תאום דיגיטלי להאצת בדיקות בקרת ההינע של מנועים חשמליים
במאמר היום, נתמקד בבדיקות מערכת הבקרה וההנעה של מנועים חשמליים ונראה כיצד ניתן לשלב בדיקות בצורה אופטימלית ע"י שימוש בתאומים דיגיטליים. כל זאת באמצעות מימוש תהליך העבודה השלם על גבי פלטפורמה אחת – המשלבת בין סימולציה דיגיטלית לרכיבים פיסיים.
נסקור את הדרכים באמצעותן תוכלו:
- להתגבר על אתגרי תכנון מערכת בקרה למנועים חשמליים באמצעות תאומים דיגיטליים בכל שלבי הפיתוח והבדיקה.
- ליישם בדיקות אוטומטיות כחלק משרשרת הפיתוח – על מנת לשפר הן חדשנות והן איכות.
- להקטין באופן משמעותי את מספר מחזורי הפיתוח ולתכנן מערכת בקרה יעילה יותר וטובה יותר, בזמן קצר יותר.
פלטפורמת פיתוח מרכזית מאפשרת הן את הפיתוח האלגוריתמי והן אוטומציה של בדיקות, ובכך יוצרת שיטת עבודה רציפה לבדיקות תכן הבקרה.
האצת תהליך הפיתוח והבדיקות של בקרים למנועים חשמליים
תכנון בקרה למנועים חשמליים ובדיקת בקרי זמן-אמת להנעת מנועים הוא תהליך ארוך וסיזיפי, והבדיקות עם רכיבים המסתובבים במהירות גבוהה ותחת תנאי מתח גבוה עשויות להיות מסוכנות.
שימוש חכם בתאומים דיגיטליים מאפשר סביבת בדיקה בטוחה המונעת לא רק נזק לציוד אלא גם פגיעה בגוף האדם. יתרה מכך, הוא מספק זרימת עבודה רציפה בכל שלבי הבדיקות בפלטפורמה אחת. כתוצאה מכך, הפיתוח הופך למהיר וחדשני יותר, ותקלות מתגלות מוקדם בתהליך.
תהליך הפיתוח של בקרי הינע למנועים חשמליים בגישה מבוססת-מודלים (Model-Based Design) מתחיל לרוב בשלב סימולציות שולחניות בו אנו נקבע את ארכיטקטורת הבקרה ואילוצי החומרה, לאחריה יהיה שלב אבטיפוס של הבקר, בו נבדוק האם הבקר שלנו פועל כמצופה.
כפי שניתן לראות באיור הבא, אבטיפוס מהיר של בקר (Rapid Control Prototyping) מאפשר את הרצת תכן הבקרה בזמן אמת על חומרה גמישה ובעלת ביצועים גבוהים ללא צורך בבניה פרטנית עבור כל פרויקט מחדש.
שלבי הבדיקות והפיתוח השונים בתהליך
ברגע שתכנון הבקרה הסתיים והוטמע על הבקר, ניתן לבדוק אותו בסביבת Hardware-in-the-Loop (HIL) יחד עם המנוע החשמלי ומערכת ההנעה. לבסוף, מערכת ההנעה של המנוע תוכל להיבדק ברמות הספק אמיתיות (גבוהות) במסגרת בדיקות Power HIL.
סימולציות שולחניות לשיפור בקרת המנוע
גישה חכמה לתכנון מבוסס-מודלים, MBD, מאפשרת לבחון במהירות רעיונות חדשים ולהאיץ את תהליך הפיתוח תוך איתור מוקדם של בעיות תכנון. מעבר חלק מאותם הסימולציות שפותחו לצורך תכנון הבקרה יוכלו לשמש אתנו עבור בדיקות אבטיפוס הבקרה לבדיקות חומרה-בלופ (HIL).
