Sind Sie Neueinsteiger beim HIL-Testen elektrischer Antriebe?

 

Erfahren Sie, wie Sie die Entwicklung und Validierung der Software für die Ansteuerung elektrischer Antriebe optimieren können.

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1. Einleitung zum HIL-Testen elektrischer Antriebe
2. Herausforderungen beim HIL-Testen von Steuerungen bei Motorantrieben
3. Modellbasierte Softwareentwicklung und C-HIL
4. Typhoon HIL-Integration von Drittanbieter-Tools
5. HIL der 4. Generation: Gebaut für moderne Motorantriebe
6. Führen Sie eine Simulation durch
BONUS-INHALT: Mittelspannungs-Frequenzumrichter von ABB und ein Antrieb für doppelt gespeiste Asynchronemaschinen von Indrivetec AG als Fallstudien


01. Einleitung

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Legen wir los! Warum brauchen Sie HIL, um elektrische Antriebe zu entwickeln und zu testen?

Elektrische Motorantriebe entwickeln sich weiter.

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Elektrische Motorantriebe werden bezüglich Leistung und Features immer besser. Ältere Produktlinien am Markt zu halten wird immer schwieriger.

 

Für langfristige Wettbewerbsfähigkeit müssen 1) Entwicklungskosten 2) Wartungskosten über den Lebenszyklus und 3) Markteinführungszeiten verkürzt werden.

Nie war es wichtiger, OEMs und Systemintegratoren in die Lage zu versetzen, die Entwicklung und das Testen von Motorantrieben zu vereinfachen und zu beschleunigen. Von Elektrofahrzeugen und elektrischen Zügen bis hin zu Windturbinen und industrieller Automatisierung beschleunigen elektrische Motorantriebe den globalen Wechsel zu effizienten und nachhaltigen Energiesystemen.

 

Prozentualer Anteil verzögerter embedded Projekte

Bild 1. “HIL TESTED Starke Leistung, Funktionalität und Qualität von modellbasiertem Testen,” 2019 VDC Research

Hardware-in-the-Loop (HIL) und modellbasierte Designverfahren werden für Test und Design von Motorantrieben immer wichtiger, da Größe und Funktionalität der Steuerungssoftware immer mehr zunehmen.

 

Der HIL-Test (und generell der modellbasierte MIL/SIL/HIL-Softwaretest) hilft beim Design und bei der Validierung von embedded Software (z.B. Software für industrielle Antriebe, Software für Kfz-Steuergeräte, Software für Windkraftanlagen usw.) durch das Nutzen einer Simulation, um 1) die Testzeit zu verkürzen, 2) die Testkosten zu senken, 3) die Testabdeckung zu verbessern (insbesondere für Testfälle, die im Labor schwer nachzustellen sind, einschließlich einer Vielzahl von Fehlerbedingungen)), 4) die Wiederholbarkeit zu verbessern und 5) die Softwarequalität insgesamt zu verbessern.

 

Vorteile modellbasierter Softwaretests mit HIL

Bild 2. “HIL TESTED Starke Leistung, Funktionalität und Qualität von modellbasiertem Testen,” 2019 VDC Research

Motorantriebe für industrielle Anwendungen

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Die 4. Industrielle Revolution transformiert die Motorantriebe in intelligente und sich schnell entwickelnde Hightech-Systeme mit beachtlicher Rechenleistung.

 

Da sich Software zu einem wichtigen Unterscheidungsmerkmal und Verkaufsargument für Hersteller von Frequenzumrichtern entwickelt, eröffnen sich sowohl für OEMs als auch für Betreiber neue Anwendungsfälle und Geschäftsmöglichkeiten. In der Tat verwandelt die 4. Industrielle Revolution (oder Industry 4.0 oder Industrial IoT) Motorantriebe in intelligente und sich schnell entwickelnde Hightech-Geräte mit beachtlicher Rechenleistung und ermöglicht so:

  • Fortschrittliche Sensorik, umfangreiche Datenanalyse und Cloud-Interfaces
  • Maschinelles Lernen und KI-Berechnung
  • Nahtlose Konnektivität zu externen Sensoren
  • Kommunikationsgateway-Fähigkeit (Laufwerk mit Cloud, Sensoren, benachbarte Laufwerke usw.)

 

Zusätzlich zu den datengetriebenen Prozessoptimierungsdiensten kreieren fortschrittliche Frequenzumrichter zusätzliche Möglichkeiten aufgrund ihrer erweiterten Softwarefeatures:

  • Interoperabilität (sowohl mit anderen Antrieben als auch mit industriellen Prozessen)
  • Benutzerfreundlichkeit und Vielseitigkeit, einschließlich der einfachen Systemintegration
  • Situationsbewusstsein
  • Funktionalität zur Leistungs- und Fehlervorhersage.

