Test Hardware In-The-Loop (HIL) di elettronica di potenza

Il test hardware-in-the-loop (HIL) è una simulazione in tempo reale che consente di testare un codice embedded senza dover disporre di un sistema hardware dell’impianto da controllare. In questo modo è possibile testare condizioni anormali e di errore che possono danneggiare l’hardware se il codice in fase di sviluppo non funziona secondo le specifiche. I sistemi di controllo di elettronica di potenza sono parte integrante dei sistemi elettrici di trasporto e di energia rinnovabile. Convalidare un codice embedded per questi sistemi di controllo testandone i prototipi è complesso poiché il rischio di danni all’hardware impedisce di addestrare i sistemi per una gamma completa di condizioni transitorie.

Le prestazioni di una simulazione hardware-in-the-loop dipendono sia dalla complessità delle dinamiche del sistema elettrico modellato sia dalla macchina real-time utilizzata. Ad esempio, è possibile scegliere come modellare l’elettronica di potenza modificando il comportamento dell’inverter del motore. È possibile utilizzare un modello di inverter a valore medio che fa una media del voltaggio nel periodo di commutazione, poiché esegue rapidamente e fornisce le dinamiche necessarie. E per capire l’impatto delle armoniche inserite dai componenti elettronici di potenza, è necessario includere il loro comportamento on-off e accettarne il peso sul processore del computer utilizzato per hardware-in-the-loop.

Per garantire un comportamento in tempo reale durante la simulazione e catturare le dinamiche di commutazione, è necessario aumentare la frequenza di campionamento della simulazione a100 volte in più rispetto alla velocità di commutazione prevista dal sistema effettivo. Ad esempio, in un’applicazione di controllo motori a una frequenza di commutazione di 10 KHz, la simulazione hardware-in-the-loop deve essere eseguita a 1 MHz per acquisire le non linearità causate dai dispositivi di commutazione. Per eseguire una simulazione a 1 o più MHz, è necessario che il sistema in tempo reale abbia una bassa latenza I/O e un processore in grado di raggiungere la frequenza operativa.

Durante l’esecuzione di un test hardware-in-the-loop per sistemi di elettronica di potenza, non esistono indicazioni assolute per stabilire se sia meglio utilizzare una CPU o una FPGA per simulare sistemi con dinamiche di commutazione. Nel decidere bisogna prendere in considerazione la complessità del modello, i dettagli matematici dell’elettronica di potenza, i dettagli di modellazione dei carichi e degli alimentatori, e il numero dei canali e dei tipi di sistemi di test I/O. È possibile che risulti vantaggioso utilizzare sia una CPU che una FPGA se il sistema hardware-in-the-loop riesce a suddividere il modello di simulazione su desktop in più core e in diversi tipi di processori.

Simulazione hardware-in-the-loop con MATLAB e Simulink

Il test hardware-in-the-loop per sistemi elettronici di potenza inizia con una simulazione del sistema di controllo che modella il comportamento elettrico dei componenti attivi e passivi del circuito, dei carichi e degli alimentatori. Con Simulink® e Simscape Electrical™, è possibile costruire e simulare il proprio modello di sistema. Genera codice C da un modello elettrico utilizzando Simulink Coder™ e genera codice HDL tramite HDL Coder™. È possibile fare il deployment di questo codice su una macchine real-time per testare il codice del controllore, consentendo di convalidarlo per una gamma di condizioni operative normali e di errore. Con Simulink Real-Time™ è possibile distribuire il codice a dispositivi target Speedgoat in tempo reale. Inoltre, Speedgoat supporta hardware-in-the-loop di potenza, che consente di testare sistemi di gestione di batterie (BMS), motopropulsori elettrici e sistemi di energia rinnovabile.

Parti dalle operazioni di base per arrivare a quelle più avanzate grazie ad esempi e tutorial interattivi.