Prüfstandsautomatisierung und Steuerung
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Die Softwareplattform imc OMEGA ist die Integrationssoftware für alle imc Prüfstände. Sie ist eine Eigenentwicklung von imc, die fortlaufend weiterentwickelt wird.
imc OMEGA besteht aus zwei Teilen:
Durch eine standardisierte Grundsoftware mit einem festen Funktionsumfang ist die Bedienoberfläche aller imc Prüfstände gleich. Das minimiert den Schulungsaufwand und ermöglicht es allen Kunden von der Weiterentwicklung der Grundsoftware zu profitieren.
Die Grundsoftware stellt die allgemeinen Funktionen zur Verwaltung der Prüfungen und der Prüfparameter zur Verfügung. Sie überwacht die Grenzwerte für den Schutz der Prüflinge und steuert die Datenablage der aufgezeichneten Messungen und der berechneten Prüfergebnisse. Ebenso beinhaltet sie eine Passwort-gesteuerte Benutzerverwaltung, die die Zugangsberechtigung zu den unterschiedlichen Bereichen steuert und mit der die Rechte des Benutzers geregelt werden.
Die Handsteuerung ermöglicht die überwachte, manuelle Steuerung des Prüfstands. Über Eingabeinstrumente auf der Softwareoberfläche kann der Anwender die Prozessgrößen des Prüfstands verstellen und so manuelle Prüfungen durchführen wie beispielseweie eine individuelles Zuschalten von Versorgungsspannung, Freigaben von Prüfling oder Lastmaschine, Vorgabe von Drehzahl oder maximalem Moment. Die Messdatenaufnahme und die Kommunikation mit dem Prüfstand, der Peripherie und dem Prüfling bzw. dem Controller des Prüflings laufen je nach Eingabe im Hintergrund weiter. Die Grenzwerte des Prüfstands werden überwacht und bei Überschreitung wird die Prüfung mit einer Fehlermeldung abgebrochen und der Prüfstand in einen sicheren Zustand gebracht.
Die Prüfpläne ermöglichen das zyklische Wiederholen und Hintereinanderschalten von vordefinierten Prüfungen. Damit kann der Prüfling mit einer Abfolge von Prüfungen beaufschlagt werden, die der Anwender nicht explizit starten muss, so dass die Prüfungen z.B. über Nacht, über das Wochenende oder über einen längeren Zeitraum laufen können (Dauerlaufprüfungen).
Die Prüfsoftware imc OMEGA bietet eine Vielzahl modularer Prüfarten. Diese können je nach Prüfaufgaben und Motortypen modular gewählt werden. Die folgenden Beschreibungen sind deshalb abstrakt unabhängig von den Motortypen.
Zur besseren Übersichtlichkeit können die Prüfarten in folgende Kategorien unterteilt werden:
Die Prüfarten, die ohne eine Belastungseinheit durchgeführt werden können, werden als lastlose Prüfarten bezeichnet. Dazu zählen:
Das Parameter-Identifikationsverfahren ist ein schlüsselfertiges modellgestütztes Verfahren, das die beschreibenden Parameter eines permanent erregten elektronisch kommutierten Elektromotors bestimmt.
Je nach Ausführung der Prüfmechanik wird der Prüfling in dem Prüfnest platziert und kontaktiert. Nach dem Schließen der Sicherheitseinrichtungen wird der Motor bestromt oder abgebremst, so dass eine dynamische Änderung der Drehzahl vorliegt. Während des Vorgangs der Bestromung werden die Grenzwerte des Prüflings überwacht, so dass es zu keiner Überlastung des Prüflings kommt. Nach Abschluss der Prüfung werden die primär beschreibenden Parameter des Prüflings sowie die abgeleiteten Parameter berechnet. Danach wird der Prüfling freigegeben, so dass eine Entnahme oder ein Ausschleusen des Prüflings möglich ist.
Primäre Ergebnisse der Prüfart
Beispielhafte abgeleitete Ergebnisse der Prüfart
Die dynamische Flusstabellenmessung ermittelt den magnetischen Fluss in d- und q-Richtung in Abhängigkeit vom eingeprägten Gesamtstrom. Hierzu wird der Prüfling dynamisch belastet und die sich ergebenden Belastungspunkte vermessen. Daneben werden die ohmschen Verluste, sowie die Reib- und Eisenverluste des Prüflings erfasst.
Für die dynamische Flusstabellenmessung wird der Prüfling mit dem Umrichter verbundenen. Zu Beginn der Prüfung werden in einer DC-Bestromung die Wicklungswiderstände des Prüflings bestimmt. Anschließend wird der Prüfling auf die Prüfdrehzahl beschleunigt und dann durch verschiedenen Stromvorgaben in d- und q- Richtung dynamisch beschleunigt und abgebremst. Für jeden einzelnen Stromschritt wird zusätzlich der Stromwinkel schrittweise variiert.
