DE102020127474A1

DE102020127474A1 - System and method for real-time simulation and/or emulation of a rotating electrical machine

Info

Publication number: DE102020127474A1
Application number: DE102020127474.2A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Pfisterer; Christoph Anneken; Adrian Riechmann; Thomas Imdieke; Lukas Gallus
Original assignee: Hochschule Osnabrueck Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Hochschule Osnabrueck Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-04-21

Abstract

System zur Echtzeit-Simulation und/oder -Emulation einer rotierenden elektrischen Maschine, aufweisend wenigstens einen Rechner mit einem Speicher, in dem ein durch Rechenschritte des Rechners durchrechenbares Simulationsmodell der elektrischen Maschine gespeichert ist, wobei das Simulationsmodell ein analytisches, nichtlineares drehwinkelabhängiges Simulationsmodell ist, wobei der Rechner pro Umdrehung der elektrischen Maschine eine Vielzahl von drehwinkelabhängigen Simulationsergebnissen bereitstellt.

System for real-time simulation and/or emulation of a rotating electrical machine, having at least one computer with a memory in which a simulation model of the electrical machine that can be calculated through calculation steps of the computer is stored, wherein the simulation model is an analytical, non-linear simulation model that is dependent on the angle of rotation, wherein the computer provides a large number of simulation results dependent on the angle of rotation for each revolution of the electrical machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Echtzeit-Simulation und/oder -Emulation einer rotierenden elektrischen Maschine, aufweisend wenigstens einen Rechner mit einem Speicher, in dem ein durch Rechenschritte des Rechners durchrechenbares Simulationsmodell der elektrischen Maschine gespeichert ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Echtzeit-Simulation und/oder -Emulation einer rotierenden elektrischen Maschine.The invention relates to a system for real-time simulation and/or emulation of a rotating electrical machine, having at least one computer with a memory in which a simulation model of the electrical machine that can be calculated through calculation steps of the computer is stored. The invention also relates to a method for real-time simulation and/or emulation of a rotating electrical machine.

Die Entwicklung rotierender elektrischer Maschinen ist relativ zeitaufwendig. So dauert die Entwicklung eines elektrischen Motors bis zum ersten Prototypen z.B. 6-12 Monate. Wenn es die Möglichkeit gäbe, den elektrischen Motor auf einem Rechner zu simulieren oder eine Emulation durchzuführen, wäre es möglich, die Entwicklungszeit zu verringern. Auf bisherigen Rechnern ist jedoch keine Echtzeit-Simulation möglich, zumindest wenn das Simulationsmodell mit guter Näherung die komplexen nichtlinearen Eigenschaften der elektrischen Maschine abbilden soll. Nach derzeitigem Stand ist eine Echtzeit-Simulation einer elektrischen Maschine nur mit starken Vereinfachungen des Simulationsmodells möglich, um die Rechenzeit in den Bereich einer Echtzeit-Verarbeitung zu bringen. Leider sind solche Simulationsergebnisse für viele Anwendungen unzureichend.The development of rotating electrical machines is relatively time-consuming. For example, the development of an electric motor up to the first prototype takes 6-12 months. If it were possible to simulate or emulate the electric motor on a computer, it would be possible to reduce the development time. However, no real-time simulation is possible on previous computers, at least if the simulation model is to depict the complex non-linear properties of the electrical machine with a good approximation. According to the current status, a real-time simulation of an electrical machine is only possible with major simplifications of the simulation model in order to bring the computing time into the range of real-time processing. Unfortunately, such simulation results are insufficient for many applications.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein System und ein Verfahren anzugeben, mit dem eine hochwertige Echtzeit-Simulation und/oder -Emulation einer elektrischen Maschine möglich ist.The object of the invention is therefore to specify a system and a method with which high-quality real-time simulation and/or emulation of an electrical machine is possible.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System zur Echtzeit-Simulation und/oder -Emulation einer rotierenden elektrischen Maschine, aufweisend wenigstens einen Rechner mit einem Speicher, in dem ein durch Rechenschritte des Rechners durchrechenbares Simulationsmodell der elektrischen Maschine gespeichert ist, wobei das Simulationsmodell ein analytisches, nichtlineares drehwinkelabhängiges Simulationsmodell ist, wobei der Rechner pro Umdrehung der elektrischen Maschine in Echtzeit eine Vielzahl von drehwinkelabhängigen Simulationsergebnissen bereitstellt. Die elektrische Maschine kann ein Motor oder ein Generator sein.This object is achieved by a system for real-time simulation and/or emulation of a rotating electrical machine, having at least one computer with a memory in which a simulation model of the electrical machine that can be calculated through calculation steps of the computer is stored, the simulation model being an analytical, is a non-linear, angle-of-rotation-dependent simulation model, with the computer providing a large number of angle-of-rotation-dependent simulation results in real time for each revolution of the electrical machine. The electric machine can be a motor or a generator.

Die Erfindung kann sowohl als Produkt, als Dienstleistung sowie als Produkt-Service-System vermarktet werden. Die werthaltigste Anwendung der Erfindung erfolgt in der Entwicklung von elektrischen Antriebssystemen. Prozesse in der Entwicklung können dadurch parallelisiert werden. Die Entwicklung eines elektrischen Antriebssystems beinhaltet die Entwicklung des elektrischen Motors, der Leistungselektronik, der Mess- und Regelungstechnik, Elektronik und Software. Die Entwicklung eines elektrischen Motors dauert bis zum ersten Prototypen in der Regel 6-12 Monate. Der Prototyp ist jedoch nötig um alle weiteren Komponenten entwickeln zu können. Mit dem erfindungsgemäßen System ist es möglich, nach zwei Wochen bereits das Klemmenverhalten des Motors nachbilden zu können. Dadurch kann die Entwicklung der Leistungselektronik, der Mess- und Regelungstechnik, der Elektronik und der Software bereits parallel zur Entwicklung des Motors gestartet werden.The invention can be marketed both as a product, as a service and as a product-service system. The most valuable application of the invention is in the development of electric drive systems. Processes in development can thus be parallelized. The development of an electric drive system includes the development of the electric motor, the power electronics, the measurement and control technology, electronics and software. The development of an electric motor usually takes 6-12 months up to the first prototype. However, the prototype is necessary to be able to develop all further components. With the system according to the invention it is possible to simulate the terminal behavior of the motor after just two weeks. As a result, the development of the power electronics, the measurement and control technology, the electronics and the software can be started parallel to the development of the motor.

