用于模拟驱动设备的方法和系统与流程

本发明涉及一种用于提供驱动设备的时间相关的模拟模型的计算机实现的方法，其中，驱动设备包括电机，例如旋转电机，特别是马达和与电机相关联的供电单元，该供电单元包括控制装置，例如转换器，特别是伺服转换器、低压转换器或变频器，其中，-限定时间相关的模拟模型的功能范围，-提供驱动设备的、优选整个驱动设备的虚拟映像。在此，电机，特别是马达能够设计成具有多个轴，其中，每个轴都能够由控制装置控制。控制装置能够设计为结构单元。此外，本发明涉及一种用于模拟驱动设备在环境中的行为的计算机辅助方法。此外，本发明涉及一种根据上述方法提供的时间相关的模拟模型的应用。该应用特别涉及用于模拟驱动设备的行为的应用。此外，本发明涉及一种计算机程序，该计算机程序具有指令，当该计算机程序由计算机执行时，该指令使计算机执行上述用于提供时间相关的模拟模型的方法。本发明还涉及一种系统，特别是工程平台，该系统包括用于执行上述计算机实现的方法的至少一种方法的部件。此外，本发明涉及一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有上述计算机程序和适合于传输上述计算机程序的数据流。

背景技术：

1、上述类型的驱动设备的计算机实现的方法和时间相关的模拟模型在现有技术中是已知的。在提供时间相关的模拟模型时，几乎总是面临两难境地：一方面，客户想要驱动设备(通常是变频器和电动机的组合)的模拟表示(模拟模型)易于操作和/或参数化，另一方面，期望模拟模型具有一定范围的功能-例如，仅在必要时精确模拟驱动设备的行为。这样能够创建很多模拟模型，不同的模型有不同的功能范围，功能交叉点很小。因此，技术解决方案通常只能以非常特定于客户的方式呈现，因为其核心只是想改变作为调查重点的模拟模型的那部分。目前还没有通用的技术解决方案，只是将设备映射到特定的模拟工具中，或者以具体的功能形式或者以最小的功能范围来覆盖广泛的用户。换句话说，最先进的模拟模型或多或少是真实固件的精确表示，或者只是少数部分方面的特定复制品。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的能够被视为提供能够根据限定的功能范围灵活地提供驱动设备的模拟模型的方法和系统。

2、根据本发明，利用上述类型的计算机实现的方法实现了本发明的目的，其中，虚拟映像是模块化构建的并且优选地包括至少两个不同的模块，特别是大量不同的模块，其中，虚拟映像的每个模块都是可配置的，其中，为了创建具有限定的功能范围的驱动设备的时间相关的模拟模型，根据功能范围选择虚拟映像的至少一个，优选多个模块，并且-还根据功能范围-对一个或多个模块在其详细程度进行配置，例如通过时间相关的模拟模型配置接口。这在提供时间相关的模拟模型时实现或增加了所需的灵活性。操作员根据他感兴趣的领域能够选择驱动设备的虚拟映像的一个或多个模块并配置它们的详细程度，以优化时间相关的模拟模型性能或使模拟模型适应可用的计算资源，例如运行模型的计算机系统的计算能力，计算转速。

3、因此，虚拟映像能够被视为具有最大功能范围和例如最大详细程度的驱动设备的模型。

4、通过本发明，为自动化系统或过程控制系统的操作员提供了一种工具，其能够利用该工具在由其确定的范围内以及在其确定并取决于该范围的详细程度上模拟真实驱动设备。上述模型的灵活性和可配置性的优势在于，操作员能够更快地进行模拟，因为其不必模拟整个真实驱动设备，而只需模拟其当前感兴趣的那些方面。

5、因此，为操作员提供了模块化系统(模块化虚拟映像)，其中的模块映射了真实驱动设备的相关方面/属性，并且能够根据它们的详细程度(例如待模拟的变量/参数的数量，接口数量等)进行配置。

6、通过时间相关(或动态)模拟或时间相关(或动态)模拟模型，能够根据采样时间(采样步长)表示不同的时间尺度(或时间常数)和相应的频率范围-从非常快的电磁现象到非常慢的机电现象。为了映射时间相关的模拟模型部分方面的所需现象学时间常数，通常能够选择采样时间，使该因子比最小的要映射的/模型相关的时间常数小10-20。

