해결과제
본 어플리케이션에서는 실시간 성능을 지원하는 전용의 운영체제 및 고속 입출력 장치를 이용하여 프로세싱 부하를 분산시키고, 고속의 다중 입출력 장치를 통해 설계의 유연성을 확보하고자 한다.

솔루션
LabVIEW와 PXI 모듈을 기반으로 HILS 시스템을 구축하고, SIT를 이용하여 Simulink를 통해 개발된 2-모터 및 환경 모델을 LabVIEW Real-Time Controller 상에서 효과적으로 구현하고 실시간 시뮬레이션이 가능하도록 HIL 시뮬레이터를 설계한다. 또한, LabVIEW FPGA 모듈을 활용하여 레졸버와 같은 고속의 센서 신호에 대한 시뮬레이션 및 피드백 제어를 통해 시뮬레이션 모델에 대한 실시간 성능을 보장하며, 자동 시험 환경을 구축하여 MCU 설계 및 검증을 위한 개발 비용 및 시간을 단축한다.

어플리케이션 요약
본 어플리케이션은 하이브리드 자동차의 핵심 부품 중의 하나인 모터 제어 장치, 즉 MCU(Motor Control Unit)의 설계 및 검증을 위한 실시간 HIL(Hardware-In-the-Loop) 시뮬레이터에 대한 기술 개발을 목적으로 한다. HIL(Hardware-In-the-Loop) 시뮬레이션 방법은 이러한 개발 프로세스를 개선해 나가기 위한 중요한 기술 중의 하나이다. 특히, 모터 HIL 시뮬레이션의 경우 인버터의 PWM 제어와 동기 전동기용 센서에 대한 벡터 제어 등이 주요 이슈가 되고 있지만, 모델의 동적 특성 및 고속 입출력 신호의 처리 등의 이유로 하나의 메인 프로세서를 통한 실시간 프로세싱이 어렵다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 HILs 시뮬레이터를 설계하였다

개발배경
최근 자동차 산업의 경쟁력은 최소 비용으로, 최고의 제품을 최단시간 내에 개발하는 것을 요구하고 있다. 따라서 이를 충족하기 위한 핵심 기술의 하나로 CAE(Computer Aided Engineering)를 활용하여 개발 프로세스를 향상시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이때 하이브리드 차량 혹은 연료전기 시스템과 같은 기계분야와 전기전자분야의 기술이 복합적으로 적용되어 제어 대상의 실험이 난해한 분야에서는 실시간 시뮬레이션의 필요성은 절대적이다.

본 론

■ MCU 제어 시스템

 하이브리드 차량 제어시스템은 통합적인 차량 시스템의 관리자 역할을 하는 HCU(Hybrid Control Unit)를 중심으로 이루어지며, HCU와 협조 제어를 하는 주변 제어기로는 모터 제어에 사용되는 MCU, 그리고 차량에 탑재된 배터리의 충/방전 제어를 위한 BMS(Battery Management System) 등으로 구성된다.
MCU의 제어 대상은 동기자석동기기(PMSM, Permanent Magnetic Synchronous Motor)로서 2-모터 시스템으로 구성되며, 상위 ECU(HCU)로부터 CAN 통신을 통해 제어 지령을 받아 제어 동작을 수행한다. 특히, 동기자석동기기의 경우 레졸버 및 엔코더와 같은 고속 센서를 통해 위치 정보를 받아 다음 동작을 위한 지령 치를 계산하며, 위치 정보에 대한 제어 지령치의 위상이 중요한 제어 요소가 된다. 그러므로 HIL 시뮬레이터 개발 시 2-모터 모델에 대한 시뮬레이션을 위해서는 실시간 성능을 보장하는 분산 프로세싱 능력 및 센서 인터페이스를 위한 고속 I/O의 확보가 중요한 이슈이다.

