Un banc HIL innovant valide le logiciel embarqué dans les onduleurs SOCOMEC

Thierry Rohmer, SOCOMEC SA

"Grâce à NI et OPAL-RT, nous disposons désormais d’une solution matérielle et logicielle de validation HIL temps réel haute performance, permettant d’améliorer la qualité des produits et de réduire le temps de développement."

- Thierry Rohmer, SOCOMEC SA

Le défi:

Disposer d’un simulateur HIL de nos convertisseurs de puissance électrique, permettant de valider toutes les fonctions implémentées avec des contraintes temps réel très élevées et tester la robustesse des produits dans tous les cas d’utilisation.

La solution​:

Utiliser un châssis PXI Express de National Instruments et les cartes FPGA supportant le solveur eHS64 d’OPAL-RT ainsi que la suite logicielle NI avec LabVIEW et VeriStand pour le noyau temps réel et TestStand pour l’automatisation des tests.

Le Groupe SOCOMEC est présent sur les cinq continents, soit au travers de ses filiales directes, soit au travers de distributeurs. Grâce à son esprit d’innovation permanente, SOCOMEC est leader dans ses différentes activités toutes dédiées à l’équipement électrique dans le domaine tertiaire et industriel : la coupure et protection (fusibles, sectionneurs, interrupteurs), l’efficacité énergétique (compteurs d’énergie et capteurs électriques), les convertisseurs de puissance dont les Alimentations Sans Interruption (ASI ou UPS) et le service (maintenance des produits, formations et conseils au client).

 

Détails de l'application


Pour nos besoins de validation, nous avons souhaité une solution clés en main, éprouvée et modulaire. Après avoir consulté différents fournisseurs de systèmes de simulation HIL, nous avons retenu le duo NI et OPAL-RT car leur offre commune répondait au mieux à nos contraintes telles que :

  •  Simuler nos convertisseurs fonctionnant avec une fréquence de découpage au-delà de 10 kHz (donc un modèle fonctionnant au-delà de 200 kHz);
  • Supporter plus de 150 variables de simulation avec plus de 50 semi-conducteurs, 36 entrées de commande PWM et 30 signaux analogiques temps réel issus du solveur ;
  • Éviter des étapes de compilation longue à chaque modification de schéma du convertisseur ;
  • Avoir une solution unique pour la simulation des convertisseurs et de l’environnement avec de préférence un seul interlocuteur garant de la solution ;
  • Utiliser des produits ou langages de programmation standards du marché.

 

 

 

Pour remplir ces objectifs, NI a proposé une solution matérielle et logicielle incluant la mise en œuvre du solveur eHS64 d’OPAL-RT sur une carte FPGA FlexRIO.


Nous avons désormais la possibilité de modifier pratiquement à la volée nos modèles numériques d’électronique de puissance, simuler avec LabVIEW des modèles d’environnement, faire l’acquisition et la génération de signaux, le tout orchestré en temps réel par VeriStand.
Le banc de test se compose d’un ensemble de cartes électroniques sous test (UUT) légèrement modifiées pour les rendre compatibles avec les signaux électriques entrant ou sortant de la baie d’instrumentation.
Chaque élément est dédié à une tâche particulière. Le contrôleur exécute ainsi des modèles développés sous LabVIEW pour les signaux avec des contraintes temps réel moindres comme les batteries ou les moteurs électriques (< 5 kHz). Le solveur est, quant à lui, dédié à la simulation des convertisseurs de puissance et filtres associés (< 1 MHz) et s’exécute avec un grand déterminisme grâce à l’utilisation du FPGA.

 

 

 

Un projet développé en partenariat avec MESULOG

Après que toute l’équipe ait suivi les formations VeriStand et OPAL-RT, le système a été rendu opérationnel en moins d’une semaine grâce, notamment, à la forte implication des ingénieurs systèmes et de la R&D de NI et OPAL-RT.
Nous avons fait appel à la société MESULOG, partenaire de NI pour nous accompagner durant tout le projet. En travaillant en étroite collaboration, nous avons pu mettre au point l’IHM manuelle avec un investissement total de trois mois-hommes.
Rapidement, les essais ont permis de mettre en évidence des améliorations possibles de nos produits, et nous avons tous été confortés dans l’ensemble des choix technologiques retenus pour ce projet ambitieux.


L’objectif suivant étant l’automatisation des tests, l’équipe a suivi une formation TestStand. Pendant que MESULOG intervenait dans l’architecture logicielle et la réalisation de « briques » TestStand orientées métier, nous avons écrit nos séquences de tests spécifiques communiquant aussi bien avec le contrôleur temps réel qu’avec l’UUT.
En parallèle de notre développement, durant les premiers mois de développement, NI et OPAL-RT ont apporté des modifications du solveur pour mieux répondre à notre besoin.

 

 

De nombreux avantages

SOCOMEC dispose désormais d’un système bien intégré, dans un environnement de développement unique avec VeriStand à la fois pour la partie solveur haute performance et les modèles de simulation. Tout ceci apporte une facilité de développement, une plus grande maîtrise et une stabilité du système.
Le fait de ne pas avoir à créer un modèle moyen des convertisseurs mais de pouvoir compter sur la puissance de calcul des FPGA réduit grandement les efforts pour obtenir le modèle de simulation. Pouvoir modifier un schéma et de voir, en moins d’une minute, les résultats des modifications est un confort inestimable. Si des erreurs se produisent, elles sont très rapidement cernées puis corrigées.


Pour les tests de robustesse, le HIL est le seul moyen qui nous permette de solliciter le matériel dans des conditions d’environnement telles que des températures extrêmes ainsi que des tensions/fréquence du réseau d’alimentation dégradées. Les moyens physiques d’essai jusqu’à présent disponibles n’auraient jamais permis de réaliser toutes les formes imaginables d’onde du réseau que l’on peut observer dans des pays lointains.
Avec ce banc HIL, les développeurs ont accès à une plate-forme de test sans risque Il permet de tester les fonctions puis, le cas échéant, de rejouer les séquences mettant le logiciel embarqué en défaut et ceci dans un temps très court.

 

Conclusion

Les objectifs de cet investissement sont en passe d’être remplis et les perspectives sont plus qu’encourageantes.
Nous allons pouvoir délivrer des produits de meilleure qualité grâce aux tests de non régression et de robustesse que nous effectuons. Nous allons également pouvoir réduire les temps de développement et de validation.

 

Informations sur l’auteur:

Thierry Rohmer
SOCOMEC SA
Tel: 0388574514
thierry.rohmer@socomec.com

Figure 1. System Overview
Figure 2. Detailed System Architecture
Figure 3. Low Model Latency Allowed Us to Better Simulate the System