Korszerű akkumulátoros energitároló és töltő fokozat FPGA alapú Hardware-In-the-Loop szimulátorának tervezése

A teljesítményelektronikai berendezések tervezése és gyártása korunk egyik legdinamikusabban fejlődő ipari ágazata. A félvezető elemekből egyre növekvő kapcsolási frekvencián kinyerhető, egyre nagyobb teljesítmények, másrészt az egyre komplexebb szabályozási feladatok mind kutatási, mind fejlesztési irányokat és kihívásokat nyújtanak a villamosmérnökök számára. Emellett azonban tény, hogy az ipar gyors eredményeket vár, még a frissen megjelent technológiák, és vezérlési struktúrák esetében is, ami pozitív húzóerején kívül komoly kihívásokat is jelent a kutató- és fejlesztőmérnököknek egyaránt.

A fejlődés hatása és az egyre összetettebb igények legfőképpen a több kilo- és megawattos teljesítményű átalakítók esetében figyelhető meg. Ilyen teljesítmény szinteken az emberi és anyagi biztonság kulcsfontosságú a fejlesztés és tesztelés teljes folyamata során. Ennek érdekében az átalakítókat többrétű védelemmel és komplex szabályozási körökkel látják el a biztonságos, és hatékony működés elérése érdekében.

A vezérlő egységek tervezése rendszerint párhuzamosan zajlik a teljesítmény fokozat (főkör) tervezésével. A modern vezérlőket korszerű beágyazott rendszerekkel oldják meg, amik tipikusan DSP vagy mikrokontroller alapúak. Legfőképpen a nagy-teljesítményű átalakítók esetében igaz, hogy a főköri elemek egyedi tervezése szükséges, így a vezérlőegység - szinte áramköri bonyolultságától függetlenül - jóval hamarabb a fejlesztő, illetve tesztelő kezébe kerül.

Mindezek tekintetében, a vezérlő egység tesztelésére kínálkozó lehetőségek közül egyre népszerűbb a Hardware-In-the-Loop (HIL) szimulátor alkalmazása, melyben a főkör modellje egy dedikált központi egységre implementált. Ezzel a módszerrel valós időben (~10-100 ns-os felbontású lépésközökkel) futtathatjuk a főkör szimulációját, ami periodikusan kiszámolja az állapotváltozók értékét, és interfészeinek megfelelő kialakításával elérhető, hogy azonos jelszintekkel kapcsolódjon a vezérlő egységhez, mint a valódi főkör esetén. A szabályozók hangolása valós időben, és a főkör valós idejű paraméterezésével, illetve belső változóinak monitorozása mellett végezhető el. A HIL szimulátor használatával a vezérlő egység tesztelésekor lehetőség nyílik olyan extrém hibaállapotok előállítására is, amik a valódi főkör esetén nehezen, vagy egyáltalán nem valósíthatók meg, azonban a specifikáció rendelkezik ilyen állapotok kezeléséről (pl.: fáziszárlatok, rövidzár védelmek).

TDK dolgozatomban egy ilyen FPGA alapú HIL szimulátor tervezését valósítottam meg, melyben a kezdetben megcélzott szimulációs lépésköz 100 ns volt. A szimulátorban megvalósításra került egy korszerű lítium-ion akkumulátor cellákat tartalmazó akkumulátor pakk modell, és a hozzá kapcsolódó akkumulátor töltő főkörének modellje.

A szimulátort egy Xilinx Artix-7 FPGA-ra szintetizáltam, melyhez a HDL kódot MATLAB/Simulinkből generáltam a modell megtervezését és offline szimulációkkal történő verifikálását követően. A vezérlőegység szerepét egy ST Microelectronics által gyártott 32 bites mikrokontroller fejlesztőkártya látja el.

szerző

• 
  Szabó Péter
  Villamosmérnöki szak, alapképzés
  alapképzés (BA/BSc)

konzulensek

• 
  Debreceni Tibor
  Doktorandusz, Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszék
• 
  Dr. Balázs Gergely György
  egyetemi adjunktus, Villamos Energetika Tanszék

helyezés