Am Ende der Prüfung wird in einer Abwärtsrampe erneut das Reibmoment vermessen und in einer DC-Bestromung die Wicklungswiderstände bestimmt. Mit Hilfe dieser Messdaten wird sowohl der Einfluss des Trägheitsmoments in den Drehzahlrampen kompensiert, als auch die Erwärmung der Wicklungen während der Prüfung erfasst.
Das Parameter-Identifikationsverfahren ist ein schlüsselfertiges modellgestütztes Verfahren, das die beschreibenden Parameter eines bürstenbehafteten permanent erregten DC-Elektromotors bestimmt.
Je nach Ausführung der Prüfmechanik wird der Prüfling in dem Prüfnest platziert und kontaktiert. Nach dem Schließen der Sicherheitseinrichtungen wird der Motor bestromt oder abgebremst, so dass eine dynamische Änderung der Drehzahl vorliegt. Während des Vorgangs der Bestromung werden die Grenzwerte des Prüflings überwacht, so dass es zu keiner Überlastung des Prüflings kommt. Nach Abschluss der Prüfung werden die primär beschreibenden Parameter des Prüflings sowie die abgeleiteten Parameter berechnet. Danach wird der Prüfling freigegeben, so dass eine Entnahme oder ein Ausschleusen des Prüflings möglich ist.
Prüfarten, bei denen der Prüfling mechanisch mit einer Antriebsmaschine verbunden ist und nicht selber bestromt wird, werden als passive Prüfarten bezeichnet.
Permanenterregte Motoren, die von außen angetrieben werden, induzieren eine Spannung, die an den Anschlussleitungen der Maschine gemessen werden kann. Die induzierte Spannung ist dabei proportional zur Drehzahl und zur Erregung. Der Prüfling wird während der Prüfung nicht angesteuert.
Der Verlauf der induzierten Spannung gibt Auskunft über die Wicklungen und die Ausprägung der Erregung über dem Umfang. Die Messung der induzierten Spannung stellt eine einfache Methode zur Diagnose des elektromagnetischen Aufbaus des Prüflings dar.
Mit dieser Prüfart werden die interessierten Messgrößen der induzierten Motorspannungen und der Drehwinkel der Motorachse aufgezeichnet. Nach der Auswertung der Prüfart können die Motorspannungen über dem Drehwinkel und das Ordnungspektrum der Motorspannungen dargestellt werden. Zusätzlich wird der Klirrfaktor für alle Motorspannungen ausgerechnet.
Mit Hilfe dieser Informationen kann die Abweichung der Motorspannung von dem gewünschten Verlauf beurteilt werden.
Rastmomente werden bei Elektromotoren durch den internen Aufbau des Motors erzeugt. Sie treten beim Durchdrehen des Motors auf und können bei einer langsamen Drehzahl gemessen werden. Der Prüfling wird dabei während der Prüfung nicht angesteuert. Der Verlauf des gemessenen Moments gibt Auskunft über den internen Aufbau des Prüflings. Die Messung des Moments stellt eine einfache Methode zur Diagnose des elektromagnetischen Aufbaus des Prüflings dar.
Der Prüfling wird an die Lastmaschine des Prüfstands über eine Kupplung angekoppelt. Nach dem Start der Prüfung schleppt die Lastmaschine den Prüfling über eine vorgegebene Zeit auf eine Zieldrehzahl. Diese Zieldrehzahl hält die Lastmaschine für die Dauer der Messdatenaufnahme konstant. Nach Abschluss der Messdatenaufnahme bremst die Lastmaschine den Prüfling bis zum Stillstand ab.
Die Schleppmomentprüfung ermittelt das Verlustmoment eines passiv geschleppten Prüflings in Abhängigkeit von der Drehzahl. Hierbei wird stets das mittlere Moment über einer mechanischen Umdrehung betrachtet. Die Momentenschwankung innerhalb einer Umdrehung kann durch eine Rastmomentprüfung ermittelt werden. Das Schleppmoment wird in der Regel hauptsächlich durch die Lagerreibung bestimmt. Aber auch andere Verlustmomente, wie z.B. Wirbelstrommomente bei einem permanent erregten Motor oder die Luftreibung eines fest angeschlossenen Lüfterrades gehen mit in das Messergebnis ein. Außerdem kann mit der Schleppmomentprüfung das Massenträgheitsmoment des Prüflings (plus Kupplung und Messseite der Messwelle).
