NI 고성능 전기 모터 시뮬레이션

전기 드라이브 엔진 컨트롤 유닛(ECU)용 제어의 입력 및 출력은 내부 연소 엔진용 파워 트레인 ECU의 입출력보다 훨씬 빨리 실행되어야 합니다. 전기 모터 시스템을 컨트롤하는 디지털 스위칭 신호는 속도가 빠르기 때문에 기존의 접근방식은 HIL 테스트에 적합하지 않습니다. 그림 1은 시뮬레이션 시간 단계가 상승함에 따라 2kHz 및 8kHz 펄스폭 변조(PWM) 신호에 대한 시뮬레이션 응답의 상대 오차가 증가하는 것을 보여줍니다.

그림 1. PWM 신호에 응답하는 전력 전자 시스템 시뮬레이션의 상대 오차

주기가 25µs인 시뮬레이션 루프의 경우, 시뮬레이션의 시간 분해능 때문에 8 kHz PWM에 대한 시뮬레이션 응답에서 최대 20%까지 상대 오차가 발생하는 것을 이 그래프에서 확인할 수 있습니다. 작은 그래프는 µs이하 범위에서 발생하는 에러를 확대해서 보여줍니다.똑같은 시뮬레이션을 1µs에서 실행할 때에는 PWM 측정에서 0.75%의 에러밖에 발생하지 않습니다.

또한 전기 모터는 자기 포화(magnetic saturation)나 코깅 토크(cogging torgue) 등의 복잡한 비선형 동작을 보이므로 직접 모델링을 하려면 상당히 까다롭습니다. 선형 모델을 사용하면 ECU의 기본 기능은 테스트할 수 있지만, 보다 엄격한 테스트와 튜닝, 최적화를 위해서는 더욱 복잡한 동작까지 모델링해야 합니다.

그림 2는 전력 시스템 테스트의 세 가지 단계를 보여줍니다:

•  신호 레벨 테스트 ― 전체 시스템을 시뮬레이션하여 전자 장치를 테스트
•  전력 레벨 테스트 ― 모터 에뮬레이터를 사용하여 컨트롤 시스템과 전력 전자 장치를 모두 최대한 구동
•  기계적 테스트 또는 동력계 테스트

기존 시뮬레이션 시스템의 제한적인 테스트 기능 때문에 컨트롤 시스템 개발자들은 비용이 많이 드는 동력계나 필드 테스트에 의존할 수 밖에 없었습니다. 그러나 시뮬레이션 속도와 정확도를 향상시킨다면, 신호와 전력 레벨에서 더 많은 테스트를 수행할 수 있으므로 물리적 테스트 수행에 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.

그림 2. 전기 모터용 컨트롤 시스템 테스트의 세 가지 단계

1µs대의 시뮬레이션 주기에 도달하기 위해서는 전기 모터와 전자 전력 장치 HIL 테스트 시스템 설계의 패러다임 변화가 필요합니다. 이러한 고속 시뮬레이션 시스템을 구현하기 위한 핵심은 기존의 프로세서 기반 HIL 시스템에서 FPGA 기반 시뮬레이터로 전환하는 것입니다.

기존의 프로세서 기반 HIL 시스템은 통신 버스로 프로세서와 I/O가 분리되어 있기 때문에 최대 속도가 대략 50kHz에 불과합니다. 시뮬레이션의 한 사이클 동안 입력에서는 샘플이 수집되고, 이 데이터는 프로세서로 전달되며, 결과가 다시 I/O 노드로 전달된 후 출력이 업데이트 됩니다. PCI 또는 PXI 버스의 경우에는 일반적으로 통신 지연시간이 전체 시뮬레이션 주기의 최대 3/4까지 차지하기도 합니다. 물론 연산 작업을 FPGA쪽으로 옮기면 연산 그 자체의 속도가 향상됩니다. 그러나 속도 향상에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 프로세싱 노드와 I/O 노드를 단일 디바이스에 통합하여 통신 지연시간을 무시할만한 수준으로 단축하는 것입니다.

