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Aeromechs - Hardware-in-the-Loop 테스트를 통한 400kHz에서의 항공기 온보드 전력전자 스위칭을 위한 이중 활성 브리지 개발 사례
실시간 기능을 통해 시뮬레이션 시간을 단축한 팀
"MathWorks 컨설턴트는 Speedgoat 테스트 시스템에서 시뮬레이션 속도를 높이는 새로운 기법을 보여주었고, 우리의 플랜트 모델을 Simulink의 프로그래밍 가능 FPGA I/O 모듈에 적용할 수 있도록 도와주었습니다. 그들은 적극적이고 명확했으며 논의된 주제에 대한 지식을 우리에게 전달해 주었습니다."
주요 성과
- Simulink를 사용한 새로운 고충실도 DAB 토폴로지 모델링 및 Speedgoat 실시간 테스트 시스템으로의 배포를 통한 HIL 테스트 활성화
- 값비싼 전력전자 프로토타입 없이도 설계 오류를 발견해 손상 위험 최소화
- 실제 하드웨어에 연결하지 않고는 일반적으로 시뮬레이션하기 어려운 물리적 특성 및 타이밍 동작의 에뮬레이션 활성화
이탈리아의 Aversa에 소재한 Aeromechs의 사명은 전동화를 통해 탄소 중립 항공으로의 전환을 지원하는 것입니다. 이 회사는 소프트웨어 개발을 위한 DO-178C 인증 절차 외에도 자동 코드 생성을 통한 모델 기반 접근 방식을 사용한 스마트 전력 관리 모델 개발에 대한 풍부한 경험을 보유하고 있습니다. Aeromechs는 그들의 전문성을 바탕으로 항공기 전력 시스템의 안전성과 효율성에 필수적인 양방향 전류 흐름과 절연 기능을 갖춘 DAB(이중 활성 브리지)를 비롯한 다양한 전력 컨버터의 스마트 전력 관리 전략을 개발하고 있습니다.
그러나 항공 응용 사례의 엄격한 요구사항으로 인해 DAB는 높은 스위칭 주파수를 가져야 하며, 따라서 매우 동적인 PWM(펄스 폭 변조)가 필요합니다. 이를 통해 전압 리플이 줄어들어 온보드 장비에 깨끗한 전력 공급이 가능합니다. 고주파 스위칭은 수동 소자 크기를 줄여 장비 무게를 줄이는 데 도움이 되며 이는 항공으로 인한 CO2 배출 감소에 필수적인 역할을 할 수 있습니다. 반면, 주파수를 높이면 스위칭 손실이 커지고, EMI 배출이 늘어나고, 부품 스트레스가 커지는 등의 단점이 있습니다. 이러한 상충관계를 감안할 때, 최적의 스위칭 주파수를 찾는 것이 중요합니다.
400kHz 스위칭 주파수를 갖춘 DAB의 제어기를 최적화하기 위해, Aeromechs는 실제 작동에서 나타나는 정확한 조건에서 제어기를 테스트하는 시뮬레이션을 사용했습니다. 이러한 시뮬레이션은 데스크톱 PC에서 MIL(Model-in-the-Loop) 테스트를 통해 가능했지만, 단 몇 밀리초 동안의 시뮬레이션을 실행하기에도 너무 느렸습니다. 대신, 팀은 실시간 기능으로 시뮬레이션 시간을 개선하고자 했습니다. 따라서 그들은 Simulink®을 사용하여 더 높은 충실도로 DAB를 모델링했습니다. 그리고 보다 복잡한 모델을 실시간으로 실행할 수 있도록 이를 Simulink의 프로그램 가능 FPGA I/O 모듈을 갖춘 Speedgoat® 실시간 테스트 시스템에 배포했습니다. MathWorks 컨설턴트는 Aeromechs에 시뮬레이션 및 코드 생성 속도를 높이는 방법에 대해 조언했습니다.
타겟 보드의 제어 전략과 DAB 플랜트 모델을 실시간으로 나란히 실행하면 데스크톱 시뮬레이션보다 약 300배 빠른 속도를 얻을 수 있습니다. 이러한 속도 향상을 통해 Aeromechs는 HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트를 수행하고 물리 시스템 디버깅에 소요되는 시간을 절약할 수 있었습니다. 앞으로 팀은 자극을 적용하고 결과를 대화형 방식으로 볼 수 있도록 설계 주기의 초기 단계에서 HIL 방법을 적용할 계획입니다.