7、在此，与时间无关的模拟(也称为静态或频率相关模拟)相反，时间是单调递增的模拟变量。通常，时间相关/基于时间的模拟从t＝0开始，并以恒定或可变的采样时间进行，直到达到用户指定的模拟结束时间，其中，能够在一个采样步骤内具体取决于所选的求解方法(求解器“solver”)，相同的步骤被执行多次(“迭代”)，直到达到限定的允许误差。

8、能够执行根据限定的功能范围提供的时间相关的模拟模型。在此，模拟了在功能范围内限定的驱动设备的那些方面。

9、例如，当在模块的详细程度方面进行配置时，能够选择和/或确定待模拟的效果和/或要考虑的时间常数。更改模块的详细程度也会更改与该模块相关联的参数化。例如，能够转换外部指定的参数以满足较低详细程度。

10、在一个设计方案中可能有利的是，时间相关的模拟模型具有接口，在该接口的帮助下可将时间相关的模拟模型耦合到各种其他软件(例如模拟软件)。

11、在一个设计方案中，能够有利地提出，将取决于详细程度的采样时间与虚拟映像的每个模块相关联。完全能够想象，驱动设备的某个方面比其他方面的重量更轻。在这种情况下，描述该方面的模块能够配置为比其他模块更详细。由此，能够增加计算时间方面的性能增益，因为利用较低的详细程度配置的模块允许较高的采样时间。

12、采样时间在时间相关的模拟模型之外是恒定的，但由于模块的详细程度配置，在模拟模型中可能会减少。为了避免采样问题，这种减少能够减少外部通信时间的整数倍。

13、在一个设计方案中可能有利的是，虚拟映像的每个模块包括多个子模块，其中，每个子模块在其详细程度方面是可配置的。

14、在一种设计方案中可能有利的是，选择虚拟映像的多个不同模块并在其详细程度进行配置。

15、在一种设计方案中有利的是，至少一个模块具有至少一个接口。如果在确定时间相关的模拟模型时选择了驱动设备虚拟映像的多个模块，则它们能够通过为此目的提供的接口相互链接。

16、在一个设计方案中，有利地提出，虚拟映像包括驱动设备的固件模型和驱动设备的物理模型，其中，固件模型和/或物理模型模块化构建的，其中，每个固件-模型-模块或物理模型-模块都是可配置的。物理模型能够是物理属性的复制品。固件模型是驱动设备固件的模型。

17、在一个设计方案中能够提出，物理模型包括控制模型模块(输出电压：有效值，三相正弦波(幅度和频率可变)，脉宽调制)和电气模型-模块(有效值模型，三相模型，高频模型)。

18、在本设计方案中，两个模块之间的接口始终保持不变：控制器(控制器模型-模块)输出电压，电气模型的模块返回电流(值)。两个模块的详细程度(原则上)能够相互独立地确定。但是，如果一个模块中详细程度的增加需要相邻模块中详细程度的增加，则它可能很有用。这样，例如，能够避免这种不一致的计算，例如，在控制模型中计算有效值并且电气系统中的高频模型用该电压(转换为三相电压)加载。

19、因此，在一个设计方案中能够提出，模拟模型中模块的详细程度自动变化，以便彼此适应并实现模型的模块或子模块的详细程度之间的一致性。

20、在一个设计方案中能够提出，虚拟映像包括控制模型(有/没有转速控制器)，电气模型(例如pt2元件)和机械模型(pt1元件，微分方程系统)。

21、在该设计方案中能够提出，模型之间的接口也是可变的。例如，控制模型能够输出转速或转矩。例如，返回值是实际转速。如果需要，能够通过过程的进一步控制回路来补充控制模型，例如位置或其他过程变量。

22、如果控制模型包含转速控制器功能，它将输出转矩。转矩能够用作电气模型的输入变量。在电气模型中，转矩能够与代表闭环电流控制的传递函数一起应用。电气模型能够根据其详细程度进行配置。电气模型的输出-应用传递函数的转矩-然后能够用作机械模型的输入，从该输入能够计算实际转速，例如使用限定机械模型的微分方程。例如，该实际转速能够作为实际值返回到控制器。

23、换句话说，电气和机械模型的配置能够直接从控制模型的配置实现-这里能够从模型和/或模块的详细程度之间的一致性和模型之间的或模块之间的接口出发。

24、因此，在一个设计方案中能够提出，自动实现模型之间和/或各个模块之间的详细度(详细程度)的一致性和模型之间的或模块之间的接口。

25、在一个设计方案中，电气模型能够包括以下模块中的一个或多个：供电网络-模块，线路侧变流器的模块，中间电路-模块，电机侧变流器的模块和/或电机-模块。例如，电机-模块能够是质量惯性模型的形式。

