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Intelligente Technische Systeme OstWestfalenLippe

Echtzeit-
Schaltungssimulation

Ziel: Simulation von leistungselektronischen Komponenten in Echtzeit.
Kernthema: Modellierungs-/Simulationsansätze und Methoden.
Verwendung: Hardware-in-the-Loop-Simulation für leistungselektronische und (elektr.) antriebstechnische Regelungen.
Laufzeit: Sommer 2009 bis Sommer 2012
Ansprechpartner:  M.Sc. Axel Kiffe

In modernen Kraftfahrzeugen – wie z. B. Hybridfahrzeugen – werden heute verstärkt leistungselektronisch gespeiste Elektromotoren eingesetzt, für deren Ansteuerung elektronische Steuergeräte entwickelt und getestet werden müssen. Speziell die Simulation von leistungselektronischen Komponenten stellt in der Hardware-in-the-Loop-Simulation eine besondere Herausforderung dar. Einerseits sind die Eigenwerte des Systems relativ zu denen mechanischer Systeme deutlich höher und andererseits treten, bedingt durch die aktiven Bauelemente, Strukturumschaltungen auf, die durch Schaltvorgänge der Halbleiterelemente hervorgerufen werden. Diese lassen sich in erzwungene und natürliche Schaltereignisse gruppieren. Erzwungene Schaltereignisse erfolgen aufgrund externer Signale, wie z. B. Ansteuersignale eines Transistors, wohingegen natürliche Schaltereignisse durch die Zustandsgrößen des Systems (Ströme und Spannungen) bedingt werden, wie z. B. der Wechsel einer Diode in den leitenden oder sperrenden Zustand.

Bei nicht in Echtzeit arbeitenden Schaltungssimulatoren wird mit variabler Schrittweite und Null-Durchgangserkennung (z. B. Newton-Iteration) gearbeitet, um die Schaltzeitpunkte ausreichend genau zu erfassen. Die Echtzeitanforderung bei der Hardware-in-the-Loop-Simulation erfordert jedoch eine feste Simulationsschrittweite. Für eine zeitlich hinreichend genaue Berücksichtigung von Schaltereignissen sind unterschiedliche Methoden bekannt.

  • Hochratige Abtastung
    Die konstante Simulationsschrittweite wird so klein gewählt, dass der Fehler durch die verspätete Berücksichtigung der Schaltereignisse gering bleibt. Die Überabtastung, d. h. das Verhältnis von Schaltperiode zu Simulationsschrittweite sollte hierbei im Bereich ≥100 liegen. Andernfalls würden Schaltereignisse nur mit einer Genauigkeit größer 1% erfasst. Eine derartige Überabtastung erfordert unter Echtzeitbedingungen eine sehr schnelle Berechnung des Modells innerhalb eines Simulationsschrittes, die mit konventionellen Prozessoren als Echtzeitplattform derzeit allenfalls für sehr niedrige Schaltfrequenzen (z. B. 1 kHz) realisierbar sind.
  • Korrekturverfahren
    Bei den Korrekturverfahren kommen Interpolations- und Extrapolationsalgorithmen zum Einsatz, um auch Schaltereignisse während des Simulationsschrittes bei geringerer Überabtastung besser zeitlich auflösen zu können.
  • FPGA-basierte Simulation
    Um eine ausreichend hohe Überabtastung erreichen zu können, wurden in den letzten Jahren verstärkt Implementierungen auf parallel arbeitenden, programmierbaren Logikbausteinen, wie z. B. Field Programmable Gate Arrays (FPGA), entwickelt. Daraus resultiert jedoch ein erheblich höherer Implementierungsaufwand.

  • Mittelwertmodelle
    Diese beschreiben lediglich die Mittelwerte der Signale und bilden das schaltfrequente Verhalten der Systemgrößen nicht ab. Dies ist jedoch in vielen Anwendungen unproblematisch, da die digitalen Regler die Messsignale üblicherweise nur einmal pro Schaltperiode abtasten.

Zusammenfassend stellt die Echtzeit-Simulation von leistungselektronischen Schaltungen durch das strukturumschaltende Verhalten und die hohe Dynamik eine Herausforderung dar, die Bestandteil der aktuellen Forschung ist.