VHDL-AMS

Die Modellierungssprache VHDL-AMS ist ein vom IEEE verabschiedeter Standard (1076.1) zur Modellierung digitaler, analoger und gemischt analog-digitaler Systeme. Modelle, die in VHDL-AMS geschrieben sind, können in einer Reihe von Simulatoren verwendet werden, so dass ein Modellaustausch auch dann möglich ist, wenn die beteiligten Partner unterschiedliche Simulationssysteme im Einsatz haben. Die Sprache basiert auf dem seit langem eingeführten Standard VHDL, mit dem das logische Verhalten digitaler (ereignisgesteuerte) Systemen beschrieben und auf dessen Basis derartige Systeme synthetisiert werden können. Durch die Erweiterung zu VHDL-AMS können nunmehr auch algebraische und Differentialgleichungen in die Simulation einbezogen werden.

Die Kombination beider Modellierungsansätze bringt eine hohe Flexibilität in die Systemmodellierung. Beispielsweise kann die Modellierung von Steuerungen auf einem höheren Abstraktionslevel (digitales Modell) erfolgen, während die Beschreibung von Motoren, leistungselektronischen Stellgliedern, mechanischen und anderen Komponenten detailliert durch algebraische und Differentialgleichungen (analoges Modell) realisierbar ist. Das obenstehende Bild demonstriert die Möglichkeiten von VHDL-AMS am Beispiel eines Schrittmotor-Antriebs. Die Gesamtsystem-Simulation setzt sich aus einer Reihe von Einzelmodellen zusammen, die alle unter Verwendung von VHDL-AMS erstellt wurden. Der Motor wird von einem aus zwei H-Brücken bestehenden Wechselrichter angesteuert. Die PWM-Signale zum Ein- und Ausschalten der Transistoren werden durch digitale Prozesse generiert. Die Modelle zur Nachbildung der H-Brücken (elektrisch), der Motorphasen (elektrisch/mechanisch) und des Rotors (mechanisch) nutzen ausschließlich analoge Beschreibungen. Die Simulation des Schrittmotors wurde von Adapted Solutions im Rahmen eines Projektes des FAT-Arbeitskreises „Simulation gemischter Systeme mit VHDL-AMS” erstellt.

Die nebenstehende Abbildung zeigt die Verknüpfung mehrerer Domains mittels eines VHDL-AMS-Modells. Die Simulation enthält Modelle für eine dreiphasige Spannungsquelle eine Asynchronmaschine und eine rotatorische Last. Das Modell der Asynchronmaschine ist in zwei Teile aufgespalten. Die Gleichungen zur Beschreibung der elektromagnetischen Wechselwirkungen, der Erzeugung des Drehmoments und der Bewegung des Rotors sind in einem VHDL-AMS-Modell enthalten. Dieses Modell besitzt Anschlüsse zur Anbindung an elektrische, mechanische und thermische Netzwerke. Die Erwärmung innerhalb der Asynchronmaschine wird in einem Subsheet berechnet, das mit dem VHDL-AMS-Modell verbunden ist. Das VHDL-AMS-Modell speist über die thermischen Anschlüsse die Verlustleistung in das thermische Netzwerk ein und kann über die Knotenpotentiale die resultierenden Temperaturen bestimmen und eine Neuberechnung der temperaturabhängigen Parameter des elektromagnetischen Netzwerks durchführen.

Die Verwendung einer Beschreibungssprache hat gegenüber einer grafischen Modellierung dann Vorteile, wenn zur Nachbildung von Komponenten wie beispielsweise elektrischer Maschinen größere Gleichungssätze zu implementieren sind. Die „Lehrbuchgleichungen” können nahezu unverändert übernommen werden.

Das in VHDL-AMS umgesetzte Entity-Architecture-Konzept ermöglicht es, einem Modell mit definierter Schnittstelle (Anschlüsse, Parameter, Ein- und Ausgaben) mehrere alternative Verhaltensbeschreibungen („architetures”) zuzuweisen. Dadurch können für ein Modell unterschiedlich komplexe Gleichungssätze implementiert und je nach Anforderung für eine bestimmte Simulation ausgewählt werden.

VHDL-AMS-Modelle können in Portunus mit Hilfe eines leistungsfähigen Editors erstellt werden bzw. aus ASCII-Dateien eingelesen werden. Der Editor bietet Funktionen wie Syntax-Coloring und ermöglicht einen sofortigen Test des Modelltextes auf syntaktische Korrektheit. Ein Symboleditor erlaubt die Anpassung des Symbols im Schematic. VHDL-AMS-Modelle können sowohl im Schematic als auch in einer Bibliothek gespeichert und bearbeitet werden.