Für die Messung des Schleppmoments wird der elektrisch nicht kontaktierte Prüfling von der Lastmaschine mit der vorgegebenen Steigung auf eine definierte Drehzahl geschleppt und anschließend wieder mit der gleichen Steigung zum Stillstand gebracht. Die Prüfung erfolgt nacheinander sowohl in positiver als auch in negativer Drehrichtung.
Die Encoderprüfung dient dazu die Qualität des Prüflingsencoders zu beurteilen. Dazu wird das vom Prüflingsencoder ausgegebene Winkelsignal mit dem eines Referenzgebers verglichen. Außerdem wird das Winkelsignal des Prüflingsencoders im Verhältnis zu der Generatorspannung des Motors dargestellt.
Der kontaktierte Prüfling wird durch die Lastmaschine auf eine konstante Drehzahl geschleppt, siehe Abbildung. Ist die Solldrehzahl erreicht, werden sowohl die Klemmenspannungen des Prüflings als auch das Winkelsignal des Encoders und das Referenzgebersignal während der Prüfzeit aufgezeichnet.
Prüfarten, bei denen der Prüfling mechanisch mit einer Belastungsmaschine verbunden ist und selbst bestromt wird, werden als aktive Prüfarten bezeichnet.
Die Kennlinienprüfung dient dazu, das mittlere Verhalten des bestromten Motors über einer Umdrehung in Abhängigkeit von der Drehzahl zu ermitteln. Damit kann der Motor in seiner Eigenschaft als Wandler von elektrischer zu mechanischer Energie charakterisiert werden. Zu diesem Zweck werden Ströme, Spannungen und Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl erfasst und daraus die elektrisch aufgenommene Leistung, die mechanisch abgegebene Leistung, sowie der Wirkungsgrad bestimmt. Die ermittelten Kennlinienverläufe sind von der Ansteuerung des Motors, insbesondere von der Vorgabe an die d- und q-Ströme über der Drehzahl abhängig. Mit der Kennlinienprüfung kann die mit einer bestimmten Regelstrategie erreichbare Leistungsfähigkeit bestimmt werden, um einen Ausgangspunkt für weitere Optimierungen zu liefern.
Die dynamische Kennlinienprüfung vermisst in kurzer Zeit den gesamten Drehzahlbereich eines Prüflings. Hierdurch wird die Erwärmung des Motors minimiert. Soll im thermisch eingeschwungenen Zustand gemessen werden oder reicht die Regelgeschwindigkeit des Prüflingsstromreglers nicht aus, ist eine statische Kennlinienprüfung die bessere Wahl.
Die Prüfung ist nur für stromgeregelte Prüflinge verwendbar. Sollte der Prüfling nicht in diesem Modus betreibbar sein, muss die drehmomentgeregelte Kennlinienprüfung angewendet werden.
Zu Beginn der Prüfung wird der Prüfling von der Lastmaschine mit der Steigung auf die Startdrehzahl geschleppt und anschließend der Strom eingeschaltet. Während einer parametrierbaren Wartezeit schwingt der Prüfling ein, so dass sich ein stationäres Moment an der Welle einstellt. Nach dieser Wartezeit wird die Drehzahl der Lastmaschine von der stationären Startdrehzahl bis zur Stoppdrehzahl linear erhöht. Nach dem Erreichen der Stoppdrehzahl wird zunächst auf das Einschwingen des Prüflings gewartet. Daraufhin fährt die Lastmaschine den Prüfling nochmals im eingeschalteten Zustand auf die Startdrehzahl. Durch diese doppelte Rampenfahrt kann die Drehmomentkennlinie um den Anteil des Trägheitsmoments korrigiert werden. Ist die Startdrehzahl erneut erreicht, wird der Prüflingsstrom ausgeschaltet. Nach einer weiteren Einschwingzeit bringt die Lastmaschine den Prüfling durch das Abfahren einer linearen Rampe mit der Steigung zum Stillstand. ach Ende der Prüfung schleppt die Lastmaschine den passiven Prüfling über eine Auf- und Abwärtsrampe. Dies dient dazu den Kommutierungswinkel für die Auswertung der Kennlinienfahrt zu bestimmen.
Die Kennlinienprüfung ermittelt das mittlere Verhalten des Motors über einer Umdrehung in Abhängigkeit von der Drehzahl. Dabei liegt der Fokus auf der Charakterisierung der Eigenschaften des Motors als Wandler von elektrischer zu mechanischer Energie. Zu diesem Zweck werden Ströme, Spannungen und Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl gemessen und damit die elektrisch aufgenommene Leistung, die mechanisch abgegebene Leistung, sowie der Wirkungsgrad bestimmt. Die ermittelten Kennlinienverläufe sind dabei immer von der Ansteuerung des Motors insbesondere von der Vorgabe von d- und q-Strom über der Drehzahl abhängig. Die Kennlinienprüfung bestimmt die Leistungsfähigkeit der Regelstrategie und ist der Ausgangspunkt für weitere Optimierung im Regelalgorithmus.
