Mozdonyok hajtásvezérlésének tesztelése környezetszimulációval
Egy összetett rendszer – önmagában is összetett – részegységét sokszor csak annak teljes alkalmazási környezetébe helyezve lehet tesztelni. A környezetszimuláció (Hardware in the Loop – HIL) lehetővé teszi, hogy a vizsgált eszközt fizikai környezetének gyakran megvalósíthatatlan, de legalábbis költséges megvalósítása helyett azt valós időben szimulált, virtuális rendszerkörnyezetbe helyezve vizsgáljuk.
A feladat
A ŠKODA ELECTRIC trolibuszokon, villamosokon, mozdonyokon, elővárosi vonatokon és földalatti szerelvényeken, valamint bányakocsikon alkalmazott elektromos hajtásrendszerek és vontatómotorok élvonalbeli gyártója. Mozdonyok hajtásrendszerének fejlesztése közben merült fel az az igény, hogy az újonnan kidolgozott szabályozó algoritmusok tesztelésére – a vizsgálat idő- és erőforrásigényének csökkentése érdekében – környezetszimulációs (HIL-) elrendezést valósítsunk meg.
A megoldás
Szimulátort építettünk két változatban: az NI CompactRIO-egységeire és az NI PXI Express platformra alapozva, illetve FPGA-kártyával kiegészítve. A szimulációs elrendezés központi eleme a szabályozott szakasz modellje, amelyet az NI LabVIEW rendszertervező program és a „LabVIEW FPGA Module” nevű szoftvermodul segítségével programoztunk be. E modell pontosságát a „LabVIEW Control Design and Simulation Module” nevű programmal igazoltuk.
Az elektromos hajtásrendszer tesztelése
Az elektromos hajtásrendszerben található egy elektromos vezérlőegység (Electrical Control Unit – ECU), amely saját szoftverrel rendelkezik. Az ECU tesztelésén e program vizsgálatát értjük. Az ECU-k tesztelésére számos módszer létezik. Az egyik leggyakoribb változat szerint a vezérlőegységet közvetlenül a szabályozott szakaszhoz csatlakoztatják, és egyedi teszteket futtatnak le. Ez a megközelítés azonban számos probléma forrása lehet. Például, ha a szabályozott szakasz egy több száz kilowatt teljesítményű motor, akkor a megfelelő energiaellátásról is gondoskodni kell, továbbá elegendő helyet kell biztosítani a részegységek számára. Mindezek előkészítése drága és időigényes, ezért a tesztelést új alapokra helyeztük. Ezen új megközelítés egyik fő eleme, hogy a szabályozott szakaszt rendszermodellel helyettesítettük.
A szabályozott szakasz
Az elektromos hajtáslánc egy motorból – amely a jelen esetben egy aszinkron gép –, egy inverterből és ez utóbbi kimeneti feszültségét impulzusszélesség-modulált (PWM-) jelekkel szabályozó vezérlőegységből (ECU) épül fel, amint azt az 1. ábra egyszerű blokkvázlata mutatja. Az ECU bemeneti információit az aszinkron gép három fázisárama és a fordulatszámmérő egyenfeszültsége adja, ezeket használja fel a vezérlőegységen futó szabályozó program; amelynek kimeneti jelei az inverter tranzisztorait vezérlő PWM-hullámalakok. Az ECU logikai be-kimeneti vonalakkal is rendelkezik, emellett CAN- és RS-232 buszon keresztül más vezérlőkkel, illetve számítógépekkel is képes kommunikálni.
1. ábra A vezérlőegység elvi kapcsolási rajza a szabályozott szakasszal együtt. A kék mezőben lévő elemek a szimulált részek
A szimulációs architektúra
Amint említettük, a szimulációs környezetet két változatban valósítottuk meg: az egyik CompactRIO-elemekre, a másik az NI PXI Express platformra épült. Az utóbbi további kiegészítő funkciókat tartalmaz, azonban mindkét elrendezés lényegi felépítése hasonló (2. ábra). A szabályozott szakasz matematikai modellje FPGA-n fut, amely a be- és kimeneti funkciókat is szolgáltatja. Ezek hidat képeznek a szimulátor és a vezérlőegység között. A valósidejű célrendszer gondoskodik a vezérlő számítógép és a szimulátor közötti kommunikációról is (modellek és állandók beállítása) az adatfolyamok hálózaton keresztül történő továbbítása és változók megosztása révén.
