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Konstruktionsmanagement

Prototyping – Entwickler geben viel dafür, wenn sie ihre Prozesse vereinfachen können, und sind dankbar für jedes Werkzeug. Kostal hat ein solches geschaffen, und es führt sich gut ein.

04. Juni 2013

Immer komplexere Produkte, die immer strengere Normen erfüllen, in immer kürzerer Zeit zu entwickeln ist eine Herausforderung. Dazu müssen Entwicklungsprozesse verschlankt und standardisiert werden. Das gilt auch für das Rapid-Control-Prototyping für leistungselektronische Systeme, wie Kostal es kürzlich aufgesetzt hat.

Unterstützung fand das Unternehmen durch eine offene und standardisierte Plattform von National Instruments. Eigene Funktionen, Hardware, Modelle und Messverfahren lassen sich schnell realisieren und selbst einbinden. Dadurch liegt die gesamte Entwicklungskette in der Hand des Entwicklers. Das Wissen über das Produkt selbst aber auch über die angrenzenden Bereiche bleibt im Unternehmen und kann die Wertschöpfungskette erweitern.

Das System dient als Kommunikator und Übersetzer zwischen verschiedenen Entwicklungsgruppen. Alle können Effekte in ihrer Sprache erklären und live zeigen. Es stellt eine gemeinsame Diskussionsgrundlage schon in der Konzeptphase zur Verfügung. Es bedarf nur einer kurzen Zeitspanne, um das System in Betrieb zu nehmen, und Ideen lassen sich dank vordefinierter Schnittstellen und Prozesse schnell überprüfen.

Die zu untersuchenden leistungselektronischen Systeme sind sehr dynamisch, Lastwechsel und hohe Reglerzyklusraten von 20 bis über 100 Kilohertz sind durchaus realistisch. Darum muss auch das Rapid Control Prototyping sehr leistungsfähig sein. Kostal setzt auf Multicore-Prozessoren, die Simulationsmodelle unter Echtzeitbedingungen ausführen.

Flexible Messung

FPGA-Hardware »von der Stange« ermöglicht die flexible Erzeugung und Messung von Pulsweitenmodulationen (PWM) sowie die Abbildung von anderen extrem schnellen Prozessen wie der Simulation von Sensoren.

Eine Messwerterfassungskarte zeichnet verschiedene Signale auf. Als User Interface und Simulationswerkzeug kommt eine frei konfigurierbare PC-Oberfläche zum Einsatz.

Elemente des Rapid-Control-Prototyping-Systems sind ein Real-Time-Controller sowie eine FPGA- und eine I/O-Karte im Industriestandard PXI. Über FPGA lassen sich eigene spezifische Mess-Hardware-Anforderungen in der grafischen Entwicklungsumgebung Labview FPGA von National Instruments programmieren. Parallel dazu wird die Regelung oder Steuerung auf einem Echtzeitprozessor ausgeführt. Das System verfügt über acht Steckplätze, die beliebig mit I/O-Modulen belegt werden können.

Diese bilden die Schnittstelle zu den Sensoren und den Aktoren des Systems. Die Kommunikation des Systems erfolgt über eine Ethernet-Schnittstelle mit dem Host-PC, der auch als Benutzerschnittstelle dient und die Konfiguration des Echtzeitsystems ermöglicht. Die Auswertung der Messgrößen, die Modellberechnung und die Ausgabe der Sollwerte laufen komplett auf dem Rapid-Control-Prototyping-System – und zwar in Echtzeit.

Als Umgebung zur Simulation und Programmierung von Echtzeitprüfanwendungen setzt Kostal Veristand von National Instruments ein. Der Benutzer kann eine komplette Simulation oder Emulation mit der dazugehörigen Benutzeroberfläche erstellen und alle notwendigen Einstellungen zum Projekt anlegen und verwalten. Veristand stellt somit die Benutzerschnittstelle des Systems für den Entwickler und Benutzer zur Verfügung.

Auf dem echtzeitfähigen Embedded Controller im PXI-System wird das entsprechende Modell ausgeführt. So kann der Entwickler eine Modularisierung oder Aufteilung der Verantwortung für die einzelnen Projektmodule ausführen. Auch PWMs zu erzeugen oder Ströme zu messen ist einfach möglich. Jeder Entwickler kann somit in einem frühen Stadium der Entwicklung seinen Teil in den verschiedenen Entwicklungsstufen ausprobieren und testen.

Gut geschützt

Schutz vor hohen Spannungen bietet eine galvanische Trennung der Signale zu und von der Endstufe. Die galvanische Trennung, die Messwerterfassung sowie Schutzmechanismen für die Regelung befinden sich auf einer eigens für das Projekt entwickelten Steuer- und Messplatine. Zu den Schutzmechanismen zählen eine Überstromerkennung oder eine Unterbrechung der Ansteuerung im Fehlerfall.

Zum Beispiel wurde das Rapid-Control-Prototyping-System bei der Entwicklung eines Einspeiseumrichters eingesetzt. Dessen primäre Aufgabe ist, die von der Last benötigte Leistung bedarfsgerecht und verlustarm bereitzustellen. Allerdings muss hierbei die Energie zwischen einem Gleichspannungsnetz und dem Energieversorgungsnetz in beide Richtungen hochdynamisch geführt werden.

Zur Entwicklung dient eine offene Hardware- und eine konfigurierbare Software-Plattform sowie als weitere Kernkomponente eine Hardware, die die entsprechenden Anpassungen an das System vornimmt und entsprechende Messadaptionen bereitstellt.

Da das System offen ist, lässt es sich in verschiedene Richtungen weiter betreiben. Eine Vorstellung von Kostal geht dahin, HIL-Komponenten zu integrieren und somit die Kommunikationsplattform weiter zu vergrößern. Eine andere Möglichkeit ist, das System als Schulungsplattform einzusetzen.

Auf einen Blick

Kostal Industrie Elektrik GmbH

- Tochter der Kostal-Gruppe.

- 1995 gegründet, um Know-how und Technologien von Kostal in weiteren Märkten wie der Antriebstechnik zu etablieren.

- Antriebsregler wie die Inveor-Plattform in Leistungsklassen von 0,37 bis 22 Kilowatt.

Erschienen in Ausgabe: 04/2013