Automatisierter Prüfstand für hocheffiziente elektrische Antriebe

Author(s):
Wolfgang Mörtl - Institute für Elektrotechnik, Montanuniversität Leoben
Richard Leeb - Institute für Elektrotechnik, Montanuniversität Leoben

Industry:
University/Education, Automotive

Products:
Data Acquisition, Modular Instruments, PXI/CompactPCI, LabVIEW, GPIB

The Challenge:
Im Vordergrund dieses Projekts steht die Verbesserung batteriebetriebener Kleinfahrzeuge mit einer Leistung bis 20 kW. Ein Prüfstand mit dazugehöriger Steuer-Software soll leicht erweiterbar und intuitiv bedienbar sein.

The Solution:
Messgeräte für verschiedene Größen werden durch mehrere Schnittstellen (GPIB, RS232, ...) mit einem Personal Computer (PC) verbunden. Eine LabVIEW Applikation ermöglicht die Aufnahme und Anzeige der Messdaten sowie die automatisierte Steuerung des Prüfstandes.

Einleitung

Um mit dem technischen Fortschritt im Bereich der elektrischen Antriebstechnik Schritt zu halten, hat sich das Institut für Elektrotechnik an der Montanuniversität Leoben entschieden, die Entwicklung von elektrischen Antriebssystemen im unteren Leistungsbereich voranzutreiben. Das vorrangige Ziel ist die Verbesserung sämtlicher Antriebsparameter. Dafür ist es notwendig, die Antriebssysteme ausreichend genau zu vermessen. Solche Messungen sind sehr zeitaufwendig. Gelingt es die Messungen zu automatisieren, erreicht man eine enorme Kosteneffizienz durch Freistellung hoch qualifizierten Personals. Diese Überlegung ist die Grundlage für den Aufbau des automatisierten Prüfstandes. Der Prüfstand selbst setzt sich aus Testobjekt und Messsystem zusammen. Das Messsystem besteht weiters aus Hardware und Software. Im Folgenden wird auf diese drei Teile näher eingegangen.  

Das Testobjekt

Elektrische Antriebe bestehend aus elektrischem Motor, Umrichter, Last und Versorgung sind Gegenstand der Untersuchung (siehe Abbildung 1: Testobjekt mit Lasteinheit). Folgende Messgrößen sind von Interesse:
o Spannung, Strom, Leistungsfaktor und Frequenz (elektrische Größen)
o Drehmoment und Drehzahl (mechanische Größen)
o Temperatur (thermische Größe)

Die elektrischen Messgrößen ermöglichen die Bestimmung der elektrischen Parameter wie Läuferwiderstand oder Streufeldinduktivitäten. In Verbindung mit den mechanischen und thermischen Messgrößen können weitere Parameter wie Schlupf und Wirkungsgrad bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Parameter wird dann der gesamte Antrieb optimiert. 

Ein denkbares Anwendungsbeispiel ist die Optimierung der Reichweite eines batteriegetriebenen Elektrofahrzeuges. Durch die Simulation verschiedener Lastzustände kann der Wirkungsgrad bestimmt und somit die Reichweite des Fahrzeuges abgeschätzt werden. 

Hardware

Elektrische Größen werden mit einem „Poweranalyzer D4000“ (LEM-NORMA) und einem „Dewerack-16“ (Dewetron) gemessen. Mechanische Größen werden nach einer Signalkonditionierung von einer Multifunction I/O-Card (AT-MIO) PCI 6024E (National Instruments) aufgenommen. Temperaturen werden über Thermoelemente und Module des Deweracks gemessen. 

Während es auf Grund der Messdatenaufbereitung des Poweranalyzers nur möglich ist, stationär zu messen, kann mit der Multifunction I/O-Card sehr wohl transient gemessen werden. Das Verhalten eines Antriebes bei Beschleunigung und Verzögerung kann somit nur im Bezug auf Drehzahl und Drehmoment untersucht werden. 

Der Transfer der Messdaten zum PC erfolgt über RS232, GPIB und direkte Verbindung mit der Messkarte. Drehzahl und Drehmoment der Lasteinheit werden von der LabVIEW Applikation über die Multifunction I/O-Card vorgegeben. Dadurch können verschiedene Lastzustände simuliert werden. 

