PCB-Design und Co-Simulation für elektrische Antriebe

Der Einsatz von Co-Simulationssoftware verbessert die Arbeitsweise und das Ergebnis der Elektronikentwicklung für Motoransteuerungen. Zahlreiche Einflussfaktoren erschweren das optimale Auslegen einer Motorregelung für die elektrische Antriebstechnik. Hilfreich hierfür ist beispielsweise eine Mechatronik-Software-Simulation für das Leiterplatten-Design, die das Optimieren des Antriebssystems für alle Betriebszustände vereinfacht.

Co-Simulation elektrischer Antriebe

Co-Simulationen 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.

In der Vergangenheit wurden die Komponenten eines Antriebs (dazu gehören der Motor, die Motorsteuerung, der Antriebsstrang und die mechanische Last) einzeln betrachtet und gewisse Rahmenbedingungen angenommen. Die Simulation mit Lastprofilen und virtuellen Prototypen hat sich inzwischen durchgesetzt. Die Entwickler müssen sicherstellen, dass der Motor unter allen Lastbedingungen, auch unter physikalischen Einflüssen wie Erwärmung, effizient und damit energiesparend arbeitet.

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. 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 die Schaltung der Ansteuerung, die Regelung und die Materialien optimieren und energieeffizient gestalten.

Das elektrische Antriebssystem ist das Schlüsselelement in der Leistungselektronik. Mit Entwicklungstools wie Simplorer und Maxwell von ANSYS können Verlustkennfelder von Motoren basierend auf den CAD-Daten und der Methode des maximalen Drehmoments pro Ampere simuliert werden. Die Effizienz des Motors wird durch das Minimieren der Verluste erreicht. Dabei werden Parameter wie Geschwindigkeit, DC Bus-Spannung oder das PWM-Verhältnis der Ansteuerung und die Schaltfrequenz berücksichtigt.

Verlustkennfeld
Verlustkennfeld-Simulationsergebnis eines Motors in Übereinstimmung mit Messungen

 

Üblicherweise wird die Ansteuerelektronik von mehreren Entwicklern gemeinsam erstellt. Die Liste der involvierten Spezialisten variiert je nach Anwendung und Branche. Mit den heutigen Möglichkeiten der Co-Simulation kann das Know-how von Spezialisten bereits in einer frühen Phase der Entwicklung eingebunden werden. Beispielsweise lässt sich der Schaltplan der Motorsteuerung mit PSpice simulieren. Zur Verhaltensbeschreibung des Motors als Last der Schaltung kann entweder ein externes Motorenmodell in PSpice mitsimuliert werden oder der PSpice-Block der Schaltung in eine Simulation mit Simplorer eingebunden werden. Durch die Kombination von simulierbaren, physikalischen Domänen innerhalb von Simplorer oder über Co-Simulation kann eine präzise Analyse der Leistungselektronik interdisziplinär durchgeführt werden.

Kombination unterschiedlicher Modelle
Kombination von unterschiedlichen Modellen in einer Co-Simulation

 

Die Technologie von elektrischen Antrieben hat sich in den letzten Jahrzehnten drastisch in Bezug auf Kosten, Baugröße, Leistung und Effizienz verbessert und unterliegt weiter einem stetigen Druck auf Effizienzsteigerungen und Energieoptimierungen.

Durch die verfügbare Rechenleistung können heute sehr detaillierte, multiphysikalische Systemsimulationen der Antriebe, Lasten und Ansteuerelektronik durchgeführt und Optimierungen der Effizienz sowie der Kosten des Motors vorgenommen werden.

Bei der Entwicklung der Ansteuerelektronik kann der Entwickler seine PSpice-Schaltung nach den Erkenntnissen der Systemsimulation optimieren. Dabei berücksichtigt er die entsprechende Bauteilauswahl nach Kosten und Verfügbarkeit und bezieht sein Teilergebnis als PSpice-Schaltung wieder in die Systemsimulation mit ein. In der Systemsimulation wiederum können mithilfe der thermischen und strukturmechanischen Analyse Betriebsbedingungen simuliert werden.

Durch die frühzeitige Verwendung von Power- und Signalintegritätsverfahren im Schaltungsdesign werden die EMV- und EMI-Verträglichkeit der PCB, Schaltung und Systemleitungen kontrollierbar gemacht.

 
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