 

Das Industrial IoT eröffnet den Herstellern von Frequenzumrichtern ein weites Spektrum neuer Möglichkeiten, aber auch neuer Herausforderungen. Der Bedarf nach einer schnellen Einführung fortschrittlicher Software-Entwicklungstools und –verfahren bringt mehrere Herausforderungen mit sich, d.h.:

  • Kürzere Markteinführungszeit
  • Begrenzte Entwicklungsbudgets
  • Mangel an Ingenieurtalenten

 

Hochleistungsantrieb-Controller verfügen heute über etwa 200.000 Standard-Codezeilen (SLOC) – das ist etwas mehr als die Softwaregröße eines typischen Herzschrittmachers oder etwa die Hälfte der Steuerungssoftware eines Space Shuttles. Die meisten Frequenzumrichter arbeiten vernetzt mit 10 oder 100 anderen Antrieben (von gleichen oder verschiedenen Herstellern) und Sensoren.

Diese industiellen Netzwerke mit Hunderten von Antrieben, Sensoren und Prozesscontrollern übersteigen leicht die gesamte Steuercode-Größe von ~20M SLOCs, die mit der Größe der Boeing 787-Steuerungssoftware vergleichbar wird.

Diese Steuerungscode-Komplexität, insbesondere wenn man die Anforderungen an die Cybersicherheit berücksichtigt, erfordert vollautomatische, modellbasierte Steuerungssoftware-Test- und Verifikationsprozesse. Natürlich erfordert fortschrittliche Software disziplinierte, dem Stand der Technik entsprechende, modellbasierte Test- und Lebenszyklus-Wartungsprozesse.

Von größter Bedeutung ist daher der Einsatz von modellbasierter Softwareentwicklung und Hardware-in-the-Loop (HIL)-Tests zur Gewährleistung der Qualität der Steuerungssoftware und nahtloser Interoperabilität bei gleichzeitiger Handhabung von Kosten und Komplexität.

Motorantriebe für Elektrofahrzeuge

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Die Entwicklung eines Antriebs für Elektrofahrzeuge strebt einen effizienten, leichten, kompakten, zuverlässigen und sicher integrierbaren Motor an.

 

HIL-Tests werden verwendet, um embedded Software für elektronische Steuergeräte für Fahrzeuge zu testen und zu validieren. Diese ermöglichen:

  • Mit dem Testen früh anzufangen und mit diesem während des gesamten Designzyklus, von MIL über SIL bis C-HIL, voranzukommen.
  • Eine erhöhte Testabdeckung, insbesondere für Fehler und Testfälle, die im Labor oder vor Ort nur schwer oder gar nicht reproduzierbar und wiederholbar sind.
  • Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit der sich schnell entwickelnden Elektrofahrzeuge und Fahrerassistenzsystemen / Aktiver Sicherheitssysteme
  • Das Testen der Konnektivität und Interdependenz zwischen Teilsystemen, da diese gemeinsam zur Leistung und Sicherheit der Fahrzeuge beitragen.

 

Motorantriebe für Züge

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Von leichten Stadtbahnen bis hin zu Hochgeschwindigkeitszügen – neue Motorantriebe verschieben die Grenzen von Effizienz, Zuverlässigkeit, Komfort und Gewichtsreduzierung.

 

Frequenzumrichter sind die wichtigste Treibkraft hinter der Elektrifizierung des Schienenverkehrs. Die wichtigsten Faktoren für kontinuierliche Verbesserungen von Elektroantrieben sind:

  • Reduzierter Lärmpegel: zur Erhöhung des Komforts für Fahrgäste und zur Minimierung des Lärms für die an den Gleisen lebenden Anwohner.
  • Effizienzverbesserungen: zur Senkung des Energieverbrauchs des Zuges über den gesamten Lebenszyklus.
  • Kompaktes und leichtes Design: zur Herstellung strukturell einwandfreier Züge mit immer geringerem Gewicht.
  • Verbesserung der Zuverlässigkeit: Gewährleistung der Sicherheit der Fahrgäste und Minimierung ungeplanter Wartungsarbeiten und Betriebsunterbrechungen.
  • Verringerung der Wartung des Lebenszyklus: zur Optimierung der Wartungsarbeite und zur Senkung der Betriebskosten.

 

02. Der Software Designprozess

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Vieles steht auf dem Spiel. Was sind die wichtigsten Herausforderungen bei der Softwareentwicklung von Motorantrieben?

HIL-Tests drehzahlvariabler Antriebe

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Fortschrittliche Steuerungssoftware erfordert hochmoderne modellbasierte Test- und Lebenszyklus-Wartungsprozesse.

 

Der Kontext zu den Herausforderungen des Designs von Frequenzumrichtern

Traditionell waren Motorantrieb-Controller kompakte embedded Geräte, die aus einem schnellen Controller (kaskadierter Typ mit Modulator und Strom-/Drehmoment-/Geschwindigkeits-/Positions-Loops) und einer Feldbus-Kommunikationseinheit bestanden, die beide auf einem Bare-Metal-DSP-Prozessor-Mikrocontroller implementiert waren, der oft mit einem CPLD oder FPGA kombiniert war.

Motorantriebe durchlaufen heute einen ähnlichen Wandel, wie ihn Autos in den letzten zehn Jahren durchlaufen haben. Sie sind buchstäblich zu “Supercomputern” auf Rädern geworden, während die Komplexität der Software im Fahrzeug innerhalb eines Jahrzehnts um mehr als das Zehnfache zugenommen hat.