גישה זו של תהליך בדיקות כחלק מתהליך תכנון המודל מונעת פיתוח נוסף (תוכנה/חומרה) של אופיין הבדיקות וכן מהנדסי פיתוח ובדיקות יכולים לשמור על ארכיטקטורת מערכת נקייה ולבצע אוטומציה לכל שלב, החל מפריסה ועד לבדיקה ווידוא עמידה בדרישות.
שימוש במערכת הבדיקות כבקר עבור אבטיפוס
בשלב הבא של הבדיקות, מערכת בדיקות בזמן-אמת יכולה לשמש כאבטיפוס של בקר. תכן הבקרה פועל למול מערכת הבדיקות ומאומת על ידי שליטה במנוע החשמלי בפועל, מה שמאפשר כוונון ואופטימיזציה של אלגוריתמי הבקרה בטרם הטמעתם על הבקר הסופי.
שיטות מסורתיות של פיתוח אבטיפוס גוזלות זמן רב עקב מחזורי בדיקות ארוכים (מספר גורמים שמעורבים בתהליך ושילוב של מספר דיסציפלינות בתחום הפיתוח), דבר המקשה על החדשנות ועלול לגרום לקושי למציאת טעויות. אבטיפוס מהיר של בקרה הינו מהיר וגמיש יותר ולכן פותר בעיות אלו ומאיץ משמעותית את שלב פיתוח הבקרה.
לדוגמה, ניתן לבצע בדיקות רציפות ולשנות באופן איטרטיבי את תכנוני הבקרה ב-Simulink תוך שימוש בחומרה כבר בשלבים מוקדמים של הפיתוח. כך המהנדסים יכולים להתמקד בחדשנות ולערוך ניסויים ללא המגבלות של פיתוח הבקר. צורת עבודה זו מסייעת להבטיח בקרת איכות ולגבש אסטרטגיות בקרה אופטימליות בהתאם לדרישות שהוגדרו מראש.
כדי לנצל באופן מלא את היתרונות הללו, על מערכות הבדיקה לעמוד בדרישות ספציפיות: מערכות הבדיקה של חברת Speedgoat, למשל, ניתנות להגדרה עם מעבדים מרובי ליבות בעלי ביצועים גבוהים ו-FPGAs (כפי שמוצג באיור 2). בנוסף, ניתן לפרוס תכנוני בקרה עבור רכיבי אלקטרוניקת הספק המשתמשים במוליכים-למחצה מסוג SiC (Silicon-Carbide) או GaN (Gallium-Nitride) ישירות ל-FPGAs הניתנים לתכנות באמצעותSimulink.
מערכת זמן אמת Speedgoat לאוטומציה ובדיקות כחלק מתהליך הפיתוח
בדיקות חומרה בלולאה (HIL)
בשלב בדיקות הבקר הסופי, התאום הדיגיטלי של המנוע ומערכת ההנעה (שפותחו לצורך תכנון הבקר) כעת ירוצו על מערכת בדיקות זמן אמת המחוברת לבקר. הם יתקשרו לפי הפרוטוקולים הנדרשים ואיתם נוכל לבדוק בצורה מלאה השהיות ובעיות זמן אמת אמיתיות של המערכת.
בדיקות C-HIL (Controller Hardware-in-the-Loop) מאפשרות לאמת את התנהגות הבקרים להנעת מנועים המשתמשים בבקרה מבוססת-שדה (FOC) או בבקרת מומנט ישירה (DTC).
במקום שימוש בציוד הפיזי לבדיקות, התאום הדיגיטלי מאפשר בדיקות בטוחות בכל תנאי הפעולה, כולל מצבי קצה, ללא חשש מנזק למערכת. בנוסף, ניתן להריץ בדיקות אוטומטיות חוזרות ונשנות סביב השעון, בעלות נמוכה משמעותית מבדיקות מסורתיות, ובכך להבטיח איכות גבוהה של תהליך האימות.
אמולציה של מערכת נבדקת עם: encoder, RTD’s , thermocouples , סוללות ועוד.