Im Bereich der Entwicklungsvalidierung können elektronische Systeme ohne die physikalische Anwesenheit des Motors getestet werden. Dadurch können Testaufbauten deutlich verkleinert werden. Testsequenzen können zum Beispiel bei Klimatests durch die geringere Wärmekapazität des Prüflings deutlich beschleunigt werden. Ein Testzyklus z.B. bei einem Lenkmotor für einen PKW kann von 8 Stunden auf 2-3 Stunden reduziert werden. Bei mehreren Tausend Testzyklen und mehreren Dutzend Testobjekten kommen dabei sehr schnell sechs- und siebenstellige Einsparvolumina zusammen.In the area of development validation, electronic systems can be tested without the physical presence of the engine. As a result, test setups can be significantly reduced in size. Test sequences, for example in climate tests, can be significantly accelerated due to the lower heat capacity of the test object. A test cycle, e.g. for a steering motor for a car, can be reduced from 8 hours to 2-3 hours. With several thousand test cycles and several dozen test objects, six- and seven-digit savings can very quickly be made.

In der Produktion von Elektronik kann diese am End-of-Line-Test direkt mit dem erfindungsgemäßen System getestet werden. Es sind keine aufwendigen mechanischen Testgeräte mehr nötig. Die erforderliche Energie zum Testen wird auf das nötigste beschränkt, so können mehr als 90% der eingesetzten Energie gespart werden. Das erfindungsgemäße System macht es möglich, dass unterschiedlichste Motor-Elektronik-Kombination ohne Umbauten und Rüstzeiten getestet werden können. Dadurch wird Industrie 4.0 im Antriebsbereich erst ermöglicht. Die Elektroniken können nicht nur mit einem sehr aufwendig erstellten Motor als Grenzmuster getestet werden, sondern auf viel einfachere Weise durch das erfindungsgemäße System, durch das verschiedene „Grenzmuster“ einfach per Software generiert und getestet werden können.In the production of electronics, these can be tested directly at the end-of-line test using the system according to the invention. Complex mechanical test devices are no longer necessary. The energy required for testing is limited to the bare minimum, so more than 90% of the energy used can be saved. The system according to the invention makes it possible for a wide variety of motor-electronics combinations to be tested without conversions and set-up times. This is what makes Industry 4.0 possible in the drive area. The electronics can be tested not only with a very expensive motor as a limit sample, but also in a much simpler way using the system according to the invention, with which various “limit samples” can be easily generated and tested using software.

Der Rechner kann dazu eingerichtet sein, ein Computerprogramm, z.B. im Sinne von Software, auszuführen. Der Rechner kann als handelsüblicher Computer ausgebildet sein, z.B. als PC, Laptop, Notebook, Tablet oder Smartphone, oder als Mikroprozessor, Mikrocontroller oder FPGA, oder als Kombination aus solchen Elementen.The computer can be set up to run a computer program, e.g. in the sense of software. The computer can be designed as a commercially available computer, e.g. as a PC, laptop, notebook, tablet or smartphone, or as a microprocessor, microcontroller or FPGA, or as a combination of such elements.

Das erfindungsgemäße System weist sozusagen als Kern immer den Rechner mit dem Speicher und dem gespeicherten Simulationsmodell der elektrischen Maschine auf. In dieser Grundkonzeption eignet sich das System bereits für die Anwendung als Echtzeit-Simulator der elektrischen Maschine. Das System kann dann beispielsweise mit einem Simulationsmodell für die Regelung und die Leistungselektronik gekoppelt werden, das ebenfalls auf einem Rechner ausgeführt wird. In diesem Fall sind die beiden Simulations-Systeme lediglich digital für den Datenaustausch miteinander verbunden. Der Signalaustausch zwischen den Systemen erfolgt über digitale oder analoge Signale.The system according to the invention always has the computer with the memory and the stored simulation model of the electrical machine as its core, so to speak. In this basic concept, the system is already suitable for use as a real-time simulator of the electrical machine. The system can then be coupled with a simulation model for the control and the power electronics, for example, which is also run on a computer. In this In this case, the two simulation systems are only connected digitally for data exchange. The signals are exchanged between the systems via digital or analogue signals.

In einer weiteren Anwendungsmöglichkeit kann das erfindungsgemäße System als Echtzeit-Signalemulator eingesetzt werden. Das System kann dann auf der anderen Seite mit zumindest einem Teil der Hardware der Leistungselektronik für die Motoransteuerung verbunden werden, jedoch ohne die erforderlichen Leistungsbauteile. Beispielsweise kann eine Hardware mit einem Mikrocontroller und einer eingebetteten Software eingesetzt werden. Auf der Seite des erfindungsgemäßen Systems sind dann für die Signalwandlung beispielsweise A/D- und D/A-Wandler und gegebenenfalls Verstärker erforderlich. Der Signalaustausch zwischen den Systemen erfolgt dann über analoge Signale.In a further possible application, the system according to the invention can be used as a real-time signal emulator. On the other hand, the system can then be connected to at least part of the hardware of the power electronics for motor control, but without the required power components. For example, hardware with a microcontroller and embedded software can be used. On the side of the system according to the invention, for example, A/D and D/A converters and optionally amplifiers are then required for the signal conversion. The signal exchange between the systems then takes place via analog signals.