엔지니어들이 고급 모터 드라이브와 리얼타임 시뮬레이션을 수행할 때, 직면하는 또 하나의 과제는 시뮬레이션 정확도와 속도 사이의 적절한 균형을 확보하는 것입니다. 기능적 레벨의 HIL 테스트를 수행하기 위해서는 간단한 상수 파라미터나 선형 모델만으로도 충분하지만, 고급 모터 드라이브를 보다 완벽하게 테스트하거나 최적화하기 위해서는 보다 정확한 시뮬레이션이 필요한 경우가 많습니다. 복잡한 연산을 추가하지 않으면서도 시뮬레이션의 정확도를 향상시키는 효과적인 방법은 모델 파라미터를 룩업 테이블로 대체하고 시뮬레이션을 반복할 때마다 파라미터를 업데이트하는 것입니다.

유한 요소 분석(FEA) 결과 또는 실험을 통해 도출한 테이블을 사용하면 코깅 토크 또는 자기 포화와 같은 복잡한 비선형 동작을 시뮬레이션 할 수 있을 뿐만 아니라 복잡한 현상에 적절하게 대응하는 컨트롤러도 설계할 수 있습니다. 룩업 테이블은 시뮬레이션에서 직접 모델링을 하지 않고서도 복잡한 동작의 특징을 수집합니다. 그림 3은 작동 범위에 걸쳐 모터 인덕턴스가 4.5mH ~ 12mH 사이를 오가는 사례를 보여줍니다.

그림 3. 작동 범위에 걸쳐 모터의 D-Q 인덕턴스 값을 나타낸 표면 플롯

내쇼날인스트루먼트는 전력 전자 장치 및 전기 모터의 리얼타임 테스트를 위해 하드웨어와 소프트웨어 툴을 결합한 업계 선도의 플랫폼을 제공합니다. 제어 엔지니어가 전기 장비와 인버터의 모델이 포함되어 있는 NI Electric Motor Simulation 툴킷을 사용하면 여러 가지 다양한 NI 리얼타임 테스트용 툴에 연계되는 테스트 시스템을 신속하게 구축할 수 있습니다.

NI Electric Motor Simulation 툴킷은 전기 모터 시스템의 데스크톱 및 HIL 시뮬레이션 모두를 개발하기 위한 모델링 구성요소를 제공합니다. 이 툴킷을 설치하면 전기 모터 시뮬레이션, 제어, HIL 시뮬레이션을 위한 LabVIEW 프로젝트 템플릿이 추가됩니다. 또한 이 툴킷에는 다양한 모터 유형을 위한 VeriStand 애드온도 포함되어 있습니다. 모델을 호스트 컴퓨터에서 실행하면 소프트웨어 전용 시뮬레이션을 진행할 수 있고, NI Real-Time 타겟에서 실행하면 전통적인 HIL 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, NI FPGA 타겟에서 실행하면 고속 HIL 시뮬레이션이 가능합니다.

그림 4. 전기 모터 ECU HIL 테스트를 위한 일반적인 하드웨어 및 소프트웨어 구성

이 툴킷에는 스위치드 릴럭턴스(SR, Switched Reluctance) 및 영구 자석 동기전동기(PMSM, Permanent Magnet Synchronous Machine) 모터 타입의 모델이 JSOL사의 JMAG-RT 모델과 통합되는 단순 선형 근사 또는 Hi-Fi(high fidelity: 실제에 가까운 정확도) 형태로 포함되어 있습니다. 유한 요소 분석(FEA) 기반 JMAG-RT 모델과의 인터페이스를 통해 코깅 토크나 자기 포화와 같이 비선형도가 심한 동작을 정확하게 시뮬레이션 하는 것이 가능합니다.

지원가능한 모터 타입은 다음과 같습니다:

• 영구 자석 동기전동기(PMSM)
  • 상수 파라미터 모델
  • JMAG-RT FEA 기반 모델
• 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)
  • 선형 모델
  • JMAG-RT FEA 기반 모델

