Motoransteuerungen optimieren Hardware-in-the-Loop mit PSpice simulieren

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Viele Einflussfaktoren erschweren das optimale Auslegen einer Motorsteuerung. Eine Mechatronik-Software-Simulation vereinfacht das Optimieren des Antriebsystems in allen Betriebszuständen.

Ob für ein Fahrzeug, einen Roboter oder ein Flugobjekt: Geräte, die sich in irgendeiner Form fortbewegen oder etwas transportieren, benötigen elektrische Antriebe und eine auf die Anwendung angepasste Motorsteuerung. Die vielen unterschiedlichen Einsatzgebiete erfordern die individuelle Abstimmung der Steuerungseinheit sowohl an den Motor als auch an die zu erwartenden Lasten und die Betriebsumgebung. Die elektrisch angetriebenen Motortypen unterscheiden sich in Gleichstrommotoren, Servomotoren oder Schrittmotoren und haben Vorteile für die Vielzahl von Anwendungen.

Die Entwicklung eines elektrischen Antriebs ist ein iterativer und umfangreicher Prozess, bei dem die einzelnen Teilaspekte des Antriebs nicht voneinander losgelöst betrachtet werden sollten, da sie sich gegenseitig beeinflussen. Es besteht eine Wechselwirkung zwischen der elektronischen Steuerung, dem Motor mit seiner Last, den Sensoren, dem Regelalgorithmus und der Umgebung. Eine Modellierung des kompletten Antriebsystems mit all seinen Betriebszuständen ist sehr komplex und wurde daher nur in kleinen überschaubaren Teilaspekten simuliert.

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Ein Antriebssystem besteht in der Regel aus mehreren Komponenten: einem DC-Motor, der Antriebselektronik (beispielsweise H-Brücke), einem Leistungstreiber, einer Spannungsversorgung, einem Motion Controller, einem Regelungsprozessor und entsprechende Sensoren. Die Aufgabe ist nun ein solches Design mit maximaler Präzision, Qualität und Rentabilität zu entwickeln. Das Ergebnis muss auch gegen die Spezifikation verifiziert werden.

In der Design-Phase einer DC-Motorsteuerung soll beispielsweise ein komplexes elektromechanisches System (Bild 1) virtuell dargestellt und optimiert werden. Der reine elektronische Teil der Schaltung für die H-Brücke und Filter lässt sich mit PSpice-Modellen für die verwendeten Bauteile wie die Transistoren und Kondensatoren beschreiben. Seit der PSpice-Version 17.2 ist es möglich, weitere Teilaspekte des Antriebssystems in einer Simulation darzustellen.

Für programmierbare Bausteine wie den Motion Controller oder den Mikroprozessor mit der Regelsoftware gibt es keine generischen PSpice-Modelle. Meist sind nur Modelle verfügbar, die das elektrische Schaltverhalten der I/O-Ports dieser Bausteine beschreiben. Über das Device Model Interface (DMI) kann man jetzt auch den Kern des Bausteins beschreiben. Die interne Funktion wird mit den Programmiersprachen C/C++ oder SystemC abgebildet. Der gleiche Quellcode lässt sich auch in ein DMI-Modell in PSpice in einem Funktionsmodell einbinden. Zur Simulation wird das zentrale Funktionsmodell mit den I/O-Modellen kombiniert.

Motoren, Getriebe und Lasten als Hardware in the Loop (HIL)

Das Device Model Interface stellt eine Art universellen Container dar, in den der Programmiercode eingebunden wird. Die Beschreibung der Funktionalität und des Verhaltens dieser Bausteine ist in Programmiersprachen sehr einfach und flexibel, da der Code für das Design in der Simulation übernommen werden kann. Vom Simulator werden dann die Zeitschritte und Stimuli übergeben und das Funktionsmodell liefert an den Ausgängen das Verhalten der programmierbaren Bausteine.

Eine weitere Ergänzung in der Version 17.2 ist, dass sich Motoren, Getriebe und Lasten als Hardware-in-the-Loop (HIL) direkt in eine PSpice-Simulation einbinden lassen (Hardware in the Loop ist eine Methode zum Testen und Absichern von eingebetteten Systemen, zur Unterstützung während der Entwicklung sowie zur frühzeitigen Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen). Diese Einbindung von Teilen der Hardware ist sinnvoll, wenn das Verhalten noch nicht modelliert wurde oder die Hardware aus alten Designs bereits zur Verfügung steht.