In einer weiteren Anwendungsmöglichkeit kann das erfindungsgemäße System als Echtzeit-Motoremulator eingesetzt werden, d. h. die elektrische Maschine wird vom System mit realen elektrischen Signalen bereitgestellt. Hierfür kann das System dann um eine entsprechende Leistungselektronik mit einem anpassbaren Ausgangsfilter ergänzt werden. Auf der anderen Seite ist dann an das System die reale Leistungselektronik zur Steuerung der elektrischen Maschine anzuschließen.In a further possible application, the system according to the invention can be used as a real-time engine emulator, i. H. the electrical machine is provided by the system with real electrical signals. For this purpose, the system can then be supplemented with appropriate power electronics with an adjustable output filter. On the other hand, the real power electronics for controlling the electrical machine must then be connected to the system.

Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Systems besteht darin, dass das Simulationsmodell ein drehwinkelabhängiges Simulationsmodell ist. Der Rechner stellt dabei pro Umdrehung der elektrischen Maschine eine Vielzahl von drehwinkelabhängigen Simulationsergebnissen bereit, d. h. für einen jeweiligen Drehwinkel-Schritt des Rotors der elektrischen Maschine kann ein eigenes Simulationsergebnis bereitgestellt werden. Die Berücksichtigung der Winkelstellungen des Rotors führt bereits zu einer wesentlichen Verbesserung der Simulationsgenauigkeit. Dabei erlaubt das erfindungsgemäße System eine sehr feine Abstufung der Drehwinkel-Schritte im Bereich von Bruchteilen von Winkelgraden. So kann der Rechner pro Umdrehung der elektrischen Maschine für wenigstens 1000 unterschiedliche Drehpositionen der elektrischen Maschine drehwinkelabhängige Simulationsergebnisse bereitstellen, oder für wenigstens 5000 oder 10000 unterschiedliche Drehpositionen.A special feature of the system according to the invention is that the simulation model is a simulation model that is dependent on the angle of rotation. For each revolution of the electric machine, the computer provides a large number of simulation results that depend on the angle of rotation, i. H. a separate simulation result can be provided for a respective rotation angle step of the rotor of the electrical machine. The consideration of the angular positions of the rotor already leads to a significant improvement in the simulation accuracy. The system according to the invention allows a very fine gradation of the rotation angle steps in the range of fractions of angle degrees. The computer can thus provide simulation results that are dependent on the angle of rotation for at least 1000 different rotational positions of the electrical machine per revolution of the electrical machine, or for at least 5000 or 10000 different rotational positions.

Mit der vorliegenden Erfindung wurde eine Möglichkeit gefunden, eine elektrische Maschine sehr gut zu modellieren. Als Vergleichsgröße dient hierbei die extrem aufwendige FEM-Berechnung, die nicht in Echtzeit möglich ist. Bei der Erfindung dagegen ist das Simulationsmodell sehr einfach umsetzbar und flexibel und kann durch einfache Logik realisiert werden. Dennoch kann eine Simulationsgenauigkeit ähnlich der FEM-Berechnung ermöglicht werden. So kann in einer derzeitigen Realisierung eine Abweichung von kleiner 1% beim Drehmomentverlauf erreicht werden.With the present invention, a possibility was found to model an electrical machine very well. The extremely complex FEM calculation, which is not possible in real time, serves as a comparison value. In the case of the invention, on the other hand, the simulation model can be implemented very easily and flexibly and can be implemented using simple logic. Nevertheless, a simulation accuracy similar to the FEM calculation can be made possible. In a current implementation, a deviation of less than 1% can be achieved in the torque curve.

Die Erfindung kombiniert sehr hohe Modellierungsstandards mit sehr genauen Simulationsergebnissen, welche in Echtzeit zur Verfügung gestellt werden können. Dadurch können Emulatoren technische Teilsysteme in hoher Qualität nachbilden und diese Komplettsysteme mit Simulationen in Echtzeit betrieben werden. Das modulare Konzept ermöglicht das Anbieten von Produkt-Service-Systemen für einen sehr breiten Einsatzbereich, vom Testsystem für die Systemvalidierung über ein Testsystem für die Produktion bis zum virtuellen Entwicklungswerkzeug.The invention combines very high modeling standards with very accurate simulation results that can be made available in real time. As a result, emulators can reproduce technical subsystems in high quality and these complete systems can be operated with simulations in real time. The modular concept makes it possible to offer product service systems for a very wide range of applications, from the test system for system validation to a test system for production and virtual development tools.

Diese Erfindung ermöglicht es, eine sehr genaue Modellierung elektrischer Maschinen mit der Berücksichtigung des Rotordrehwinkels und sämtlichen Nichtlinearitäten in Echtzeit zu simulieren. Die Qualität erreicht somit ein Maß, das vergleichbar mit einer FEM-Berechnung ist. Innerhalb weniger Millisekunden kann eine komplette Umdrehung des Rotors in hoher Auflösung simuliert werden. Eine FEM-Berechnung mit dieser Auflösung benötigte bisher Stunden. Durch die Echtzeitmöglichkeiten kann die Simulation in reale Antriebssysteme direkt eingebunden werden und somit Elektronik, Leistungselektronik, Software und Mess- und Regelungstechnik im System mit dem simulierten Motor getestet werden. Anwendungen bestehen in den Entwicklungsabteilungen aller Antriebstechnikhersteller, den Validierungsabteilungen sowie in der Produktion als flexible Testgeräte. In den Entwicklungsabteilungen gibt es die Möglichkeit, mit diesem Werkzeug freikonfigurierbare „elektrische Maschinen“ zu schaffen, an denen weitere Hardware und Software getestet werden kann. So könnte zum Beispiel eine vorhandene Leistungselektronik an einem virtuellen elektrischen Motor in Betrieb genommen werden, die Regelungseinstellungen vorgenommen werden und das Systemverhalten vermessen werden.This invention makes it possible to simulate a very accurate modeling of electric machines in real time, taking into account the rotor rotation angle and any non-linearities. The quality thus reaches a level that is comparable to an FEM calculation. A complete revolution of the rotor can be simulated in high resolution within a few milliseconds. An FEM calculation with this resolution used to take hours. Due to the real-time possibilities, the simulation can be directly integrated into real drive systems and thus electronics, power electronics, software and measurement and control technology can be tested in the system with the simulated motor. Applications exist in the development departments of all drive technology manufacturers, the validation departments and in production as flexible test devices. The development departments can use this tool to create freely configurable "electrical machines" on which additional hardware and software can be tested. For example, existing power electronics could be put into operation on a virtual electric motor, the control settings could be made and the system behavior measured.