2. ábra A szimulátor architektúrája. Adatáramlási irányok a központi számítógép és a többi rendszerelem között
PXI Express-alapú szimulátor
Célunk az volt, hogy a vezérlőegységet ugyanazzal a szoftverrel teszteljük, amely a mozdonyon is fut majd, a tesztelés céljaira történő mindenféle módosítás nélkül. Ennek érdekében az ECU-t a teljes szabályozó rendszerhez kellett csatlakozatni, ami megszigorította a szimulátorral kapcsolatos követelményeket. Illesztőt kellett építeni a ŠKODA-vezérlőrendszer (ŠKODA Control System – ŠCS) és az NI moduljai közé a jelek megfelelő átalakítása érdekében, mert az ŠCS a hajtástechnikában szokásos különleges jelekkel működik; például áramszinteket figyel, magasabb logikai szinteket és optikai átvitelt is alkalmaz.
A PXI Express-hardvert választottuk a teljes rendszer és annak összes interfészkapcsolata szimulációjára. A számításokat ugyanaz a mag végezte, mint a CompactRIO-alapú megoldás esetében, ugyanazokkal a – LabVIEW FPGA alatt kifejlesztett – szoftvermodulokkal.
A 3. ábrán a PXI Express-egységekkel megvalósított szimulátor áttekintő képe látható. A rendszer fő számítástechnikai funkcióit egy NI PXI‑7854R-típusú, multifunkciós, újrakonfigurálható be-kimeneti (RIO-) egység valósítja meg. A készülékházban ezenkívül további modulok – például CAN-vezérlő, gyors digitális be-kimenetek (DIO), tápegységek és további analóg kimenetek – is helyet kaptak. A tápegység az ŠCS által igényelt bemeneti logikai szintek előállítására szolgál, a CAN-modul pedig az ŠCS-sel történő kommunikációt szolgálja. A kimeneti analóg fokozatokat és a gyors DIO-egységet különleges tesztekhez használtuk.
3. ábra A PXIe-szimulátorillesztők és a SKODA-szabályzórendszer összekapcsolása
CompactRIO-alapú szimulátor
A CompactRIO-modulokból összeállított szimulátor egyszerűbb felépítésű, de az FPGA‑ban ugyanazt a számítási modellt használja, mint a PXI Expressre épülő változat. Ez a szimulátor – amely a PXI Express-alapú megoldással ellentétben közvetlenül csatlakoztatható a vezérlőegységhez (4. ábra) – egy Škoda által kifejlesztett hajtásszimulátor korai prototípusa, amely modellalkotási eljárások ellenőrzésére szolgál, mielőtt ezeket az eljárásokat PXI Express-platformra ültetnék át. E változat előnye többek között, hogy hordozható, kisméretű és a szükséges hardverek ára is kedvező.
4. ábra Közvetlenül a vezérlőegységhez csatlakozatott CompactRIO-szimulátor. A jobb oldali doboz egy – csupán a jelutak megfelelő huzalozására szolgáló – csatlakoztatóegység.
Modellalkotás LabVIEW FPGA segítségével
A teljes projekt legnehezebb szakasza az FPGA-alapú, valósidejű modellek kifejlesztése volt, amely komoly kihívást jelentett a mérnökök számára. FPGA-környezetben ugyanis nem használhatók szimulációs eszközök modellek létrehozására. A fejlesztés bemeneti változói differenciálegyenletek, amelyeket megfelelő numerikus módszerekkel kell megoldani. A numerikus egyenletrendszert az FPGA veszi át. Fontos volt, hogy kizárólag fixpontos számítási műveleteket alkalmazzunk, mivel ez az adattípus nagy hatékonyságú matematikai eljárások használatát teszi lehetővé.
