Teljesítmény-átalakító FPGA alapú valós idejű Hardware-In-the-Loop szimulátorának tervezése

OData támogatás
Konzulens:
Kökényesi Tamás
Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

A modern teljesítmény-átalakítók vezérlésének fejlesztése manapság rendkívül költséges és időigényes feladat. A piac ezzel ellentétben gyors válaszokat vár az igényekre, természetesen a minőség romlása nélkül.

Egy ilyen átalakító két fő részre osztható: egy teljesítményfokozatra (főkörre) és egy digitális vezérlő egységre, amit általában valamilyen DSP segítségével valósítanak meg. A korszerű teljesítmény-konverziós feladatokhoz rendkívül bonyolult, többrétű szabályozás és vezérlés szükséges, melyek terepi – azaz magán a nagy teljesítményű főkörön történő– tesztelése nem csak a rendszerre, hanem a tesztelőkre is veszélyes lehet.

A főáramkör kisteljesítményű deszkamodellje felépíthető laboratóriumi körülmények között is, de a végső rendszertől eltérő paraméterekkel. Általában nem lehetséges ugyanazokat az időállandókat beállítani, mint az éles rendszerben és a relatív veszteségek is nagyobbak.

A Hardware-In-the-Loop (HIL) szimulátor jelen esetben az irányított teljesítmény-átalakítónak, annak megtáplálásának és terhelésének FPGA-n implementált modellje. A HIL szimuláció különösen célszerű eszköz a teljesítményelektronikában, hiszen paraméterezhető, monitorozható, logikai jelszintű, így gyors és nem veszélyes egy új vezérlő tesztelése. Az extrém hibaállapotok is könnyen reprodukálhatók, amik a valós rendszerben igen ritkák lennének, esetleg előidézésük sem lenne lehetséges a tesztelés során.

A számítógépes szimulációval szemben további előnye a módszernek, hogy a HIL szimulátor testre szabásával elérhető, hogy a szimulátor egység ki- és bemeneti jelszintjei azonosak legyenek a vezérlés és a főkör közötti csatlakozási felület (vezérlések, érzékelt jelek) jelszintjeivel, így az irányító elektronika hardver és szoftver tesztelése is megvalósul.

A HIL szimulátor kifejlesztésénél amellett, hogy jó ár/minőség arányra kell törekedni, fontos szempont, hogy a főkör modelljének FPGA-ra implementálható HDL kódját magas szintű programnyelven (MATLAB/Simulink) lehessen definiálni, így a szimulátor fejlesztésénél ne kelljen túlságosan a kód optimalizálásán dolgozni.

Diplomamunkám témája egy ilyen valós idejű HIL szimulátor kifejlesztése FPGA felhasználásával. A modellezendő rendszer elsősorban egy 3 fázisú hálózatra kapcsolt 36kW teljesítményű Sinamics S120 Active Line Module egy Active Interface Module-lal. Az utóbbi hálózati és EMC szűrést valósít meg, előbbi pedig gyakorlatilag egy IGBT-s aktív egyenirányító fokozat, mely képes inverter üzemmódban is működni, és így a hálózatra visszatáplálni.

A vezérlés többrétű: a Sinamics S120 ALM beépített vezérlőjéből és egy központi CU320-as vezérlőből tevődik össze. A mért jelek a modellben állapotváltozók, így az FPGA-ban implementált Σ/Δ átalakítókon keresztül jutnak a vezérlőkártyára. A szimuláció az áramkör állapotváltozóinak periodikus számításával történik. A megcélzott frissítési frekvencia 10 MHz, ami 100 ns-os időléptékű szimulációs felbontást eredményez.

Letölthető fájlok

A témához tartozó fájlokat csak bejelentkezett felhasználók tölthetik le.