In den Entwicklungsabteilungen können Antriebssysteme in den unterschiedlichsten Applikationen getestet werden, ohne dass ein physikalischer Aufbau nötig wird. Vorhandene physikalische Baugruppen können in den Testaufbau integriert werden. Eine mögliche gemischte virtuelle / reale Testumgebung wird geschaffen. Tests bei neuen Entwicklungsversionen können automatisiert stattfinden. Softwareversionen können extrem schnell in der Anwendung validiert werden. In den Testabteilungen können aufwendige Tests, die nur im Gesamtsystem stattfinden können, jetzt ohne den großen Motor stattfinden. Die Masse des Motors macht bei Vibrationstests eine erhebliche Einschränkung und bei Klimatests durch die höhere Wärmekapazität sehr kostspielige lange Testzeiten nötig. Diese Kosten können eingespart werden. In der Produktion können Elektroniken an den Motoremulatoren getestet werden. Dabei kann das Simulationsmodell so geschaffen sein, dass der Motor als klar definiertes Grenzmuster, gegen das man testet, konfiguriert wird. Es ist auch möglich, gegen mehrere umschaltbare Grenzmuster zu testen, indem man die Parametersätze von Test zu Test verändert.In the development departments, drive systems can be tested in a wide variety of applications without the need for a physical structure. Existing physical assemblies can be integrated into the test setup. A possible mixed virtual / real test environment is created. Tests for new development versions can be automated. Software versions can be validated extremely quickly in the application. In the test departments, complex tests that can only take place in the overall system can now take place without the large engine. The mass of the engine makes a significant limitation in vibration tests and in Kli matetests due to the higher thermal capacity very expensive long test times necessary. These costs can be saved. Electronics can be tested on the motor emulators in production. The simulation model can be created in such a way that the engine is configured as a clearly defined limit pattern against which to test. It is also possible to test against multiple switchable limit patterns by changing the parameter sets from test to test.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Simulationsmodell zusätzlich ein flussbasiertes Simulationsmodell ist, durch das magnetische Flüsse der elektrischen Maschine drehwinkelabhängig berechenbar sind. Hierdurch kann die Genauigkeit der Simulation noch erheblich gesteigert werden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the simulation model is also a flux-based simulation model, by means of which magnetic fluxes of the electrical machine can be calculated as a function of the angle of rotation. This allows the accuracy of the simulation to be significantly increased.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch das Simulationsmodell zusätzlich Eisenverluste der elektrischen Maschinen und/oder temperaturabhängige Eigenschaften der elektrischen Maschinen berechenbar sind. Dies ermöglicht eine weitere signifikante Erhöhung der Genauigkeit der Simulation.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that iron losses of the electrical machines and/or temperature-dependent properties of the electrical machines can also be calculated using the simulation model. This enables a further significant increase in the accuracy of the simulation.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Simulationsmodell ein Differenzialgleichungssystem aufweist, das eine Vielzahl von nichtlinearen Parametern der elektrischen Maschine berücksichtigt, wobei die nichtlinearen Parameter vorab bestimmt im Speicher gespeichert worden sind und zur Laufzeit des Systems unveränderbar sind. Hierdurch wird ein einheitliches Simulationsmodell bereitgestellt, das relativ schnell durchgerechnet werden kann. Dabei können die Parameter wie erwähnt vorab, d. h. nicht zur Laufzeit des Systems, durch Berechnungsmethoden bestimmt werden, die auch aufwendiger sein können. Da diese Berechnungsmethoden nicht zur Laufzeit des Systems ausgeführt werden, ist die Rechendauer nicht so kritisch. Beispielsweise können die Parameter berechnet werden, indem vorab eine FEM-Berechnung der elektrischen Maschine mit allen Details durchgeführt wird.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the simulation model has a differential equation system that takes into account a large number of nonlinear parameters of the electrical machine, the nonlinear parameters having been previously determined in the memory and being unchangeable during the runtime of the system. This provides a uniform simulation model that can be calculated relatively quickly. As mentioned, the parameters can be set in advance, i. H. not at runtime of the system, are determined by calculation methods, which can also be more complex. Since these calculation methods are not executed at system runtime, the calculation time is not so critical. For example, the parameters can be calculated by first performing an FEM calculation of the electric machine with all the details.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rechner als FPGA (Field Programmable Gate Array) ausgebildet ist oder ein FPGA aufweist. Auf diese Weise kann die Verarbeitungszeit beim Durchrechnen des Simulationsmodells signifikant gesenkt werden. Zudem sind FPGAs relativ kostengünstig verfügbar. Der Rechner kann auch in Form von mehreren FPGAs ausgebildet sein, die zur Parallelverarbeitung des Simulationsmodells eingerichtet sind. Beispielsweise kann auf mehreren FPGAs parallel das Simulationsmodell für unterschiedliche Drehpositionen des Rotors der elektrischen Maschine durchgerechnet werden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the computer is in the form of an FPGA (Field Programmable Gate Array) or has an FPGA. In this way, the processing time when calculating the simulation model can be significantly reduced. In addition, FPGAs are available relatively inexpensively. The computer can also be designed in the form of several FPGAs that are set up for parallel processing of the simulation model. For example, the simulation model for different rotational positions of the rotor of the electric machine can be calculated in parallel on several FPGAs.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rechner eine Pipeline-Verarbeitungsarchitektur aufweist, in der das Simulationsmodell parallel für mehrere Drehpositionen der elektrischen Maschine in unterschiedlichen Berechnungsstadien durchrechenbar ist. Auf diese Weise kann die Verarbeitungszeit beim Durchrechnen des Simulationsmodells signifikant gesenkt werden. Durch die Pipeline-Verarbeitungsarchitektur kann eine Parallelverarbeitung auch schon mit nur einem Rechner realisiert werden. Besonders vorteilhaft und kostengünstig kann eine solche Pipeline-Verarbeitungsarchitektur in einem FPGA einprogrammiert werden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the computer has a pipeline processing architecture in which the simulation model can be calculated in parallel for a number of rotational positions of the electric machine in different calculation stages. In this way, the processing time when calculating the simulation model can be significantly reduced. Thanks to the pipeline processing architecture, parallel processing can also be implemented with just one computer. Such a pipeline processing architecture can be programmed into an FPGA in a particularly advantageous and cost-effective manner.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rechner für ein vollständiges Durchrechnen des Simulationsmodells für eine jeweilige Drehposition elektrischen Maschine eine Ausführungszeit benötigt, wobei der Rechner dazu eingerichtet ist, jeweils nach einer Taktzeit ein Simulationsergebnis des durchgerechneten Simulationsmodells für eine jeweilige Drehposition der elektrischen Maschine bereitzustellen, die kürzer ist als die Ausführungszeit. Dies kann besonders vorteilhaft durch eine oder mehrere der erwähnten Arten der Parallelverarbeitung realisiert werden. Auf diese Weise ist die Ausführungszeit des Rechenvorgangs nicht mehr limitierend für die Echtzeit-Fähigkeit des Systems.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the computer requires an execution time for a complete calculation of the simulation model for a respective rotary position of the electrical machine, with the computer being set up to generate a simulation result of the calculated simulation model for a respective rotary position of the electrical machine after a cycle time Deploy machine that is shorter than execution time. This can be implemented particularly advantageously by one or more of the types of parallel processing mentioned. In this way, the execution time of the computing process is no longer limiting for the real-time capability of the system.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Taktzeit kleiner als 1 µs ist, insbesondere kleiner als 100 ns. Somit kann die Simulation der elektrischen Maschine sehr feinstufig, d. h. in sehr kleinen Winkelschritten, erfolgen. Dementsprechend kann das System mit einer hohen Taktrate arbeiten, die im Bereich von mehreren Kilohertz oder mehreren Megahertz liegen kann. In einer derzeitigen Realisierung wird z.B. eine Taktzeit von 8 ns bzw. eine Taktrate von 125 MHz eingesetzt.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the cycle time is less than 1 μs, in particular less than 100 ns. Thus, the simulation of the electrical machine can be done very finely, i. H. in very small angular steps. Accordingly, the system can operate at a high clock rate, which can be in the range of several kilohertz or several megahertz. In a current implementation, for example, a clock time of 8 ns or a clock rate of 125 MHz is used.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Echtzeit-Simulation und/oder -Emulation einer rotierenden elektrischen Maschine mit folgenden Schritten:

