Mini naperőmű FPGA alapú valós idejű Hardware-In-the-Loop szimulátorának tervezése

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-ra 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 vezérlőkártya 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.

TDK dolgozatom témája egy ilyen valós idejű HIL szimulátor kifejlesztése FPGA felhasználásával. A modellezendő rendszer egy energiatárolással egybeépített mini naperőmű, azaz napelem panelek által táplált akkumulátortöltő teljesítményfokozat és az akkumulátor.

A vezérlő egység szerepét egy DSP látja el, ami méri a külvilágból érkező analóg jeleket és kiadja a megfelelő vezérlést a konverternek. Az analóg kimenő jelek előállítását az FPGA-ban Σ/Δ DA átalakítók segítik. A szimuláció az áramkör állapotváltozóinak periodikus számításával történik. A megcélzott frissítési frekvencia 40 MHz, ami 25 ns-os időléptékű szimulációs felbontást eredményez.

szerző

• 
  Debreceni Tibor
  villamosmérnöki
  nappali

konzulens

• 
  Kökényesi Tamás
  tanársegéd, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék

helyezés