Simulation statt Re-Design

Damit ein Motor sanft anfahren kann, bedarf es eines ausgeklügelten Antriebssystems bestehend aus Motor, Motorsteuerungselektronik sowie Regelkreis mit Drehzahlsensor, das die auftretenden Lastwechsel effizient ausregelt.

In der Vergangenheit wurden die Antriebskomponenten einzeln betrachtet und gewisse Rahmenbedingungen angenommen. Zu diesen Komponenten gehörten der Motor, die Motorsteuerung, der Antriebsstrang und die mechanische Last. Um die Effizienz der Motoren und des Antriebs zu verbessern, ist das Wirkungsgradkennfeld für die Bewertung eines Motors über den gesamten Drehmoment-Drehzahl-Bereich von großer Bedeutung. Dazu sind aufwändige Lastprofile unter Messung aller Motorparameter unter Betriebsbedingungen zu erstellen. Bei Neuentwicklungen kommt es dabei trotz jahrelanger Erfahrung immer wieder zu späten Änderungen an Prototypen, trotzdem es ist nahezu unmöglich die optimale Effizienzkurve zu treffen.

Modellierung und Simulation

Daher hat sich inzwischen die Simulation mit Lastprofilen und virtuellen Prototypen durchgesetzt. Um in einer Simulation den Wirkungsgrad und Verlustkennfelder vorherzusagen, sind zahlreiche Informationen erforderlich. Es gilt sicherzustellen, dass der Motor unter allen Lastbedingungen effizient und damit energiesparend arbeitet.

Viele Motoren in der Leistungselektronik sind elektronisch kommutierende, bürstenlose DC- oder EC-Motoren. In Automobilen arbeiten sie meist direkt mit der 12-V-Spannung aus dem Bordnetz und ziehen je bis zu 100 A Strom. Die Leistungselektronik für die Motorsteuerung besteht aus dem Treiber-IC, MOSFET-Halbbrücken oder IGBTs, passiven Bauteilen und Sensorik. Die Auswahl der Komponenten ist aus technischer Sicht hauptsächlich abhängig von Spannungs- und Stromwerten, Baugröße, Zuverlässigkeitsvorgaben und thermischen Anforderungen. Aber auch Kosten, Lieferanten und Verfügbarkeit sowie Produktvarianten spielen eine Rolle.

Verlustkennfeld-Simulationsergebnis eines Motors in Übereinstimmung mit Messungen. Flowcad

Zuverlässige Prototypen

Die unterschiedlichen Parameter der gleichen Schaltung erfordern einen immer wiederkehrenden Abgleich mit der Spezifikation. Dies führt zu langen Designzeiten, aufwändigen Tests an Prototypen und Re-Designs. Mit heutiger Technologie lassen sich Schaltungen modellieren und viele Tests auch virtuell mit Simulationen durchführen. Das spart Testaufbauten und damit Kosten und Zeit im Entwicklungsprozess. Daraus hervorgehende Prototypen arbeiten unter den meisten Betriebsbedingungen zuverlässig und vor allem sicher, insbesondere wenn Entwicklung und Simulation den kompletten Antriebsstrang von der Regelung bis zur mechanischen Komponente verifiziert haben.

Die Modellierung und PSpice-Simulation einer Schaltung mit physikalischen Echtzeitgrößen hilft, Stressbelastungen der Bauteile zu analysieren oder das Funktionieren der Schaltung am Grenzbereich der erlaubten Toleranz zu überprüfen, was mit Messungen so überhaupt nicht oder nur sehr kostspielig möglich ist. Mit den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich dann die Schaltung der Ansteuerung, die Regelung und die Materialien selbst optimieren und energieeffizient gestalten.

Verlustkennfelder simulieren

Ein elektrisches Antriebssystem ist das Schlüsselelement in der Leistungselektronik. Ein derartig komplexes mechatronisches System zu optimieren erfordert eine sehr detaillierte Analyse, Erfahrung und erprobte Methoden. Wie sich die Steuerelektronik schlecht ohne Motor- und Last-Modell optimieren lässt, so lassen sich Effizienzkurven eines Motors nur mit den ermittelten Verlustkennfeldern aus Drehmoment, Ausgangs- und Eingangsleistung erstellen.