Angetrieben durch neue Programme und fortschrittliche Software-Tools für die Finite-Elemente-Analyse (FEA), wie z.B. JMAG FEA, werden ständig neue und verbesserte Designs von Elektromotoren entwickelt. Diese neuen Designs erfordern neue und verbesserte Regelalgorithmen, die die Steuerung sowohl bestehender als auch neuer Motortypen umfassen.

Schnellere embedded Prozessoren ermöglichen die Ausführung komplexerer und anspruchsvollerer Fehlererkennungs- und Isolationsalgorithmen, die bis vor kurzem rechnerisch nicht durchführbar waren.

 

Hier sind die 6 wichtigsten Herausforderungen beim Design und dem Testen von Frequenzumrichtern:
1. Steuerungssoftware wird zu einer Schlüsselkomponente

Das Hinzufügen einer neuen Software-Funktionalität ist eine Gelegenheit zur Produktdifferenzierung und Wertgenerierung, die das Markenzeichen der industriellen Antriebsentwicklung sind, ohne die Notwendigkeit langer Designzyklen. Es ist eine großartige Gelegenheit für Produktdifferenzierung und neue Wertgenerierung bei Frequenzumrichtern. Heute wird die Kernfunktionalität der Antriebssteuerung erheblich erweitert, nämlich durch:

  • Industrielles Ethernet und drahtlose Kommunikation
  • Prädiktive Diagnostik
  • Fehlererkennung und -isolierung
  • Datenanalyse
  • Maschinelles Lernen
  • Prozesssicherheit und Optimierungsfunktionen

 

2. Bedarf an der Entwicklung von neuen Regelalgorithmen

Obwohl die Steuerung von Motorantrieben als ausgereift gilt, wird die Entwicklung neuer Algorithmen ständig vorangetrieben. Wichtig sind dabei:

  • Unterstützung für neue Typen von Elektromotoren
  • Einsatz neuer rechenintensiver Regelalgorithmen (z.B. Model Predictive Control oder MPC)
  • Bessere Fehlererkennung, Isolierung und Laufzeitanpassung
  • Neue Halbleiterschalter (z.B. SiC- und GaN-Halbleiter) mit schnellerer Schaltfähigkeit
  • Neue oder bestehende Topologien, die Halbleiter-Features besser nutzen.

 

Wide-Bandgap Bauelemente können mit viel höheren Schaltfrequenzen arbeiten und erfordern andere Steuerungsstrategien, einschließlich schnellerer Berechnungen. Außerdem können Multi-Level-Topologien in Verbindung mit wide-Bandgap oder auf Silizium basierten Bauelemente verbesserte Effizienz und Leistung sowie eine geringere Größe und ein geringeres Gewicht bieten.

 

3. Anforderungen an die Interoperabilität auf Systemebene

Leistungsstarke Antriebs-Controller müssen mit übergeordneten Steuergeräten verbunden werden und mit Cloud-Anwendungen einwandfrei kommunizieren können. Die heute am weitesten verbreiteten Kommunikationsstandards sind Industrial Ethernet (IE)- Protokolle, die Determinismus und Steuerung bieten, wie z. B.:

  • EtherCAT
  • EtherNet/IP
  • PROFINET
  • Powerlink
  • Modbus TCP.

 

4. Modulares und flexibles Design von Frequenzumrichtern

Die meisten Frequenzumrichter sind modular aufgebaut, um einen größeren Bereich von Leistungs- und Performance-Anforderungen abzudecken. Controller für Frequenzumrichter müssen einen einwandfreien Betrieb für jede gegebene Antriebskonfiguration gewährleisten und Stabilität und Leistung für alle Typen von Elektromotoren und alle Lasttypen unter allen Betriebsbedingungen ermöglichen. Die Konfigurationen der Motorantriebe können folgendes umfassen:

  • Die Eingangsstufe kann entweder mit passiven Front-End- oder aktiven Front-End-Modulen konfiguriert werden.
  • Die Leistung kann durch das Parallelschalten mehrerer Module angepasst werden.
  • Die DC-link-Kondensatorbank kann je nach Anwendung flexibel konfiguriert werden.
  • Wechselrichtermodule können parallel geschaltet werden, um die Ausgangsleistung zu erhöhen.

 

Das Testen der Controller-Software für alle Konfigurationen und unter allen Betriebsbedingungen (einschließlich Fehlern) kann nur durch eine Testautomatisierung in Verbindung mit einem C-HIL-Echtzeit-Simulationsansatz effizient durchgeführt werden.

 

5. Einhaltung der Grid-Codes

Heutige Mittelspannungs- und Hochspannungs-Antriebe stellen höhere Anforderungen an die Qualität der Grid-Codes:

  • Strom-/Spannungsverzerrung
  • Leistungsfaktor
  • Flicker-Steuerung
  • Power Quality
  • Netzfehlerverhalten

 

Das Testen in Bezug auf verschiedene Grid-Codes, die sich ständig weiterentwickeln, kann eine langatmige und teure Notwendigkeit zur Qualitätssicherung sein, es sei denn, das Testen wird mit einem modellbasierten HIL-Ansatz automatisiert.