Egy fixpontos aritmetikára épülő numerikus matematikai modell megvalósításával párhuzamosan a leképezett rendszert szimulálni kell. Erre a párhuzamos szimulációra azért van szükség, hogy ellenőrizni lehessen az FPGA-n futó fixpontos modellt. A fixpontos számítások eredményeit ugyanis jelentősen befolyásolhatja a részszámítások pontossága. Mindezek miatt fontos a végeredmények visszaellenőrzése.
A „LabVIEW Control Design and Simulation Module”-t párhuzamos szimulációs eszközként használtuk. Maga a párhuzamos szimuláció a következőképpen történt: a fixpontos modellt és a szimulációs ciklust egy VI-állomány hívta meg. Ugyanennek a rendszernek az FPGA-ba betöltött modelljét a „LabVIEW Control Design and Simulation Module”-lal kifejlesztett szimulációs ciklussal hoztuk létre. A fejlesztők számára igen hasznos, hogy egy ponton lehet egy FPGA VI-t és a szimulációt meghívni. Az egyes modellek közötti eltérések könnyen észrevehetők, és a LabVIEW-kódban elvégezhető minden szükséges módosítás. Az FPGA-modellt képviselő VI-állományok ugyanabból a VI-ból hívhatók meg, mint a szimuláció. A LabVIEW ezen képessége igen hasznos a fejlesztők számára, mert a modellek közötti bármely numerikus eltérés azonnal felfedhető, lehetőséget adva a megfelelő paraméterek módosítására.
Az FPGA-alapú, illetve a „LabVIEW Control Design and Simulation Module”-lal és valósidejű célrendszerrel megvalósított modellek összehasonlítása
Az FPGA-alapú modellek jelentős előnye, hogy rövid időközű szimuláció valósítható meg velük, hátrányuk ugyanakkor, hogy kifejlesztésük bonyolultabb.
A „LabVIEW Control Design and Simulation Module” alatt létrehozott, valósidejű célrendszeren futtatott modell is rendelkezik előnyökkel. Noha ezzel nehezen érhető el olyan finom időlépték, mint az FPGA-n futó megoldással, fejlesztési ideje lényegesen rövidebb. A modell matematikai blokkok összekapcsolásával építhető fel, nem szükséges tehát megírni a numerikus eljárásokat. További előnye, hogy minden műveletet kétszeres szóhosszúsággal (64 bites lebegőpontos számítással) hajt végre.
A LabVIEW FPGA platformon futó szimulátorok előnyei
A „LabVIEW Control Design and Simulation Module” és a „LabVIEW FPGA Module” szoftvermodulok funkciói közötti kapcsolatok révén létrehoztuk és visszaellenőriztük egy mozdony fő hajtásláncának a modelljét. A szimulátorok nagy hajtásrendszereket szabályozó, új algoritmusok kipróbálását tették lehetővé, emellett segítségükkel fejlesztőink a szoftverek tesztelésére is több időt tudtak fordítani. Jelenleg még a fejlesztések korai szakaszában tartunk, és számos ötlettel rendelkezünk a szimulátor továbbfejlesztésére. A szimulátort először az elektromos meghajtású RegioPanther járművön próbáltuk ki (5. ábra), a mozdony vezérlőszoftverének tesztelésére és ellenőrző vizsgálatára.
5. ábra Próbaúton a RegioPanther-szerelvény
Szerző: Jan Švanda – ŠKODA ELECTRIC a.s.
National Instruments Hungary Kft.
1117 Budapest, Neumann J. u. 1/E 2. em. (Infopark E ép.)
Tel.: +36 1 481 1400
Fax: +36 1 203 3490
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
hungary.ni.com
Szakmai tanácsadás: 06 80 204 704
Technikai kérdések: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Még több National Instruments
Címkék: Hardware in the Loop | CompactRIO | LabView | szimuláció | mozgásvezérlés | környezetszimuláció
