Многоуровневое моделирование для быстрого прототипирования
Введение
Основанная на модели конструкция может значительно снизить затраты, связанные с разработкой системы. Разработка моделей для сложных систем, таких как электрические транспортные средства, включает следующие фазы:
Определение функциональных спецификаций
Разработка системы
Тесты и валидация
Реализация
Это тематическое исследование фокусируется на первых двух фазах и показывает, как симуляция может помочь системному дизайнеру в принятии решений. Симуляция является очень сложным искусством. Она может представлять простую модель с точностью, которая может быть аргументирована, в то время как сложные модели могут быть представлены с точной точностью, очень близкой к реальности. Разработчик моделей должен всегда идти на компромисс между сложностью моделей и необходимой точностью. Конечно, всегда предпочтительнее иметь сверхточную модель, но параметры, требуемые этими моделями, обычно трудно определить, особенно на первых фазах разработки системы. Причем симуляция этих точных моделей происходит очень медленно.
Поэтому необходимо использовать другой уровень детализации моделей симуляции. Сначала системному конструктору потребуется модель первого уровня в порядок, чтобы получить обзор всего потока степени в системе. Это поможет в проекте различных элементов системы для удовлетворения требований к потоку степени. Затем требуется более точная модель в порядок, чтобы настроить различные системы, для точной настройки параметров системы управления энергопотреблением и для разработки степени электронных преобразователей. Наконец, подробная модель позволит проверить поведение системы с высокой степенью точности и при необходимости выполнить другие корректировки.
Архитектура системы
Изучаемая архитектура системы основана на Toyota Prius THSII:
Точнее, исследование особого внимания на различных подробных уровнях электрической системной модели.
Используемая модель батареи является базовой моделью из библиотеки Simscape™ Electrical™ Specialized Power Systems и требует немного параметров. Рассматривается батарея NiMH на 201 В, 6,5 Ач (так же, как используемая в Toyota Prius). Для этой модели не обязательно использовать другой детализированный уровень, так как он очень прост в использовании и предлагает хорошую точность.
Упрощенная модель
Упрощенная электрическая модель основана на принципе баланса степени на различных элементах. Обратите внимание, что эти упрощенные модели имеют эффективность энергии 100%.
Преобразователь постоянного/постоянного тока
Для преобразователя постоянного/постоянного тока принято, что напряжение шины постоянного тока, которое питает двигатель и генератор, поддерживается постоянным регулятором. Для этой модели требуется шина постоянного тока 500 В. Напряжение на стороне шины постоянного тока поддерживается постоянным с помощью постоянного источника напряжения. Из принципа баланса степени от батареи запрашивается соответствующий ток. Фильтр необходим, чтобы сломать алгебраический цикл. Ниже представлена упрощенная модель преобразователя постоянного тока/постоянного тока:
Привод Мотора
Электрический двигатель применяет механический крутящий момент к системе. Требуемый крутящий момент определяется системой управления энергопотреблением. Принято, что регулятор крутящего момента хорошо спроектирован так, что эталонный крутящий момент непосредственно прикладывается к валу мотора. Путем измерения скорости вала и напряжения шины постоянного тока можно с помощью принципа баланса степени определить соответствующий ток шины постоянного тока. Ниже приведена упрощенная модель электродвигателя:
Привод генератора
Генератор представлен в точности как электрический двигатель. Система управления энергопотреблением запрашивает отрицательный крутящий момент порядка чтобы сгенерировать электрическую степень. Поскольку принято, что система управления генератором идеальна, эталонный крутящий момент непосредственно прикладывается к механической системе. Соответствующий ток выводится с помощью принципа баланса степени.
Результаты симуляции
Симуляция упрощенной электрической системы полезно, поскольку оно показывает эффективность системы управления энергопотреблением, механической системы и различных электрических компонентов. Фактически, короткое время симуляции (примерно в 0,7 раза больше реального времени в режиме normal mode) позволяет быстро настроить систему управления энергопотреблением для повышения производительности. Для этой фазы симуляции положение акселератора устанавливается на 100%, и получаются следующие результаты:
Следует отметить, что в этой фазе моделирования невозможно определить ток статора для двигателя и генератора; это объясняет, почему эти токи являются нулями. Упрощенная модель теперь может помочь в определении размеров каждого компонента электрической системы. Следующий раздел посвящен архитектуре каждого компонента, включая электрические машины и различные регуляторы.
Модель средней ценности
На этой фазе симуляции уровень точности улучшается. Выбираются различные архитектуры электрических машин и регуляторов.
