POWER-HIL SIMULATION FÜR LEISTUNGS- VERSTÄRKER IN AVC-SYSTEMEN

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1 POWER-HIL SIMULATION FÜR LEISTUNGS- VERSTÄRKER IN AVC-SYSTEMEN Electrical Power-Hardware-In-The-Loop simulation for the early validation of power amplifiers used in Active Vibration Control (Paper-ID 44) 4SMARTS Symposium für Smarte Strukturen und Systeme, April 2016, Darmstadt

2 GLIEDERUNG Motivation Aktorsysteme in AVC-Anwendungen Entwicklungsprozess aktiver Systeme Hardware-In-The-Loop (HIL) Testing Entwicklung einer Elektrischen Power-HIL Schnittstelle Power-HIL-Test eines elektrodynamischen Aktorsystems Zusammenfassung und Technologiepotenzial Seite 2

3 Motivation Breites Anwendungsspektrum für Aktive Schwingungskontrolle Herausforderungen / Chancen Komplexer werdende mechatronische Systeme Verteilung, Funktion, Variantenvielfalt, LowCost, Neuartige Aktorwerkstoffe und Wirkprinzipien Breites Anwendungsspektrum Kürzer werdende Produktzyklen Grad der Systemintegration (Demonstration vs. Integration) Seite 3

4 Motivation Aktorsysteme in AVC-Anwendungen Modellbasierter Entwicklungsprozess, hierarchische Topologie Teilsysteme mit systematischen Wechselwirkungen Aktorsysteme in AVC-Anwendungen Variierende Anforderungen hinsichtlich Leistung, Bandbreite, Spannungs- und Strombereich, Polarität, Vermeidung von Über- oder Unterdimensionierung signal processing power amplifier transducer mech. structure sensor Seite 4

5 Iterativer Entwicklungsprozess aktiver Systeme Validierung ist der wesentliche Beitrag zum Erkenntnisgewinn während der Entwicklung Iteratives Vorgehen statt Validierungsphase am Schluss Frühzeitige und kontinuierliche Validierung der Komponenten und des Systems (Frontloading) Definition von Testszenarien für Simulation und Versuch als integraler Bestandteil der Entwicklung Seite 5

6 Hardware-In-The-Loop (HIL) Rocket Science Test der Avionik einer (bemannten) Rakete IBM Gemini Mission Verification Simulation (1967) Will the actual Gemini digital computer, together with its operational program, indeed function adequately within the operational interface environment expected during actual Gemini missions? Test von Funktionalität und Zuverlässigkeit VOR dem Start eines Prototyps Seite 6

7 Hardware-In-The-Loop (HIL) Realistische Tests durch Berücksichtigung von relevanten Randbedingungen xhil - Prüfung System unter Test Teilsystem mit Wechselwirkungen Informationen Mech. Anbindung Elektrische Energiesignale Umweltbedingungen F v U i Spannung, Strom, BUS Admittanz Admittanz Temperatur, EMV, etc. Signal Level HIL Mechanical Level HIL Electrical Power Level HIL Umweltbedingungen Simuliertes Restsystem Seite 7

8 Hardware-In-The-Loop (HIL) Flexible Validierung in unterschiedlichen Entwicklungsphasen - Datenbanken - Funktionales Testen Zu testendes - DoE / Zuverlässigkeitsmethoden System - Stochastisches Testen - Lückenloses Testen -... Objektive Daten xhil - Prüfung - Modellbibliotheken - FEM / MSK - Physikalische Modelle - Messungen Parameter - steigende Komplexität im Entwurf Optimierung -... Testfälle Modelle Bewertung Individuelle Ergebnisse Seite 8