 

6. Wartungskosten des Controllers über dessen gesamten Lebenszyklus und seine Komplexität

Die Hersteller von Antrieben stehen heute großen Herausforderungen gegenüber, unter anderem in Bezug auf die Wartungskosten des Controllers über dessen gesamten Lebenszyklus und in Bezug auf seine Komplexität, aufgrund einer ständig wachsenden Vielfalt der Produktlinien, was folglich den Bedarf an Folgendem mit sich bringt:

  • Verwaltung aller Software-/Firmware-Updates
  • Upgrades über den gesamten Lebenszyklus des Produkts
  • Infrastruktur für die Fernwartung bezüglich Software- und Firmware-Updates
  • Verbesserung komplexer Regelalgorithmen bei jedem Update

 

Gleichzeitig stehen die Hersteller unter ständigem Druck, die Kosten zu senken und mit immer kleiner werdenden Teams von Ingenieuren gute Ergebnisse zu erzielen.

Diese widersprüchlichen Anforderungen können nur durch die Anwendung moderner Tools und Prozessen der Softwareindustrie erfüllt werden. Damit solche Tools effektiv sind, müssen die Tests von den physischen Labors in die HIL-Umgebung verlagert werden. Nur dann können die Software-Testautomatisierung und Lebenszyklus-Prozesse wirklich von großem Wert sein.

HIL-Test von Antrieben mit Induktionsmaschinen

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Bei industriellen Antrieben handelt es sich oft um komplexe Systeme mit mehreren Komponenten verschiedener Hersteller, die integriert werden müssen.

 

 Bei der Inbetriebnahme solcher Systeme ist es in Ihrem Interesse, Überraschungen vor Ort zu vermeiden und alle Funktionalitäten vor der Inbetriebnahme zu testen, wie z.B. Antriebssteuerung, Prozesssteuerung, Fehlerszenarien, Schutzfunktionen, Feintuning und Robustheit.

 

Komplexität und Risiko

Bei Antrieben mit Induktionsmaschinen sind Netzfehler eine der größten Herausforderungen, da der Motor direkt mit dem Netz gekoppelt ist. Die Steuerungen von Motorantrieben müssen für eine optimale Leistung in verschiedenen Fehlerszenarien, wie z.B. thermische Verluste, Schaltverzögerungen und Low-Voltage-Ride-Through (LVRT), entworfen und getestet werden. Für die Hersteller von Umrichtern kann es auch schwierig sein, komplexe Steuerungsfunktionalitäten einschließlich Prozesssteuerung, Schutzfunktionen, Steuerungsabstimmung und Robustheit zu entwickeln und zu validieren.

 

Bei Antrieben mit Induktionsmaschinen stellen Netzfehler eine der größten Herausforderungen dar, da der Motor direkt an das Netz gekoppelt ist und alle Netzstörungen sofort die leistungselektronischen Geräte erreichen und potenziell destruktive Auswirkungen haben.

Andreas Dittrich, Geschäftsführer von Enerdrive
Präzise Modelle der Berechnung thermischer und Schaltverlusten

Eine der größten Herausforderungen für Motorantriebe ist der Entwurf und das Testen des geeigneten Kühlsystems. Es gibt nur eine Möglichkeit, eine Überlastung der Halbleiter zu verhindern – Lasten und thermische Verluste müssen gut auf alle Halbleiter innerhalb des Systems verteilt werden. Dies erfordert die Verwendung präziser Modelle zur Berechnung der thermischen Verluste. Ein kosteneffektiver Entwurf wird durch die richtige Verteilung der Last der thermischen Verluste in den Halbleitern und durch den Aufbau des richtigen Kühlsystems für den gesamten Umrichter erreicht.

 

Die Zuverlässigkeit der Modelle war für uns sehr wichtig.

-Ralf Siemer, Leitender Software-Ingenieur bei ConverterTec GmbH
Simulation von Netzfehlern

Die Nachbildung von Testszenarien mit realen Geräten und Leistungselektronik-Hardware kann potenziell destruktive Auswirkungen haben. Transiente Ströme sind zum Beispiel ein Vielfaches des Nennstroms des Motors. Das bedeutet, dass Sie während des Entwurfsprozesses die Belastung von Leistungshalbleitern und Schutzschaltungen, die zur Energieableitung bei der Verlangsamung der Maschine oder deren Abschalten verwendet wird, ermitteln und begrenzen müssen.  Nach dem Entwurf müssen Sie die Komponenten entsprechend testen und die Schutzmechanismen verifizieren.

Erfüllung von Kundenanforderungen

Während Abnahmetests durch die Kunden die grundlegenden Funktionstests abdecken, sind Tests zur Einhaltung von Normen komplexer, da sie spezifisch auf den Kunden und die lokalen Marktanforderungen zugeschnitten sind. Diese Tests werden durchgeführt, um die Produktqualität sicherzustellen und einen zuverlässigen Betrieb in der Umgebung des Kunden zu gewährleisten. Solche Tests sind aufgrund der hohen Variabilität der Umgebungen in verschiedenen Ländern teilweise sehr anspruchsvoll.

 

03. C-HIL für Antriebe

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Tauchen Sie tiefer ein. Was ist modellbasierte Softwareentwicklung mit C-HIL?

Modellbasierte Softwareentwicklung mit C-HIL

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Verbessern Sie die Softwarequalität. Reduzieren Sie die Anzahl der Fehler. Ermöglichen Sie den Teams schneller Software zu erstellen. Verkürzen Sie die Entwicklungszyklen.

