Многоуровневое моделирование для быстрого прототипирования
Введение
Модельно-ориентированное проектирование может значительно уменьшать стоимость, сопоставленную с разработкой системы. Разработка моделей для сложных систем, таких как электромобили включает следующие фазы:
Определение функциональных спецификаций
Разработка системы
Тесты и валидация
Реализация
Это тематическое исследование фокусируется на первых двух фазах и показывает, как симуляция могла помочь разработчику системы в принятии решения. Симуляция является очень комплексным искусством. Это может представлять простую модель с точностью, которая может быть спорной, тогда как сложные модели могут быть представлены с точной точностью, очень близко к действительности. Разработчик моделей должен всегда идти на компромисс между сложностью моделей и необходимой точностью. Конечно, всегда предпочтительно иметь ультраточную модель, но параметры, требуемые этими моделями, обычно затрудняют, чтобы определить, особенно во время первых фаз разработки системы. Кроме того, симуляция этих точных моделей является очень медленной.
Поэтому необходимо использовать различный уровень детализации имитационных моделей. Сначала, разработчику системы будет нужна первая модель уровня для того, чтобы иметь обзор всего потока энергии в системе. Это поможет в проекте различных элементов в системе удовлетворить требование потока энергии. Затем более точная модель требуется для того, чтобы настроить различные системы, чтобы точно настроить параметры системы управления энергопотреблением и спроектировать конвертеры силовой электроники. Наконец, подробная модель позволит валидацию поведения системы с высокой степенью точности и выполнять другие корректировки при необходимости.
Архитектура системы
Архитектура системы при исследовании основана на Toyota Prius THSII:
Более точно исследование фокусируется на различных подробных уровнях модели электрической системы.
Используемая модель батареи является базовой моделью от библиотеки Simscape™ Electrical™ Specialized Power Systems и требует немногих параметров. Батарея NiMH 201 В, 6,5 А-ч (так же, как тот, используемый в Toyota Prius), рассматривается. Для этой модели не необходимо использовать различный подробный уровень, когда это очень просто в использовании и предлагает хорошую точность.
Упрощенная модель
Упрощенная электрическая модель основана на принципе баланса сил на различных элементах. Обратите внимание на то, что эти упрощенные модели имеют энергоэффективность 100%.
Конвертер DC/DC
Для конвертера DC/DC это принято, что напряжение на шине DC, которое предоставляет двигатель и генератор, обеспечено постоянное регулятором. Для этой модели требуется шина DC 500 В. Напряжение в стороне шины DC обеспечено постоянное использование фиксированного источника напряжения. От принципа баланса сил соответствующий ток требуют от батареи. Фильтр необходим, чтобы повредить алгебраический цикл. Ниже упрощенная модель конвертера DC/DC:
Электропривод
Электрический двигатель применяет механический крутящий момент на систему. Необходимый крутящий момент определяется системой управления энергопотреблением. Это принято, что регулятор крутящего момента хорошо спроектирован так, чтобы ссылочный крутящий момент был непосредственно применен на вал двигателя. Путем измерения скорости вала и напряжения на шине DC, это - возможное использование принципа баланса сил, чтобы определить соответствующую текущую шину DC. Ниже упрощенная модель электрического двигателя:
Диск генератора
Генератор представлен точно так же, как электрический двигатель. Отрицательный крутящий момент требует система управления энергопотреблением для того, чтобы сгенерировать электроэнергию. Когда это принято, что система управления генератора идеальна, ссылочный крутящий момент непосредственно применяется к механической системе. Соответствующий ток выведен с помощью принципа баланса сил.
Результаты симуляции
Симуляция упрощенной электрической системы полезна, когда это показывает производительность системы управления энергопотреблением, механической системы и различных электрических компонентов. На самом деле короткое время симуляции (приблизительно 0,7 раза реальное время в режиме normal mode) позволяет быстрые корректировки системы управления энергопотреблением для лучшей производительности. Для этой фазы симуляции положение акселератора установлено в 100%, и следующие результаты получены:
Нужно отметить, что в этой фазе моделирования, не возможно определить статор, текущий для двигателя и генератора; это объясняет, почему эти токи являются пустыми указателями. Упрощенная модель может теперь помочь в определении размеров каждого компонента электрической системы. Следующий раздел фокусируется на архитектуре каждого компонента, включая электрические машины и различные регуляторы.
Модель среднего значения
В этой фазе симуляции улучшен уровень точности. Различные электрические машины и архитектуры регуляторов выбраны.