a) Erstellen eines analytischen, nichtlinearen drehwinkelabhängigen Simulationsmodells der rotierenden elektrischen Maschine durch FEM-Berechnung,
b) Speichern des Simulationsmodell im Speicher eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
c) Starten des Systems.

The object mentioned at the outset is also achieved by a method for real-time simulation and/or emulation of a rotating electrical machine with the following steps:

a) Creation of an analytical, non-linear, angle-of-rotation-dependent simulation model of the rotating electrical machine by FEM calculation,
b) storing the simulation model in the memory of a system according to any one of the preceding claims,
c) Starting the system.

Auch hierdurch können die zuvor erwähnten Vorteile realisiert werden. Wie erwähnt, wird die FEM-Berechnung vorab durchgeführt, somit nicht während der Laufzeit des Systems. Ist das System gestartet, kann es in Echtzeit die rotierende elektrische Maschine simulieren und/oder emulieren.The previously mentioned advantages can also be realized in this way. As mentioned, the FEM calculation is carried out in advance, not during the runtime of the system. Once started, the system can simulate and/or emulate the rotating electrical machine in real time.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments using drawings.

Es zeigen

1 Anwendungsmöglichkeiten eines Systems zur Echtzeit-Simulation und/oder -Emulation einer rotierenden elektrischen Maschine in schematischer Darstellung und
2 eine analytische Grundlage für das Simulationsmodell und
3 bis 7 die Erstellung des Simulationsmodells in Flussdiagramm-Darstellung und
8 den Ablauf der Rechenschritte des Simulationsmodells in grafischer Veranschaulichung und
9 ein System zur Echtzeit-Simulation und/oder -Emulation einer rotierenden elektrischen Maschine in schematischer Darstellung.

Show it

1 Possible applications of a system for real-time simulation and / or emulation of a rotating electrical machine in a schematic representation and
2 an analytical basis for the simulation model and
3 until 7 the creation of the simulation model in flowchart representation and
8th the course of the calculation steps of the simulation model in graphic illustration and
9 a system for real-time simulation and/or emulation of a rotating electrical machine in a schematic representation.