 

Modellbasierte Softwareentwicklung findet in der Automobilindustrie ihren weithin akzeptierten Platz. Bedingt wird dies durch die kritische Natur der Softwaresicherheit und der Notwendigkeit, dass der Entwicklungs- und Testprozess dem ISO 26262-Standard entspricht. Mit der Verfügbarkeit präziser physischer Anlagenmodelle (z.B. eines Motorantriebs) kann man mit Softwaretests früh im Entwicklungsprozess beginnen, so dass Sie helfen können, Probleme zu finden und zu beheben, bevor sie sich negativ auswirken.

Hardware-in-the-Loop-Tests und modellbasierte Design- und Testverfahren helfen bei der:

  • Validierung von embedded Software (z.B. Antriebssoftware, Software für Kfz-Steuergeräte, Software für Windturbinen usw.) durch den Gebrauch von Simulationen zur Verkürzung der Testzeit
  • Senkung der Kosten der Tests
  • Verbesserung der Testabdeckung (insbesondere für Testfälle, die im Labor schwer nachzustellen sind, einschließlich einer Vielzahl von Fehlerbedingungen)
  • Verbesserung der allgemeinen Softwarequalität

 

Bild 3. Ein Vergleich der Testgenauigkeit und Testabdeckung zwischen verschiedenen Testmethoden.

 

 

Der Arbeitsablauf bei einer modellbasierten Softwareentwicklung durchläuft in der Regel diese aufeinander folgenden Phasen:

  1. Model-in-the-Loop (MIL)
  2. Software-in-the-Loop (SIL)
  3. Controller Hardware-in-the-Loop (C-HIL)

 

Die Beibehaltung desselben High-Fidelity-Modells über alle Design- und Testphasen hinweg, von MIL bis C-HIL, war der heilige Gral der Modelltests. Für Motorantriebe und die Leistungselektronik war dies jedoch nicht möglich, bis Ultra-High-Fidelity HIL-Simulationen durch Typhoon HIL eingeführt wurden.

Die Ultra-High-Fidelity Echtzeit-Simulationen in Typhoon HIL ermöglichen es Softwareentwicklern nun, dieselben Modelle mit demselben Grad an Genauigkeit für Design, Test und Systemintegration zu verwenden. Jetzt kann der vollständige Entwurf der Software und deren Test in Typhoon HIL durchgeführt werden, von MIL zu SIL bis hin zu C-HIL.

Bild 4. Ein Vergleich von unterschiedlichen Teststadien auf Basis des V-Models

 

 

Systemintegration mit C-HIL

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C-HIL ermöglicht das vollautomatische Testen der Steuerungs-Software von Antrieben für verschiedene Motorkonfigurationen in Echtzeit.

 

Mit C-HIL können Sie den realen, unmodifizierten Controller mit realer Hardware, Software und Firmware testen. So kann der zu testende Controller keinen Unterschied “erkennen”, ob er einen realen Motorantrieb oder eine Ultra-High-Fidelity Echtzeit-Simulation steuert. Er empfängt Strom-/ Spannungssignale, Temperatursignale und Signale von Positionssensoren vom Echtzeit-HIL-Simulator und sendet die Signale des Gate-Treibers zurück an den Echtzeit-HIL-Simulator.

 Es war sehr einfach, unsere Lösung in die Echtzeit-Simulation des Gesamtsystems zu integrieren.

Pieder Jörg, Leitender Experte für Antriebe bei ABB Schweiz

Bild 5. Die Vielfalt der Testmöglichkeiten mit C-HIL.

 

 

Im Vergleich zu Labortests gibt es keine Bedenken, dass man Geräte beschädigen könnte. Die Testabdeckung ist um vieles höher, und man kann Software-Regressionstests automatisieren. Dadurch erhalten Sie die höchste Testabdeckung zusammen mit einer sehr hohen Testgenauigkeit.

C-HIL ermöglicht es unseren Kunden im Bereich der Antriebe, die Abdeckung von Steuerungstests über das hinaus zu erweitern, was in der Umgebung eines Testlabors möglich wäre. Und das zu einem Bruchteil der Kosten.

  • Mehr als 1000 Testläufe pro SW-Build
  • Bedeutend geringere Kosten pro Testlauf
  • Schnelle Einbindung von Sachverhalten der Systemintegration in Testprozesse

 

Funktionstests für Frequenzumrichter

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Leistungstests für Frequenzumrichter

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Automatisieren Sie die Tests der Steuerung von Motorantrieben

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Definieren Sie Tests frühzeitig auf Basis der jeweiligen Anforderungen und führen Sie sie durch. Vom Beginn des Entwicklungsprozesses an.

 

Typhoon HIL bietet eine integrierte Softwareumgebung zur Testautomatisierung namens TyphoonTest , die mit der Flexibilität von Open-Source-Tests und dem Python-Bibliotheks-Ökosystem verbunden ist. Mit einem Pytest-Framework macht es TyphoonTest einfach, kleine Tests zu schreiben und dennoch für komplexe Funktionstests und Anwendungen skalierbar zu sein.

