeit

Wirkkette mit

voller Leistung

Applikation A380 Outflow-Valve (2003):

4 x Outflow-Valve an der Rumpfunterseite zur

Regelung des Kabinendrucks

Erster E-Motor Emulator der SET

E-Motorenprüfstand

Einsatzgebiet Optimiert für

E-Maschinen-Test

Flexibilität Umbau erforderlich

Genauigkeit der

Maschine

exemplarabhängig,

temperaturabhängig

Dynamik (Drehzahl,

Drehmoment)

schlecht

Fehlerstimulation kaum möglich

Sicherheitsaspekte rotierende Teile

Wartung mechanischer Verschleiß

Platzbedarf /

Betriebsumgebung

relativ hoch

Invest /

Betriebskosten

mittel /

Inverterprüfstand

Einsatzgebiet Optimiert für Inverter-Test

Flexibilität neuer Motor per Knopfdruck

Genauigkeit der

Maschine

datenabhängig,

numerisch korrekt ohne Drift

Dynamik (Drehzahl,

Drehmoment)

sehr gut

Fehlerstimulation umfangreiche Möglichkeiten

Sicherheitsaspekte kein mechanisches

Gefährdungspotential

Wartung keine erforderlich

Platzbedarf /

Betriebsumgebung

geringe Ansprüche

Invest /

Betriebskosten

mittel /

gering

n [min-1] M [Nm]

t [s] t [s]

Schnitt-

stelle

Artemis - Rural

0 200 400 600 800 1000 1200

Künstliche

Referenzwerte

realer

Fahrzyklen

Referenzdaten

aus dem

RT – Fahrzeug

Modell

Inverter

(UUT) E-Motoremulator

AVL InMotion™

Mechanical

Enviromental

Driving

Maneuvers

Powertrain

Driver

Virtual Vehicle

set values

Simulierte Lasten am Antriebsstrang

Anwendungen

Fehlerstimulation

E-Maschine Optimierung

Antriebsregler

- Stromregler

- Moment/Drehzahl

- Wirkungsgrad

- Motorphasen

- Lagegeber

- Toleranzen

„Reale Welt“ „Virtuelle Welt“

Produkte

48 12 400 600 U [V]

< 1 kW

> 300 kW

Gerätekategorieen

~ 10/15 kW

Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid

Plug-in Hybrid

Elektrischer Antriebsstrang

Anwendungen HV

Parkbremse, Servolenkung, Benzin-/Ölpumpe …

Anwendungen LV

Entwicklung

• Hardware

• Software

Verifikation

• HW/SW Integration

• Systemtests

Produktion

• EOL

• QS

• Fehleranalyse

OEM … Tier 1 … Service Provider

Design

• Hardware

• Software

• Regelung

Verifikation

• HW/SW

Integration

• Systemtests

• Qualifizierung

Produktion

• EOL

• QS

• Reparatur

Anwendungsfelder

Eigenschaften im Detail

Transformiertes

Motormodell

Reibungs-

Lasteingabe

Emulation sensorlose Synchronmaschine, 400V/95krpm/15kW

Rotor stellen

Unsynchronisiertes

Anfahren

Synchronisation

Stromreduktion

(Drehzahl erreicht)

Phasenstrom

Emulation sensorlose Synchronmaschine, 400V/95krpm/15kW

- Darstellung interner Größen mittels Modellmonitor (Software-Oszi)

Rotorwinkel

Phasenstrom

Stromlimit

eingestellt

1. Parametrierbare Grundmodelle

Power Systems

Modelle

PMSM [d-q, Fluss…] FSM ASM

Basis Motormodell

Systemsteuerung

Spezifische

Modellparameter

AC offlin

Testparameter

- Last

- Moment

- Reibung

- Trägheit

Steuerinterface

E-Motor

Emulation

2. Modell-Konvertierung

Motor Modell

aus Tool Chain

(FEM…)

