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Einsatz der E-Maschinenemulation zur Optimierung der Traktionsumrichterprüfung Inverter Test by SET Power Systems Norbert Schmalhofer www.set-powersys.de [email protected] Tel. 07522 91687 640
© SET Power Systems GmbH Seite 2
Inhalt
Die Herausforderung
Die Anwendungen Einsatzfelder / Vorteile gegenüber Dyno
Technologie / Modellierungsgenauigkeit
Typische Anlagen Konfiguration
Automatisierung
© SET Power Systems GmbH Seite 3
Die Herausforderung
© SET Power Systems GmbH Seite 4
• 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
© SET Power Systems GmbH Seite 5
Der Begriff
• E-Maschinenemulation, ein virtueller Elektromotor:
Real Time Real Power Real Precision
© SET Power Systems GmbH Seite 6
Das Werkzeug
© SET Power Systems GmbH Seite 7
Invert
er
Power
Stage
Sensor
Interface
Prüfling
(UUT)
Lastmotor
Inverter
Lastregelung
Sch
nit
tste
lle
Originalmotor
derzeitige Lösung…
Von der Lastmaschine zum EME
Der Elektromotor Emulator (EME)
als ideales Testwerkzeug für die E-Motor-Schnittstelle
© SET Power Systems GmbH Seite 8
Der Elektromotor Emulator (EME)
als ideales Testwerkzeug für die E-Motor-Schnittstelle
Power
Stage
Sensor
Interface
Prüfling
(UUT) Sch
nit
tste
lle
Elektromotor Emulator
Phase
Emulation
Sensor
Emulation
Motor Model
Last
Simulation
Von der Lastmaschine zum EME
Invert
er
© SET Power Systems GmbH Seite 9
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
Von der Lastmaschine zum EME
© SET Power Systems GmbH Seite 10
Funktionale Voraussetzungen
Phase
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
Von der Lastmaschine zum EME
© SET Power Systems GmbH Seite 11
Ergebnis
Modellierung in
Echtzeit
Wirkkette mit
voller Leistung
Von der Lastmaschine zum EME
© SET Power Systems GmbH Seite 12
Applikation A380 Outflow-Valve (2003):
4 x Outflow-Valve an der Rumpfunterseite zur
Regelung des Kabinendrucks
Erster E-Motor Emulator der SET
© SET Power Systems GmbH Seite 13
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 /
hoch
© SET Power Systems GmbH Seite 14
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
© SET Power Systems GmbH Seite 15
n [min-1] M [Nm]
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Artemis - Rural
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Referenzwerte
Referenzwerte
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Fahrzyklen
Referenzdaten
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RT – Fahrzeug
Modell
Inverter
(UUT) E-Motoremulator
(EME)
AVL InMotion™
Mechanical
Enviromental
Driving
Maneuvers
Powertrain
Model
Driver
Model
Virtual Vehicle
set values
set values
Simulierte Lasten am Antriebsstrang
Anwendungen
Fehlerstimulation
E-Maschine Optimierung
Antriebsregler
- Stromregler
- Moment/Drehzahl
- Wirkungsgrad
- Motorphasen
- Lagegeber
- Toleranzen
„Reale Welt“ „Virtuelle Welt“
© SET Power Systems GmbH Seite 16
Produkte
© SET Power Systems GmbH Seite 17
30
600
400
48 12 400 600 U [V]
I [A]
< 1 kW
> 300 kW
900
800
Gerätekategorieen
~ 10/15 kW
Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid
Plug-in Hybrid
© SET Power Systems GmbH Seite 18
Elektrischer Antriebsstrang
Anwendungen HV
© SET Power Systems GmbH Seite 19
Parkbremse, Servolenkung, Benzin-/Ölpumpe …
Anwendungen LV
© SET Power Systems GmbH Seite 20
20
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
© SET Power Systems GmbH Seite 21
Eigenschaften im Detail
© SET Power Systems GmbH Seite 22
Transformiertes
Motormodell
Reibungs-
und
Lasteingabe
Eigenschaften im Detail
© SET Power Systems GmbH Seite 23
Emulation sensorlose Synchronmaschine, 400V/95krpm/15kW
Rotor stellen
Unsynchronisiertes
Anfahren
Synchronisation
Stromreduktion
(Drehzahl erreicht)
Phasenstrom
Eigenschaften im Detail
© SET Power Systems GmbH Seite 24
Emulation sensorlose Synchronmaschine, 400V/95krpm/15kW
- Darstellung interner Größen mittels Modellmonitor (Software-Oszi)
Rotorwinkel
Iq
Phasenstrom
Stromlimit
eingestellt
Eigenschaften im Detail
© SET Power Systems GmbH Seite 25
1. Parametrierbare Grundmodelle
SET
Power Systems
Modelle
PMSM [d-q, Fluss…] FSM ASM
Basis Motormodell
Systemsteuerung
Spezifische
Modellparameter
DC
AC offlin
e
Testparameter
- Last
- Moment
- Reibung
- Trägheit
- …
Steuerinterface
DC
AC
E-Motor
Emulation
© SET Power Systems GmbH Seite 26
2. Modell-Konvertierung
Motor Modell
aus Tool Chain
(FEM…)
Basis Motormodell
Systemsteuerung
Spezifische
Modellparameter
DC
AC offlin
e
Testparameter
- Last
- Moment
- Reibung
- Trägheit
- …
Steuerinterface
DC
AC
E-Motor
Emulation
offlin
e
Konvertierung der Tool Chain-Daten in ein
ladefähiges Motor Modell:
- Basis Motormodell
- Spezifische Modellparameter
© SET Power Systems GmbH Seite 27
3. Zusätzliche Echtzeithardware
Modell-
Daten aus
Simulation
Basis Motormodell
Systemsteuerung
Spezifische
Modellparameter
DC
AC onlin
e
Testparameter
- Last
- Moment
- Reibung
- Trägheit
- …
Steuerinterface
DC
AC
E-Motor
Emulation
onlin
e
Konvertierung des Simulink Modells
in ein ladefähiges Motor Modell offline
Simulink
Daten Echtzeit-Hardware mit
High Speed Link
© SET Power Systems GmbH Seite 28
Anwendungen
© SET Power Systems GmbH Seite 29
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
© SET Power Systems GmbH Seite 30
Eigenschaften im Detail
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