Die 1 veranschaulicht drei Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Systems 10 zur Echtzeit-Simulation und/oder -Emulation einer rotierenden elektrischen Maschine. Oben ist die Anwendung als Echtzeit-Simulator dargestellt. In diesem Fall interagiert das System 10 über digitale Signale (Datenaustausch) mit einem Simulationsmodell 14 der Regelung, Leistungselektronik und dynamischen mechanischen Belastung für die elektrischen Maschine, das selbst auf einem Rechner ausgeführt wird. Zur Anpassung der Signale kann auf der Seite des Systems 10 eine Normierung 11 durchgeführt werden, z.B. eine rechnerische Normierung der Signale. In der Anwendung als Echtzeitsimulator kann das System 10 mit anderen Simulationsprogrammen wie Matlab gekoppelt werden.the 1 illustrates three possible applications of the system 10 according to the invention for real-time simulation and/or emulation of a rotating electric machine. Above, the application is shown as a real-time simulator. In this case, the system 10 interacts via digital signals (data exchange) with a simulation model 14 of the control, power electronics and dynamic mechanical loading for the electrical machine, which is itself executed on a computer. To adapt the signals, a normalization 11 can be carried out on the system 10 side, for example a computerized normalization of the signals. When used as a real-time simulator, the system 10 can be coupled with other simulation programs such as Matlab.

Die 1 zeigt in der Mitte eine Anwendungsmöglichkeit des Systems 10 als Echtzeit-Signalemulator. In diesem Fall interagiert das System 10 über analoge Signale mit einer realen Elektronik 15, jedoch ohne den Leistungselektronikteil. Zur Signalkonvertierung ist auf der Seite des Systems 10 beispielsweise eine A/D-D/A-Wandlereinheit 12, gegebenenfalls mit Verstärker, vorgeschaltet. In der Anwendung als Echtzeit-Signalemulator (Signalebene) kann das System 10 in ein X-in-the-Loop System integriert werdenthe 1 shows in the center one possible application of the system 10 as a real-time signal emulator. In this case, the system 10 interacts with real electronics 15 via analog signals, but without the power electronics part. For signal conversion, an A/DD/A converter unit 12, optionally with an amplifier, is connected upstream on the system 10 side. When used as a real-time signal emulator (signal level), the system 10 can be integrated into an X-in-the-Loop system

Die 1 zeigt unten eine Anwendungsmöglichkeit des Systems 10 als Echtzeit-Motoremulator. In diesem Fall interagiert das System 10 über reale Leistungssignale mit einer realen Leistungselektronik 16. Zur Signalkonvertierung ist auf der Seite des Systems 10 beispielsweise eine Leistungselektronik mit anpassbarem Ausgangsfilter vorgeschaltet. In der Anwendung als Echtzeit-Motoremulator (Leistungsebene) kann das System 10 als virtueller elektrischer Motor verwendet werden.the 1 below shows one application of the system 10 as a real-time engine emulator. In this case, the system 10 interacts with real power electronics 16 via real power signals. Power electronics with an adjustable output filter are connected upstream on the side of the system 10 for signal conversion, for example. In the real-time motor emulator (performance plane) application, the system 10 can be used as a virtual electric motor.

Eine digitale Schnittstelle (Bussystem) wird genutzt, um das Echtzeitsimulationssystem mit üblichen Simulationssystemen zu koppeln bzw. den Echtzeitsimulator zu integrieren. Durch die Verwendung von A/D-D/A-Wandlerbaugruppen 12 ist es möglich den Echtzeitsimulator so auszubauen, dass ein Echtzeit-Signalemulator entsteht. Eine sehr hochfrequent schaltende Leistungselektronik 13 mit entsprechend anpassbarem Ausgangsfilter ermöglicht die Echtzeit-Motoremulation und somit den Vollausbau des modularen Systems 10.A digital interface (bus system) is used to couple the real-time simulation system with conventional simulation systems or to integrate the real-time simulator. By using A/D-D/A converter assemblies 12, it is possible to expand the real-time simulator in such a way that a real-time signal emulator is created. A very high-frequency switching power electronics 13 with a correspondingly adjustable output filter enables real-time motor emulation and thus the full expansion of the modular system 10.

Die 2 verdeutlicht anhand der Gleichungen (1) bis (8) eine beispielhafte analytische Grundlage für das Simulationsmodell, dass im erfindungsgemäßen System 10 eingesetzt wird.the 2 clarifies an exemplary analytical basis for the simulation model using equations (1) to (8) that is used in the system 10 according to the invention.

Die 3 verdeutlicht beispielhaft die Schritte der Modell Erstellung des Simulationsmodells. Es wird z.B. ein komplexes nichtlineares, drehwinkelabhängiges Flussmodell für Synchronmaschinen verwendet. In einem Preprozess werden Kennfelder mittels einer FEM-Berechnung ermittelt, mit denen das komplette nichtlineare, drehwinkelabhängige und wahlweise weitere Abhängigkeiten wie z.B. Temperatur-Verhalten der elektrischen Maschine beschrieben wird. Diese Kennfelder werden durch eine spezielle Anordnung und Verwaltung so strukturiert, dass eine sehr einfache Verwendung der Kennfelder bei der Berechnung der Systemgleichungen (1) bis (8) gemäß 2 ermöglicht wird. Die Systemgleichungen (1) bis (8) werden auf der programmierbaren Logik eines FPGA implementiert. Die Lösung sämtlicher Gleichungen mit den Eingangsgrößen Drehwinkel und dreiphasiges Spannungssystem führt innerhalb vieler Berechnungsschritte nach etwa 0,5 Mikrosekunden zu einem Ergebnis (Strangströme, Drehmoment, Drehwinkel, Winkelgeschwindigkeit, induzierte Spannungen etc.). Durch die Schaffung einer Datenpipeline kann nach einer Latenzzeit von etwa 0,5 Mikrosekunden bei jedem Takt ein neues Ergebnis generiert werden. Bei einer Taktfrequenz von 125 MHz wären dies eine komplette Systemberechnung für einen Drehwinkel alle 8 Nanosekunden.the 3 Illustrates the steps involved in creating the simulation model. For example, a complex, non-linear, angle-of-rotation-dependent flux model for synchronous machines is used. In a pre-process, characteristic diagrams are determined using an FEM calculation, with which the complete non-linear, angle-dependent and optionally other dependencies such as temperature behavior of the electrical machine are described. These characteristic fields are structured by a special arrangement and administration in such a way that a very simple use of the characteristic fields in the calculation of the system equations (1) to (8) according to 2 is made possible. The system equations (1) to (8) are implemented on the programmable logic of an FPGA. The solution of all the equations with the input variables angle of rotation and three-phase voltage system leads to a result within many calculation steps after about 0.5 microseconds (phase currents, torque, angle of rotation, angular velocity, induced voltages, etc.). By creating a data pipeline, a new result can be generated on each clock after a latency of about 0.5 microseconds. With a clock frequency of 125 MHz, this would be a complete system calculation for a rotation angle every 8 nanoseconds.

