Aeromechs impulsa la optimización del controlador DAB - MATLAB & Simulink

Aeromechs integra un puente activo dual para conmutación de electrónica de potencia a 400 kHz en aeronaves con pruebas de hardware-in-the-loop

Reducción del tiempo de simulación con capacidad en tiempo real

“Los consultores de MathWorks nos mostraron nuevas técnicas para acelerar las simulaciones en los sistemas de prueba Speedgoat y nos ayudaron a adaptar nuestros modelos de planta a un módulo de E/S FPGA programable con Simulink. Su enfoque fue claro y proactivo, y nos permitió aprender sobre distintos temas”.

Resultados principales

  • Nuevas topologías de DAB de alta fidelidad modeladas con Simulink e implementadas en un sistema de prueba en tiempo real Speedgoat, lo que permite realizar pruebas de HIL
  • Detección de errores en el diseño sin necesidad de costosos prototipos de electrónica de potencia, lo que disminuye el riesgo de daños
  • Capacidad de emular características físicas y comportamientos temporales que normalmente son difíciles de simular sin conexión al hardware real
Diagrama de flujo que muestra los pasos de las pruebas de HIL y MIL en la parte superior y un modelo de Simscape de un DAB monofásico debajo.

Para realizar pruebas de MIL y HIL precisas de un DAB y su estrategia de control, Aeromechs necesitaba ejecutar el modelo en un FPGA en tiempo real, 300 veces más rápido que la simulación en escritorio.

La misión de Aeromechs, con sede en Aversa, Italia, es promover el cambio hacia una aviación sin emisiones de carbono mediante electrificación. La empresa tiene una sólida experiencia en el proceso de certificación DO-178C para el desarrollo de software, así como en el desarrollo de modelos inteligentes de gestión de energía eléctrica utilizando un enfoque basado en modelos con generación automática de código. Con su experiencia, Aeromechs desarrolla estrategias de gestión inteligente de energía para una variedad de convertidores de potencia y puentes activos duales (DAB), que, con flujo de corriente bidireccional y prestaciones de aislamiento, son esenciales para la seguridad y la eficiencia del sistema de energía eléctrica de aeronaves.

Sin embargo, los estrictos requisitos para las aplicaciones de aviación implican que los DAB deben tener frecuencias de conmutación altas, lo que requiere una modulación por ancho de pulso (PWM) altamente dinámica. Esto reduce las fluctuaciones de voltaje y proporciona un suministro de energía limpio a los equipos integrados. La conmutación de alta frecuencia también reduce el tamaño del elemento pasivo, lo que ayuda a reducir el peso del equipo. Esto desempeña un papel fundamental en la disminución de emisiones de CO2 causadas por la aviación. Por otro lado, aumentar la frecuencia también tiene desventajas, como mayores pérdidas de conmutación, mayores emisiones de EMI y mayor estrés en los componentes. Teniendo en cuenta este tradeoff, es importante encontrar frecuencias de conmutación óptimas.

Para optimizar el controlador de DAB con una frecuencia de conmutación de 400 kHz, Aeromechs utilizó simulaciones que prueban el controlador en las condiciones idénticas al mundo real. Si bien estas simulaciones eran posibles con pruebas de model-in-the-loop (MIL) en una PC de escritorio, serían demasiado lentas, incluso durante unos pocos milisegundos de simulación. En cambio, el equipo de trabajo necesitaba mejorar el tiempo de simulación con capacidad en tiempo real. Por lo tanto, modelaron el DAB con mayor fidelidad utilizando Simulink® y, para garantizar que este modelo más complejo pudiera ejecutarse en tiempo real, lo implementaron en un sistema de pruebas en tiempo real Speedgoat® equipado con un módulo de E/S FPGA programable con Simulink. Los consultores de MathWorks asesoraron a Aeromechs sobre cómo acelerar la simulación y la generación de código.

La estrategia de control en una placa objetivo y el modelo de planta de DAB podrían entonces ejecutarse en tiempo real, uno al lado del otro, lo que da como resultado una aceleración de casi 300 veces con respecto a la simulación en escritorio. Esta aceleración permitió a Aeromechs realizar pruebas de hardware-in-the-loop (HIL) y ahorrar tiempo en la depuración del sistema físico. En el futuro, el equipo de trabajo planea aplicar los métodos de HIL en etapas más tempranas del ciclo de diseño, por ejemplo, para aplicar estímulos y ver los resultados de forma interactiva.