전력 전자 HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트

HIL(Hardware-in-the-Loop) 테스트는 시스템 하드웨어 없이 임베디드 코드에 대한 테스트를 시작할 수 있는 실시간 시뮬레이션입니다. HIL 테스트를 이용하면, 개발 중인 코드가 사양 내에서 작동하지 않을 경우에 하드웨어를 손상시킬 수 있는 비정상 및 고장 상태를 테스트할 수 있게 됩니다. 전기차량와 신재생 에너지 시스템에서 전력 전자 제어 시스템은 필수 불가결한 부분입니다. 하드웨어 손상 위험이 있기 때문에 모든 과도 조건에 걸쳐 시스템을 시험하지 못하므로, 프로토타입을 테스트하여 이러한 제어 시스템의 임베디드 코드를 검증하기는 어렵습니다.

모델링하는 전기 시스템 다이내믹스의 복잡성 및 사용하는 실시간 컴퓨터 하드웨어에 따라 HIL 시뮬레이션의 성능이 좌우됩니다. 예를 들면, 모터 드라이브 인버터의 전력 전자 스위칭 거동을 모델링할 방법이 있습니다. 스위칭 기간에 걸쳐 전압의 평균을 구하는 평균 값 인버터 모델을 사용하면 연산이 빨라지고 필요한 다이내믹스가 제공됩니다. 그리고 전력 전자 구성요소에 주입한 고조파가 미치는 영향을 이해하기 위해서 HIL 컴퓨터의 프로세서에 on-off 거동을 포함시키고 동작시킬수 있습니다.

스위칭 거동을 시뮬레이션할 때 실시간 거동을 보장하기 위해, 실제 시스템의 예상되는 스위칭 속력보다 100배 빠른 시뮬레이션 샘플링 주파수로 실행해야 합니다. 예를 들면, 10kHz의 스위칭 주파수로 실행되는 모터 제어 응용 프로그램에서 HIL 시뮬레이션은 스위칭 디바이스가 유발하는 비선형성을 포착하기 위해 1MHz로 실행되어야 합니다. 1MHz 이상으로 시뮬레이션을 실행하기 위해서는 낮은 I/O 레이턴시를 갖는 실시간 시스템이 있어야 하고 그러한 동작 주파수를 달성할 수 있는 프로세서가 있어야 합니다.

전력 전자 시스템에 대한 HIL 테스트를 수행할 때, 스위칭 다이내믹스가 있는 시스템을 시뮬레이션하는 데 CPU가 좋은지, 아니면 FPGA가 좋은지에 대한 절대적인 기준은 없습니다. 결정할 때는 모델의 복잡도, 전력 전자의 수학적 세부사항, 부하와 전원의 모델링 세부사항, 채널 개수, 테스트 시스템 I/O의 유형 등을 고려해야 합니다. 사용하는 HIL 시스템이 데스크탑 시뮬레이션 모델을 다수의 코어와 다양한 프로세서들로 분할할 수 있다면, CPU와 FPGA를 모두 사용하는 것이 바람직하다는 사실을 알게 되실 것입니다.

MATLAB 및 Simulink를 이용한 HIL 시뮬레이션

전력 전자 시스템에 대한 HIL 테스트는 액티브 및 패시브 회로 구성요소, 부하, 전원의 전기적 거동을 모델링하는 제어 시스템 시뮬레이션부터 시작합니다. Simulink^® 및 Simscape Electrical™을 이용하여 시스템 모델을 구축하고 시뮬레이션할 수 있습니다. Simulink Coder™를 사용하여 전기 모델에서 C 코드를 생성하고 HDL Coder™를 통해 HDL 코드를 생성하십시오. 제어 코드를 테스트하기 위해 실시간 컴퓨터에 이러한 코드를 배포하여, 다양한 정상 및 고장 작동 조건에 대해 코드를 검증할 수 있습니다. Simulink Real-Time™을 이용하면 코드를 Speedgoat 실시간 타겟 머신에 배포할 수 있습니다. 그뿐만 아니라 Speedgoat은 전력 HIL을 지원하기 때문에 배터리 관리 시스템(BMS), 전기 파워트레인, 신재생 에너지 시스템 등을 테스트할 수 있습니다. Speedgoat를 사용한 계통측 컨버터의 HIL 테스트에 대해 알아봅니다.