SIMULATIONSMETHODIK BIETET VORTEILE FÜR PRODUKTENTWICKLUNG
Neben der Funktion einer elektrischen Schaltung sind die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und besonders die elektromagnetische Emission (EME) wichtige Aspekte in einem Produktentwicklungsprozess. Auf der Konferenz EPE'22 ECCE Europe in Hannover präsentierte KEB Automation Möglichkeiten, die EMV durch Simulationen zu optimieren. Dadurch werden Entwicklungsprozesse zeit- und kosteneffizienter.
Auf dem EPE-Messestand gab KEB Automation einen Überblick über die EMV-Simulationsmethodik als Teil ihrer Grundlagenforschung. Dahinter steckt die Herausforderung, dass prototypenbasierte Iterationsschleifen leicht zu zeit- und kostenintensiven Entwurfsprozessen führen können. Denn Entwurfsänderungen führen häufig zu erneut anfallenden Bestell- und Lieferzeiten, Prototypenfertigungen und Prototypeninbetriebnahmen. Erst im Anschluss daran können Tests und Verifikationen erfolgen und die Produktzertifizierung abgeschlossen werden.
VIRTUELLE TESTS FÜR DIE PRODUKTOPTIMIERUNG
Vor diesem Hintergrund werden Simulationen und virtuelle Tests für die Produktoptimierung bevorzugt. Zeitbereichssimulationen sind geeignet, die elektromagnetische Verträglichkeit zu optimieren und gleichzeitig die Schaltungsfunktionen zu überwachen und zu erhalten. Zur Durchführung der virtuellen Tests müssen in einem ersten Schritt Modelle von elektrischen Bauteilen gebildet werden, wenn sie für die Simulation von Funktion und EME als Teil der EMV nicht verfügbar oder unzureichend sind.
Viele Schaltungsteile und Komponenten können mit herkömmlichen Methoden modelliert werden und basieren hauptsächlich auf Messungen mit Netzwerkanalysatoren, LCR-Metern und Oszilloskopen. Nach den Messungen wird das Verhalten der Komponenten durch Ersatzschaltungen und mathematische Funktionen dargestellt. Jedoch sind einige Bauteile intern unzugänglich und schwer zu modellieren. Konventionelle Modellierungsmethoden sind hier nicht geeignet. Abhilfe schafft die Grey-Box-Modellierung – ein Thema, das Jan-Philipp Roche, Grundlagenentwickler im Bereich Entwicklung Elektronik bei KEB, auf einem Vortrag im Rahmen der EPE'22-Konferenz vorstellte.
Grey-Box-Modellierung
Die Grey-Box-Modellierung steht im Zentrum eines laufenden Promotionsvorhabens, das Jan-Philipp Roche mit Unterstützung von KEB Automation durchführt. Das Ziel: Die Vorteile von White- und Black-Box-Modellen sollen kombiniert werden. Vorwissen und physikalische Erkenntnisse aus White-Box-Modellen können implementiert, sehr komplexes oder unbekanntes Verhalten kann neuronalen Netzen antrainiert werden.
Durchführung EMV-relevanter Prüfungen
Wenn die Modellierung abgeschlossen ist, können im zweiten Schritt Simulationen und auf dieser Grundlage virtuelle Tests durchgeführt werden. Die elektrische Feldstärke an der Messantenne ist ein Beispiel für eine solche EMV-relevante Prüfung. Als Hauptsimulationswerkzeug wird hier LTspice verwendet, um die entsprechenden Stromspektren zu simulieren. Die Ergebnisse der virtuellen Prüfung sind das Feedback für die Optimierungsschleife. Dies stellt den dritten Schritt dar, mit dem die EMV (und insbesondere die EME) im Vergleich zu prototypenbasierten Entwurfsiterationen wesentlich effizienter optimiert werden kann.