© SET Power Systems GmbH Seite 31
Einfache Eingabe von L-Werten:
- Abbildung nichtlinearer Verläufe
möglich
Eigenschaften im Detail
© SET Power Systems GmbH Seite 32
High Dynamik High
Precision
High Speed
Highlights
© SET Power Systems GmbH Seite 33
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
© SET Power Systems GmbH Seite 34
Entwicklung von Reglern
zur Kompensation von Schwingungen im Antriebsstrang
Beispiel
© SET Power Systems GmbH Seite 35
Entwicklung von Reglern
zum einprägen spezifischer Eigenschaften
Beispiel
© SET Power Systems GmbH Seite 36
Entwicklung von Reglern
Optimierung von Regelstrategieen (z.B. für den Wirkungsgrad)
Beispiel
-1,5
-1
-0,5
0
0,5
1
1,5
1 3 5 7 911
13
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17
19
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23
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27
29
31
33
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37
39
41
43
45
47
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53
55
57
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63
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83
85
87
89
91
93
95
97
99
© SET Power Systems GmbH Seite 37
Beispiel Fehlerstimulation
• Unwucht-Simulation
• Phasenschäden
• Lagerschäden
• Drehzahlgrenzen
• Lagesensorfehler
• Antriebsstrangverhalten, Momentenmodulation
• Lebensdauerverhalten
• Temperatursensor
• …
© SET Power Systems GmbH Seite 38
Messtechnischer Vergleich EME gegenüber Lastmaschine
Abbildungs-
Genauigkeit
?
UUT EME UUT Motor Dynamo Regler
Motordaten Motor
Dynamometer EME
Vergleichsuntersuchung
© SET Power Systems GmbH Seite 39
Performance - Messungen
Vergleichsuntersuchung
© SET Power Systems GmbH Seite 40
• Wissenschaftliche Arbeit:
Vergleichsuntersuchung
© SET Power Systems GmbH Seite 41
Prüfstand
© SET Power Systems GmbH Seite 42
E-Motor Emulator
(EME)
Batterie-
Emulator
EME
E-Motor
Emulator
Batterie-
Emulator
InverterInverter
(UUT)
Rotorposition,
Temperatur
Motor
phasen
e-Motor Model Betriebszustände,
Design, Temperatur, Alter,
Fehler etc.
Gesamtprüfstand
© SET Power Systems GmbH Seite 43
PSU II [Battery Emulation]
AC-Contactor DC-Contactor
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No
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ExtN
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PSU I [Power Supply - EME]
EM
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EME [E-Machine Emulator]
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PSU_UUT_FernEin
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EME Control
Emergency Stop
Emergency Loop
System
Automation
[option]
CAN Interface
TCP/IP Interface
Insulation
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DCU_DC_EME
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Mode of operation
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Emergency Shut Down
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Safety Control System
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TCP/IP
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Converter
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Voltage indicator
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Prüflings-Inverter (UUT)
Specimen Fixture (SUF)
Sicherheits- und Überwachungssystem
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E-Maschinen-Emulator(EME)
Kühlmediums-Konditionierung
Batterie-Emulation
DC
AC
Level 1..3Batt.Emul.
Automatisierung und Auswertung
Switch Rack (SR) [Option]
© SET Power Systems GmbH Seite 44
PSU II [Battery Emulation]
AC-Contactor DC-Contactor
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PSU I [Power Supply - EME]
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Emergency Stop
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System
Automation
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Automatisierung und Auswertung
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© SET Power Systems GmbH Seite 45
PSU II [Battery Emulation]
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Specimen Fixture (SUF)
Sicherheits- und Überwachungssystem
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E-Maschinen-Emulator(EME)
Kühlmediums-Konditionierung
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Level 1..3Batt.Emul.
Automatisierung und Auswertung
Switch Rack (SR) [Option]
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Pv
© SET Power Systems GmbH Seite 46
Gesamtprüfstand 48 V PowerTrain
• Systemleistung bis zu 32 kW
• Motoremulation bis zu 450 ARMS
• Batterieemulation integriert
• Kompakter Aufbau
© SET Power Systems GmbH Seite 47
Gesamtprüfstand HV
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© SET Power Systems GmbH Seite 48
Prüfstands-Automatisierung
• Automatisierte Prüfläufe mit Datenerfassung
• Numerische / graphische Auswertungen und Vergleiche
• Laden von Modellen und Parametern
• Integration in die Fahrzeugwelt
© SET Power Systems GmbH Seite 49
Hil Integration
• Einfache Schnittstellen
• Real Time Real Power Real Precision
© SET Power Systems GmbH Seite 50
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!
© SET Power Systems GmbH Seite 51
Real Time Real Power Real Precision Inverter Test by SET Power Systems
Danke für Ihr Interesse …