בדיקות Power HIL לבדיקת ציוד מחובר ומופעל
בשלב האחרון של הבדיקות, מהנדסי חשמל משתמשים בבדיקות Power HIL כדי לבדוק ציוד חשמלי המחובר ומופעל במלואו. התאום הדיגיטלי של המנוע החשמלי רץ על מערכת בדיקות המחוברת להנעת המנוע, למגבר ההספק ולבקר דרך חיבורי I/O.
כתוצאה מכך, ניתן לבדוק ולאמת את מערכת ההנעה החשמלית בתנאי הספק מלא, כולל בדיקות של ממירי הספק, מנועים חשמליים ורכיבים נוספים במצבי פעולה תקינים וגם תחת תקלות.
מערכות בדיקה מתקדמות מאפשרות הדמיית ממשקי הספק בעלי רוחב פס גבוה באמצעות מגברי הספק בהספקים של מאות וואטים עד מגה-וואטים. בנוסף, ניתן לשלב כלי סימולציה מתקדמים כמו Ansys Maxwell ו- JMAG-RTליצירת מודלים מדויקים של מנועים חשמליים, הכוללים מאפיינים לא-לינאריים ונתונים ניסיוניים.
ציוד חשמלי המתחבר לבקר המשמש לבדיקות בהספקים גבוהים לאימות התכנון
מערכת בדיקות חכמה לכל שלבי הפיתוח
שימוש במערכות בדיקה כמו Speedgoat יחד עם Simulink Real-Time מאפשר לך לבצע בדיקות מבוססות-דרישות וכן אוטומציה של הבדיקות. עבודה על פלטפורמה אחודה לפיתוח ולבדיקות היא קריטית לייעול התהליך. כמו כן, אותה שיטת עבודה משמשת גם לאבטיפוס מהיר של בקרה וגם כמודלים של מערכת ההנעה לבדיקות HIL ו-Power HIL מה שמאפשר Reuse לחלק גדול מהתשתית שפותחה.
שילוב מודלים של בקרה עם סימולציות מתקדמות מאיץ משמעותית את תהליך הפיתוח ומאפשר חקר ובדיקות מתקדמים שהיו קשים לבצע על בסיס מערכות פיסיות. כמו כן, ניתן לשלב כלי כיול חיצוניים ומגברי הספק לשיפור התהליך.
מערכת בדיקות חכמה לכל שלבי הפיתוח
לסיכום, בדיקות חומרה למנוע חשמלי, כולל חיישנים, ממירי הנעה ומערכות הספק המחוברים לבקר באמצעות ממשקים (I/O) אמיתיים, הן שלב קריטי בפיתוח מערכות הנעה למנועים חשמליים. מערכת בדיקות אינטגרלית לכל שלבי הפיתוח מאפשרת עבודה רציפה ותיקוף של כלל הרכיבים, הן בתנאי עבודה רגילים והן בתנאי תקלה.
לצורך ביצוע הבדיקות המקיפות, נדרש מודל תאום דיגיטלי (Digital Twin) שילווה אותנו לאורך כל תהליך הפיתוח. מודל זה מאפשר לבצע בדיקות מבוססות סימולציה בסביבה בטוחה, לשחזר ולבדוק תרחישים שונים, ולזהות בעיות פוטנציאליות בשלבים מוקדמים. באמצעותו ניתן לוודא ביצועים, לבצע תיקונים נדרשים ולייעל את אסטרטגיות הבקרה עוד לפני הפריסה למערכת הפיזית.
באמצעות בדיקה של כל השלבים תחת אותה סביבה, ניתן לפתח חוגי בקרה מיטביים, להבטיח איכות ולהמשיך לחדש ולשפר את הטכנולוגיה של הנעת מנועים חשמליים.
אם תרצו לקבל פרטים נוספים ולראות כיצד הפתרון הנ"ל יכול להתאים לצרכים הספציפיים של הפרויקט שלכם, אתם מוזמנים ליצור איתנו קשר ונשמח לסייע.