26、每个模块都能够根据其详细程度进行配置。如果用户对整体系统行为感兴趣，则能够选择所有模块/组件，并且最好(自动)将其设计为就其详细程度而言是一致的。

27、例如，如果用户选择不应模拟电网侧，例如因为他没有关于它的信息，则不配置供电电网-模块和电网侧转换器的模块。在此，中间电路-模块能够详细配置为固定直流电压源。

28、相反，如果用户只对线路侧感兴趣，则不配置电机-模块，电机侧变流器的模块能够配置为具有2相负载(电流源)的详细程度。

29、在任何情况下，电气模型的子模块都是在保持上述一致性的情况下配置的。

30、在一个设计方案中能够提出，虚拟映像包括控制模型，电气模型和热模型。

31、与已经提到的模型一样，每个模型都能够模块化地构建，并且能够根据其详细程度进行配置。

32、在一种设计方案中能够提出，在配置各个模型和/或模块时，与各个模型和/或模块相关联的对应时间常数相互匹配。

33、例如，电机预热到热平衡可能需要几分钟时间。然而，如果控制/电气系统，转换器等的模拟是根据那里相关的时间常数(在μs范围内)进行配置的，则使用整个模拟模型进行模拟可能会相应地占用大量资源。

34、因此，能够方便地配置控制模型和/或电气模型(自动地)，从而选择足以用于马达的热模型的详细程度(例如有效值模型)。本发明精确包含了不同系统的物理过程的时间常数的这种一致性。

35、作为详细程度的函数，例如无需指定控制器或物理模型的所有参数。

36、(真实)固件能够包括不能在真实/实际的驱动设备上配置或只能在有限范围内配置的硬件相关的软件。但是，它能够(在任何程度上)配置为虚拟映像中包含的模型-固件模型。

37、在一个设计方案中可能有利的是，固件模型包括存储在控制装置中的硬件相关的软件模型——第一模型，以及控制装置-软件的模型——第二模型或控制装置-软件的(精确的)副本。

38、无论控制器-软件的模型是用于(基于模型的)控制代码开发的模拟模型，还是完整运行时代码/固件代码(最高详细程度)的重用，在整个时间相关的模拟模型中都能够有针对性地干预在模拟模型中通过虚拟映像的某些模型表示的控制器的特定部分。在此，模拟模型中的模块的详细程度能够调整，例如降低。这种详细程度的降低在真实驱动设备中是不可能的，特别是因为实际组件总是包含所有物理域并且它们不能被减少为仅特定的域。

39、完整的运行时代码/整个固件代码是在真实的驱动设备中也使用的形式的代码(固件代码的精确副本)。

40、在控制装置中存储的硬件相关的软件受到保护并且只能在非常有限的范围内进行配置。通过提供该软件的模型，能够提供这样的可能性，即根据软件相关的形式存储的软件的不同配置在时间相关的模拟模型范畴对驱动设备的行为进行检查。

41、如果固件模型包含控制装置-软件的精确副本，则它与真实代码一样可配置。也就是说，它仅在真实代码的范围内是可配置的。

42、能够有利地提出，驱动设备的物理模型是模块化构建的并且每个物理模型-模块是驱动设备的物理组件(例如功率部件，中间电路，线缆，无源滤波器，电机等)的模型。能够为每个物理模型-模块选择具有优选地至少一个待模拟的物理域(电，热，机械等)的驱动设备，并且能够配置至少一个待模拟的物理域的模拟的详细程度。

43、例如，物理模型-模块因此能够在以下三个阶段中配置。在第一阶段中，选择待模拟的物理组件。相应的模块被添加到时间相关的模拟模型中。在第二阶段中，选择所选的待模拟物理组件的哪些物理域应该被模拟。在第三阶段中，还在所选的物理域内确定在模拟中要考虑哪些效应和/或时间常数。

44、采样时间可带来以下优势。能够在内部处理随时间相关的模拟模型时间步骤能够是常量或变量。选择较低详细程度能够带来运行时优势(周转时间)，从而提高性能，因为例如，不会执行较小的控制时间片，或者能够使用较大的样本处理所选的物理模型-模块(取决于待模拟的最小必要时间常数-通常将增量选择为小10-20倍)。