 

■ MCU HIL 시뮬레이터 (하드웨어)

 본 어플리케이션에서는 MCU HIL 시뮬레이터를 실제 시스템과 유사하게 모사하기 위해 고속의 신호 컨디셔닝을 보장하는 재설정 가능한 FPGA I/O 보드를 사용하였으며, 2-모터 모델의 실시간 성능을 보장하기 위하여 듀얼 코어 CPU를 사용하여 모델의 부하를 분산시켰다. 또한, 단순 반복적인 테스트 과정을 자동화함으로써 많은 비용과 시간을 줄일 수 있으며, 테스트의 일관성 유지, 오류의 재현성, 설계 변경에 대한 빠른 대처 등 많은 장점을 가지도록 HIL 시뮬레이터를 설계 하였다.

제어용 호스트 컴퓨터	1. 2-모터 모델에 대한 입출력 신호의 모니터링 및 파라미터 캘리브레이션 2. 시험자동화 및 리포팅 생성 3. HIL 시뮬레이터 운전 및 제어
실시간 시뮬레이터	1. 실시간 2-모터 모델 연산 2. 센서 및 액츄에어터에 대한 입출력 신호의 고속 처리
인터페이스 장치	1. 실시간 시뮬레이터의 센서부 신호처리 2. 실시간 시뮬레이터의 액츄에이터부 신호처리 3. 통신 인터페이스
오류생성 장치	MCU와 HIL 시뮬레어터간 발생하는 와이어 하네스 상의 에러를 모사 - Open Load - Short Circuit to Vbat/GND - Pin-to-PIn Resistance - Leakage Current to Vbat/GND - Inline Resistance
브레이크 아웃박스	MCU와 HIL시뮬레어터간 신호추출 및 중계역할

MCU HIL 시뮬레이터의 하드웨어는 다음의 [그림 1]과 같이 브레이크 아웃박스, 오류생성장치, 신호 인터페이스 장치, 실시간 시뮬레이터, 그리고 제어용 컴퓨터로 구성되며, 각 부의 주요한 기능 및 특징은 다음의 표에서 설명한다.

 

■ MCU HIL 시뮬레이터 (소프트웨어)

 HIL 시뮬레이터의 소프트웨어는 [그림 2]와 같이 호스트 프로그램, RT 프로그램, FPGA 프로그램으로 구분되며, 각각의 소프트웨어 컴포넌트를 모듈화하여 소프트웨어의 재사용성과 유지 보수를 향상시킬 수 있는 구조로 설계되었다. 소프트웨어 개발 툴은 인터페이스 구성에 강점이 있는 LabVIEW로 선정하였으며, 리포트 생성과 사용자 친화적인 시험 자동화 환경을 구축하기 위하여 이미 그 유용성이 검증된 NI TestStand를 사용하였다.

1) 호스트 프로그램
호스트 프로그램은 실시간 시뮬레이터의 운전 및 유지, 보수를 위한 제어용 패널뿐만 아니라 반복적인 테스트에 대한 자동화 프로그램을 포함한다.
제어용 패널은 소프트웨어의 유지 관리가 텍스트 기반 언어에 비해 편리한 LabVIEW를 활용하여 [그림 3]과 같이 프론트패널 내 총 7개의 탭으로 구성되며, 2-모터 모델 제어, 상태 모니터링 및 CAN 메시지 관리 등에 대한 실시간 확인이 용이하도록 설계되었다.

 

ㆍ모터 파라미터 리스트 및 모니터링 결과 실시간 표시
ㆍ모터 오류 상태 모사 및 오류 값 인가
ㆍ모터 주요 센서 값과 변화 추이 모니터링 및 분석
ㆍ오류생성장치(FIU)의 에러 종류 및 에러 지령 값 입력
ㆍ상위 ECU 혹은 주변 ECU와의 협조 제어를 위한 CAN 메시지 관리 및 모니터링

 

테스트 자동화 툴로는 [그림 4]와 같이 NI TestStand를 사용하였으며, 테스트 벡터 입력 및 시험 리포트 생성과 같은 사용자 친화적인 유저 인터페이스를 제공하고, 기존의 개발된 호스트프로그램의 VI프로그램을 활용하여 테스트 케이스의 작성이 가능하다는 장점이 있다.

