전력 전자 시스템을 위한 HIL 테스트

전기 구동 엔진 컨트롤 유닛(ECU)의 컨트롤 입력 및 출력은 내부 연소 엔진용 파워 트레인 ECU의 컨트롤 입력 및 출력보다 훨씬 빠르게 실행되어야 합니다. 전기 모터 시스템을 컨트롤하는 고속 디지털 스위칭 신호 때문에 HIL 테스트에 기존 방식을 사용하는 것은 적절하지 않습니다. 그림 1은 시뮬레이션 시간 간격이 늘어남에 따라 2kHz 및 8kHz 펄스 폭 변조(PWM) 신호에 대한 시뮬레이션 응답의 상대 에러가 상승하는 것을 보여줍니다.

그림 1. PWM 신호에 응답하는 전력 전자 시스템의 상대 시뮬레이션 오류

그래프에서 기간이 25μs인 시뮬레이션 루프의 경우 시뮬레이션의 시간 분해능으로 인해 8kHz PWM에 대한 시뮬레이션된 응답은 상대 에러 20%까지 발생하는 것을 볼 수 있습니다. 작은 그래프는 서브마이크로초 범위의 에러를 확대하여 보여줍니다. 1μs에서 실행되는 동일한 시뮬레이션은 PWM 측정에서 0.75%의 에러만 발생하는 것을 볼 수 있습니다.

추가적인 복잡성을 위해 전기 모터는 직접 모델링하기 어려운 자기 포화 및 코깅 토크와 같은 복잡한 비선형 동작을 보여줍니다. 선형 모델을 사용하여 ECU의 기본 기능을 테스트할 수 있지만, 더욱 철저한 테스트, 튜닝 및 최적화를 위해 더욱 복잡한 동작을 모델링해야 합니다.

그림 2는 다음과 같은 전원 시스템 테스트의 세 가지 레벨을 보여줍니다.

• 신호 레벨 테스트 - 전체 시스템을 시뮬레이션하여 컨트롤 전자 장치를 테스트합니다.
• 전력 레벨 테스트 - 모터 에뮬레이터를 사용하여 컨트롤 시스템과 전력 전자 장치를 둘 다 완전하게 작동해 봅니다.
• 기계적 테스트 또는 다이나모미터 테스트

기존의 시뮬레이션 시스템은 컨트롤 시스템 설계자의 테스트 역량을 제한하기 때문에 값비싼 다이나모미터 또는 현장 테스트에 크게 의존하게 되었습니다. 그러나 시뮬레이션 속도와 충실도를 개선하면 신호 및 전력 레벨에서 더 많은 테스트를 수행할 수 있어 물리적 테스트 레벨에 들어가는 시간과 비용을 줄일 수 있습니다.

그림 2. 전기 모터에 대한 제어 시스템 테스트의 세 가지 레벨 개요

시뮬레이션 기간에 1μs 범위에 도달하려면 전기 모터 및 전력 전자 HIL 테스트 시스템 설계에서 패러다임 전환이 필요합니다. 이렇게 빠른 속도로 시스템을 시뮬레이션하는 주요 기술은 기존의 프로세서 기반 HIL 시스템에서 FPGA (Field-Programmable Gate Array) 기반 시뮬레이터로의 전환입니다.

기존의 프로세서 기반 HIL 시스템은 통신 버스가 프로세서와 I/O를 분리하기 때문에 최대 속도는 약 50kHz입니다. 시뮬레이션의 단일 시간 간격 중 입력은 샘플링되고, 데이터는 프로세서로 전송되고, 결과는 I/O 노드로 다시 전송되고, 출력은 업데이트됩니다. PCI 또는 PXI 버스에서 통신 지연 시간은 일반적으로 전체 시뮬레이션 기간의 3/4까지 걸릴 수 있습니다. FPGA로 계산을 이동하면 계산 속도가 빨라집니다. 그러나 프로세싱 노드와 I/O 노드를 하나의 디바이스에 배치하면 속도가 가장 크게 증가하고 통신 지연 시간은 무시할 수 있는 수준이 됩니다.

고급 모터 드라이브의 리얼타임 시뮬레이션을 수행할 때 엔지니어가 마주하는 다음 과제는 시뮬레이션 충실도와 속도를 적절히 조합하는 방법입니다. 단순한 상수 파라미터 또는 선형 모델은 기능적인 레벨의 HIL 테스트를 수행하는 데 충분할 수 있지만, 고급 모터 드라이브를 더 강력하게 테스트하고 최적화하려면 일반적으로 시뮬레이션의 충실도를 높이는 것이 필요합니다. 계산에 복잡성을 더하지 않고 시뮬레이션의 충실도를 높이는 효과적인 방법은 모델 파라미터를 룩업 테이블로 대체하고 시뮬레이션을 반복할 때마다 해당 파라미터를 업데이트하는 것입니다.

유한 요소 해석 (FEA) 결과 또는 실험적으로 유도된 테이블을 사용하여 코깅 토크 또는 자기 포화와 같은 복잡한 비선형 동작을 시뮬레이션하고, 복잡한 현상에 적절하게 응답하는 컨트롤러를 설계할 수 있습니다. 이러한 각 케이스에서 룩업 테이블은 시뮬레이션에서 직접 모델링할 필요 없이 복잡한 동작을 캡처합니다. 그림 3은 모터 인덕턴스가 작동 범위에서 4.5mH에서 12mH까지 변하는 예를 보여줍니다.