Basis Motormodell

Systemsteuerung

Spezifische

Modellparameter

AC offlin

Testparameter

- Last

- Moment

- Reibung

- Trägheit

Steuerinterface

E-Motor

Emulation

offlin

Konvertierung der Tool Chain-Daten in ein

ladefähiges Motor Modell:

- Basis Motormodell

- Spezifische Modellparameter

3. Zusätzliche Echtzeithardware

Modell-

Daten aus

Simulation

Basis Motormodell

Systemsteuerung

Spezifische

Modellparameter

AC onlin

Testparameter

- Last

- Moment

- Reibung

- Trägheit

Steuerinterface

E-Motor

Emulation

Konvertierung des Simulink Modells

in ein ladefähiges Motor Modell offline

Simulink

Daten Echtzeit-Hardware mit

High Speed Link

Anwendungen

Genauigkeit der Motor-Nachbildung

• Qualität des E-Motormodells: - Ld/Lq-Modell - Flussmodell - Transformierte Modelle

• Qualität der E-Motordaten

• Update-Rate (Rechengeschwindigkeit) Modell

• Schaltfrequenz der Leistungselektronik

• Qualität der internen Messtechnik

• Detailgenauigkeit des Hardware-Aufbaus

Realisierung der Modellierungsgenauigkeit

• PMSM Ld/Lq Modell:

feste Ld/Lq-Werte, einfache Parametrierung, für Standardanwendungen

• Flussbasiertes Modell:

hochpräzise Maschinenabbildung, aufwendigere Parametrierung (Messung od. FEM)

Umschaltung

Einfache Eingabe von L-Werten:

- Abbildung nichtlinearer Verläufe

möglich

High Dynamik High

Precision

High Speed

Highlights

High Dynamik High

Precision

High Speed

Standardmodell, Flußmodell,

Nichtlinearitäten und Harmonische

Testen von Kompensationsalgorithmen

für mechanische Schwingungen bis

hin zur Kompensation von akustischen

Emissionen

Exakte Emulation bis

über 5kHz Grundwelle (Id/Iq), Feldschwächung

Highlights

Entwicklung von Reglern

zur Kompensation von Schwingungen im Antriebsstrang

Beispiel

zum einprägen spezifischer Eigenschaften

Beispiel

Optimierung von Regelstrategieen (z.B. für den Wirkungsgrad)

Beispiel

1 3 5 7 911

Beispiel Fehlerstimulation

• Unwucht-Simulation

• Phasenschäden

• Lagerschäden

• Drehzahlgrenzen

• Lagesensorfehler

• Antriebsstrangverhalten, Momentenmodulation

• Lebensdauerverhalten

• Temperatursensor

• …

Messtechnischer Vergleich EME gegenüber Lastmaschine

Abbildungs-

Genauigkeit

UUT EME UUT Motor Dynamo Regler

Motordaten Motor

Dynamometer EME

Vergleichsuntersuchung

Performance - Messungen

• Wissenschaftliche Arbeit:

Prüfstand

E-Motor Emulator

Batterie-

Emulator

E-Motor

Emulator

Batterie-

Emulator

InverterInverter

Rotorposition,

Temperatur

phasen

e-Motor Model Betriebszustände,

Design, Temperatur, Alter,

Fehler etc.

Gesamtprüfstand

PSU II [Battery Emulation]

AC-Contactor DC-Contactor

PSU I [Power Supply - EME]

pannung

ündung

EME [E-Machine Emulator]

PSU_EME_FernEin

PSU_UUT_FernEin

EME_FernEin

EME Control

Emergency Stop

Emergency Loop

System

Automation

[option]

CAN Interface

TCP/IP Interface

Insulation

monitoring

Übers

pannung

ündung

DCU_DC_EME

Seite:

Panel_

PSU_UUT_Bereit

PSU_EME_Betrieb EME_Bereit

TCP/IP

Relevant Safety

Components

DCU_DC_UUT

Voltage indicator

AC-KBDC-KB

Mode of operation

EME-PA

Türkontakt

EME_PD_Aktiv

NotHalt_Start

Emergency Shut Down

(Safety Relay)

