Управление электроприводом

Под валидацией требований к системе мы понимаем ряд процедур, в результате которых мы можем сделать вывод о целесообразности и реализуемости выбранного технического решения. Валидировать требования к системе сложно, если она состоит из многих подсистем различной физической природы. В случае с электроприводом мы сталкиваемся с электромагнитными, тепловыми, механическими эффектами и особенностями аппаратной реализации. Рассмотрим некоторые примеры.

Проблематика:

• Перед созданием прототипа системы необходимо убедиться в ее реализуемости. Пример: будет ли достаточно для заданной скорости заложенной мощности?

• Необходимо определиться с требованиями к компонентам системы. Пример: удовлетворяет ли выбранная емкость батареи ожиданиям от системы?

• Поставщик не может реализовать требования по ряду причин. Как это отразится на системе? Пример: нет серийной батареи с требуемым уровнем напряжения.

Решение: 

Мы предлагаем построить модель вашей системы для решения такого типа проблем. С помощью такой модели вы получите формальный ответ о реализуемости системы, сможете перебрать различные конструкторские решения реализации системы, оптимизировать требования к системе и принять решение о старте работ. Более того, вы сможете проверить энергетику и произвести расчет переходных процессов электропривода в составе системы.

Необходимо проверить возможность реализации системы с электроприводом с точки зрения обеспечения энергетического баланса. При моделировании происходит уточнение энергетических параметров каждого узла, таких как КПД, токи и напряжения.

Проблематика:

• Необходимо определиться с энергетическими параметрами для выбранной элементной базы и режимов эксплуатации. Пример: учет падения напряжения батареи с ростом мощности и динамикой ее разряда.

• Определить средние и пиковые мощности потерь в системе с учетом КПД элементов. Пример: Понять потери на силовом преобразователе при циклической нагрузке.

Решение:

Уточнить модели компонентов с учетом нелинейностей и КПД, оценить тепловые потери и интегральный КПД системы. На такой модели можно проводить испытания на произвольном нагрузочном цикле без построения натурного прототипа.

Анализ переходных процессов в элементах электропривода с наложением различных физических ограничений (скоростей, ускорений, токов, напряжений и т.д.) является критическим этапом при выборе компонентов системы. Анализ такого типа позволит лучше понять и увидеть взаимное влияние компонентов и их влияние на систему в целом.

Проблематика:

• Необходимо выработать требования для алгоритмической части системы управления. Пример: рассчитать необходимую частоту дискретизации алгоритмов.

• Определить требования к исполнительным элементам. Пример: с какой частотой должен работать силовой преобразователь?

• Убедиться, что выбранные компоненты обеспечат необходимое качество управления. Пример: гарантирует ли выбранная измерительная система заданное качество управления?

Решение:

Строим детальную модель элементов системы: шины, ЦАП/АЦП, алгоритмы и т.д. Таким образом мы получаем полноценную системную модель с учетом всех необходимых эффектов. В результате такого анализа мы можем выработать частные технические задания на все компоненты системы.

Математическая модель является "хорошей", если выполняет поставленную перед собой задачу. Это значит, что для валидации требований к системе модель может быть "грубой", однако для разработки алгоритмов управления нужна детализированная модель. В зависимости от поставленной задачи можно сфокусироваться на детальном моделировании источника питания, силовой части преобразователя или же процессов в самом электродвигателе. 

Проблематика: 

• Эффекты источника питания. Пример: характеристики заряда и разряда батарей с различной "химией".
• Исследование колебательных эффектов преобразователя. Пример: влияние "паразитных" элементов, либо анализ резонансов.
• Исследование нелинейностей в электродвигателе. Пример: влияние эффектов насыщения и зубцовых моментов на систему управления.

Решение:

Строим детализированную модель объекта интереса с помощью библиотечных блоков, либо создаем математическую модель необходимой степени детализации самостоятельно. 

