13.12.2013 – Kategorie: IT, Technik

Neue Methoden für die Simulation elektrischer Antriebe

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Im Rahmen des am 31.07.2013 erfolgreich abgeschlossenen Forschungsprojektes SimCelerate erarbeiteten die Partner FZI Forschungszentrum Informatik in…

Im Rahmen des am 31.07.2013 erfolgreich abgeschlossenen Forschungsprojektes SimCelerate erarbeiteten die Partner FZI Forschungszentrum Informatik in Karlsruhe, ITI GmbH und SET Power Systems GmbH Methoden zur Echtzeitsimulation von Elektromotoren. Gleichzeitig entwickelten sie ein automatisiertes Verfahren, mit welchem diese Modelle nahtlos auf hochparallele Rechenhardware übertragen werden kann. Das Projekt „SimCelerate“ wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und war Teil des „KMU-innovativ“-Programms, das im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung gezielt die Zusammenarbeit von mittelständigen Unternehmen mit Universitäten und Forschungseinrichtungen unterstützt.

„SimCelerate“ startete im Mai 2011, ausgelöst durch die steigende Nachfrage nach elektrischen Antrieben in der Automobilindustrie. Als Ergebnis des Forschungsprojektes entstand ein automatisierter Entwurfsfluss, der das Transformieren von Simulationsmodellen, die auf der Modellbeschreibungssprache Modelica basieren, in die Hardware-Beschreibungssprache VHDL ermöglicht. Damit gelingt die echtzeitfähige Simulation physikalischer Modelle von Komponenten des Antriebsstrangs von Elektrofahrzeugen auf Field-programmable Gate Arrays (FPGAs). Eine speziell entwickelte Modellbibliothek für das Modelica Werkzeug SimulationX unterstützt die Generierung synthetisierbarer FPGA-Designs, insbesondere für die Nachbildung von Elektromotoren. Der Entwurfsfluss ist so ausgelegt, dass diese Technologie auch für Anwender ohne FPGA-Spezialwissen zugänglich ist.

Hardware-in-the-Loop (HiL) Technologien und entsprechende Testmethoden werden in vielen Branchen bei Entwicklung, Optimierung und Test technischer Systeme und Komponenten eingesetzt. Bei der Anwendung dieser Technologie für die Emulation elektrischer Motoren im Verbund mit Controllern und Leistungselektronik bestehen harte Echtzeitanforderungen mit kleinen Zykluszeiten.

Simulationsschrittweiten im Mikrosekundenbereich sind erforderlich. Die notwendigen Berechnungen können von Mikroprozessoren unter den harten Zeitvorgaben nicht realisiert werden. Daher wurde die  Modellberechnung auf frei programmierbaren Gate Arrays (FPGA) ausgeführt, deren Beschreibungssprache VHDL allerdings nicht für die Abbildung akausaler Modelle, wie Differenzialgleichungssysteme, ausgelegt ist. Die weit verbreitete Übertragung derartiger Modelle auf FPGAs durch manuelles Nachcodieren ist aufwändig und fehleranfällig. Mit den Entwicklungen des „SimCelerate“ Forschungsprojektes wird diese umständliche Praxis stark vereinfacht. Durch dieses automatisierte Verfahren werden der Aufwand und die Fehleranfälligkeit der üblichen „manuellen VHDL-Codierung der Differenzialgleichungen von Elektromotoren“ deutlich reduziert. Dies bringt neben höherer Qualität auch eine signifikante Kosteneinsparung mit sich.

Die ITI GmbH brachte als Hersteller des Engineerings- und Simulationswerkzeugs SimulationX den echtzeitfähigen Simulationsansatz in das Forschungsprojekt t ein. Die Beiträge der SET Power Systems für das Gemeinschaftsprojekt basierten auf dessen Erfahrungen in der Elektromotor-Emulation. Das FZI Forschungszentrum Informatik entwickelte Methoden zur Überführung von Beschreibungen von Modelica Modellen in optimierten VHDL-Code.


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