Crear una prueba HIL de vehículo eléctrico usando LabVIEW y CompactRIO

En la industria de producción, las pruebas de dispositivos fabricados suelen ser costosas. Probar un sistema con un dispositivo real tiene implicaciones importantes con respecto al costo, el tiempo y los recursos disponibles.

Para probar la electrónica de administración del motor de un vehículo eléctrico, necesitamos alimentar físicamente la energía electrónica al motor y utilizar un sistema de carga para oponerse al movimiento del motor. Muchas veces, no contamos con la infraestructura necesaria para hacerlo.

El sistema HIL utiliza una PC para modelar electrónicamente esta infraestructura. Simplifica la configuración porque un dispositivo pequeño puede emular varios sistemas físicos. El principio es simple: La interfaz de E/S de HIL debe corresponder a los dispositivos emulados en cuanto a voltaje, potencia y tiempos de respuesta. El sistema digitaliza las entradas y dentro del HIL, un modelo matemático simula el sistema físico. Las variables del sistema, como la velocidad y la torsión, se calculan a partir de las entradas y el estado del modelo. Estas variables se convierten en señales eléctricas que simulan sensores reales de dispositivos físicos y vuelven a alimentar el sistema de control.

De esta manera, podemos sustituir el sistema físico con hardware dentro del ciclo de control. Obviamente, la respuesta es buena si el modelo es realista. La velocidad de cálculo también es importante, ya que debe ser lo suficientemente alta para que la dinámica del sistema de control de ciclo cerrado que supervisa el HIL no se vea afectada negativamente al sustituir un sistema real (continuo) por uno discreto.

Ya que el sistema está basado en software, podemos realizar cambios en la parametrización del modelo. Por ejemplo, podemos verificar qué sucede cuando el voltaje de la fuente de energía disminuye, los parámetros del motor cambian o la masa del vehículo cambia, todo sin adquirir un nuevo dispositivo físico.

Configuración del sistema

Debido a la dinámica del modelo, necesitábamos un sistema basado en FPGA para alojar el modelo matemático. Elegimos NI CompactRIO porque es un sistema compacto y potente que podemos posicionar en el área de pruebas.

Comenzamos con varios modelos de implementación de diagramas de Simulink, incluyendo filtros de señales; invertidor; rectificador; motor y modelo de vehículo (carga) en contraste con el que funciona el motor, incluyendo la condición de velocidad de inclinación del vehículo. Debido a que estos modelos incluyen ecuaciones diferenciales, necesitábamos un paso de integración de microsegundos.

Para ejecutar correctamente el modelo a la velocidad requerida, necesitábamos un tiempo de desarrollo significativo. Sobre la marcha, tuvimos que descartar varias estrategias de programación FPGA porque usaban enormes recursos y no podían alojar el modelo, o porque los tiempos de cálculo eran demasiado largos. Finalmente, desarrollamos una arquitectura de programación que cumple de manera óptima con todos los requisitos. Usando las técnicas que aprendimos, podemos agregar nuevos bloques al modelo en cuestión de semanas.

Para todo el modelo, obtuvimos ciclos de ejecución de 5 µs a 10 µs. Para la parte más crítica del motor, que requiere una integración más precisa, logramos ciclos de ejecución de hasta 1 µs.

Además de los modelos de interfaz que se conectan con el exterior, también contamos con señales de entrada, como contadores y transistores bipolares de compuerta aislada, que estimulan el modelo. Las salidas corresponden a sensores físicos simulados; por ejemplo, la generación de impulsos del codificador FPGA registra la velocidad. Otras salidas analógicas reportan el estado de las variables internas del modelo, como corrientes, torsión motor y aceleración. El nivel de la señal se adapta a través de electrónica externa personalizada.

Gracias a la velocidad FPGA, implementamos ciertas respuestas digitales necesarias en la región de decenas de nanosegundos. Las señales analógicas son más lentas (kilohertz) debido a las limitaciones de generación, pero aún cumplen con los requisitos.

Ejecutamos el modelo completo usando NI CompactRIO y FPGA. Inicialmente elegimos una CPU NI CompactRIO en tiempo real para hacer cálculos auxiliares, pero eventualmente cambiamos nuestros planes y únicamente usamos la CPU en tiempo real para la transmisión de datos entre la interfaz de usuario y la FPGA.

La interfaz de usuario se ejecuta en una PC basada en Windows. Desde la interfaz, podemos determinar parámetros para todo el modelo e iniciar el HIL. También podemos mostrar los datos más importantes y modelar el estado de la variable interna a 10 kHz en diferentes gráficas. Finalmente, podemos cambiar los parámetros de simulación, como la inclinación del ángulo del vehículo y los valores alimentados por voltaje, e incluso algunos parámetros internos, sobre la marcha.

Conclusión

Usando la programación CompactRIO y LabVIEW FPGA, implementamos un sistema HIL complejo que genera respuestas altamente dinámicas a ecuaciones diferenciales en microsegundos, y en el caso del modelo del motor, en hasta solo 1 µs. Todas las entradas y salidas corresponden al sistema físico real, excepto los niveles de señal que se adaptan mediante electrónica personalizada.

El sistema resultante es extremadamente útil porque los clientes pueden usarlo en varias etapas de desarrollo: verificación de la señal del sistema y programación interna; desarrollo y prueba de algoritmos de control de torsión y velocidad del vehículo; y finalmente, ajuste de parámetros de control del modelo del vehículo.

Debido a que hemos recibido muchas solicitudes para nuestro sistema HIL y lo estamos usando para mucho más de lo que habíamos planeado originalmente, agregamos nuevos módulos para aumentar la funcionalidad. Recientemente, desarrollamos un iniciador HIL para ejecutar diferentes modelos (como vehículos con motores síncronos y asíncronos y sistemas de recuperación de energía) usando la misma plataforma NI CompactRIO.

Simulink® es una marca registrada de MathWorks, Inc.