Automatisierte Tests schreiben und ausführen

Die TyphoonTest Bibliothek wird von der TyphoonTest IDE unterstützt und macht die Testautomatisierung zu einer einfachen und effizienten Aufgabe. Verwenden Sie das intuitive grafische Benutzer-Interface, um Testszenarien zu erstellen, Signale zu erfassen, Transformationen anzuwenden und Ihre Daten zu analysieren. Führen Sie die Tests dann mit einem Tastenklick aus und verfolgen Sie den Testverlauf in Echtzeit.

Bild 6. Das TyphoonTest-Framework mit Python- und Allure-Reporting.

 

Hier finden Sie Beispiele für bereichsspezifische Funktionen der TyphoonTest-Bibliothek:

  • Window_rms 
  • Frequency_content 
  • THD
  • Transformations
    • Symmetrical Components
    • Alpha-beta-gamma/dq0

 

 

Die Testautomatisierung gewinnt aufgrund der deutlich höheren Komplexität der Geräte immer mehr an Bedeutung.

Ralf Siemer, Leitender Software-Ingenieur bei ConverterTec GmbH

Bild 7. TyphoonTest Ablaufdiagramm mit HIL SCADA, TyphoonTest und CI-Tools.

Darüber hinaus wird mit der TyphoonTest IDE die Codierung auf ein absolutes Minimum reduziert. Ziehen Sie einfach eine Funktion per Drag & Drop in Ihr Skript und parametrisieren Sie sie mit Hilfe des Templates. Sie können auch den Wizard verwenden, um Test-Skripte auf interaktive Weise zu erstellen.

TyphoonTest enthält außerdem mehrere zusätzliche Basis- und industrielle Premium-Toolboxen, die eingebaut sind, um Ihre Testverfahren zu beschleunigen. Dazu gehören Kommunikationsprotokolle (z.B. Modbus, CANbus, IEEE C37.118), Zertifizierungstests (z.B. BDEW, UL1741, PV MPPT) und eine Experten-Toolbox für Leistungselektronik:

Wir können mehr und viel schneller testen.

Dr. Stephan Engelhart, Leitender Software-Ingenieur bei ConverterTec GmbH

04. Systemintegration

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Sie müssen nicht bei Null anfangen. Nutzen Sie Design-Tools von Drittanbietern.

JMAG-Typhoon HIL-Integration

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High-Fidelity-Maschinenmodelle aus JMAG RT werden in HIL importiert und in Echtzeit simuliert.

 

Durch die Integration von JMAG-Typhoon HIL können Softwareentwickler für Elektrofahrzeuge nun das gleiche originalgetreue Anlagenmodell für MIL/SIL und HIL verwenden. Tatsächlich wird die Modellkontinuität über den gesamten Softwareentwicklungs-Workflow hinweg aufrechterhalten, nämlich durch die Verwendung von High-Fidelity Maschinenmodellen, die auf Basis eines Finite-Elemente-Modells generiert wurden.

Dies verbessert erheblich die Testeffizienz und -effektivität sowie die Kommunikation zwischen den Teams für Hardware- und Controlerdesign. Modellbasiertes Design und Testen helfen, den Produktentwicklungsprozess zu optimieren, die Produktentwicklungszeit zu verkürzen und unterstützen bei der systematischen Reduzierung von Softwarefehlern.

Das High-Fidelity FEM-Motormodell kommt einer Darstellung eines realen Motors sehr nahe. Mit einem Klick können Sie eine Lookup-Tabelle mit den Lumped Circuit Parametern Ihres Modells direkt in die Typhoon HIL Software Toolchain importieren.

Bild 8. Methoden für das Design eines JMAG RT-Modells

 

Dann simulieren wir Ihren Motor in Echtzeit in-the-Loop mit der eigentlichen Motorsteuerung. Das Motormodell umfasst nichtlineare Fluss-Sättigungseffekte, geometrisch bedingte Harmonische und Verlustdaten. Dadurch kann Ihre HIL-Simulation das Verhalten des physischen Systems so originalgetreu wie möglich emulieren, und Sie können das Testen der embedded Software durch eine Vielzahl von Szenarien und Betriebsbedingungen, einschließlich Fehler, reproduzierbar automatisieren.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Daten für Motormodelle zu generieren (sehen Sie Bild 1). JMAG – Designer bietet Ihnen die umfangreichsten Optionen für das Aufsetzen Ihres FEM-Modells, während JMAG – Express mit vorgefertigten Vorlagen helfen kann. Sie können auch Messungen oder Daten aus einer Bibliothek verwenden.

JMAG-RT erzeugt eine RTT-Datei in Form einer Lookup-Tabelle, die manchmal als 1D-Modell oder als Lumped-Circuit-Motormodel bezeichnet wird. Diese Datei kann direkt importiert und dem restlichen elektrischen Antriebssystem, das im Typhoon HIL Schematic Editor erstellt wurde, hinzugefügt werden.

Bild 9. Der JMAG RT-Modellierungs-Workflow.

 

Integration von PSIM und Matlab-Simulink

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Ermöglicht den direkten Import von Leistungsstufen-Modellen und Controller-Code als C-Quellcode oder FMI/FMU-Modell-Import in die TyphoonTest-Software.

