^Vl I. Publishing. Transformation von Multiphysics-Modellen. in einen FPGA-Entwurf für den echtzeitfähigen HiL-Test eingebetteter Systeme.

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1 Transformation von Multiphysics-Modellen in einen FPGA-Entwurf für den echtzeitfähigen HiL-Test eingebetteter Systeme von Christian Köllner ^Vl I Scientific Publishing

2 Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Formelzeichen ix xi 1 Einleitung und Motivation Entwicklung von Steuergeräten im Automobil Ziele der Arbeit Gliederung 6 2 Grundlagen Algebro-Differentialgleichungssysteme Numerische Integration Das Euler-Cauchy-Verfahren Runge-Kutta-Verfahren Weitere Ansätze Rechnergestützte Simulation physikalischer Systeme Diskrete Ereignissysteme Zeitgetriebene Systeme Zeitkontinuierliche Systeme Hybride Systeme Modelica Merkmale Übersetzung und Simulation Elektrische Motoren Kommutatormaschinen Asynchronmaschinen Synchronmaschinen Reluktanzmaschinen Field-Programmable Gate Arrays Übersicht Programmierung High-Level Synthese Hardware-in-the-Loop Testmethodik Grundbegriffe des Übersetzerbaus 54 3 Stand der Technik HiL-Test elektrifizierter Antriebsstränge Testmethoden FPGA-basierte Simulation elektrischer Maschinen 60 v

3 vj Inhaltsverzeichnis 3.2 Sprachen und Werkzeuge für ODE- und DAE-Simulationen MATLAB/Simulink und Stateflow SimScape Modelica-f'ähige Werkzeuge AMS-Erweiterungen SPICE Saber/MAST und SystemVision Beschleunigung physikalischer Simulationen Parallelisierung GPGPU FPGA High-Level Synthese Ansätze Werkzeuge 85 4 Analyse Anforderungen Modellierungsanforderungen Zeitliche Anforderungen Fazit Entwurfsunterstützung durch existierende Werkzeuge Modelica und Werkzeuge SimScape Simulink und HDL Coder C to Gates? 97 5 Konzeption Enfrwurfsfluss Gesamtkonzept Übergabeformat: Anforderungen Functional Mockup Interface Extensible Intermediate Language Typsystem Domänenspezifische Operatoren Scheduling-Restriktionen Serialisierung Kopplung mit FPGA Werkzeugkette Zieltechnologie Generate Methodik FPGA-freundliches Modellieren Synthesekonzept 109

4 Inhaltsverzeichnis vii 6 Umsetzung Das System#-Framework Übersicht SysDOM Die generative Modellierungsebene Die deskriptive Mudellierungsebene Elaboration Typsystem Simulationskernel Code-Generierung Dekompilierung von deskriptivem Code Strukturelle Analyse Isolation des Laufzeitverhaltens Methoden ohne async" Modiher L Methoden mit async" Modiher High-Level Synthese in System* Übersicht Programmtransformationen Komponentenbibliothek Scheduling Ressourcen-Allokation und Binding Interconnect-Allokation Kontrollpfad-Synthese Syntheseplan Domänen-spezifische Bausteine Behandlung linearer Systeme Behandlung nichtlinearer Systeme Xilinx IP Cores Automatisierte Auslegung von Festkommadatentypen Einführung Verwandte Arbeiten Bestimmung der Wertebereiche Sensitivitätsanalyse Wortbreitenbestimmung Synthesewerkzeug Übersicht Mensch-Maschine-Schnittstelle Verifikation und Logiksynthese Praxis-Erprobung: Elektromotoren Ausgewählte Beispiele Inbetriebnahmen bei Projektpartnern Parametricrung von Festkommaarithmetik Synthese-Ergebnisse Latenzkonfiguration arithmetischer Operatoren 187

5 viii Inhaltsverzeichnis FSM vs. HMA Performanz-steigernde Maßnahmen Vergleich mit existierenden Lösungen E/A-Schnittstelle zur Signalkonditionierung E/A-Schnittstelle zur Teststeuerung Sicherheitsebene Motorsimulation Inverter Fazit Zusammenfassung Ausblick 207 A Verzeichnisse 211 A.l Eigene Veröffentlichungen (E) 211 A.2 Betreute studentische Arbeiten (B) 213 A.3 Fremdliteratur 215 A.4 Standards und Normen (Std) 238 A.5 Webquellen (WWW) 239 A.6 Abbildungsverzeichnis 242 A.7 Tabellenverzeichnis 243