Aktuální vydání

celé číslo

01

2020

Operátorské panely, HMI, SCADA

celé číslo

Návrh systému řízení pohonu kompresoru pro automobil s palivovými články

Jednou z nezbytných komponent pohonného systému automobilů založeného na palivových článcích je výkonná kompresorová jednotka. Společnost ATB Technologies musela při realizaci elektrického pohonu pro takovou jednotku splnit striktní požadavky zadavatele na technické parametry i termín dodání zařízení. Pohon byl úspěšně vyvinut při použití nástrojů Matlab® a Simulink® od firmy MathWorks®.
 
Společnost ATB Technologies měla za úkol vyvinout a dodat výkonnou kompresorovou jednotku pro automobil s palivovými články, které slouží jako zdroj elektrické energie pro trakci (obr. 1). Kompresorová jednotka se skládá z pohonu, tvořeného elektromotorem, řídicím softwarem a elektronikou motoru, a dále obsahuje vlastní kompresor a ostatní mechanické komponenty.
 
Při vývoji byl kladem důraz na striktní dodržení veškerých technických i termínových požadavků zákazníka. K dosažení nadstandardních dynamických vlastností a účinnosti kompresorové jednotky bylo nezbytně nutné zajistit vedle kvalitních komponent i jejich dokonalou součinnost. Pozornost zde byla soustředěna především na pohon kompresoru a jeho řídicí systém.
 
Od pohonu kompresoru jsou v daném případě požadovány zejména velký krouticí moment, značná akcelerace a maximální otáčky až 20 000 min–1. Požadavkům nejlépe vyhovuje bezkartáčový synchronní elektromotor s permanentními magnety (obr. 2). K dosažení maximální výkonnosti pohonu je nutné použít pokročilé řídicí algoritmy zahrnující vektorové řízení a metody zeslabování magnetického pole.
 
Řídicí software byl vytvořen metodou návrhu s použitím modelu (Model-Based Design – MBD) softwarovými nástroji od firmy MathWorks. Vývojový cyklus MBD byl použit ve všech fázích návrhových prací, od modelování a simulací systému, které umožnily řídicí software včas ověřit, až po automatické generování kódu v jazyce C pro zvolený řídicí mikroprocesor TI C2000.
 

Dosavadní postup při realizaci projektů

 
Techniky modelování a simulace využívala společnost ATB Technologies již v minulosti. Po ověření funkce modelů však dosud následoval ruční přepis algoritmů do zdrojového kódu pro zvolenou cílovou výpočetní platformu. Ruční zápis zdrojového kódu je ale časově náročný a často při něm vznikají chyby. Také je obtížné prokázat zákazníkovi, že byly dodrženy veškeré požadavky, a to včetně souladu se standardy řady MISRA C.
 
Konstruktéři ve firmě ATB Technologies proto potřebovali vývojové prostředí umožňující nejen včas verifikovat řídicí algoritmus, ale také automaticky generovat kód pro zvolený cílový procesor a realizovat rychlé iterace návrhu v průběhu vývojových prací. Rozhodli se pro vývojové a výpočetní prostředí Matlab & Simulink od firmy MathWorks, které jim dovoluje postupovat při realizaci projektu způsobem podle obr. 3.
 

Realizace projektu

 
Jako první krok byl v grafickém nástroji Simulink sestaven model dynamického chování pohonu, do kterého byly zahrnuty experimentálně zjištěné hodnoty jeho fyzikálních parametrů. Výchozí podoba řídicího systému byla vytvořena pomocí softwarového modulu Stateflow, určeného k modelování řídicí logiky a stavových automatů. Funkceschopnost takto navrženého řídicího algoritmu byla ověřena simulací zpětnovazebního zapojení modelu řízené soustavy s regulátorem.
 
Při vylepšování modelu regulátoru byly přidány filtry pro redukci šumu a také zkontrolována stabilita výpočtů prováděných v pevné řádové čárce.
 
Po ověření modelu regulátoru počítačovými simulacemi byly použity generátory kódu, které přeložily řídicí algoritmy z modelů existujících v prostředí Simulink do podoby kódu pro cílový mikroprocesor TI C2000. Vedle kódu samotného řídicího algoritmu byly vygenerovány i kódy ovladačů pro vestavěné periferie procesoru a jeho časování.
 
Správnost chodu funkcí realizovaných procesorem byla zkontrolována při použití tzv. kosimulačního rozhraní mezi procesorem a testovacími rutinami zapsanými ve formě modelů v prostředí Simulink. Filtry signálů byly naladěny na základě spektrální analýzy naměřených údajů.
 
Protože byl řídicí systém navržen dříve, než měli konstruktéři k dispozici vybraný motor, byly jeho počáteční zkoušky provedeny při použití srovnatelného motoru s obdobnou elektronikou. Později byla do programu zkoušek zakomponována finální elektronika a nakonec proběhly zkoušky sestavy s finálním motorem i jeho elektronikou. V každé z těchto iterací byly dále zpřesňovány řídicí algoritmy v prostředí Simulink a byl znovu generován výsledný kód.
 

Výsledky

 
Společnost ATB Technologies vyvinula kompresorovou jednotku, včas a v potřebné kvalitě. Pohon je nyní vyráběn sériově a dodáván jako jedna z komponent současných automobilů s palivovými články. Použití metody MBD při vývoji řídicího systému pohonu přineslo následující poznatky.
 

Zkrácení doby vývoje na polovinu

Automatické generování kódu pro cílový procesor umožnilo vyvinout kompresorovou jednotku za polovinu doby potřebné k realizaci podobného projektu, kde byla také využita metoda MBD, ale pouze s ručním přepisem kódu. Iterační cykly byly mnohem kratší a postup od prvního prototypu k finálnímu zařízení mnohem progresivnější. Dále bylo možné realizovat modulární přístup, který umožňuje opakovaně používat jednou vytvořené modely také v jiných projektech.
 

Snazší ověření správnosti návrhu

S modely vytvořenými v nástrojích Simulink a Stateflow bylo možné zákazníkům prokázat, že navržené zařízení splňuje stanovené požadavky. Modely také zjednodušily posuzování návrhů uvnitř firmy, protože jsou intuitivnější a snáze pochopitelné než zdrojový kód.
 

Urychlení verifikace a přenosu kódu do cílového procesoru

Reálný řídicí procesor se zavedeným kódem lze snadno propojit s prostředím Matlab & Simulink a poté v reálném čase ověřit jeho chování. Například bylo možné sledovat funkci konkrétního filtru a zkontrolovat, zda jsou správně zvoleny hodnoty jeho parametrů. Mnoho času bylo také ušetřeno využitím generovaných ovladačů pro vestavěné periferie a časování procesoru. Takto ověřený výsledný kód mohl být již přímo použit v cílovém procesoru.
Ing. Jaroslav Jirkovský,
 
Obr. 1. Výrobci automobilů ve snaze snížit spotřebu fosilního paliva a emise vyvíjejí vozidla s pohonnými systémy s palivovými články; palivové články vyžadují pro svou činnost sekci řízení přívodu vzduchu, jejíž součástí je i kompresorová jednotka
Obr. 2. Synchronní motor s permanentními magnety použitý k pohonu kompresorové jednotky (foto: ATB Technologies)
Obr. 3. Model-Based Design – od modelu algoritmu ke konečné realizaci