Die statische Kennlinienprüfung vermisst das Verhalten des Motors bei verschiedenen vorgegebenen konstanten Drehzahlen. Gemessen wird über ein Zeitintervall, welches startet, wenn die gewünschte Drehzahl erreicht ist und sich der Motorstrom stabilisiert hat. Im Vergleich zur dynamischen Kennlinienprüfung, bei welcher der gesamte Drehzahlbereich vermessen wird, können mit der statischen Methode zwar nur Aussagen zu den vermessenen Drehzahlen gemacht werden, diese sind aber in der Regel genauer. Vor allem hat die Dynamik des Prüflingsstromreglers hier einen deutlich geringeren Einfluss.
Die Lastmaschine schleppt den aktiven Prüfling auf die erste Drehzahl n1. Nach einem Einschwingvorgang liegt ein stationäres Moment an der Messwelle und die Messzeit wird gestartet. Dieser Vorgang wird nach Ablauf der Messzeit für die weiteren Drehzahlen n2 bis n8 wiederholt. Der Prüfstrom und Stromwinkel für die einzelnen Drehzahlen, welche zu einem maximalen Moment führen, können aus den Messdaten der Flusstabellenmessung für die einzelnen Drehzahlen entnommen werden.
Aufgrund ihres elektromagnetisch unsymmetrischen Aufbaus haben Elektromotoren ein nicht konstantes Moment über der Umdrehung. Diese Drehmomentwelligkeit stellt bei verschiedenen Anwendungen ein Problem dar, z. B. bei elektrisch unterstützten Lenkhilfen in der Automobilindustrie.
Mit der Messung der Drehmomentwelligkeit bei einer festen Drehzahl und einem vorgegebenen Moment können Aussagen über das Verhalten des Motors in der Zielapplikation getroffen werden. Der Prüfling wird bei dieser Prüfung aktiv angesteuert und der Prüfablauf ist individuell parametrierbar.
Der Prüfling wird an die Lastmaschine des Prüfstands über eine Kupplung angekoppelt. Nach dem Start der Prüfung schleppt die Lastmaschine den Prüfling über eine vorgegebene Zeit auf eine Zieldrehzahl. Nach dem Abklingen der Einschwingzustände wird der Prüfling eingeschaltet und es stellt sich ein stationäres Moment an der Welle ein. Der Controller des Prüflings regelt dann das Wellenmoment auf den vorgegebenen Wert ein. Die Datenaufnahme erfolgt dann durch die Aufzeichnung des Drehwinkels und des Wellendrehmoments über eine vorgegebene Zeit. Nach Ablauf der Zeit wird das Wellenmoment auf Null geregelt und die Lastmaschine fährt den Prüfling zum Stillstand.
Die Strangwiderstandsmessung ermittelt Widerstände der 3 Wicklungen eines dreiphasigen Motors. Durch Vergleich der gemessenen Widerstände lässt sich zum einen erkennen wie gleichmäßig die Wicklungen ausgeführt sind. Zum anderen können Abweichungen von dem erwarteten Widerstand auf Wicklungsfehler hinweisen, z.B. eine falsche Wicklungszahl oder Isolationsfehler. Schließlich lässt sich aus dem Widerstand der Wicklung auch auf die Wicklungstemperatur schließen.
In der Strangwiderstandsmessung wird in drei verschiedenen Konfigurationen ein konstanter Messstrom in den Prüfling eingeprägt, um die drei Strangwiderstände unabhängig voneinander zu bestimmen. Bewährt hat sich dabei das folgende Vorgehen:
Die Induktivitätsmessung dient dazu die Wicklungsinduktivität eines Motors zu vermessen. Dabei wird die Veränderung der Induktivität über einer mechanischen Umdrehung und damit die Abhängigkeit zur Rotorstellung erfasst.
Zuerst wird über zwei Klemmen des Prüflings ein Gleichstrom eingeprägt, um den Klemmenwiderstand des Motors zu vermessen. Anschließend wird über dieselben zwei Klemmen ein sinusförmiger Wechselstrom eingeprägt und der Prüfling langsam durch die Lastmaschine gedreht, sodass die Klemmeninduktivität über dem Drehwinkel aufgenommen werden kann. Am Ende der Prüfung wird erneut der Klemmenwiderstand gemessen.
Bei der Prüfung Körperschall werden die Signale eines oder mehrerer piezoelektrischer Sensoren hochaufgelöst aufgezeichnet. Die Auswertung erfolgt nach Kundenvorgabe.