Преобразователь постоянного/постоянного тока
Преобразователь среднего значения DC/DC использует регулятор напряжения, основанный на контроллере Пропорционального-Интегратора (PI), чтобы поддерживать напряжение шины постоянного тока равным опорному напряжению (500 В). Моделирование позволяет выбрать индуктор и конденсаторы и настроить параметры ПИ-контроллера в порядок, чтобы получить результаты, аналогичные упрощенной модели. Ниже представлена модель конвертера DC/DC:
В качестве конвертера среднего значения используется только коэффициент заполнения, требуемый усилителем. Напряжение батареи устанавливается усилителем на основе коэффициента заполнения и напряжения шины постоянного тока. На стороне высокого напряжения ток шины постоянного тока устанавливается на основе коэффициента заполнения и тока батареи. Для получения дополнительной информации об этой системе см. «Привод постоянного тока с двумя квадрантами».
Привод Мотора
Двигатель является синхронной машиной с постоянными магнитами (PMSM). Из результатов упрощенной модели определяется потребность в двигателе. Он должен уметь выдавать максимальный крутящий момент в 400 Нм и максимальная степень в 50 кВт до 6000 об/мин (эта скорость получается путем симуляции упрощенной модели в течение 60 секунд, в порядок для достижения транспортного средства 160 км/ч).
Управление двигателем осуществляется с помощью векторного управления. Поскольку машина использует ротор с внутренними постоянными магнитами, возможно использовать реактивный крутящий момент для увеличения общего выходного крутящего момента и работы на очень высокой скорости. Для получения дополнительной информации об этом строении см. ac6_IPMSM пример. Электропривод состоит из двигателя, инвертора и вектора контроллера.
Подобно модели преобразователя постоянного тока/постоянного тока, инвертор представлен моделью среднего значения, и эффект степени переключения полупроводников не принимается во факторе. Токи ссылки (от контроллера вектора) непосредственно применяются к двигателю через управляемые источники тока. Кроме того, этот инвертор позволяет моделировать ток насыщения, когда напряжение шины постоянного тока недостаточно велико, чтобы привести двигатель в действие (при заданных скорости и крутящем моменте). Ниже представлена модель среднего значения:
При нормальной операции источники тока используются для питания машины. В режиме насыщения вместо этого используются источники напряжения. Для получения дополнительной информации об этой системе см. PM Synchronous Motor Drive.
Привод генератора
Генератор также является синхронной машиной с постоянными магнитами. Из результатов упрощенной модели она должна быть способна обеспечить максимальную степень 30 кВт и максимальную скорость 15 000 об/мин. Контроллер вектора используется, чтобы гарантировать правильность операции генератора. Когда используется нежесткая шестовая машина, классический метод управления (id = 0) используется во всей рабочей области. Ниже представлена модель полной системы:
Модель среднего значения идентична как для двигателя, так и для генератора.
Результаты симуляции
Симуляция модели среднего значения позволила определить размеры электрических компонентов (индуктор, конденсатор, двигатель и генератор) и настроить различные системы контроллеров. На данном этапе теперь можно четко визуализировать электрические сигналы. Это помогает в тонкой настройке регуляторов и системы управления энергопотреблением. Более длительное время симуляции (в 16 раз больше реального времени в режиме normal mode и в 3,5 раза больше, чем в режиме Accelerator) позволяет более точно представлять поведение электрической системы. Ниже приведены результаты различных систем:
Подробная модель
На этой фазе моделирования модели средних значений конвертеров заменяются степени полупроводниковыми переключателями. Также определяется способ формирования сигналов, модулированных по ширине импульса (PWM).
Преобразователь постоянного/постоянного тока
Для детальной модели преобразователя постоянного/постоянного тока выход ПИ-контроллера отправляется на модулятор ширины импульса, который выбирает импульсную последовательность, необходимую для поддержания напряжения шины постоянного тока вблизи ссылки значения. Сигналы PWM затем посылаются непосредственно на одну стойку степени полупроводниковый переключатель.
Приводы двигателя и генератора
Для детальной модели этих элементов инвертор среднего значения заменяется ключами с степень полупроводниками, состоящими из 6 пар IGBT/диод. Сигнал выхода контроллера вектора передается на контроллер гистерезиса, который генерирует необходимые сигналы PWM. Для получения дополнительной информации об этих системах см. PM Synchronous Motor Drive.