2) RT 프로그램
SIT(Simulation Interface Toolkit)는 MATALB/SIMULINK환경에서 설계 및 개발된 시뮬레이션 모델을 LabVIEW Real-Time Controller상에서 실시간 수행할 수 있는 모델 인터페이스 방법을 제공한다. 본 어플리케이션에서는 SIT를 활용하여 LabVIEW Real-Time Controller 상에서 시뮬링크를 통해 개발된 2-모터 모델에 대한 실시간 시뮬레이션을 수행하도록 RT 프로그램을 구성하고, 모델의 실시간 성능을 분석하였다. 실시간 성능 분석 툴로는 LabVIEW RT 모듈에 포함되어있는Execution Trace Toolkit을 활용하였다. [그림 5]는 그 결과를 보여주며, 우선순위, 수행 주기, 이벤트 처리 등과 같은 실시간 속성에 대한 분석을 하여 실시간 성능을 보장하도록 설계하였다.

 

3) FPGA 프로그램
FPGA 프로그램은 2-모터 모델에 대한 고속 센서 신호의 생성 및 데이터 획득을 위하여 RT 프로그램과 독립적으로 각 센서에 대한 동작을 포함한다. 특히, 레졸버 및 PWM 신호와 같은 특별한 I/O에 대한 인터페이스를 위하여 고속의 아날로그 입출력 및 다수의 디지털 포트를 지원하는 재설정 가능한 FPGA 보드를 사용하였다.

 

ㆍPWM 인터페이스
ㆍ레졸버 신호 인터페이스
ㆍ오류 상태 및 온도에 대한 인터페이스

 

■ 시스템 구성

 MCU HIL 시뮬레이터는 실험실 환경에서 MCU의 설계 및 검증이 용이하도록 19” 표준 랙 타입으로 구성하였고, 바퀴를 부착하여 이동성을 고려하였다. [그림 6]은 MCU HIL 시뮬레이터의 전체 랙 구성을 보여주며, [그림 7]은 실제 제작한 HIL 시뮬레이터를 나타낸다. HIL 시뮬레이터와 MCU는 개발된 전용 케이블을 통해 직접적으로 연결된다.

 

 

 

 

 

 

 

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점 

본 어플리케이션에서는 하이브리드 자동차의 핵심 부품 중의 하나인 MCU의 설계 및 검증을 위한 HIL 시뮬레이터를 개발하였다. LabVIEW와 PXI 모듈을 기반으로 HILS 시스템을 구축하고, SIT를 이용하여 시뮬링크를 통해 개발된 2-모터 및 환경 모델을 LabVIEW Real-Time Controller상에서 구현 및 효과적으로 실시간 시뮬레이션 환경을 구축하였다. 또한 LabVIEW FPGA 모듈을 활용하여 레졸버와 같은 고속 센서 신호에 대한 시뮬레이션 및 피드백 제어를 통해 시뮬레이션 모델에 대한 실시간 성능을 보장하도록 하였다. 마지막으로 단순 반복적인 테스트 과정을 TestStand를 통해 자동화 환경을 구축함으로써 MCU 설계 및 검증을 위한 개발을 용이하게 하였다.

이러한 과정을 통해 Rig 혹은 실차 시험을 통해 이루어지던 기존의 개발 환경을 MCU HIL 시뮬레이터를 이용하여 소규모의 실험실 환경에서 가능케 하며, 실 장비를 시뮬레이터로 대체함으로써 개발 예산을 60% 이상 감소 시켰고 시험 시간도 50% 이상 감소시킬 수 있었다. 특히 소프트웨어 유지 관리가 텍스트 기반언어에 비해 편리하다는 LabVIEW의 장점은 향후 이어질 추가 시스템 개발 시간 단축에도 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 

 

원고 제공: 한국내쇼날인스트루먼트 마케팅 개발: (주)컨트롤웍스 연구개발팀 이강윤 팀장 사용한 NI 제품: LabVIEW 8.5.1, LabVIEW Real-Time, LabVIEW FPGA, Simulation Interface Toolkit, TestStand, PXI Real-Time Controller, PXI FPGA Board