NI Electric Motor Simulation 툴킷 다운로드 및 평가판 사용하기

내쇼날인스트루먼트는 JSOL사와 협력하여 JSOL사의 FEA 툴, JMAG, JMAG-RT을 사용하여 Hi-Fi(high fidelity: 실제에 가까운 정확도) 모델을 생성하고 있습니다. 이렇게 생성한 Hi-Fi(high fidelity: 실제에 가까운 정확도) 모델을 NI LabVIEW 시스템 디자인 소프트웨어 및 NI VeriStand 소프트웨어와 함께 사용하면 리얼타임 테스트 어플리케이션을 쉽게 설정할 수 있습니다. NI는 JSOL사와의 제휴 관계를 통해 전기 모터 테스트 및 시뮬레이션을 위한 주요 요구사항을 충족시키고 있습니다. 따라서 LabVIEW FPGA와 NI RIO FPGA 기반 하드웨어를 이용하여 마이크로초(µs) 타이밍으로 FEA 기반 모터를 실행할 수 있습니다. 이 모델은 FEA가 생성한 룩업 테이블을 사용하여 모터의 현재 상태에 따라 실시간으로 모델의 파라미터를 업데이트합니다. 이렇게 선형 연산과 비산형 룩업 테이블을 결합함으로써 매우 빠르고 정확한 시뮬레이션이 가능합니다.

그림 5. NI Electric Motor Simulation 툴킷에 포함된 모델을 사용하여 수행한 토크 연산

Hi-Fi(high fidelity: 실제에 가까운 정확도) 모델을 생성하기 위한 무료 설정 기반 모델링 툴인 JMAG-Express 다운로드 및 사용하기

NI VeriStand는 리얼타임 테스트 어플리케이션을 개발하기 위한 설정 기반 소프트웨어 환경입니다. 이 환경은 리얼타임 타겟-호스트간 통신, 데이터 로깅, 자극 생성, 알람 감지 및 응답을 수행할 때 유용하게 활용할 수 있습니다. NI VeriStand는 또한 시뮬레이션 전용 테스트를 HIL 테스트로 신속하게 전환하므로 테스트 프로파일, 알람, 절차, 분석 루틴과 같은 테스트 구성요소의 재활용이 가능하다는 장점이 있습니다. 모델에서 추출한 파라미터를 하드웨어 채널에 재맵핑하여 실제 I/O를 손쉽게 구현할 수도 있습니다. 이러한 전환 기능은 회귀 테스트에 소요되는 시간을 절약해 줄 뿐만 아니라 NI TestStand와 같은 테스트 실행 소프트웨어를 사용하여 테스트를 자동화할 때에도 유용합니다.

NI VeriStand는 리얼타임 플러그인을 통해 어플리케이션 고유의 기능을 생성할 때 사용할 수 있는 오픈 프레임워크를 탑재하고 있습니다. 따라서 테스트 시스템을 구축할 때 마음껏 유연성을 발휘할 수 있습니다. NI Electric Motor Simulation 툴킷을 설치하면 설정 기반 환경에 모터 모델링 기능이 추가되므로 기존의 리얼타임 하드웨어 플랫폼에서는 데스크톱 및 리얼타임 시뮬레이션과 테스트를, FPGA에서는 고속 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.

그림 6. NI VeriStand를 사용하여 여러 환경에서 생성된 모델을 다양한 시뮬레이션 타겟에 배포하기

NI VeriStand에 대해 더 자세히 알아보기

FPGA는 재프로그래밍 가능한 실리콘 칩입니다. FPGA 프로그래밍은 PC 프로세서와는 달리 소프트웨어 어플리케이션을 실행하지 않고 칩 자체를 직접 유선으로 연결하여 기능을 구현합니다. FPGA는 Xilinx사의 공동 설립자인 Ross Freeman이 1985년에 최초로 고안한 기술입니다. NI는 Xilinx사와 지속적으로 협력하여 다양한 하드웨어 플랫폼에서 Xilinx사의 최첨단 FPGA 기술을 제공하고 있으며, LabVIEW FPGA를 사용하여 그래픽 프로그래밍과 부동소수 연산을 수행하고 있습니다.

LabVIEW FPGA에 대해 자세히 알아보기

사례 연구 - HIL 시뮬레이션을 활용한 스바루 하이브리드 자동차 테스트 개선 사례

사례 연구 - HEV 및 EV용 PXI 기반 HILS 시스템을 도입한 르네사스(Renesas)의 사례

시스템 구입하기 또는 NI Electric Motor Simulation 툴킷 다운로드 및 평가판 사용하기

전력 시스템 시뮬레이션, 컨트롤 프로토타입 제작 및 리얼타임 테스트를 위한 다른 하드웨어 및 소프트웨어 옵션 찾아보기

NI Electric Motor HIL 시스템에 대한 문의는 electricmotorsim@ni.com으로 주십시오.