Конвертер DC/DC
Среднее значение конвертер DC/DC использует регулятор напряжения на основе контроллера Пропорционального Интегратора (PI), чтобы обеспечить напряжение на шине DC, равное ссылке напряжения (500 В). Симуляция позволяет выбор индуктора и конденсаторов и корректировки параметров ПИ-контроллера для того, чтобы получить результаты, похожие на упрощенную модель. Ниже модель конвертера DC/DC:
Когда конвертер среднего значения используется, только рабочий цикл требуется конвертером повышения. Напряжение батареи установлено конвертером повышения на основе рабочего цикла и напряжения на шине DC. На стороне высокого напряжения текущая шина DC установлена на основе рабочего цикла и текущей батареи. Для получения дополнительной информации относительно этой системы, смотрите 2D Квадрантный Диск DC Прерывателя.
Электропривод
Двигатель является постоянным магнитом синхронной машиной (PMSM). От упрощенных результатов модели определяется моторное требование. Это должно смочь произвести максимальный крутящий момент 400 нм, и максимальная мощность 50 кВт до 6 000 об/мин (эта скорость получена путем симуляции упрощенной модели в течение 60 секунд для транспортного средства, чтобы достигнуть 160 км/ч).
Блок управления приводом сделан с помощью векторного управления. Когда машина использует внутренний ротор постоянного магнита, возможно использовать крутящий момент нежелания, чтобы увеличить крутящий момент общего объема производства и действовать в сверхвысокой скорости. Для получения дополнительной информации об этой настройке см. the ac6_IPMSM пример. Электропривод состоит из двигателя, инвертора и векторного контроллера.
Подобно модели конвертера DC/DC инвертор представлен моделью среднего значения, и эффект переключения силовых полупроводников не учтен. Ссылочные токи (от векторного диспетчера) непосредственно применяются на двигатель через управляемые текущие источники. Кроме того, этот инвертор позволяет моделирование насыщения, текущего, когда напряжение на шине DC не достаточно высоко, чтобы привести в действие двигатель (на данной скорости и крутящем моменте). Ниже модель среднего значения:
В нормальном функционировании текущие источники используются, чтобы предоставить машину. В насыщении, режиме, источники напряжения используются вместо этого. Для получения дополнительной информации об этой системе смотрите PM Synchronous Motor Drive.
Диск генератора
Генератор является также постоянным магнитом синхронная машина. От упрощенных результатов модели это должно смочь обеспечить максимальную мощность 30 кВт и максимальную скорость 15 000 об/мин. Векторный контроллер используется, чтобы гарантировать правильное функционирование генератора. Когда несущественная машина полюса используется, классический метод управления (ID = 0) используется в операционной области. Ниже модель полной системы:
Модель среднего значения идентична и для двигателя и для генератора.
Результаты симуляции
Симуляция модели среднего значения позволила определение размеров электрических компонентов (индуктор, конденсатор, двигатель и генератор) и корректировка различных систем контроллеров. На данном этапе теперь возможно ясно визуализировать электрические сигналы. Это помогает в точной настройке регуляторов и системы управления энергопотреблением. Более длинное время симуляции (16 раз реальное время в режиме normal mode и 3.5 раза реальное время в режиме Accelerator) позволяет представлять более точно поведение электрической системы. Ниже результаты различных систем:
Подробная модель
В этой фазе моделирования модели среднего значения конвертеров заменяются переключателями силовых полупроводников. Метод, чтобы сгенерировать сигналы ширины импульса модулируется (PWM) также определяется.
Конвертер DC/DC
Для подробной модели конвертера DC/DC выход ПИ-контроллера отправляется в модулятор ширины импульса, который выбирает импульсную последовательность, требуемую обеспечить напряжение на шине DC близко к ссылочному значению. Сигналы PWM затем отправляются непосредственно в переключатель силового полупроводника одной ноги.
Двигатель и диски генератора
Для подробной модели этих элементов инвертор среднего значения заменяется 3 переключатели силовых полупроводников участков, состоящие из 6 пар IGBT/diode. Выходной сигнал векторного контроллера отправляется гистерезисному контроллеру, который генерирует необходимые сигналы PWM. Для получения дополнительной информации об этих системах смотрите PM Synchronous Motor Drive.
Результаты симуляции
Симуляция подробной модели дает большую информацию относительно конвертеров степени. На самом деле это позволяет выбор метода генерации PWM, корректировку переключающейся частоты (для конвертера DC/DC) и настройка гистерезисной полосы текущего регулятора, необходимого для векторного управления (двигатель и генератор). Кроме того, это позволяет определение размеров конвертеров, как мгновенные значения токов точно известны. Выбор переключателей силовых полупроводников и определение размеров теплоотводов могут быть сделаны впоследствии.
