dSPACE 전력 시스템 시뮬레이션 패키지를 사용하여 하나 이상의 FPGA에 이상적으로 배포하기 위한 대규모 시뮬레이션 모델의 분석
전력 전자 회로에 대한 복잡한 시뮬레이션 모델을 생성할 때 모델이 너무 커서 최적화 없이 단일 FGPA에서 계산할 수 없습니다. 그런 다음, 계산 작업을 줄이는 방법과 필요한 경우 이상적인 인터페이스가 모델을 의미 있는 하위 시스템으로 분할하는 위치에 대한 질문이 발생합니다. 여기에서, 사용자는 적합하지 않은 분리로 인해 결과 품질이 나빠지지 않도록 보장해야 합니다.
dSPACE가 이 작업을 위해 제공하는 일반적인 접근 방식을 설명하기 위한 구체적인 예가 사용됩니다.
크기 및 종속성에 대한 모델 분석
시작 지점은 MATLAB®/Simulink® Simscape Electrical TM (특수 전력 시스템) 도구 상자로 생성된 월박스를 통해 전력망에 연결된 온보드 충전기가 있는 전기 자동차 모델입니다.
첫 번째 단계는 사용 가능한 FPGA로 모델을 직접 계산할 수 있는지 여부를 출력하는 모델 분석입니다. dSPACE 전력 시스템 시뮬레이션 패키지(EPSS)는 이러한 목적을 위한 분석 기능을 제공합니다. 당사의 경우, 결과는 각각 시스템, 입력, 출력 및 패스스루 매트릭스로 구성된 262,144개의 매트릭스 세트를 가진 모델이 FPGA에서 사용 가능한 최대 속도 메모리에 비해 너무 크다는 것입니다. 이 많은 수의 매트릭스 세트는 모델에 포함된 18개의 스위치에 대해 이론적으로는 2 18 = 262,144개의 가능한 모든 구성을 고려할 수 있다는 사실에서 비롯됩니다.
FPGA 전체에서 모델을 계산할 수 있었다는 분석 결과가 나오면, EPSS 파일이 모델에 대해 생성되었을 것이며, 여기에는 실시간 시뮬레이션에 필요한 모든 데이터가 포함되어 있으며 dSPACE ConfigurationDesk 소프트웨어를 통해 시스템의 I/O 구성에 포함될 수 있습니다. 위에 표시된 온보드 충전기 토폴로지의 경우, 전체 모델은 가능한 모든 스위치 조합으로 전체 구성을 실시간으로 시뮬레이션하는 데 적합하지 않으므로 EPSS 파일을 생성할 수 없습니다.
회로 다이어그램의 종속성 모델링
EPSS에 포함된 ANALYZE_SPLITTING 블록은 어떤 모델 구성 요소가 수학적으로 함께 속해 있고 분리되어서는 안 되는지를 보여주는 시각적 표현을 제공합니다. 여기에서 두 종속 상태 변수, 특히 종속 커패시터 전압 및 인덕터 전류, 그리고 다른 스위칭 요소에 대한 스위칭 이벤트의 가능한 영향이 계산됩니다. 함께 속한 요소는 각각 동일한 색상으로 표시되므로 종속성이 시각적으로 표시됩니다.
가능한 분할 위치 확인
개략도에서 EPSS에 포함된 특수 분할 블록(INTERFACE 블록이라고 함)을 회로도의 다양한 지점에 삽입하여 스위치가 최대한 고르게 분산되고 종속 그룹이 분리되지 않도록 할 수 있습니다. 가능한 분할 위치는 다음 그림에 나와 있습니다. 모델 분할을 위한 INTERFACE 블록은 스위치 그룹과 종속 상태가 분리되지 않도록 배치되었습니다. 분석 기능을 다시 실행하면 FPGA에 저장되는 매트릭스 세트가 262,144개에서 4,096개로 크게 줄어듭니다.
다음 단계는 선택한 분할 지점에서도 전체 시스템이 안정적인지 확인하는 것입니다.
가능한 분할 위치의 안정성 확인
EPSS의 ANALYZE_SPLITTING 블록을 사용하면 INTERFACE 블록의 선택된 위치 또는 INTERFACE 블록의 가능한 위치 세트가 스위치 구성에 따라 안정적인 시스템 속성으로 이어지는지 쉽게 평가할 수 있습니다. 비현실적인 스위치 조합을 제외하고 계산 시간을 단축하기 위해, '스위치 조합 제외' 옵션을 통해 전환 동작을 구성할 수 있습니다. 이 예에서 월박스의 병렬 스위치와 필터는 항상 동시에 전환되기 때문에 각각 3상 스위치로 구성될 수 있습니다.
