Aeromechs 社、DAB コントローラーの最適化を加速 - MATLAB & Simulink

Aeromechs 社、ハードウェアインザループ テストを活用して、400 kHz でスイッチングする航空機搭載パワー エレクトロニクス用のデュアル アクティブ ブリッジを開発

チームがリアルタイム機能でシミュレーション時間を短縮

「MathWorks のコンサルタントは、Speedgoat テスト システム上でシミュレーションを高速化する新しい技術を紹介してくれただけでなくSimulink でプログラム可能な FPGA I/O モジュールに当社のプラント モデルをフィットさせる方法も教えてくれました。先を見越した明確な説明で、取り上げた内容に関する知識を伝えてくれました。」

主な成果

  • Simulinkを使用して高忠実度の新しい DAB トポロジをモデル化して、Speedgoat のリアルタイム テスト システムに展開することで、HIL テストを実現
  • 高価なパワー エレクトロニクスのプロトタイプを必要とせずに設計上のエラーを発見し、損傷のリスクを最小化
  • 通常、実際のハードウェアに接続しないと実行の難しい物理特性とタイミング動作のエミュレーションを実現
HIL や MIL のテストを含める場合の手順を示すワークフロー図 (上) と単相 DAB のSimscapeモデル (下)

DAB とその制御戦略の正確な MIL や HIL のテストを行うために、Aeromechs 社はリアルタイムでデスクトップ シミュレーションの 300 倍の速度で FPGA 上のモデルを実行する必要がありました。

イタリアのアヴェルサに拠点を置く Aeromechs 社の使命は、電化を通じて航空機のカーボン ニュートラル化への移行を支援することです。同社は、ソフトウェア開発における DO-178C 認証プロセス、および自動コード生成によるモデルベースのアプローチを使用したスマート電力管理モデルの開発において豊富な経験を持っています。Aeromechs 社は、その専門知識を活かして、双方向の電流フローと絶縁機能を備え、航空機の電力システムの安全性と効率に不可欠なデュアル アクティブ ブリッジ (DAB) を含むさまざまな電力コンバータ向けのスマートな電力管理戦略を開発しています。

しかし、航空用途に対する要件は厳しく、DAB には高いスイッチング周波数が必要なため、非常に動的なパルス幅変調 (PWM) が求められます。これにより電圧リップルが低減され、搭載機器にクリーンな電源が供給されます。高周波スイッチングは受動素子のサイズを縮小し、機器の重量を軽減するのに役立ちます。これは、航空機による CO2排出量の削減において、重要な役割を果たす可能性があります。一方、周波数を上げると、スイッチング損失の増加、EMI 放出の増加、コンポーネントのストレス増加などの欠点もあります。このトレードオフを考慮すると、最適なスイッチング周波数を見つけることが重要です。

400 kHz のスイッチング周波数を持つ DAB のコントローラーを最適化するために、Aeromechs 社は実際の動作とまったく同じ条件下でコントローラーをテストするシミュレーションを使用しました。これらのシミュレーションはデスクトップ PC 上のモデルインザループ (MIL) テストで可能でしたが、数ミリ秒のシミュレーションでも遅すぎました。代わりに、チームはリアルタイム機能を使用してシミュレーション時間を改善したいと考えました。そこで、彼らは Simulink® を使って DAB をより高い忠実度でモデル化し、こうしたより複雑なモデルが確実にリアルタイムで実行できるように、Simulink でプログラム可能な FPGA I/O モジュールを搭載した Speedgoat® のリアルタイム テスト システムに展開しました。MathWorks のコンサルタントは、Aeromechs 社にシミュレーションとコード生成の高速化についてアドバイスしました。

ターゲット ボード上の制御戦略と DAB プラント モデルをリアルタイムで並行して実行できるため、デスクトップ シミュレーションに比べて約 300 倍の高速化が実現します。この高速化により、Aeromechs 社はハードウェアインザループ (HIL) テストを実施し、物理システムのデバッグにかかる時間を節約できるようになりました。将来的には、チームは設計サイクルの早い段階で HIL 手法を適用することを計画しています。例えば、刺激を与えて結果をインタラクティブに確認することを目指しています。