Результаты симуляции
Симуляция детальной модели дает много информации относительно преобразователей степени. Фактически, это позволяет выбрать метод генерации ШИМ, регулировку частоты переключения (для преобразователя постоянного тока/постоянного тока) и настройку полосы гистерезиса регулятора тока, необходимой для управления вектором (двигатель и генератор). Кроме того, это позволяет точно определять размеры преобразователей, поскольку текущие значения токов точно известны. Выбор степени полупроводниковых переключателей и определение размеров теплоотводов могут быть сделаны впоследствии.
В более широком представлении эта симуляция помогает с высокой точностью подтвердить операцию электрической цепи и позволяет обнаруживать любые проблемы, вызванные нестабильностью, перегрузкой по напряжению или перегрузкой по току. Такая высокая степень точности получается, конечно, по цене более длительного времени расчета. Фактически, время симуляции примерно в 90 раз превышает реальное время в режиме Accelerator. Ниже приведены результаты различных систем:
Сравнение многоуровневой точности моделирования
Что касается точности, механические сигналы (скорость и крутящий момент транспортного средства) и электрические сигналы (средняя степень от различных элементов) очень близки для всех трех моделей. На самом деле ошибка на скорости транспортного средства составляет менее 2 Км/ч и 1,5 Км/ч для упрощенной и средней моделей значения соответственно. Что касается степени мотора, динамика упрощенной и средней моделей значения также близка к подробной модели. Основное различие заключается в высокой частоте компонентов, присутствующих на детализированных сигналах модели из-за частоты переключения инвертора. Максимальная ошибка от двух моделей составляет менее 5000 Вт (ниже 10%), а средняя ошибка ниже 5%.
Что касается транспортного средства крутящего момента, три модели очень близки с максимальной ошибкой 5%. При внимательном рассмотрении различий (правый рисунок) отмечается, что упрощенная модель реагирует мгновенно на эталонный крутящий момент, требуемый системой управления энергопотреблением. Для модели среднего значения крутящий момент постепенно увеличивается до желаемого крутящего момента с большей точностью по сравнению с детализированной моделью. Снова, подробная модель характеризуется сигналом высокой частоты, генерируемым частотой переключения электрической системы.
Что касается сигналов батареи, упрощенная и средняя модели значения точно следуют динамике детализированной модели без высокой частоты компонента.
Одно из основных различий между упрощенной и средней моделями значений определяется электрическими сигналами от двигателя и генератора. Фактически, упрощенная модель не может представлять двигатель или ток генератора. Различие между средним значением и детализированными моделями является наличие высокой частоты компонента на детальной модели. Амплитуда токов в точности одинаковая для двух моделей, в то время как фаза может быть различной из-за изменений механической скорости.
Вот таблица, в которой суммируются различия между различными детализированными уровнями:
Заключение
В заключение, уровень выбранной точности зависит от стадии разработки, над которой работает инженер. Для примера в начале процесса системный инженер хочет моделировать свою систему, чтобы иметь представление о том, как она работает, с целью эффективной настройки системы управления энергопотреблением. Симуляция упрощенной модели помогает определить скорости, крутящие моменты и электрические степени, существующие в системе. Поскольку эта модель требует меньше времени вычисления (менее чем в 1 раз больше реального времени), возможно изучить несколько строения и получить результаты, близкие к реальности, за 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 (менее чем в 4 раза больше реального времени в режиме Accelerator) приемлемо. Это позволяет проверить поведение системы и настроить как систему управления, так и систему управления энергопотреблением.
Наконец, специалист по степени электронике может использовать детальную модель, чтобы выбрать степень полупроводниковые компоненты на основе мгновенных и средних значений токов и напряжений. Потери могут быть оценены (для проекта теплоотвода), частота переключения может быть скорректирована в порядок, чтобы гарантировать, что электромагнитная интерференция (EMI) не повлияет на другие системы. Более того, полная симуляция детальной модели позволяет подтвердить поведение различных элементов в системе и при необходимости точно настроить систему управления энергопотреблением. Конечно, этот высокий уровень точности приходит с большим временем вычисления, примерно в 90 раз больше, чем в реальном времени. Но это большое время все еще приемлемо, если сравнивать со временем, необходимым в экспериментальной настройке.
Очевидно, что при разработке детализированной или средней модели значения можно изолировать некоторые блоки, такие как преобразователь DC/DC или приводы двигателя и генератора в порядок для предварительной настройки каждой системы. Блок может быть добавлен к полной модели, когда он работает правильно.
Наконец, когда симуляционная модель завершена, она представляет реальность с высокой степенью точности. Следующая фаза, которая состоит из реализации системы экспериментально, может быть сделана с меньшим временем и при меньших затратах.