'안정성 결과 생성' 버튼을 클릭하면 분석 결과가 그래픽으로 명확하게 표시됩니다. INTERFACE 블록을 통해 선택할 수 있는 각각의 분할 방법이 조사된 분할 위치에 대해 안정적, 불안정적 또는 약간 안정적인 전체 시스템으로 이어지는지 여부에 대한 정보 외에도, 관련된 (확장) 시스템 매트릭스의 고유값도 표시됩니다. 모든 결과는 원하는 대로 편리하게 필터링하고 배열할 수 있습니다.
현재 모델에서는 이 분석을 통해 DC/DC 컨버터에서 단락이 발생하지 않는 한 모델 분할용 INTERFACE 블록을 삽입한 후에도 모델이 안정적으로 동작한다는 결론을 내릴 수 있습니다.
특수 구성을 고려하여 스위치 수 감소
모델 분할 외에도 실시간 애플리케이션의 매트릭스 세트 수를 줄이는 다른 옵션이 있습니다. 우선, 특수 스위치 구성을 더 정확하게 모델링할 수 있습니다. 현재 모델에서, 이것은 항상 동시에 전환되는 스위치 Sa, Sb 및 Sc와 관련이 있습니다. 필터의 Rprea, Rpreb 및 Rprec 스위치에도 동일하게 적용됩니다. 이러한 스위치는 dSPACE 전력 시스템 시뮬레이션 패키지에 제공되는 '스위치 조합 제외' 기능을 사용하여 3상 스위치로 쉽게 구성할 수 있습니다(분할 분석과 동일한 그래픽 사용자 인터페이스 사용, SETUP 블록에서 구성 가능). 또는 레지스터로 모델링하고 EPSS '시나리오' 기능을 사용하여 런타임 중에 전환할 수 있습니다. 여기서는 기능 조합을 사용합니다. 즉, Sa, Sb 및 Sc는 3상 스위치로 모델링되고 Sprea, Spreb 및 Sprec은 시나리오를 사용하여 구성됩니다.
실시간 시뮬레이션을 위한 시작 신호
이러한 구성 후에, 이제 ANALYZE_MODEL 분석 기능을 다시 사용하여 사용 가능한 FPGA에 대한 모델의 실시간 기능을 확인할 수 있습니다. 이제 모델에 대해 EPSS 파일을 생성할 수 있어 dSPACE 전력 시스템 시뮬레이션 패키지(합성 필요 없이)에 포함된 사전 구성된 일반 FPGA 빌드로 실시간 시스템에서 실행할 수 있습니다.
전환 동작의 오프라인 조사
dSPACE 전력 시스템 시뮬레이션 패키지의 '스위치 조합 분석' 기능을 사용하면 주어진 능동 스위치 제어에 대한 시뮬레이션 모델의 수동 요소에 대한 영향을 분석할 수 있습니다. EPSS에서 제공하는 OFFLINE_SIMULATION 블록을 사용하면 EPSS에서 제공하는 특수 기능을 통해 회로의 오프라인 시뮬레이션이 가능하므로 시뮬레이션 시간 동안 발생하는 모든 전환 상태를 기록하고 그래픽으로 표시할 수 있습니다. 다음 그림에서는 무엇보다도 장치 Q8 및 Q9(각각 IBGT/다이오드 블록)의 게이트가 켜질 때 Diode2가 응답의 사후 반복 단계까지 켜지지 않는다는 것을 볼 수 있습니다. 회색 및 흰색 영역은 항상 시뮬레이션 단계를 나타내며, 이러한 영역 내의 세분화는 가능한 사후 반복 단계 세트를 나타냅니다. 그림의 오른쪽 부분에서, 고려된 모델 제어에 어떤 전환 상태가 얼마나 자주 사용되는지에 대한 개요도 얻을 수 있습니다.
자세한 정보
- A. Kiffe, K. Witting, and F. Puschmann, "Systematic separation of electrical power systems for hardware-in-the-loop simulation," 2017 19th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'17 ECCE Europe), 2017, pp. P.1-P.10, doi: 10.23919/EPE17ECCEEurope.2017.8098995.
- A. Kiffe, K. Witting, and F. Puschmann, "Separation of Power Electrical Circuits for Different Computation Platforms," 2018 20th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'18 ECCE Europe), 2018, pp. P.1-P.10.
