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Aeromechs sviluppa un ponte attivo doppio per la commutazione dell'elettronica di potenza di bordo degli aeromobili a 400 kHz con test Hardware-in-the-Loop
Il team riduce i tempi di simulazione con la capacità in tempo reale
“I consulenti MathWorks ci hanno mostrato nuove tecniche per accelerare le simulazioni sui sistemi di test Speedgoat e ci hanno consentito di adattare i nostri modelli di impianto a un modulo I/O FPGA programmabile tramite Simulink. Sono stati proattivi e chiari e ci hanno trasmesso le loro conoscenze sugli argomenti trattati.”
Risultati chiave
- Topologie DAB innovative ad alta fedeltà modellate con Simulink e distribuite su un sistema di test in tempo reale Speedgoat, consentendo test HIL
- Errori riscontrati nella progettazione senza la necessità di costosi prototipi di elettronica di potenza, riducendo al minimo il rischio di danni
- Abilitazione dell'emulazione di caratteristiche fisiche e comportamenti temporali che sono solitamente difficili da simulare senza connettersi all'hardware effettivo
Per effettuare test MIL e HIL accurati di un DAB e della sua strategia di controllo, Aeromechs aveva bisogno di eseguire il modello su un FPGA in tempo reale, 300 volte più velocemente rispetto alla simulazione desktop.
Con sede ad Aversa, in Italia, la missione di Aeromechs è quella di supportare la transizione verso un'aviazione a zero emissioni di carbonio attraverso l'elettrificazione. L'azienda vanta una consolidata esperienza nel processo di certificazione DO-178C per lo sviluppo di software, nonché nello sviluppo di modelli intelligenti di gestione dell'energia elettrica mediante un approccio model-based con generazione automatica di codice. Grazie alla sua competenza, Aeromechs sviluppa strategie intelligenti di gestione dell'alimentazione per una vasta gamma di convertitori di potenza, tra cui i ponti attivi doppi (DAB) che, con flusso di corrente bidirezionale e capacità di isolamento, sono essenziali per la sicurezza e l'efficienza del sistema di alimentazione elettrica degli aeromobili.
Tuttavia, i severi requisiti per le applicazioni aeronautiche impongono ai DAB di avere frequenze di commutazione elevate, il che richiede una modulazione di larghezza di impulso (PWM) altamente dinamica. In questo modo si riducono le increspature di tensione, garantendo un'alimentazione elettrica pulita alle apparecchiature di bordo. La commutazione ad alta frequenza riduce anche le dimensioni degli elementi passivi, contribuendo a ridurre il peso delle apparecchiature, il che può svolgere un ruolo essenziale nella riduzione delle emissioni di CO2 causate dall'aviazione. D'altro canto, aumentare la frequenza presenta anche degli svantaggi, come maggiori perdite di commutazione, maggiori emissioni EMI e maggiore stress dei componenti. Considerato questo compromesso, è importante trovare frequenze di commutazione ottimali.
Per ottimizzare il controller per un DAB con frequenza di commutazione di 400 kHz, Aeromechs ha utilizzato simulazioni che testano il controller nelle esatte condizioni che si riscontrano nel funzionamento reale. Sebbene queste simulazioni fossero possibili con i test model-in-the-loop (MIL) su un PC desktop, sarebbero state troppo lente, anche per pochi millisecondi di simulazione. Il team voleva invece migliorare i tempi di simulazione con funzionalità in tempo reale. Hanno quindi modellato il DAB con maggiore fedeltà utilizzando Simulink® e, per garantire che questo modello più complesso potesse essere eseguito in tempo reale, lo hanno distribuito su un sistema di test in tempo reale Speedgoat® dotato di un modulo I/O FPGA programmabile tramite Simulink. I consulenti MathWorks hanno consigliato Aeromechs di accelerare la simulazione e la generazione del codice.
La strategia di controllo su una scheda target e il modello dell'impianto DAB potrebbero quindi essere eseguiti in tempo reale, uno accanto all'altro, con una velocità di circa 300 volte superiore rispetto alla simulazione desktop. Questa accelerazione ha consentito ad Aeromechs di condurre test HIL (Hardware-In-the-Loop) e di risparmiare tempo nel debug del sistema fisico. In futuro, il team intende applicare i metodi HIL in una fase più precoce del ciclo di progettazione, ad esempio per applicare stimoli e visualizzare i risultati in modo interattivo.