 

Der nahtlose PSIM- und Matlab-Simulink-Integrations-Workflow wird:

  • die gemeinsame Nutzung von Modellen zwischen verschiedenen Design-Tools ermöglichen
  • Zeit sparen und Fehler während des gesamten Lebenszyklus des Produkts vermeiden
  • den Aufwand für die Erstellung und Wartung zweier separater Modelle drastisch reduzieren
  • die Leistungsfähigkeit der PSIM- und Matlab-Simulink-Codegenerierung nutzen

 

Wenn Nutzer bisher Modelle in das Typhoon-HIL-System exportieren und ihren Steuercode in Echtzeit verifizieren wollten, mussten sie die Leistungsstufe (Wechselrichter, Lasten usw.) in der Typhoon-Umgebung neu erstellen. Und das dauert einige Zeit. Mit der PSIM- und Matlab-Simulink Integration können die Nutzer Leistungsstufen-Modelle und Steuercodes direkt in die Echtzeit-Simulatorplattform von Typhoon HIL importieren.

 

Bild 10. JMAG RT-Typhoon HIL-Integration: Der perfekte Weg, Motorantriebe zu entwerfen und zu testen.

 

 

Wir haben uns in die Perspektive des Nutzers versetzt und unser Bestes getan, um diese Integration überaus benutzerfreundlich zu gestalten.

Adrien Genic, Leiter des Modellierungsteams bei Typhoon HIL

 

 

 

 

Wenn Sie bereit sind, mit dem Testen Ihres Controller-Codes zu beginnen, können Sie Ihren C-Code, DLL-Dateien oder Ihr FMI/FMU-Modell aus Matlab-Simulink ebenfalls direkt über das Interface importieren. Auf diese Weise können Sie Ihren realen Steuerungscode an Ihrem realen Modell testen, und zwar mit der hohen Genauigkeit, die erforderlich ist, um Probleme zu erkennen, bevor sie sich auswirken.

Der Nutzer erhält mit wenigen Mausklicks ein vollständiges Controller Hardware-in-the-Loop-Setup. C-HIL ist der Zwischenschritt zwischen der reinen Offline-Simulation und dem Test in einem Labor für Leistungselektronik. 

Bild 11. PSIM- Typhoon-Integration: von der Offline-Simulation zum Realtime-Test

 

Die Typhoon-HIL-Einheit ist wichtig, da es sich um ein High-Fidelity-System handelt, mit dem Sie die richtigen Output-Signale für den DSP erzeugen können, um damit zu arbeiten.

Albert Dunford, Leistungselektronik-Ingenieur bei Powersim

 

 

 

Der Functional Mock-Up Unit (FMU)-Import ermöglicht den Import von Modellen, die auf dem FMI-Standard basieren, in den Typhoon Schematic Editor. Mit dem FMU-Import können Sie Modelle in einer Echtzeit-Simulationsumgebung entwerfen und testen. Der Import aus verschiedenen Tools war noch nie so einfach. Es besteht keine Notwendigkeit, in Typhoon HIL alles noch einmal neu zu entwerfen.

05. Vorteile des HIL der 4. Generation

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Geschwindigkeit. Leistung. Gebaut für die fortschrittlichsten Anwendungen in Motorantrieben.

HIL-Tests von Elektrofahrzeugen

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Schnelle Halbleiterschalter in Elektrofahrzeugen stellen eine erhebliche Herausforderung für die Genauigkeit einer Echtzeit-Simulation dar.

 

Umrichter mit hoher Schaltfrequenz, neue Wide-Bandgap Halbleiter und neue Topologien steigern den Bedarf an Controllern der nächsten Generation, die HIL-Tests mit immer kürzeren Simulationsschritten, schnelleren Gate-Drive Abtastzeiten, kleineren Loopback-Latenzen und zunehmender Genauigkeit der Maschinenmodelle (einschließlich Nichtlinearitäten, geometrisch bedingte Harmonische usw.) erfordern.

Die beiden anspruchsvollsten Anwendungen für HIL-Tests in der Leistungselektronik liegen im Bereich der Elektrofahrzeuge, nämlich: Hochleistungs-Motorantriebe und Batterieladegeräte. Solche Anwendungen sind eine hohe Herausforderung für die Genauigkeit einer Simulation in Echtzeit.

Dies gilt insbesondere für Anwendungen von DC/DC-Wandlern mit hoher Schaltfrequenz (z.B. Dual Active Bridge (DAB)), bei denen die Leistungsübertragung bei hohen Frequenzen erfolgt. Für einige praktische Anwendungen dieser Art, sogar wenn Methoden zur Verbesserung der Zeitauflösung eingesetzt werden, ist ein Simulationsschritt von 500ns einfach nicht ausreichend, was zu großen Simulationsfehlern führen kann.

 

Die Zeitauflösung ist von großer Bedeutung

Bei HIL-Anwendungen in der Leistungselektronik spielt die zeitliche Auflösung des Echtzeitsimulators eine wichtige Rolle. Da es für Echtzeitsimulatoren typisch ist, Solver mit einem festen Zeitschritt zu verwenden, und weil keine Synchronisation zwischen dem Simulatorbetrieb und den Outputs des angeschlossenen digitalen Controllers besteht, kann eine unzureichende Simulatorauflösung die Genauigkeit der Simulation negativ beeinflussen.