В более широком представлении эта симуляция помогает подтвердить с высокой точностью операцию электрической схемы и позволяет обнаружение любых проблем, вызванных нестабильностью по напряжению или по току. Эта высокая степень точности получена, конечно, по цене более длительного времени вычисления. На самом деле время симуляции является приблизительно 90 раз реальным временем в режиме Accelerator. Ниже результаты различных систем:
Сравнение многоуровневой точности моделирования
Относительно точности механические сигналы (скорость транспортного средства и крутящий момент) и электрические сигналы (средняя степень от различных элементов) очень близки для всех этих трех моделей. На самом деле ошибка на скорости транспортного средства меньше 2 км/ч и 1,5 км/ч для упрощенного и моделей среднего значения соответственно. Относительно моторной степени движущие силы моделей упрощенного и среднего значения также близко к подробной модели. Основное различие находится на высокочастотном компоненте, существующем на подробных сигналах модели из-за переключающейся частоты инвертора. Максимальная погрешность из этих двух моделей меньше 5 000 Вт (ниже 10%), и средняя погрешность ниже 5%.
Относительно крутящего момента транспортного средства эти три модели, очень соглашаются с максимальной погрешностью 5%. Путем близкого рассмотрения различий (правильная фигура), отмечено, что упрощенная модель реагирует мгновенно на ссылочный крутящий момент, требуемый системой управления энергопотреблением. Для модели среднего значения крутящий момент прогрессивно увеличивается до желаемого крутящего момента с большей точностью по сравнению с подробной моделью. Снова, подробная модель характеризуется высокочастотным сигналом, сгенерированным переключающейся частотой электрической системы.
Что касается сигналов батареи, упрощенный и модели среднего значения следуют точно за динамикой подробной модели без высокочастотного компонента.
Одни из основных отличий между упрощенным и моделями среднего значения находятся на электрических сигналах от двигателя и генератора. На самом деле упрощенная модель не может представлять двигатель или текущий генератор. Различием между средним значением и подробными моделями является присутствие высокочастотного компонента на подробной модели. Амплитуда токов является точно тем же самым для двух моделей, тогда как фаза могла отличаться из-за изменений на механической скорости.
Вот таблица, которая обобщает различия между различными подробными уровнями:
Заключение
В заключение, уровень выбранной точности зависит от этапа развития, инженер продолжает работать. Например, в начале процесса, системный инженер хочет симулировать его систему, чтобы иметь идею о том, как он действует с целью эффективно настроить систему управления энергопотреблением. Симуляция упрощенной модели помогает определить скорости, крутящие моменты и электроэнергии, существующие в системе. Когда эта модель требует меньшего количества времени вычисления (меньше чем 1 раз реальное время), возможно изучить несколько настроек и получить результаты близко к действительности в очень короткое время.
Впоследствии, модель среднего значения позволяет инженеру-электрику проектировать различные системы управления и выбирать двигатель и генератор на основе результатов упрощенной модели. Время симуляции (меньше чем 4 раза реальное время в режиме Accelerator) приемлемо. Это позволяет валидацию поведения системы и корректировку и системы управления и системы управления энергопотреблением.
Наконец, специалист в силовой электронике может использовать подробную модель, чтобы выбрать компоненты силовых полупроводников на основе мгновенных и средних значений токов и напряжений. Потери могут быть оценены (для проекта теплоотвода), переключающаяся частота может быть настроена для того, чтобы гарантировать, что электромагнитная интерференция (EMI) не будет воздействовать на другие системы. Кроме того, полная симуляция подробной модели позволяет подтверждать поведение различных элементов в системе и точно настраивать систему управления энергопотреблением при необходимости. Конечно, этот высокий уровень точности идет с большим временем вычисления, приблизительно 90 раз реальным временем. Но это большое время все еще приемлемо если по сравнению со временем, требуемым в экспериментальной настройке.
Очевидно, в разработке подробного или модели среднего значения, возможно изолировать некоторые блоки, такие как конвертер DC/DC или диски двигателя и генератора для того, чтобы к предварительному мероприятию настраивают каждую систему. Блок может быть добавлен к полной модели, когда это действует правильно.
Наконец, когда имитационная модель завершается, она представляет действительность с высокой степенью точности. Следующая фаза, которая состоит из реализации системы экспериментально, может быть сделана с меньшим количеством времени и по более низкой цене.