Software

LabVIEW ist ein mächtiges Werkzeug, um Messdaten von verschiedenen Messgeräten zu verarbeiten. Unterschiedliche Abtastraten sowie verschiedenste Schnittstellen können mit LabVIEW leicht gehandhabt werden. Die Applikation, die für dieses Projekt entwickelt worden ist, ermöglicht es, ohne Bedienpersonal Messungen automatisch durzuführen. Sie heißt desshalb „Low Observing Laboratory Application (LOLA)“ (Wenig zu beaufsichtighende Labor Anwendung). LOLA zeichnet sich durch modularen Aufbau, ein standardisiertes Messprotokoll und eine benutzerfreundliche Oberfläche aus und bietet dem Benutzer ein automatisiertes Messsystem. Grundsätzlich besteht LOLA aus einem Hauptprogramm (mainVI) mit mehreren Unterprogrammen (subVIs). Die Unterschiede zwischen einer herkömmlichen LabVIEW-Anwendung und LOLA sind:

o die komplexe Struktur und Größe,
o die benutzerfreundliche Oberfläche,
o die Sicherheit für den Benutzer und die Gerätschaften und
o die unabhängige Ausführung der Unterprogramme.

Die Komplexität der Aufgabenstellung bedingt eine sorgfältige Planung. Dies beinhaltet die Erstellung von Datenblättern, Ablaufdiagrammen, Skizzen sowie eine systematische Benennung der Programmteile. Voneinander logisch unabhängige Funktionen werden als unabhängige Module programmiert. Das ermöglicht getrennte Testläufe und einfaches Austauschen der Module. 

Eine gut organisierte Benutzeroberfläche ist wichtig für den Erfolg einer Anwendung (siehe Abbildung 2: Benutzeroberfläche). Der menschlichen Wahrnehmung ist genauso Aufmerksamkeit zu schenken, wie der Gewährleistung einer sicheren Handhabung.  

Alle Zustände, die im System möglich sind, müssen in LOLA Berücksichtigung finden. Dies beinhaltet die Erkennung der Zustände und das Ableiten geeigneter Maßnahmen von gezieltem Abschalten bis zur Meldung an den Benutzer. Diese Aufgabe übernimmt das „Message Gathering System (MGS)“ (Sammelsystem für Nachrichten). Jedes Modul ist mit dem MGS verbunden. Es meldet seinen Zustand und erhält Anweisungen. Diese Kommunikation läuft über Nachrichten („messages“), die wie LabVIEW Standard-Error-Cluster aufgebaut sind. Für den Transport von Messdaten ist neben dem MGS das „Data Delivery System (DDS)“ (Verteilungssystem für Messdaten) verwirklicht. Das DDS garantiert den verlustfreien Transport von Messdaten ohne die unabhängige Ausführung der subVIs zu behindern.

Das Herz von LOLA

Sowohl MGS als auch DDS sind sternförmig aufgebaut. Im Zentrum befindet sich der „Distribution Center (DICE)“ (Verteilungszentrum), das Herz von LOLA (siehe Abbildung 3: Block Diagramm Distribution Center). 

DICE ist ein Verteilungszentrum für Nachrichten und Messdaten. Ankommende Nachrichten werden von den Modulen zur Auswertung geleitet, um dort verarbeitet zu werden. Daraus resultierende Nachrichten werden zurück an die Module verteilt. DICE sorgt dafür, dass der Weg der Messdaten von den Quellen zu den Senken (Benutzeroberfläche, Abspeicherung) führt. Die Verbindung zwischen DICE und den Modulen ist durch Zwischenspeicher verwirklicht. Diese sind flexible, intelligente Puffer in Form von subVIs

Zusammenfassung

LabVIEW eignet sich hervorragend zur kostengünstigen Umsetzung von komplexen Messaufgaben, die die Verbindung mehrerer Messsyteme in einem automatisierten Prüfstand beinhalten. Weiters und vom wissenschaftlichen Standpunkt aus interessanter ist der hohe Grad an Flexibilität und Erweiterbarkeit von LabVIEW-Applikationen.  

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Wolfgang Mörtl
Institute für Elektrotechnik, Montanuniversität Leoben

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