Ein Weg, eine hohe Genauigkeit bei der Abtastung der Controller-Inputs zu erreichen, besteht darin, einfach einen Schrittwert der Simulation zu verwenden, der deutlich kürzer (drei Größenordnungen oder besser) als die Schaltperiode des Controllers ist. Bei Echtzeit-Anwendungen, bei denen wir den Simulationsschritt üblicherweise nicht gegen eine langsamere Simulationsrate eintauschen können, ist dies jedoch manchmal nicht möglich.

Aufgrund der sehr hohen Berechnungsanforderungen einiger Geräte aus dem Bereich der Leistungselektronik sind selbst die schnellsten heutigen FPGA-basierten Simulatoren praktisch auf die dreistelligen Nanosekunden-Simulationsschritte beschränkt. Dies bedeutet, dass die Simulationsgenauigkeit bei höheren Schaltfrequenzen der Controller (über etwa 10kHz) unabhängig von der Modellgenauigkeit der Anlage erheblich beeinträchtigt werden kann. 

 

Ultra-High-Fidelity neu definiert

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Der HIL404 ist ein ultraschneller Typhoon-HIL-Simulator mit einem Simulationszeitschritt von 200ns und einer digitalen Input-Abtastung von 3,5ns.

 

Bei herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ist die Genauigkeit des Modells des physischen Subsystems in allen Entwicklungsphasen leicht zu erhalten: eine Echtzeitsimulation ist vergleichsweise leicht umzusetzen. Bei Elektrofahrzeugen war es jedoch eine Herausforderung, die erforderliche Genauigkeit der Modelle für die Echtzeit-HIL-Simulation zu erreichen.

Die wichtigsten Highlights der technischen Eigenschaften der HIL404 der 4. Generation sind:

  • Der 200ns Simulationszeitschritt.
  • Die 3,5 ns digitale Input-Abtastung.
  • Das bisher genaueste 100kHz Dual-Active Bridge (DAB)-Modell.
  • Der Import des JMAG-RT FEM-Maschinenmodells
  • Die HIL-Konnektivität wächst : USB3.0, Ethernet, serielle GB/s-Verbindung, JTAG, General Purpose -IO (GPIO)

 

Bild 12. Reduzierung von Fehlern bei der Leistungsübertragung für Dual Active Bridge (DAB)

 

Um einige Vorteile des HIL404zu veranschaulichen, haben wir eine vergleichende Analyse der relativen Leistungsfehler zwischen der HIL402 und der HIL404 für eine Dual Active Bridge (DAB)-Anwendung durchgeführt. Das Modell wird durch einen externen Open-Loop-Controller gesteuert, der bei 100 kHz und mit einer Totzeit von 50ns schaltet.

Die Leistungsübertragung wird gemessen und mit dem analytischen Modell für eine gegebene Phasenverschiebung verglichen. Der Fehler wird hauptsächlich durch die begrenzte Zeitauflösung des Simulators verursacht. Hier sehen wir deutlich die Vorteile des 2,5-mal kleineren Simulationszeitschrittes und der höheren Frequenzabtastung, die der HIL404 bietet.

HIL404 ist jedoch viel mehr als nur ein schnellerer HIL402, der auf sehr hohe Frequenzen abgestimmt ist. Es handelt sich um ein Gerät, das viele fortschrittliche Features unserer Geräte von Industriequalität der HIL 6 Serie auf die HIL 4 Serie überträgt:

  • Nichtlineare Maschinenmodellierung
  • Genaue Berechnung von Leistungsverlusten des Umrichters in Echtzeit
  • Erweiterte Konnektivität mit einem Out-of-the-Box-Support für CAN-, RS232-, USB 3.0- und ETH-Protokolle, einschließlich der Unterstützung bei der Parallelschaltung von Geräten.

 

Bild 13. JMAG-Typhoon HIL-Integrations-Workflow

 

HIL 404 unterstützt den Import der High-Fidelity-Modelle von JMAG-RT-Elektromotoren, die direkt aus JMAGs Finite-Elemente-Modellen (FEM) gewonnen werden. Mit einem Klick laufen die von der FEM abgeleiteten nichtlinearen und räumlich variierenden Induktivitätsmodelle in Echtzeit mit beispielloser Genauigkeit.

Darüber hinaus unterstützt HIL404 mit einem Klick den Import von Schalt- und Leitungsverlusten der Leistungshalbleiter direkt aus Datenblatt-Lookup-Tabellen. Noch nie war es so einfach, überaus genaue und präzise thermische Modelle in Echtzeit auszuführen.

Durch die hohe Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit dieser Typhoon-HIL-Lösung sowie durch die zusätzliche Geschwindigkeit macht die HIL404 die HIL-Testmethodik für die aufkommenden Anwendungen der Hochfrequenz-Leistungswandler in der Praxis unverzichtbar.

06. Simulieren Sie

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Probieren Sie es aus. Konfigurieren Sie Ihr C-HIL Prüffeld für Ihr spezifisches Antriebsprojekt.

Beginnen Sie mit Design und Test Ihrer ersten Anwendung!

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