Sviluppo di un sistema test-bench con LabVIEW simulation interface toolkit per il convertitore ausiliario del “nuovo pendolino”

Author(s):
M. Giudici - ALSTOM FERROVIARIA

Industry:
Transportation

Products:
Real-Time Module, Simulation Interface Toolkit, PXI/CompactPCI, LabVIEW, Execution Trace Toolkit

The Challenge:
Lo scopo del progetto è la creazione del modello matematico del convertitore ausiliario (chopper più inverter) del “Nuovo Pendolino” attraverso hardware e software National Instruments, chiudendo l’anello hardware con il regolatore ausiliario (hardware e software prodotti da Alstom) per garantire il funzionamento reale del sistema. Un primo obiettivo è quello della validazione del software del convertitore ausiliario e la realizzazione di test automatici di non regressione. Per la descrizione del software di test e del modello fisico del convertitore si è voluto utilizzare lo stesso tool di sviluppo del codice applicativo del regolatore ausiliario, Matlab-Simulink.

The Solution:
Il nuovo toolkit di National Instruments “Simulation Interface Toolkit (SIT)” viene incontro alle nostre esigenze di creare automaticamente un codice real-time dedicato a una scheda PXI di National Instruments su processore embedded partendo da un applicativo Simulink. Infatti dal modello Simulink viene generata automaticamente la DLL la quale è incapsulata nel codice LabVIEW Real-Time creato per l’embedded controller; in questo modo è possibile associare direttamente alle variabili del modello Simulink, le variabili di controllo di un VI LabVIEW, controllando così, attraverso il sistema real-time NI sia segnali analogici che segnali digitali.

È stato realizzato un sistema ad anello chiuso (hardware in the loop, HIL) per il simulatore di un convertitore ausiliario di treno. Il convertitore ausiliario è l’impianto del treno che fornisce la tensione trifase per alimentare carichi quali il condizionamento, le luci interne ed esterne, le pompe e i compressori per il raffreddamento di aria e di acqua e i compressori per assetto cassa. L’alta tensione arriva al sistema ausiliario dal convertitore di trazione con un valore prossimo a 3000V continui, lo stadio chopper abbassa questo valore ad una tensione “DC-LINK” di 650 V che l’inverter (composto da ponti a IGBT) trasforma in una tensione alternata trifase. I comandi digitali sono principalmente legati a sezionatori di linea, che escludono il gruppo ausiliario dalla tensione di alimentazione, a sezionatori di carico, che collegano l’uscita del convertitore ausiliario a diversi carichi e a deviatori che configurano l’ausiliario secondo differenti tipi di linea; infatti il sistema ausiliario è compatibile sia per le reti tradizionali a 3 KV che per le linee ad alta velocità a 25 KV. La difficoltà di testare il software di regolazione andando direttamente sulla macchina in potenza, ci ha spinto a creare un sistema che simuli in tempo reale il comportamento della macchina in modo da riuscire a realizzare “a banco” il sistema in anello chiuso senza il bisogno di avere a disposizione l’alta tensione e tutte le componenti del blocco ausiliario. Il sistema ad anello chiuso è costituito dalla scheda del regolatore ausiliario (Alstom Transport), dove risiede il software che deve essere testato e da un sistema a cestello National Instruments PXI-1042 costituito da un controller embedded PXI-8195,una scheda FPGA PXI-7833R, un embedded controller PXI-8195, due schede DAQ di generazione di segnali analogici (PXI-6713). Inoltre un PC commerciale, processore Pentium 4 con sistema operativo Windows XP, è utilizzato sia come interfaccia per il sistema PXI National Instruments (via TCP/IP) sia per il controllore del modulo ausiliario (via RS-232). Il regolatore del convertitore ausiliario prevede 18 ingressi analogici; alcuni di questi segnali sono segnali in corrente e per questo è stato necessario adattare tramite interfaccia hardware i segnali di uscita della scheda PXI-6713 con la scheda del regolatore ausiliario. Le uscite della scheda analogiche PXI-6713 e della scheda FPGA hanno un’uscita in corrente insufficiente a pilotare gli ingressi del regolatore ausiliario, per questo motivo sono stati inseriti tra le uscite analogiche del sistema PXI e gli ingressi analogici del regolatore ausiliario alcuni buffer di corrente. Dei 18 segnali analogici, sedici sono generati dalle due schede DAQ e due vengono generati dalla scheda FPGA PXI-7833R. Gli ingressi e le uscite digitali vengono gestiti interamente dalla scheda FPGA. Alcuni segnali analogici che vengono simulati sono di seguito elencati:
- Tensione di linea
- Correnti in uscita all’inverter trifase
- Tensioni in uscita all’inverter
- Temperature del convertitore e della scheda
- Tensione di uscita del chopper
- Corrente di uscita del chopper
I segnali digitali simulati sono principalmente comandi di sezionatori o deviatori, e lettura dei relativi stati. La scelta di una scheda di acquisizione per segnali “veloci” come l’FPGA è stata fatta a causa della lettura dei segnali PWM; infatti nel convertitore ausiliario la generazione della tensione 380V trifase avviene tramite un inverter a IGBT controllato tramite la modulazione del “Duty Cycle” di un onda PWM. La scheda FPGA oltre alla gestione dei segnali sopra descritti, acquisisce le onde PWM e ne calcola l’esatto Duty Cycle. Il codice per il calcolo del duty cycle è scritto con il tool LabVIEW FPGA, mentre la gestione degli altri ingressi e uscite digitali è generata automaticamente con il “Simulation Interface Toolkit”. E’ possibile con questo tool mappare le variabili di controllo del modello Simulink con le uscite della scheda DAQ o della scheda FPGA; inizialmente, con la prima release di “SIT”, non era possibile associare simultaneamente le variabili del modello alle uscite DAQ e ai segnali della scheda FPGA, così sono state create due applicazioni SIT, una dedicata al comando delle schede PXI-6713 e una dedicata ai segnali gestiti dalla FPGA. Queste due applicazioni create separatamente con SIT sono state integrate in un’unica applicazione comprendente l’interfacciamento dell’ embedded controller sia con la scheda DAQ che con la scheda FPGA. Il vantaggio che deriva dall’utilizzo di questo tool è quello di generare i segnali per le schede DAQ e FPGA direttamente dal modello Simulink senza il bisogno di creare un’applicazione LabVIEW che istanzi componenti per l’inizializzazione, la scrittura e la lettura di canali per le schede di acquisizione; è lo stesso tool SIT (Simulation Interface Toolkit) che genera in automatico questi blocchi driver per le schede di acquisizione analogico/digitale. A livello di codice LabVIEW attraverso il Simulation Interface Toolkit, associa agli ingressi e alle uscite fisiche delle schede le variabili del codice Simulink per mezzo di una tabella di mappatura; è quindi possibile, ad esempio, associare ad un’ampiezza di sinusoide di un blocco Simulink una manopola (“knob”) di un VI LabVIEW e variarne così l’ampiezza in tempo reale; basterà poi associare nel menù SIT, la DLL creata automaticamente con la generazione di codice Simulink inserendo il blocco creato da National Instruments “Signal Probe” nel codice Simulink, che serve per creare la DLL in fase di generazione di codice. Grazie a questo sistema si è potuto validare il codice applicativo del convertitore ausiliario senza la necessità della macchina reale, risparmiando così i tempi e i costi, come il costo in tempo e materiale per il solo allestimento di una sala prove per l’alta tensione.

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M. Giudici
ALSTOM FERROVIARIA
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