Die 4 verdeutlicht anhand der dort angegebenen Detailschritte den in 3 bereits angegebenen Schritt der FEM Simulation. Im Ergebnis wird nach Durchführung der Schritte gemäß den 3 und 4 das vorab berechnete Simulationsmodell bereitgestellt, das dann im FPGA in Echtzeit durchgerechnet wird.the 4 clarifies the in 3 already indicated step of the FEM simulation. As a result, after carrying out the steps according to the 3 and 4 the previously calculated simulation model provided, which is then calculated in real time in the FPGA.

Dabei kann ein hochperformantes automatisiertes FEM-Berechnungs- und Optimierungswerkzeug eingesetzt werden. Dieses kann eine FEM-Berechnung sowohl mit einer 2D-Modellierung als auch 3D-Modellierung sein. Hierbei wird die elektrische Maschine zunächst in einer Skriptsprache beschrieben, wobei einzelne Parameter variabel gestaltet werden können (z.B. Verhalten von Permanentmagneten, Luftspaltmaß, Wicklungsdaten, etc.). Gleichzeitig werden Bewertungskriterien für die Simulationsergebnisse beschrieben. Ein Modellgenerator modelliert automatisch neue optimierte Modelle, diese werden dann von dem FEM Berechnungswerkzeug berechnet und vom Optimierer bewertet. Ist eine optimale Topologie gefunden, werden die Flusskennfelder in Abhängigkeit der Ströme (d-, q-Strom) für jede Stromkombination und für jeden Drehwinkel gerechnet. Daraus werden Flusskennfelder (verketteter Fluss in der Maschine) und Drehmomentkennfelder berechnet. Weitere Parameter können hier eingefügt werden, z.B. der Parameter Temperatur. So wird dann für jeden Temperaturschritt in einem festgelegten Temperaturbereich ein Kennfeld der Flussverkettung, Drehmoment in Abhängigkeit von den Strömen und dem Drehwinkel berechnet (5). Diese Kennfelder werden gespeichert. Die Flusskennfelder müssen nun invertiert werden, so das je ein Kennfeld für den d-Strom und q-Strom in Abhängigkeit des d-Flusses, q-Flusses und des Drehwinkel entsteht (6). Dies Geschieht, indem zunächst die Äquipotentiallinie für den gesuchten Fluss im d- und q-Flussdiagramm gesucht wird. Dies geschieht u.a. durch lineare Interpolation. Man erhält daraus alle möglichen Kombinationen von Strömen, die zu der entsprechenden Flusskomponente führen. Findet man die Stromkombination, die zur entsprechenden Flusskombination führt, dann hat man ein entsprechendes Feld des Kennfeldes gefunden. So werden alle möglichen Stromkombinationen und deren Abhängigkeiten von den Flusskomponenten und dem Drehwinkel berechnet (7).A high-performance automated FEM calculation and optimization tool can be used. This can be an FEM calculation with both 2D modeling and 3D modeling. In this case, the electric machine is first described in a script language, with individual parameters being variable (e.g. behavior of permanent magnets, air gap size, winding data, etc.). At the same time, evaluation criteria for the simulation results are described. A model generator automatically models new optimized models, which are then calculated by the FEM calculation tool and evaluated by the optimizer. Once an optimal topology has been found, the flux characteristics are calculated as a function of the currents (d current, q current) for each current combination and for each angle of rotation. From this, flux maps (linked flux in the machine) and torque maps are calculated. Further parameters can be inserted here, eg the temperature parameter. A map of the flux linkage, torque as a function of the currents and the angle of rotation is then calculated for each temperature step in a specified temperature range ( 5 ). These maps are saved. The flux maps must now be inverted so that a map is created for the d-current and q-current depending on the d-flow, q-flow and the angle of rotation ( 6 ). This is done by first looking for the equipotential line for the flow you are looking for in the d and q flow diagrams. This is done, among other things, by linear interpolation. From this one obtains all possible combinations of streams that lead to the corresponding flow component. If one finds the current combination that leads to the corresponding flow combination, then one has found a corresponding field of the map. In this way, all possible current combinations and their dependencies on the flux components and the angle of rotation are calculated ( 7 ).

Auf einem FPGA-System wird schließlich ein analytisches Flussmodell der elektrischen Maschine implementiert. In Abhängigkeit des Drehwinkels und der Eingangsspannungen berechnet dieses Modell die Flusskomponenten des verketteten Flusses in der Maschine. Aus der Tabelle der Flussverkettungen kann dann der entsprechende d-, q-Strom sowie das Drehmoment ermittelt werden. Bezieht man die mechanischen Differentialgleichungen noch in das Modell ein, kann mit der Eingangsgröße des Lastmomentes das komplette Verhalten der elektrischen Maschine berechnet werden (8).Finally, an analytical flow model of the electrical machine is implemented on an FPGA system. Depending on the angle of rotation and the input voltage, this model calculates the flux components of the phase-to-phase flux in the machine. The corresponding d, q current and torque can then be determined from the table of flux linkages. If the mechanical differential equations are also included in the model, the complete behavior of the electrical machine can be calculated with the input variable of the load moment ( 8th ).

