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Simulation

PCB-Design und Co-Simulation für elektrische Antriebe

| Autor / Redakteur: Dirk Müller / Gerd Kucera

Bild 1: Verlustkennfeld-Simulationsergebnis eines Motors in Übereinstimmung mit Messungen.
Bild 1: Verlustkennfeld-Simulationsergebnis eines Motors in Übereinstimmung mit Messungen. (Bild: FlowCAD)

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Der Einsatz einer Co-Simulationssoftware, in Kombination mit leistungsstarker Computing-Infrastuktur, verbessert Arbeitsweise und Ergebnis der Elektronikentwicklung für Motoransteuerungen.

Zahlreiche Einflussfaktoren erschweren das optimale Auslegen einer Motorregelung für die elektrische Antriebstechnik. Hierfür hilfreich ist beispielsweise eine Mechatronik-Software-Simulation für das Leiterplatten-Design. Wie damit auch Systeme der Leistungselektronik im Leiterplattenentwurf Berücksichtigung finden, einschließlich EMV, Power-Integrität, Temperaturen und Bauteilalternativen, zeigt nachfolgend dieser Artikel.

High-Performance-Schnittstellen für die Co-Simulation ermöglichen einen interdisziplinären Ansatz, um mehrere in Wechselwirkung zueinander stehende Effekte und Parameter wie Temperatur, Größe und Positionierung der Magnete, Stromführung und Mechanik sowie die Komponenten der Leistungselektronik in einer systemübergreifenden Simulation zu betrachten. Seit Einführung der EU-Richtlinien für Elektromotoren ist eine optimierte Arbeitsweise erforderlich, um die verlangten Energieeinsparungen in der elektrischen Antriebstechnik zu erzielen.

Die EU-Forderung sorgte ursprünglich für eine Fokussierung der Entwicklung auf Elektromotoren mit höherem Wirkungsgrad. Aufgrund ihrer im Vergleich zu vielen älteren Motortypen höheren Drehmomentdichte und besserem Wirkungsgrad nimmt daher der Marktanteil bürstenloser Synchronmotoren mit Permanentmagnet, insbesondere bei drehzahlvariablen Antrieben für industrielle Anwendungen, in Automotive, in der Energieerzeugung und in Haushaltsgeräten stetig zu.

Die Berücksichtigung der EU-Forderung sorgte gleichzeitig für eine Leistungsstärkung der notwendigen Entwicklungssoftware. Um einen Motor sanft anfahren zu lassen bedarf es einer ausgeklügelten Regelung des Antriebssystems bestehend aus Motor, Motorsteuerungselektronik sowie Regelkreis mit Drehzahlsensor, sodass die auftretenden Lastsituationen und Lastwechsel effizient ausgeregelt werden.

Modellieren und simulieren von Antrieb und Komponenten

In der Vergangenheit wurden Komponenten eines Antriebs 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 steigern zu können ist das Wirkungsgradkennfeld von größter Bedeutung für die Bewertung eines Motors über den gesamten Drehmoment-Drehzahl-Bereich. Es bedarf der Erstellung aufwendiger Lastprofile unter Messung aller Motorparameter unter Betriebsbedingungen.

Bei der Neuentwicklung bedeutet dies trotz jahrelangen Erfahrungswerten immer wieder späte Änderungen an Prototypen und es ist nahezu unmöglich, die optimale Effizienzkurve zu erreichen. Daher hat sich die Simulation mit Lastprofilen und virtuellen Prototypen inzwischen durchgesetzt. Um in einer Simulation den Wirkungsgrad und Verlustkennfelder vorhersagen zu können, sind die benötigten Informationen sehr zahlreich. Die Entwicklung muss sicherstellen, dass der Motor unter allen Lastbedingungen, auch unter physikalischen Einflüssen wie Erwärmung, 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 nach Anforderung der Anwendung oder des OEM, bis zu 100 A Strom. Die Leistungselektronik für die Motorsteuerung besteht aus Treiber-IC, MOSFET-Halbbrücken oder IGBTs sowie 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 nichttechnische Werte wie Kosten, alternative Lieferanten und Verfügbarkeit sowie Produktvarianten spielen in Zeiten der Allokation eine wesentliche Rolle.

Die Vorteile einer frühen Simulation für das Prototyping

Die unterschiedlichen Parameter der gleichen Schaltung erfordern einen immer wiederkehrenden Abgleich mit der Spezifikation. Dies führt zu aufwendigen Design-Zeiten, Tests an Prototypen und deren Re-Designs. Mit heutiger Technologie lassen sich Schaltungen modellieren und viele Tests auch virtuell mit Simulationen durchführen. So werden Test-Aufbauten und damit Kosten und Zeit im Entwicklungsprozess eingespart. Daraus hervorgehende Prototypen arbeiten unter den meisten Betriebsbedingungen zuverlässig und vor allem sicher, insbesondere dann, wenn die Entwicklung und Simulation den kompletten Antriebsstrang von der Regelung bis zur mechanischen Komponente verifiziert hat.

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 kann dann die Schaltung der Ansteuerung, die Regelung und die Materialien selbst optimiert und energieeffizient gestaltet werden.

Ein elektrisches Antriebssystem ist das Schlüsselelement in der Leistungselektronik. Ein solch 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 können Effizienzkurven eines Motors nur mit den durch Messungen ermittelten Verlustkennfeldern aus Drehmoment, Ausgangs- und Eingangsleistung erstellt werden.

Heute sind mit Entwicklungstools wie Simplorer und Maxwell von Ansys bereits Verlustkennfelder von Motoren basierend auf den CAD-Daten und der Methode des maximalen Drehmoments pro Ampere simulierbar. Um die Effizienz des Motors zu erhöhen, steht das Minimieren der Verluste im Vordergrund; hierzu 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 zahlreich bestätigt.

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