Heute können Entwicklungstools wie Simplorer und Maxwell von Ansys bereits Verlustkennfelder von Motoren basierend auf den CAD-Daten und der Methode des maximalen Drehmoments pro Ampere simulieren. Die Effizienz des Motors steigt durch Minimieren der Verluste. Dabei werden Parameter wie Geschwindigkeit, DC-Bus-Spannung oder das PWM-Verhältnis der Ansteuerung und die Schaltfrequenz berücksichtigt. Messungen anhand realer Motoren haben die Genauigkeit der Simulationsergebnisse zuhauf bestätigt.

Kombination von unterschiedlichen Modellen in einer Co-Simulation. Flowcad

Co-Simulation der Ansteuerelektronik

Die Ansteuerelektronik erstellen in der Regel mehrere Entwickler gemeinsam. Der erste setzt das Grundprinzip der Schaltung gemäß der Spezifikation um. Anschließend geht der Schaltplan an einen PCB-Designer, der das Layout umsetzt, und daraufhin weiter in die Prototypen- bzw. Serienfertigung. Je nach Art der Schaltung sind dann noch Spezialisten für die thermische Analyse, elektromagnetische Verträglichkeit, Zuverlässigkeitsberechnung oder Testverfahren in den Basis-Entwicklungsablauf mit eingebunden. Oft kommen diese Spezialisten erst hinzu, wenn es Probleme mit den Prototypen gibt. Dann ist das Kind bereits in den Brunnen gefallen und ein Re-Design fällig. Das mögliche Einbinden von Spezialisten-Know-how bereits in einer frühen Phase der Entwicklung ist deshalb wünschenswert.

Mit den heutigen Möglichkeiten der Co-Simulation eröffnen sich aber ganz neue Möglichkeiten. Bereits zu einem frühen Zeitpunkt lässt sich zum Beispiel der Schaltplan der Motorsteuerung mit PSpice simulieren. Die Elektronik stellt jedoch nur einen Teilaspekt des Gesamtsystems dar. So fehlt die Verhaltensbeschreibung des Motors als Last der Schaltung. Eine Beschreibung der Motorlast in PSpice ist prinzipiell möglich, aber unüblich. In diesem Fall ließe sich entweder ein externes Motorenmodell in PSpice mitsimulieren oder der PSpice-Block der Schaltung in eine Simulation mit Simplorer mit einbinden. Die Kombination von simulierbaren, physikalischen Domänen innerhalb von Simplorer oder über Co-Simulation ermöglicht eine präzise interdisziplinäre Analyse der Leistungselektronik.

Übereinstimmung von H-Feld Messung und Simulation. Flowcad

Thermische Wechselwirkung

Viele Tests fallen auch bei den Kühlkonzepten an. Dabei ist zu beachten, wie sich die Eigenerwärmung der Elektronik auf die Temperaturen im System und die sich ändernde Umgebungstemperatur sich auf das elektrische Verhalten der Schaltung auswirkt. Weder die Schaltungssimulation noch die thermische Simulation alleine können hier genaue Antworten geben. Bei vielen Schaltungen erhöht sich der Strom bei steigender Außentemperatur, dadurch kommt es zu einer Erwärmung der Leiterplatte selbst und damit auch der Umgebungstemperatur, bis sich ein stabiler Zustand einstellt.

Der Trend zur Miniaturisierung spielt bei der gegenseitigen Erwärmung von Bauteilen eine verstärkte Rolle. In Geräten mit hoher Leistungsdichte sind Bauteile enger platziert, es kommt zu thermischer Wechselwirkung zwischen den Bauteilen und somit zu einer Veränderung der lokalen Umgebungstemperatur. Um die Lebensdauer zu bestimmen, spielen außerdem die Verformbarkeit über die Temperatur oder die im Betrieb auftretenden Vibrationen auf das PCB eine Rolle.

EMV in der Leistungselektronik

Das Innere eines Motors als FEM-Simulation mit Magnetfeldlinien. Flowcad

Ein frühzeitiges Design mit Power- und Signalintegritätsanalyse adressiert auch die EMI/EMC-Eigenschaften. Frühzeitige Simulationen basierend auf Layout-Daten können einen virtuellen EMI/EMC-Compliance-Test simulieren und damit viele Probleme bei der Entkoppelung aufdecken sowie Effekte im Nahfeld beschreiben. Entkoppelkondensatoren haben einen großen Einfluss auf die Verteilung des Nahfelds einer Leiterplatte. Die optimale der Platzierung und Kombination der Werte für die Kondensatoren kann die Empfindlichkeit beziehungsweise die Abstrahlung deutlich senken. Das Eliminieren von Resonanzen verbessert direkt die EMC/EMI-Eigenschaften.

electronica 2018: Halle A3, Stand 616

(mou)