9 Realisierung einer Power-HIL Prüfung Echtzeitsimulation der elektrischen Last durch eine Power-HIL Prüfung Anschluss des zu testenden Leistungsverstärkers an eine leistungselektronische Schnittstelle Stromgeregelter Spannungsverstärker zur Realisierung der Schnittstelle Flexible Integration in modellbasierten Entwicklungsprozess signal processing R R i i! i = i s i s u u u 1 B 1 Y el R i power amplifier i A A u H bridge u a V amplifier Power-HIL interface i R i i R! i i = i s PID - A i PWM a mech. controller transducer Li F real time simulation s R i,int sensor structure u u u u u a u z 1 i u z - c 1 C F u u Int PI u a 1 i Y el s i L rest of the system (virtual) i a Seite 9

10 phase [ ] mag. [V/A] mag. [db re 1A/A] Power-HIL Schnittstelle Stromregelung und Innenwiderstand Realisierung einer Stromquelle durch überlagerten Stromregelkreis PI-Regler mit Auslegung durch das Betragsoptimum Frequenzabhängiger Innenwiderstand current controller: closed loop's frequency response Power-HIL interface: internal impedance frequency [Hz] frequency [Hz] frequency [Hz] Seite 10

11 Power-HIL Schnittstelle Ausgangsstufe Getaktete N-Kanal-MOSFET H-Brücken-Schaltung Maximale elektrische Parameter U AB = ± 200 V, I out = ± 15 A, Bandbreite ca. 2 khz Bi-Direktionaler Leistungsfluss bis 3 kw L S T s R s R c T AH T BH u B + L F /2 C B A B L F /2 U s T c T AL C F /2 C F /2 T BL L S Seite 11

12 phase [ ] mag. [db re 1A/V] Power-HIL Test eines elektrodynamischen Aktorsystems Wechselwirkungen in einem elektrodynamischen Aktorsystem Die Wechselwirkungen zwischen elektrischem und mechanischem Teilsystem beeinflussen die zu treibende Last des Leistungsverstärkers admittance -10 R i i i m 2 x 2 a R a R i i -20 Ψ F i a = F Y a k 2 c 2-30 a L a u Y u a m 1 x 1 F e u u 1 el u ind = Ψ G (x 2 -x 1 ) k 1 c frequency [Hz] power amplifier transducer Y a Y el mech. structure frequency [Hz] Y el s = I a U a = Y el Y a 1 + ψ G ψ F Y a s Y me Seite 12

13 power [var/hz] power [var/hz] power [W/Hz] power [W/Hz] Power-HIL Test eines elektrodynamischen Aktorsystems Versuchsergebnisse Höhere Belastung des Leistungsverstärkers durch elektromech. Kopplung Gute Nachbildung der elektrischen Belastung des Leistungsverstärkers durch Power-HIL Schnittstelle und kombinierte Echtzeitsimulation der elektrischen Last 15 x 10-3 active power x 10-4 reactive power Y a Y el,sim. Y el,meas. Y a Y el,sim. Y el,meas frequency [Hz] 15 x 10-3 active power x 10-4 reactive power Y el,meas. Y el,hil Y el,meas. Y el,,hil frequency [Hz] Seite 13

14 Zusammenfassung und Technologiepotenzial Realisierung eines Power-HIL Tests für einen Leistungsverstärker H-Brücke als stromgeregelte Spannungsquelle Bi-Direktionaler Leistungsfluss Echtzeitsimulation eines elektromechanischen Aktorsystems Technologiepotenzial Geringere Anzahl von Feldversuchen Lücke zwischen aufwändigen Feldversuchen und einfachen Labortest wird geschlossen, Nachbildung beliebiger elektrischer Lasten Anwendungsbezogene Dimensionierung elektrischer Baugruppen Lückenloses und systematisches Testen Ermittlung des Energieverbrauchs, des Energieflusses und des SOC in frühen Entwicklungsphasen und unter realistischen Randbedingungen Seite 14

15 Autoren Jonathan Millitzer, Christopher Ranisch, Jannes Kloepfer Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF Bartningstraße Darmstadt Seite 15