Implementación de un modelo HIL en coma fija parametrizable con pérdidas eléctricas

Abstract

Es indudable que el uso de reguladores digitales para controlar convertidores de potencia es cada vez más frecuente. Esto es debido a los grandes beneficios que aporta el control digital frente al analógico, a la vez que el precio está disminuyendo paulatinamente. Antes de pasar a la etapa de producción, un controlador digital para un convertidor de potencia necesita, al igual que cualquier otro circuito electrónico, superar una serie de rigurosos exámenes para cerciorarse del correcto funcionamiento del mismo. Si no se llegara a detectar un fallo en el conjunto, se podrían causar daños materiales o incluso daños personales debido a la gran cantidad de energía con la que se trabaja. Dichos riesgos provocan que la verificación experimental no sea una tarea sencilla y por tanto nos vemos forzados a realizar distintas pruebas de simulación antes del proceso de producción. Sin embargo, la simulación de reguladores digitales para una planta analógica no es trivial. Aunque existen simuladores mixtos, estos no permiten realizar simulaciones a tiempo real cuando la frecuencia de conmutación del regulador es muy elevada (cientos de kilohercios o megahercios). Esto es debido a que no se consigue tiempo real cuando el paso de integración es menor que un microsegundo. Con el fin de acelerar las simulaciones se emplea la técnica HIL (Hardware in the Loop). Esta técnica consiste en la digitalización de la planta mediante un modelo matemático y su ejecución en hardware para mejorar el rendimiento de la simulación. De esta forma, se consiguen emulaciones en tiempo real con tiempos de integración de hasta decenas de nanosegundos. En este proyecto se ha aplicado la técnica HIL, usando FPGAs (acrónimo), a la digitalización de un convertidor conmutado de tipo elevador. Además, se ha llevado a cabo un estudio sobre las diferentes aritméticas utilizables en FPGA. También se muestra el uso de coma fija parametrizable que consigue aunar la rapidez y los recursos característicos de la coma fija, y la adaptabilidad de la coma flotante. Por tanto, obteniendo grandes rendimientos, el sistema se puede adaptar a las condiciones de simulación requeridas por el regulador a probar. En este proyecto se muestra una comparativa entre diferentes aritméticas escritas en VHDL, teniendo como referencia un modelo diseñado en Matlab Simulink. Además, se muestra la influencia de las pérdidas eléctricas en el modelo, y se presentan modelos VHDL también incluyendo dichos efectos. Los resultados experimentales demuestran que utilizando coma fija parametrizable se consigue modelar el convertidor conmutado elevador con pérdidas eléctricas en tiempo real con tiempos de integración de hasta 31 ns, mientras que los resultados de precisión muestran que el error cometido frente a Simulink es menor del 1%.

Nowadays, digital controllers are an increasing tool that helps controlling power converters due to all their benefits, which also include price decreasing.

The way digital controllers are prepared for manufacturing is similar to other electronic circuits – they need to pass a series of tests in order to determine whether their performance is accurate or not. If an error is not found during this process, it could result in both material and personal severe damages, due to the great amount of electricity that converters conduct. These risks make experimental verification a dangerous task and several tests must be carried out before starting the manufacturing.

However, simulations of digital controllers for an analog plant are complex. Even though mixed simulators exist, they are not able to perform real time simulations when the switching frequency is high (hundreds of kilohertzs or megahertzs), as they cannot archive real time when integration is lower than a microsecond.

In order to speed up simulations, a technique called HIL (Hardware in the Loop) may be applied. This technique is based on the digitalization of a plant through a mathematical method and its execution in hardware for improving the simulation performance. Thanks to this method, it is possible to get real time emulations with integration times up to dozens of nanoseconds.

In this Project, the HIL technique was applied by using FPGAs (field-programmable gate array) during the digitalization of a boost converter. What is more, a study regarding the different arithmetics that could apply to FPGA was carried out. It was also proved that the usage of the parametric fixed point can coordinate the speed and resources of the fix point with the adaptability of the floating point. Thus, the system can be adapted to the conditions of the simulation required by the controller that will be tested if the performance is accurate.

This Project also includes a comparative between different VHDL arithmetics, keeping in mind the model that has been designed in Matlab Simulink. The influence of the electric losses in this model was shown including some VHDL methods where it is possible to find these effects. The experimental results also prove the following facts. On the one hand, it is possible to shape a real-time boost converter with electric losses and integration timing up to 31 ns by using the parametric fixed point. On the other hand, accuracy results show that the error made is lower than 1% if compared to Simulink.