그림 3. 작동 범위에서 모터 D-Q 인덕턴스 값의 곡면 플롯

National Instruments는 하드웨어와 소프트웨어 도구를 결합하여 전련 전자 제품 및 전기 모터 리얼타임 테스트를 위한 업계 최고의 플랫폼을 제공합니다. NI Electric Motor Simulation Toolkit은 컨트롤 엔지니어가 리얼타임 테스트를 위해 NI 도구의 더 우수한 생태계에 연결되는 테스트 시스템을 신속하게 설정할 수 있도록 전동 기계 모델 및 인버터 모델을 포함합니다.

NI Electric Motor Simulation Toolkit

NI Electric Motor Simulation Toolkit은 전기 모터 시스템의 데스크톱 및 HIL 시뮬레이션 둘 다를 개발하기 위한 모델링 구성요소를 제공합니다. 이 툴킷은 전기 모터 시뮬레이션, 컨트롤, HIL 시뮬레이션을 위한 LabVIEW 프로젝트 템플릿을 추가합니다. 이 툴킷에는 다양한 모터 유형을 위한 VeriStand 애드온도 포함되어 있습니다. 소프트웨어 단독 시뮬레이션의 경우 호스트 컴퓨터에서, 기존 HIL 시뮬레이션의 경우 NI Real-Time 타겟에서, 고속 HIL 시뮬레이션의 경우 NI FPGA 타겟에서 모델을 실행할 수 있습니다.

그림 4. 전기 모터 ECU HIL 테스트를 위한 일반적인 하드웨어와 소프트웨어 조합

이 툴킷에는 스위치 릴럭턴스 (SR) 및 영구 자석 동기 전동기(PMSM) 모터 타입의 모델이 단순 선형 근사 또는 JSOL의 JMAG-RT 모델과 통합되는 고충실도 형태로 포함됩니다. 유한 요소 해석 (FEA) 기반 JMAG-RT 모델의 인터페이스는 코깅 토크 및 자기 포화와 같은 매우 비선형적인 동작을 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다.

지원되는 모터 타입:

• 영구 자석 동기 전동기(PMSM)
  • 상수 파라미터 모델
  • JMAG-RT FEA 기반 모델
• 스위치 릴럭턴스 모터(SRM)
  • 선형 모델
  • JMAG-RT FEA 기반 모델

NI Electric Motor Simulation Toolkit 다운로드 및 평가

JMAG-RT 모델을 사용한 HIL을 위해 JSOL Corporation과 협력

National Instruments는 JSOL Corporation과 협력하여 이 회사의 FEA 도구인 JMAG 및 JMAG-RT를 사용하여 NI LabVIEW 시스템 설계 소프트웨어 및 NI VeriStand 소프트웨어와 함께 사용할 수 있는 고충실도 모델을 생성해 리얼타임 테스트 어플리케이션을 구성했습니다. 이번 파트너십을 통해 NI는 전기 모터 테스트 및 시뮬레이션의 주요 요구사항을 해결하고 있습니다. 이제 LabVIEW FPGA 및 NI RIO FPGA 기반 하드웨어를 사용하여 FEA 기반 모터 모델을 마이크로초 타이밍으로 실행할 수 있습니다. 모델은 FEA에서 생성된 룩업 테이블을 사용하여 모터의 현재 상태에 따라 모델을 리얼타임으로 파라미터화합니다. 선형 수학 테이블과 비선형 룩업 테이블을 이렇게 조합하면 매우 빠르고 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다.

그림 5. NI Electric Motor Simulation Toolkit에서 모델을 사용하여 얻은 토크 계산

고충실도 모델 생성을 위한 무료 구성 기반 모델링 도구인 JMAG-Express를 다운로드하여 사용해 보기

NI VeriStand

NI VeriStand는 리얼타임 테스트 어플리케이션을 생성하기 위한 설정 기반 소프트웨어 환경입니다. 이 환경에서는 리얼타임 타겟-호스트 통신, 데이터 로깅, 자극 생성, 알람 감지 및 응답을 수행하도록 지원합니다. 또한 NI VeriStand 시뮬레이션 전용 테스트에서 HIL 테스트로 신속하게 전환되므로 테스트 프로필, 알람, 절차, 분석 루틴과 같은 테스트 구성요소를 재사용할 수 있습니다. 실제 I/O를 용이하게 하기 위해 파라미터를 모델에서 하드웨어 채널로 다시 맵핑할 수 있습니다. 이렇게 전환하면 회귀 테스트를 수행할 때 시간을 절약할 수 있으며, NI TestStand와 같은 Test Executive 소프트웨어를 사용하여 테스트를 자동화할 수 있습니다.

NI VeriStand는 리얼타임 플러그인을 통해 어플리케이션 특정 기능을 생성하는 데 사용할 수 있는 개방형 프레임워크입니다. 따라서 테스트 시스템의 유연성이 극대화됩니다. NI Electric Motor Simulation Toolkit은 설정 기반 환경에 모터 모델링 기능을 추가하므로 엔지니어가 기존의 리얼타임 하드웨어 플랫폼에서 데스크탑 및 리얼타임 시뮬레이션 및 테스트를 수행하고 FPGA에서 고속 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.

그림 6. NI VeriStand를 사용하여 다양한 시뮬레이션 타겟 간에 다양한 환경의 모델을 배포할 수 있습니다.

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LabVIEW FPGA

FPGA는 재프로그래밍 가능한 실리콘 칩입니다. PC에 사용되는 프로세서와 달리, FPGA에서 프로그래밍하면 소프트웨어 어플리케이션을 실행하는 대신 기능을 구현하기 위해 칩 자체를 다시 연결해야 합니다. Xilinx의 공동 설립자인 Ross Freeman은 1985년에 최초의 FPGA를 발명했습니다. NI는 Xilinx와 협력하여 다양한 하드웨어 플랫폼에 최첨단 FPGA 기술을 제공하고 LabVIEW FPGA를 사용하여 그래픽 프로그래밍 및 부동소수점 비교 연산을 수행합니다.

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