Kishore Karnane och Alok Tripathi från Cadence Design Systems redovisar hur man kan simulera och verifiera systemkonstruktioner effektivare med hjälp av PSpice och den senaste MATLAB integrationsplattformen. Artikeln är översatt av GATEline.

Ökad systemkomplexitet, kortare konstruktionscykler och krav på reducerad kostnad gör att simulering och verifiering av system måste effektiveras. I dag räcker det inte med att kunna simulera och optimera individuella byggblock var och en för sig och hoppas på att de fungerar enligt specifikationen när man sätter ihop blocken till ett system.

Majoriteten av problemen i ett system hittas när man byggt sin första prototyp och de flesta finns i kopplingen mellan blocken. En kraftfull och väl integrerad modellering och simuleringsmiljö skulle tillåta att konstruktörerna hittar dessa problem redan under konstruktionsfasen.

Alla vanliga elektroniksystem eller elektromekaniska system kan beskrivas med matematiska formler eller elektriska modeller. Låt oss ta ett exempel som ett hybridfordon för att förstå saken bättre. Utvecklingen av ett sådant system kräver modellering och simuleringsmöjligheter för bland annat icke-elektriska system som exempelvis motor, bränsleförbrukning, utsläppsnivåer och bromsar samt en uppsjö av elektriska system. Elektriska systemen inkluderar inverterare, konverterare, kontrollogik som använder halvledare (som IGBT och noggranna elektronikkomponenter), analog digital omvandling, digital analog omvandling (ADC/DAC) mm.
Idag finns det inte ett ensamt och unikt program som kan erbjuda möjligheten att modellera och simulera de icke-elektriska och elektriska delarna tillsammans. Co-simulering mellan program är en framkomlig väg för att kunna modellera och simulera de olika modulerna som bygger upp systemet. För att kunna hantera denna metodik finns MATLAB som erbjuder modellering och simulering av mekaniska och termiska moduler beskrivna matematiskt, och PSpice som erbjuder modellering och simulering av avancerad elektronik och integrerade kretsar för kraftelektronik.

Den senaste releasen av PSpice, version 17.2-2016, har kraftigt förbättrat PSpice–MATLAB interface med välintegrerat och dubbelriktat co-simuleringsflöde. Detta flöde tillåter användande av PSpice och MATLAB tillsammans på flera olika sätt.

Under första fasen i utvecklingen av elektriska hybridfordon kan exempelvis motorn och andra mekaniska moduler beskrivas och optimeras som separata block i MATLAB. Helelektriska moduler kan beskrivas i PSpice som separata block. Ett typiskt elektrisk hybridsystem består av batterier, kraftkonverterare, inverterare, en elektrisk motor, olika typer av sensorer och dessa kan beskrivas och simuleras med en sann elektrisk simulator såsom PSpice.

Med tillgång till ett inbyggt komponentbibliotek med noggranna simuleringsmodeller kan utvecklingstiden reduceras och resultatet av simuleringen blir mycket nära det verkliga utfallet. Dessutom kan man optimera de elektriska blocken för olika driftförhållanden för att kunna efterlikna verkligheten. Ett elektriskt system med sin tillhörande kontrollogik kan simuleras och optimeras med avseende på effektkondensatorers storlek, spänningsområde för DC/DC omvandlare, PWM-kontroll och övrig kontrollogik.

Fig 1. Simuleringsdata överförs från PSpice till MATLAB för avancerad analys med en klickning

Förbättrad utvecklingsprocess
Enligt den traditionella utvecklingsprocessen, börjar man med konstruktionsfasen och sedan går över till prototypfasen där man bygger prototyper av alla ingående delsystem. Därefter börjar arbetet med att justera kopplingarna och korrigera bristerna mellan de ingående delarna som bygger upp systemet.

Med denna nya utvecklingsmetodik är det nu möjligt att ta den modelleringsbaserade systemkonstruktion till nästa nivå, nämligen att bygga en virtuell prototyp genom att binda samman delsystemen som kan vara utvecklade av olika projektgrupper och med olika verktyg (MATLAB och PSpice/SPICE) och exempelvis simulera ett helt elektriskt hybrid system på en gång med hjälp av PSpice och MATLAB Simulink.

Ett kritiskt block i utvecklingen är återvinning av energi när fordonet bromsar. För att återföra maximalt med energi krävs simulering av dubbelriktade DC/DC-konverterare över ett stort spänningsområde. Låt oss titta närmare på bromsmodulen för att förstå fördelarna med co-simulering.

Under återvinningsprocessen av energi från bromsarna är det elektriska systemet beroende av information från mekaniken och driftförhållandena, såsom bromskraftsfördelning, luftmotstånd, rullmotstånd, vägens lutning, fordonets hastighet och vikt. Dessa fenomen kan redan ha modellerats och simulerats i den matematiska modelleringsvärlden (MATLAB). Följaktligen, co-simulering av dessa två delsystem eliminerar antaganden och tillhandahåller en sann virtuell miljö för prototyper. Man kan koppla ihop dessa två delsystem utan att behöva tänka på omkonstruktioner av dessa. Detta medför kraftig tidsbesparing i modelleringstid och i analys av systemet som helhet.

Co-simuleringen nyttjar modeller från respektive system utan någon översättning eller konvertering. Ytterligare en fördel är att kunna återutnyttja delar från ett projekt till ett annat.
Utöver co-simulering möjliggör modulen PSpice System Option även överföring av resultatdata från PSpice-simuleringar till MATLAB för att kunna generera egna diagram såsom Nyqvist-kurvor och även kunna göra komplexa beräkningar på simuleringsresultatet i PSpice med hjälp av funktioner i MATLAB.

Denna nya utvecklingsmetodik baserad på PSpice och MATLAB Simulink medför följande viktiga fördelar:

1. Nyttja alla möjligheter till efterbearbetning och analys av data som finns i MATLAB i en integrerad miljö.

2. Samtidigt simulera algoritmiska och elektriska block tillsammans och återanvända testbänkar, signalkällor och gemensamma mätningar.

3. Utföra funktionssimulering av hela systemet. Genom att använda det nya flödet så ökar kvaliteten av simuleringarna, utvecklingstiden kortas och produktiviteten ökar.

Låt oss betrakta vilket komplext system som helst, såsom vågenergisystem, vindkraftssystem, solenergisystem eller Internet of Things system – en konstruktör måste modellera flera moduler i en integrerad miljö. Den nu diskuterade utvecklingsmetodiken passar in på alla dessa områden.
Den nya PSpice System Option gör det möjligt att modellera och simulera multidomänsystem i en integrerad miljö.
Kishore Karnane och Alok Tripathi, Cadence Design Systems

Filed under: EDA