Разработка и тестирование встраиваемого ПО для управления силовой электроникой занимает существенное время в проекте. Большинство проектов выходят на этап производства без продуманной архитектуры ПО, оптимального и протестированного алгоритма управления. Проведение натурных испытаний реального оборудования при разработке системы управления силовой электроникой является дорогостоящей процедурой, особенно при разработке новых и неопробированных алгоритмов. 

Проблематика:

• Разработка на реальном оборудовании может привести к выходу системы из строя. Пример: перезаряд конденсаторов звена постоянного тока при рекуперации электродвигателя.
• Сложно перейти на новую архитектуру системы управления. Пример: проверка и тестирование нового регулятора.
• Сложность алгоритмов. Пример: плавное переключение между различными регуляторами в зависимости от режима работы.

Решение:

Разработать алгоритмы управления в виде модели и отладить их в составе общей системной модели. Это снизит риски и стоимость выхода на натурные испытания, позволит выбрать оптимальные архитектуру и алгоритм управления, а также быстро перебрать различные варианты алгоритмов управления. В дальнейшем модели алгоритмов управления могут быть быстро перенесены на испытательный стенд или целевой процессор.

Проблематика:

Необходимо протестировать придуманный алгоритм управления, когда он написан на "бумаге" или в виде модели, но не перенесен на электронный блок управления по причине недоступности самого вычислителя или долгих итераций при реализации алгоритма на вычислителе программистами.

Решение:

Необходимо произвести подключение стенда полунатурного моделирования к испытываемой системе вместо электронного блока управления, который недоступен, и произвести запуск модели алгоритма управления в режиме жесткого реального времени буквально по нажатию одной кнопки. Таким образом можно убедиться, что выбранный алгоритм управления работает корректно, если же нет, то производится коррекция алгоритма на уровне модели. 

Такой подход позволяет проводить быстрые итерации при разработке алгоритмов управления в реальном окружении, не обладая профессиональными навыками программиста.

Проблематика:

• Необходимо провести испытания готового блока управления, однако этот процесс может быть очень дорог, требовать специальных и труднодостижимых условий, а также быть небезопасным для здоровья людей или сохранности испытываемого изделия. 

Решение:

Необходимо подключить разработанный блок управления к комплексу полунатурного моделирования, на котором запущена математическая модель объекта управления или окружения в режиме жесткого реального времени. Такой подход позволяет проводить систематические комплексные испытания в любых режимах эксплуатации без риска нанесения вреда изделию или испытателям в лабораторных условиях. 

К такому стенду можно подключать реальные устройства, которые уже доступны, или постепенно заменять математические модели реальными компонентами, входящими в состав изделия.

Подход модельно-ориентированного проектирования позволяет быстро и надежно переносить алгоритмы управления на встраиваемые платформы. Это позволяет минимизировать ошибки программиста, быстро вносить и тестировать коррекции в проект и проводить верификацию встраиваемых систем.

Проблематика:

• Алгоритмист и программист не могут "договориться" о реализации алгоритма. Пример: придуманный алгоритм не удовлетворяет требованиям по на выбранной элементной базе.
• Итерации при реализации алгоритмов на встраиваемой системе длинны, что приводит к задержкам проекта. Пример: программист одновременно выполняет несколько проектов и приходится долго ждать.
• Написанный встраиваемый код понятен только программисту, что дает повод к "инженерной археологии". Пример: отсутствие прослеживаемости кода к ТЗ и специфика конкретного программиста не дают возможности вносить изменения или переиспользовать код в других проектах.

Решение:

Применить автоматическую генерацию кода из уже разработанных и отлаженных моделей алгоритмов управления. Сгенерированный код читаем, прослеживаем к ТЗ и математической модели, быстро генерируется, а также может быть сертифицирован по индустриальным стандартам, таким как ГОСТ Р МЭК 61508, КТ-178, ГОСТ Р ИСО 26262-6-2014, ГОСТ 51904-2002.

Существенно упрощает разработку наличие готовых профилей для генератора кода под популярные модели микропроцессоров (Texas Instruments, Миландр, Renesas, ST и т.д.).