Prüfstand mit hochdynamischen Lasteinheiten für BLDC-Motore

Durch die Verwendung von Servomotoren ist die von Berghoff Testing entwickelte Lösung in der Lage, aktive und passive Lastprofile darzustellen. Während des Audits befinden sich die Prüflinge in einer Klimakammer, um so auch den Betrieb unter extremen Umgebungsbedingungen zu untersuchen. Ziel ist es jeweils, die unterschiedlichen Umgebungsbedingungen für die bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) im Fahrzeugbetrieb nachzubilden. Mit den frei programmierbaren Lastprofilen lassen sich die Belastungen der BLDC-Motoren in ihrem realen Einsatzzweck simulieren und ebenso Tests bei Grenzbelastungen durchführen.

Die beschriebenen Dauerlauf-Prüfsysteme sind bei Kundenunternehmen von Berghoff als Audit-Prüfplätze zur Qualitätsüberwachung parallel zur Produktion im Einsatz. Mit dieser Auslegung ist eine flexible Nutzung der Prüfsysteme für unterschiedliche Anwendungsfälle möglich.

Test von BLDC-Motoren

Zur Erzeugung realer Testbedingungen wird der BLDC-Motor jeweils mit physikalischen Größen belastet, wie sie im verbauten Zustand, also beispielsweise im Fahrzeug, auftreten würden. Eine Lasteinheit regelt entsprechend der realen Belastung äquivalente Drehmomente ein, während der Prüfling seine Positionen beziehungsweise Drehzahl ansteuert.

Um ein realitätsnahes Prüfen zu ermöglichen und die Anforderungen an Dynamik zu erreichen, sind hochdynamische Lastmaschinen erforderlich. Diese bestehen aus effektiven Servomotoren und Antriebsreglern. Nur mithilfe eines schnellen Echtzeitsystems mit Messtechnik lassen sich die Vorgaben für Drehzahl und Drehmoment in Echtzeit berechnen. Die eingesetzte Sensorik ist im Hinblick auf Winkel, Drehzahl und Drehmoment entsprechend der Anforderung an das Prüfsystem ausgelegt.

Im Prüfvorgang weist die Sensorik eine Winkelauflösung von 0,2° auf. Die Lastmaschinen sind in der Lage, Drehmomente bis zu 12 Nm bei einer Drehzahl von 4800 rpm und hoher Dynamik (Beschleunigung, Bremsen) zu erzeugen. Die eingesetzten Servomotoren für die Lastmaschinen können vor dem Hintergrund unterschiedlicher Anforderungen an Drehzahlen und Drehmoment ausgelegt werden. Zudem bietet die Berghof-Technologie die Möglichkeit, auch Prüfsysteme für Linearantriebe zu realisieren.

Automatisierung

Aufgrund der beschriebenen hohen Anforderungen an Echtzeitfähigkeit entschied sich Berghof Testing für ein leistungsstarkes PXI-Echtzeitsystem. Als Real-Time-Controller findet dabei ein PXIe-8840 (Quad-Core) Verwendung. Ein Real-Time-Sequencer der Berghof Testing sorgt für die asynchrone Ansteuerung der Prüflinge, wobei dieser Sequencer in die Labview-RT-Applikation integriert ist.

Der Sequencer ist frei konfigurierbar und arbeitet die Prüfschritte, die Ansteuerung der Klimakammer, stufenspezifische Grenzwertbehandlung sowie die Datenerfassung und die Loggingfunktionen ab. Dabei können Kunden Sequenzabläufe selbst erstellen, testen und verwalten. Alle Sequenzen lassen sich abspeichern und wiederverwenden.

Eine hochauflösende Datenerfassung der physikalischen Signale am Prüfling, zum Beispiel Spannung und Strom pro Motorphase (zwei- und dreiphasige BLDC-Motoren), sowie weitere Messsignale wie Position, Drehzahl, Drehmoment und Temperaturen bilden die Grundlage für die genaue Beurteilung des Prüflings. Das System speichert die Daten auch über die lange Laufzeit eines Dauerlaufs in vollem Umfang ab, sodass sie für eine Analyse der Elektromotoren zur Verfügung stehen. Während der Aufzeichnungen findet eine Überwachung des Systems auf Grenzwertüberschreitungen statt.

Die entsprechenden Antriebscontroller für die BLDC-Antriebe sind an die Prüftechnik über Standardschnittstellen (zum Beispiel CAN oder auch CANopen) angebunden. Für mehr Flexibilität bietet das System die Möglichkeit, alle Parameter zur Ansteuerung der BLDC-Motoren während der Dauerlauf-Sequenz zu beeinflussen.

Last- und Prüflingsregelung

Die auf dem NI-Real-Time-Controller des PXI-Systems implementierte Berghof-Testing-Applikation übernimmt vollständig die Momentenregelung im Aufbau, wobei die Übertragung der Stellwerte für die Regelung zum Antriebsregler des Servomotors per Ethercat erfolgt, um so ein optimales Zeitverhalten zu erreichen.

Schematischer Aufbau der Lasteinheit für einen BLDC-Antrieb. Berghof

Anhand des gemessenen Drehmomentes an der Drehmomentmesswelle und des parametrierten Positions- oder zeitabhängigen Sollmoments, regelt ein schneller PID-Regler die Geschwindigkeit der Lasteinheit. Hierzu greift die Berghof-Testing-Applikation auf das NI-Toolkit Softmotion zurück.

Die Performance-optimierte Testing-Applikation ermöglicht – im Verbund mit dem PXI-System von National Instruments als Echtzeitregler und Indradrive-Antriebsreglern von Bosch Rexroth mit Ethercat-Schnittstelle – eine Regelungsrate von bis zu 4 kHz für jede Lasteinheit.

Dynamische Lastprofile

Alle Lastprofile sind über Zeit oder Position (Umdrehungen oder auch Winkel) parametrierbar. Über Zeit und Drehmoment setzen sie sich wiederum aus verschiedenen Unterprofilen zusammen, die sich frei kombinieren lassen. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, reelle Belastungsfälle am Prüfling im Dauerlauf zu simulieren; so können Anwender auch neu aufkommende Belastungsfälle individuell erstellen.

Kennlinienprofil

Beispiel Lastkurve (Federverhalten). Berghof

Zur Begutachtung innerhalb eines durchgeführten Dauerlaufes besteht die Möglichkeit, den Dauerlauf an einem einzelnen Prüfling zu stoppen, um beispielsweise eine Kennlinienmessung durchzuführen, die eine Bewertung des aktuellen Status des Prüflings ermöglicht. Die anderen Prüflinge setzen während dieser Zeit ihren Dauerlauf fort; das spart effektive Prüfzeit und sorgt für eine effiziente Nutung des Prüfsystems.

Zur Kennlinienmessung fährt man eine Drehmomentrampe ab, die mit einer niedrigen Belastung beginnt und die Belastung kontinuierlich bis zu einem Zielwert erhöht, während das System gleichzeitig den Strom, die Spannung, die Drehzahl und das Drehmoment misst. Nach Abschluss des Kennlinienprofils werden die Messdaten über dem Drehmoment dargestellt. Damit ist der Bediener in der Lage, manuell die Funktion des Prüflings während des Dauerlaufes zu überwachen und gegebenenfalls einzugreifen.

(tm)