Aeromechs beschleunigt die Optimierung des DAB-Controllers - MATLAB & Simulink

Aeromechs entwickelt eine Dual Active Bridge für das Schalten der Bordelektronik von Flugzeugen bei 400 kHz mit Hardware-in-the-Loop-Tests

Team verkürzt Simulationszeit durch Echtzeitfähigkeit

„Die Berater von MathWorks zeigten uns neue Techniken zur Beschleunigung von Simulationen auf Speedgoat-Testsystemen und ermöglichten uns, unsere Anlagenmodelle auf ein Simulink-programmierbares FPGA-E/A-Modul zu montieren. Sie waren proaktiv und klar und vermittelten uns ihr Wissen zu den besprochenen Themen.“

Wichtigste Ergebnisse

  • Mit Simulink wurden hochpräzise neue DAB-Topologien modelliert und auf einem Speedgoat-Echtzeittestsystem bereitgestellt, was HIL-Tests ermöglichte
  • Fehler im Design wurden ohne teure Leistungselektronik-Prototypen gefunden, wodurch das Schadensrisiko minimiert wurde
  • Emulation physikalischer Eigenschaften und zeitlicher Verhaltensweisen, die ohne Verbindung zur tatsächlichen Hardware normalerweise schwer zu simulieren sind
Oben ein Arbeitsablaufdiagramm, das die beim HIL- und MIL-Testen beteiligten Schritte zeigt, und unten ein Simscape-Modell eines einphasigen DAB.

Für genaue MIL- und HIL-Tests eines DAB und seiner Steuerungsstrategie musste Aeromechs das Modell in Echtzeit auf einem FPGA ausführen, 300-mal schneller als eine Desktop-Simulation.

Die Mission von Aeromechs mit Sitz im italienischen Aversa besteht darin, den Übergang zur CO2-neutralen Luftfahrt durch Elektrifizierung zu unterstützen. Das Unternehmen verfügt über umfassende Erfahrung im DO-178C-Zertifizierungsprozess für Softwareentwicklung sowie in der Entwicklung intelligenter Modelle für das elektrische Energiemanagement mithilfe eines modellbasierten Ansatzes mit automatischer Codegenerierung. Mit seinem Fachwissen entwickelt Aeromechs intelligente Energiemanagementstrategien für eine Vielzahl von Stromrichtern, einschließlich Dual Active Bridges (DABs), die mit ihrem bidirektionalen Stromfluss und ihren Isolationsfähigkeiten für die Sicherheit und Effizienz der elektrischen Energiesysteme von Flugzeugen von entscheidender Bedeutung sind.

Aufgrund der strengen Anforderungen für Luftfahrtanwendungen müssen DABs jedoch über hohe Schaltfrequenzen verfügen, was eine hochdynamische Pulsweitenmodulation (PWM) erfordert. Dadurch werden Spannungsschwankungen verringert und die Bordgeräte erhalten eine saubere Stromversorgung. Hochfrequenz-Schalten reduziert auch die Größe passiver Elemente und trägt so zur Reduzierung des Gerätegewichts bei – was eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von CO2-Emissionen durch den Flugverkehr spielen kann. Andererseits bringt eine Erhöhung der Frequenz auch Nachteile mit sich, wie etwa höhere Schaltverluste, höhere elektromagnetische Störungen und eine höhere Belastung der Bauteile. Angesichts dieses Kompromisses ist es wichtig, optimale Schaltfrequenzen zu finden.

Um den Controller für DAB mit 400 kHz Schaltfrequenz zu optimieren, nutzte Aeromechs Simulationen, die den Controller unter genau den Bedingungen testen, die im realen Betrieb vorherrschen. Obwohl diese Simulationen mit Model-in-the-Loop-Tests (MIL) auf einem Desktop-PC möglich wären, wären sie selbst für eine Simulation von wenigen Millisekunden zu langsam. Stattdessen wollte das Team die Simulationszeit durch Echtzeitfähigkeit verbessern. Sie modellierten daher die DAB mit höherer Genauigkeit unter Verwendung von Simulink®. Um sicherzustellen, dass dieses komplexere Modell in Echtzeit ausgeführt werden kann, wurde es auf einem Speedgoat® Echtzeit-Testsystem bereitgestellt, ausgestattet mit einem Simulink-programmierbaren FPGA-E/A-Modul. Die Berater von MathWorks berieten Aeromechs bei der Beschleunigung der Simulation und Codegenerierung.

Die Steuerungsstrategie auf einer Zielplatine und die DAB-Regelstrecke konnten dann in Echtzeit nebeneinander ausgeführt werden, was zu einer fast 300-fachen Geschwindigkeitssteigerung gegenüber der Desktop-Simulation führte. Diese Beschleunigung ermöglichte es Aeromechs, Hardware-in-the-Loop-Tests (HIL) durchzuführen und Zeit beim Debuggen des physischen Systems zu sparen. In Zukunft beabsichtigt das Team, HIL-Methoden früher im Designzyklus anzuwenden, um beispielsweise Stimuli anzulegen und dabei die Ergebnisse interaktiv anzuzeigen.