45、在一种设计方案中可能有利的是，虚拟映像的至少一个模块的选择和配置导致虚拟映像的与至少一个模块相关的至少另一个模块的自动选择和配置。这能够确保时间相关的模拟模型立即以函数形式限定。基于模拟模型中已选择模块的配置，可能会发生另一个虚拟映像的附加模块的至少一个“最低详细程度”(llod)。llod指的是此模块的详细程度。如果是这种情况，能够自动选择该其他模块。此外，能够想象该附加模块是自动配置的，因此其配置(其配置的详细程度)与已选择的模块的配置相匹配或匹配已经选择的模块的配置。如果所需的模型/参数(即它们的现象学时间常数)需要这样做，这种自动化也能够伴随采样时间的减少。然而，这取决于llod模块的设计方式。有利地，llod模块能够设计成开启它们不会影响或改善/增加采样率。

46、例如，llod-详细程度能够是用于描述模块所使用的参数的数量最少的详细程度(限定模块或模型所需的参数数量越多，此模块或模型的详细程度越高)。能够为每个功能/每个模块提供这样的最小配置(llod)，其中，仍然能够模拟整个驱动设备。

47、由附加模块实现的功能因此能够通过上述自动选择和配置以用户不必配置这些功能的方式桥接，以确保基于时间的模拟模型的鲁棒和高效操作。

48、完全能够想象，用户通过相应的配置接口被告知附加模块的添加，并且例如正在等待来自用户的输入。例如，用户能够在多个选项之间进行选择，例如允许自动配置，例如使用预设的llod详细程度，或者允许用户自己进一步配置附加模块，最好是增加它们的详细程度。

49、例如，选择描述电流控制器的模块可能需要使用电机和电源的有效值行为的至少一个电气模型。也就是说，如果选择了电流控制器-模拟模块，则还将选择映射电机和供电单元的有效行为的llod模块。

50、此外，本发明的目的根据本发明通过最初提到的用于模拟驱动设备的行为的计算机辅助方法来实现，即

51、-提供先前描述的时间相关的模拟模型，

52、-该时间相关的模拟模型被合并或嵌入环境模型，以在环境中模拟驱动设备的行为。

53、换句话说，时间相关的模拟模型能够例如作为虚拟系统的一部分，例如虚拟工程系统，虚拟过程控制系统，虚拟自动化系统，虚拟机，例如虚拟机器人，虚拟机床，虚拟装配机等。

54、在一个设计方案中能够提出，优选地，针对行为确定预期的机械负载，驱动设备的电机暴露于该机械负载，并且使用确定的预期的负载，以便根据预期的负载选择真实电机。为此，例如能够确定电机，例如马达的相应的负载配置文件。可选地，能够虚拟化预期的机械移动。

55、在一个设计方案中能够提出，环境模型包括一个或多个虚拟可编程逻辑控制器(sps或英语plc＝可编程逻辑控制器)并且在plc环境中模拟驱动设备的行为，以便验证一个或多个sps的行为并调试它们(应该理解的是，如果虚拟调试失败，则可能不会也无法进行真正的调试)。

56、此外，本发明的目的根据本发明由此实现，即如上所述提供的模拟模型用于模拟驱动设备。时间相关的模拟模型应用能够是一种用于运行和/或控制驱动设备的方法，其中，驱动设备的行为利用时间相关的模拟模型来模拟，和/或一种用于排除在驱动设备中出现的错误的方法，其中，使用时间相关的模拟模型来模拟驱动设备的行为，例如检测可能的错误和/或错误源，和/或用于调试驱动设备的方法，其中，驱动器的行为在驱动设备调试之前和/或期间使用时间相关的模拟模型来模拟。

57、为了纠正或避免真正的错误，能够模拟驱动设备的行为，例如在运行期间和/或调试期间，使用时间相关的模拟模型来首先搜索可能的错误。然后能够以不发生错误的方式配置模拟模型。之后，能够将未观察到错误行为的模拟模型配置(相应参数)转移到真实驱动设备。

58、在前述用于运行驱动设备的方法中，驱动设备的行为能够使用时间相关的模拟模型来模拟并且根据模拟来控制。无需将驱动设备嵌入环境模型即可对其进行模拟。时间相关模型是一个独立的模型。这样做的好处是用户能够使用相同的计算机程序来模拟和控制驱动设备。

59、例如，能够将控制单元的驱动参数或它们的一个子集(直接)从真实驱动设备导入到时间相关的模拟模型中(例如，在发生故障时为了深入了解它)或将它们导出到驱动设备(例如驱动设备的虚拟调试)。