Safety Control System

Panel_

SUF [Specimen Fixture]

TCP/IP

mains rectifier

Converter

Voltage indicator

DC-Contactor

mains rectifier

Converter

Voltage indicator

Emergency Shut Down

(Safety Relay)

NotHalt_Start

Insulation

monitoring

17.08.2012/NS

Gesamtprüfstand Übersicht N

Prüflings-Inverter (UUT)

Specimen Fixture (SUF)

Sicherheits- und Überwachungssystem

E-Maschinen-Emulator(EME)

Kühlmediums-Konditionierung

Batterie-Emulation

Level 1..3Batt.Emul.

Automatisierung und Auswertung

Switch Rack (SR) [Option]

pannung

ündung

PSU_EME_FernEin

PSU_UUT_FernEin

EME_FernEin

EME Control

Emergency Stop

Emergency Loop

System

Automation

[option]

CAN Interface

TCP/IP Interface

Insulation

monitoring

Übers

pannung

ündung

DCU_DC_EME

Seite:

Panel_

PSU_UUT_Bereit

TCP/IP

Relevant Safety

Components

DCU_DC_UUT

Voltage indicator

AC-KBDC-KB

Mode of operation

EME-PA

Türkontakt

EME_PD_Aktiv

NotHalt_Start

Emergency Shut Down

(Safety Relay)

Panel_

TCP/IP

mains rectifier

Converter

Voltage indicator

DC-Contactor

mains rectifier

Converter

Voltage indicator

Emergency Shut Down

(Safety Relay)

NotHalt_Start

Insulation

monitoring

17.08.2012/NS

Gesamtprüfstand Energiebilanz N

Batterie-Emulation

pannung

ündung

PSU_EME_FernEin

PSU_UUT_FernEin

EME_FernEin

EME Control

Emergency Stop

Emergency Loop

System

Automation

[option]

CAN Interface

TCP/IP Interface

Insulation

monitoring

Übers

pannung

ündung

DCU_DC_EME

Seite:

Panel_

PSU_UUT_Bereit

TCP/IP

Relevant Safety

Components

DCU_DC_UUT

Voltage indicator

AC-KBDC-KB

Mode of operation

EME-PA

Türkontakt

EME_PD_Aktiv

NotHalt_Start

Emergency Shut Down

(Safety Relay)

Panel_

TCP/IP

mains rectifier

Converter

Voltage indicator

DC-Contactor

mains rectifier

Converter

Voltage indicator

Emergency Shut Down

(Safety Relay)

NotHalt_Start

Insulation

monitoring

17.08.2012/NS

Gesamtprüfstand Energiebilanz N

Batterie-Emulation

Gesamtprüfstand 48 V PowerTrain

• Systemleistung bis zu 32 kW

• Motoremulation bis zu 450 ARMS

• Batterieemulation integriert

• Kompakter Aufbau

Gesamtprüfstand HV

lation

-Wärm

uscher

atisie

Prüfstands-Automatisierung

• Automatisierte Prüfläufe mit Datenerfassung

• Numerische / graphische Auswertungen und Vergleiche

• Laden von Modellen und Parametern

• Integration in die Fahrzeugwelt

Hil Integration

• Einfache Schnittstellen

• Real Time Real Power Real Precision

Inverter-Prüfsysteme

• Für Hersteller und Anwender

• Hohe Testqualität gesichert

• Flexibel durch die virtuelle Maschine

• Absolut reales Verhalten

• Ohne jegliche mechanische Begrenzung

• Exakte Maschinen-Nachbildung, sogar „originaler“ als der reale E-Motor.

Game Changer!

Real Time Real Power Real Precision Inverter Test by SET Power Systems

Danke für Ihr Interesse …

Einsatz der E-Maschinenemulation zur Optimierung der...

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