Dieser Echtzeitsimulator kann mit einem dSPACE und Matlab System kombiniert zu einem sehr leistungsfähigen Echtzeitsimulationssystem gemacht werden, das komplette elektrische Antriebssysteme simuliert. Kombiniert man den Echtzeitsimulator mit schnellen und hochgenauen A/D- und D/A-Wandlern, die direkt mit dem FPGA gekoppelt werden, kann ein hervorragendes Echtzeit X-in-the-Loop System aufgebaut werden. Die Erweiterung des Systems um eine hochdynamische leistungselektronische Quelle/Senke ermöglicht die Echtzeit-Klemmen-Emulation der elektrischen Maschine.Combined with a dSPACE and Matlab system, this real-time simulator can be made into a very powerful real-time simulation system that simulates complete electric drive systems. If you combine the real-time simulator with fast and high-precision A/D and D/A converters, which are coupled directly to the FPGA, an excellent real-time X-in-the-Loop system can be built. The extension of the system to include a highly dynamic power electronic source/sink enables real-time terminal emulation of the electrical machine.

Die 9 veranschaulicht das System 10, wobei insbesondere die zugeführten Eingangssignale (Spannungen U₁, U₂, U₃, Lastmoment M_L) sowie die durch das Simulationsmodell im FPGA bestimmten Ausgangssignale verdeutlicht werden.the 9 illustrates the system 10, with the supplied input signals (voltages U ₁ , U ₂ , U ₃ , load moment M _L ) and the output signals determined by the simulation model in the FPGA being clarified in particular.

Der Echtzeit-Motorsimulator / Echtzeit-Motoremulator kann z.B. als 19 Zoll Aufbau gefertigt werden. In dem Aufbau können eine oder mehrere Prozessorkarten, eine oder mehrere FPGA-Karten sowie mehrere Ein- und Ausgabekarten installiert werden. Des Weiteren können eine oder mehrere Motoremulationskarten sowie modulare Ausgangsfilter für den Motoremulator in dem 19 Zoll Aufbau verbaut werden. Auf den Prozessorkarten wird eine Simulation der Software, der Leistungselektronik und des mechanischen Systems ausgeführt. Die FPGA-Karten simulieren den Elektromotor. Dazu wird auf einer Karte das innere Drehmoment M_i und die Strangströme i_q, i_d berechnet. Auf einer weiteren FPGA-Karte werden die Verluste und die Erwärmung des Motors berechnet. Auf einer dritten FPGA-Karte werden Kräfte und Schwingungsanregungen / Geräusche des elektrischen Motors berechnet. Über die Ein- / Ausgabekarten können analoge Signale eingelesen werden und analoge Signale ausgegeben werden. Somit ist es möglich, den Motoremulator auf Signalebene mit weiteren Systemkomponenten wie beispielsweise einer Embedded-Mikrocontrollereinheit mit entsprechender Software zum Regeln des Motors / Leistungselektronik einzubauen. Hierbei werden die Schaltzustände an den Emulator übergeben und „Messsignale“ wie die Strangströme als „Messsignal“ rückgekoppelt. Die berechneten Geräusche können als analoge Signale einem Verstärker zugeführt werden, der die Geräusche des emulierten Motors hörbar macht.The real-time engine simulator / real-time engine emulator can be manufactured as a 19-inch structure, for example. One or more processor cards, one or more FPGA cards and several input and output cards can be installed in the structure. Furthermore, one or more motor emulation cards and modular output filters for the motor emulator can be installed in the 19-inch structure. A simulation of the software, the power electronics and the mechanical system is run on the processor cards. The FPGA cards simulate the electric motor. For this purpose, the internal torque M _i and the phase currents i _q , i _d are calculated on a map. The losses and heating of the motor are calculated on another FPGA card. Forces and vibration excitations / noises of the electric motor are calculated on a third FPGA card. Analog signals can be read in and analog signals can be output via the input/output cards. This makes it possible to integrate the motor emulator at the signal level with other system components such as an embedded microcontroller unit with the appropriate software for controlling the motor/power electronics. The switching states are transferred to the emulator and "measurement signals" such as the phase currents are fed back as "measurement signals". The calculated noises can be fed as analog signals to an amplifier, which makes the noises of the emulated engine audible.

Claims

System (10) for real-time simulation and/or emulation of a rotating electrical machine, having at least one computer with a memory in which a simulation model of the electrical machine that can be calculated through calculation steps of the computer is stored, the simulation model being an analytical, non-linear simulation model that is dependent on the angle of rotation is where the computer provides a large number of simulation results dependent on the angle of rotation for each revolution of the electrical machine.

system after claim 1 , characterized in that the simulation model is also a flux-based simulation model by which the magnetic fluxes of the electrical machine can be calculated as a function of the angle of rotation.

System according to one of the preceding claims, characterized in that the simulation model can also be used to calculate core losses of the electrical machines and/or temperature-dependent properties of the electrical machines.

System according to one of the preceding claims, characterized in that the simulation model has a differential equation system (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) which takes into account a large number of non-linear parameters of the electrical machine, the non-linear parameters being taken into account beforehand have been stored in memory and are unchangeable at runtime of the system.

System according to one of the preceding claims, characterized in that the computer is in the form of an FPGA or has an FPGA.

System according to one of the preceding claims, characterized in that the computer has a pipeline processing architecture in which the simulation model can be calculated in parallel for a plurality of rotational positions of the electric machine in different calculation stages.

System according to one of the preceding claims, characterized in that the computer requires an execution time for a complete calculation of the simulation model for a respective rotary position of the electrical machine, the computer being set up to generate a simulation result of the calculated simulation model for a respective rotary position after a cycle time of the electric machine, which is shorter than the execution time.

system after claim 7 , characterized in that the cycle time is less than 1 µs, in particular less than 100 ns.

Method for real-time simulation and/or emulation of a rotating electrical machine, comprising the following steps: a) Creation of an analytical, non-linear, angle-of-rotation-dependent simulation model of the rotating electrical machine by FEM calculation, b) storing the simulation model in the memory of a system according to any one of the preceding claims, c) starting the system (10).