Die modellbasierte Entwicklung von Regelungen für elektrische Antriebe beginnt typischerweise mit einer Simulation am Rechner. Danach werden Prototypen der Regelungsentwürfe erstellt: Mit Rapid Control Prototyping kann der Regelungsentwurf auf flexibler und leistungsstarker Hardware in Echtzeit ausgeführt werden. Sobald das Regelungsdesign auf einem Mikrocontroller bereitgestellt ist, lässt es sich auf Signalebene in einem Hardware-in-the-Loop-Aufbau (HIL) mit digitalen Zwillingen von Elektromotor und Antrieb testen. Anschließend wird der Motorantrieb im Rahmen von Leistungs-HIL-Tests bei der tatsächlichen Leistung geprüft.
Simulation am Rechner
Ein intelligenter Ansatz ermöglicht es, den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und Designprobleme frühzeitig aufzudecken. Dabei ist der nahtlose Übergang vom frühen Entwurf und der Simulation auf dem Rechner hin zum Rapid Control Prototyping sowie HIL-Tests entscheidend. Idealerweise sind alle Schritte der Entwicklung für das eingebettete System, wie Hardware-, Firmware- und Softwareentwicklung, in einen modellbasierten Design-Workflow integriert. So können Entwicklungs- und Testingenieure alle Schritte des Testens automatisieren und sicherstellen, dass die erforderlichen Anforderungen eingehalten werden. Damit besteht die Möglichkeit die Regelungsentwürfe in jeder Phase des Entwicklungsprozesses kontinuierlich zu testen und weiterzuentwickeln.
Testsystem als Controller für Prototyping
In der Prototyping-Phase wird der Regelungsentwurf auf dem Echtzeittestsystem ausgeführt – er steuert den tatsächlichen Elektromotor und wird so validiert: Die Algorithmen lassen sich testen und verbessern, bevor man sie in der echten Regelung einsetzt. Traditionelles Prototyping ist aufgrund der langen Iterationszyklen zeitaufwändig. Rapid Control Prototyping löst diese Probleme mit einem leistungsstarken und flexiblen Prototyp-Controller und verkürzt die Entwicklungszeit.
Beispielsweise kann man Regelungsdesigns von Simulink kontinuierlich und iterativ mit Hilfe von Hardware früh im Entwicklungsprozess testen. Der Ablauf unterstützt außerdem die Qualitätskontrolle. Nicht zuletzt erzeugt die automatische Codegenerierung Code mit höherer Qualität, sodass Fehler schneller gefunden und korrigiert werden können.
Um diese Vorteile voll nutzen zu können, müssen die Testsysteme bestimmte Anforderungen erfüllen: Speedgoat-Testsysteme sind beispielsweise mit leistungsstarken Multicore-Prozessoren und FPGAs konfigurierbar. Regelungsdesigns für die Leistungselektronik mit Halbleitern aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) lassen sich auch auf Simulink-programmierbaren FPGAs implementieren. Darüber hinaus bieten Speedgoat-Testsysteme schlüsselfertige I/O-Konnektivität und unterstützen eine Vielzahl an Kommunikationsprotokollen.
Testsystem für Controller-HIL-Tests
In der folgenden Testphase wird anstelle des physischen Antriebs ein digitaler Zwilling auf einem Echtzeit-Testsystem ausgeführt, das mit dem Regelungssystem verbunden ist. Diese Controller-Hardware-in-the-Loop-Tests (C-HIL) erlauben die Validierung des Regelungssystems für Motorantriebe zum Beispiel mit feldorientierter oder direkter Drehmomentsteuerung, was das vollständige und anforderungsbasierte Testen aller Schnittstellen ermöglicht. Um Regelungssysteme mit hohen Schaltfrequenzen zu validieren, lassen sich Echtzeitsimulationen von Leistungswandlern oder Motorantrieben durchführen. Der Einsatz des Echtzeit-Testsystems erlaubt eine gefahrlose Validierung unter normalen sowie unter Fehlerbedingungen. Mit einem herkömmlichen Testansatz an einer realen Anlage ist das nicht möglich, da das Testen von Grenzfällen den Motorantrieb oder das elektrische System beschädigen könnte.