Antriebssysteme

Arbeitsgruppe "Antriebssysteme"
Sprecher: Dr. Pelz, Infineon

Aufgabenverteilung innerhalb der Arbeitsgruppe:
Infineon: Definition und Realisierung der Demonstratoren, Bereitstellung der Meßdaten, Modellierung der Antriebselektronik
CADFEM: Modellierung von Phänomenen in der Antriebstechnik auf physikalischer Ebene mit ANSYS, Modellreduktion, Schnittstelle zur Schaltungsebene über VHDL-AMS
Dolphin Integration: Modellierung der Demonstratoren auf Schaltungsebene, Implementierung in VHDL-AMS

Hintergrund

Der Einsatz von Simulationsverfahren im Produktentwicklungsprozess hat sich zu einer Standardmethode entwickelt, da die Komplexität der zu entwickelnden Systeme stetig zunimmt. Mit der Weiterentwicklung von Simulationswerkzeugen und Modellierungssprachen ist es nun auch möglich Mikroelektronik zusammen mit angeschlossener Peripherie, d.h. komplette mechatronische Systeme, zu simulieren. Die Arbeitsgruppe "Antriebssysteme" demonstriert u.a. anhand eines Beispiels aus der Automobilindustrie, eines Fensterhebers, die Simulation von Mikrocontroller mit Applikationsprogramm und angeschlossener Mechanik/Elektrotechnik die domänenübergreifende Simulation.

Mikrosystem

Das Mikrosystem umfasst Mikrokontroller und Leistungselektronik. Das Verhalten aller analogen und mixed-signal Bestandteile des Systems ist in VHDL-AMS modelliert. Diese Hardware-Beschreibungssprache ist ideal zur Beschreibung von digitalen und analogen Systemen und bietet Sprachkonstrukte, die eine schnelle Simulationsgeschwindigkeit erlaubt ohne an Präzision zu verlieren. Der Mikrokontroller ist in SystemC modelliert zur Zyklus-korrekten und extrem schnellen Simulation.

Abbildung 1: Mikrosystem

Makrosystem

Der Fensterheber besteht aus einem Elektromotor mit angeschlossenem Getriebe, Last und Hallsensor zur Positionsrückmeldung. Die Elemente des Makrosystems sind aus oben genannten Gründen ebenfalls in VHDL-AMS modelliert. Dies erlaubt das gesamte mechatronische System, also das gesamte Mikrosystem und die angeschlossene Mechanik / Elektrontechnik zusammen incl. den gegenseitigen Einflüssen zu simulieren.

Abbildung 2: Makrosystem

Methodik

Bezüglich der Modellierung elektromagneto-mechanischer Komponenten zeigte sich, daß es nicht sinnvoll ist, das ganze Sub-System bzw. die Einzelkomponenten in einem Modell zu modellieren. Es wurden grundlegende physikalische Effekte, die in und zwischen den Komponenten auftreten, wie z.B. die Wicklungsinduktivität und der Wicklungswiderstand beim Elektromotor, oder die rotatorische Massenträgheit beim Getriebezahnrad modelliert und in Einzelmodellen abgelegt. Mit den entwickelten Modellen lässt sich, wie in einem Baukastensystem, eine Vielzahl an Anwendungen bzw. Systemen modellieren, indem die in den Sub-Systemen auftretenden Effekte "zusammengesteckt" werden. Daher sind die Modelle in höchstem Maße universell und widerverwendbar.

Simulation

Mit Hilfe der Simulation kann die gesamte Funktionalität des Systems virtuell überprüft und Schwachstellen frühzeitig erkannt und behoben werden. Diese Simulationen sind ein Meilenstein in der SiP- Verifikation, da sie dazu beitragen, aufwendige Re-Designs zu vermeiden. Eine Einschränkung bei dieser Art Simulation liegt auf der Hand: es werdedddddur die Effekte in Betracht gezogen, die auch modelliert wurden. So ist beispielsweise bekannt, daß Selbsterwärmung ein Thema ist, welches zu berücksichtigen ist. Wenn aber ein spezieller, das Systemverhalten beeinflußender Effekt nicht mit einbezogen wird, kann das System später versagen, obwohl die Simulation erfolgreich war.

Abbildung 3: frühe Systemsimulation

Fazit

Das gezeigte System diente als Demonstrator zum aufzeigen der Möglichkeiten einer kompletten Systemsimulation. Somit lassen sich verschiedenste Szenarien vor Tapeout eines Chips überprüfen. Mehr noch, mit Hilfe der Simulation lassen sich mögliche Probleme schnell überprüfen und ausbessern. Zusammenfassend zeigt sich, dass das dargestellte Verfahren hilft, ein besseres Verständnis über das Verhalten eines komplexen SiP und seiner Umgebung zu erlangen.

Weiterführende Informationen

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