Hardware In the Loop co-simulation of an FPGA based sine pulse width modulator for variable speed AC drives

• Autorzy: Belkhiri Ahmed , Belkhiri Mohammed

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2020.12.08

Warianty tytułu

PL

Analiza układu modulacji PWM stosowanego w napędzie AC z wykorzystaniem układu FPGA

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents a Hardware-In-the-Loop (HIL) co-simulation of SPWM generator for variable speed AC motor drive. This approach allows us to connect the physical FPGA development board that implements the Sine Pulse Width Modulation (SPWM) generator to the Matlab/Simulink environment software in which the power part composed of an inverter and an AC motor is modeled. The HIL co-simulation benefits from the powerful features of the FPGA board in generating PWM pulses at high switching frequencies, and on other side, it gains from the Simulink tools in giving more flexibility and freedom in order to perform different functional tests without any risk that can be happen in case of experimental tests. Detailed co-simulation and experimental results of the AC motor variable speed drive are successfully achieved, showing that the user can run the AC motor at any desired speed.

PL

W artykule przedstawiono symulację sprzętową w pętli (HIL) generatora SPWM do napędu AC o zmiennej prędkości. Takie podejście pozwala nam podłączyć fizyczną płytkę rozwojową FPGA, która implementuje generator modulacji szerokości impulsu sinusoidalnego (SPWM) z oprogramowaniem środowiska Matlab / Simulink, w którym modeluje się część mocy złożoną z falownika i silnika prądu przemiennego. Kosymulacja HIL korzysta z funkcji płyty FPGA w generowaniu impulsów PWM przy wysokich częstotliwościach przełączania, a z drugiej strony zyskuje dzięki narzędziom Simulink, zapewniając większą elastyczność i swobodę w celu wykonywania różnych testów funkcjonalnych bez żadnego ryzyka może się to zdarzyć w przypadku testów eksperymentalnych. Z powodzeniem uzyskano szczegółową współsymulację i wyniki eksperymentalne przemiennika częstotliwości z silnikiem prądu przemiennego, pokazując, że użytkownik może uruchomić silnik prądu przemiennego z dowolną pożądaną prędkością.

Słowa kluczowe

EN

FPGA; Hardware In the Loop; co-simulation; SPWM; modulation index; carrier-frequency; logic element; AC motor drives

PL

FPGA; sprzęt w pętli; współsymulacja; SPWM; indeks modulacji; częstotliwość nośna; element logiczny; napęd AC

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 96, nr 12
• Strony: 47--52
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Belkhiri Ahmed

• University Amar Telidji-Laghouat, Department of Electrotechnique, Laboratoire de Télécommunications, Signaux et Systemes, BP G37 Route de Ghardaia, Laghouat 03000, Algeria

autor

Belkhiri Mohammed

• University Amar Telidji-Laghouat, Department of Electronics, Laboratoire de Télécommunications, Signaux et Systemes, BP G37 Route de Ghardaia, Laghouat 03000, Algeria

Bibliografia

• [1] M. Barnes, Practical Variable Speed Drives and Power Electronics, Elsevier, British Library. 2003.
• [2] J. A. Ghaeb, M. A. Smadi, M. Ababneh, “Progressive decrement PWM algorithm for minimum mean square error inverter output voltage,” Energy Conversion and Management, 52 (2011) 3309–3318.
• [3] Y. Tzou, and H.J. Hsu, “FPGA Realization of Space-Vector PWM Control IC for Three-Phase PWM Inverters,” IEEE Trans. on Power Electronics 12 (1997) 953-965.
• [4] J.M. Retif, B. Allard, X. Jorda and A. Perez, “Use of ASIC’s in PWM techniques for power-converters,” Proceedings of the International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation, Nov. 15-19 1993 Maui, HI, USA., pp683-688.
• [5] N.A. Rahim and Z. Islam, “A single-phase series active power filter design,” Proceeding of the International Conference on Electrical, Electronic and Computer Engineering, IEEE, USA, pp:926-929. Sept.2004
• [6] N.A. Rahim and Z. Islam, “Field Programmable Gate Array- Based Pulse-Width Modulation for Single Phase Active Power Filter,” Journal of Applied Sciences vol. 6 (2009) 1742-1747.
• [7] S. Kilts, Advanced FPGA Design Architecture, Implementation, and Optimization, John Wiley & Sons, 2007. 0 200 400 600 800 x [mm] 0 20 40 60 80 H [A/m] 52 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 96 NR 12/2020
• [8] T. Sutikno, M. Facta, “An Efficient Strategy to Generate High Resolution Three-Phase Pulse Width Modulation Signal Based on Field Programmable Gate Array,” International Journal of Computer and Electrical Engineering, 2 (2010).
• [9] S. Mazumdar and K. Ray, “A Microcomputer Controlled Drive Signal Generator for 3-Phase Sinusoidal Pulse-Width Modulated Inverters,” IETE Technical Review, vol. 5, no. :5 ,211-219
• [10] A. Belkheiri, M. Belkheiri. and Said Aoughellanet, “Design of FPGA implementation of configurable three-Phase SPWM module,” 2012 2nd International conference on Communications, Computing and Control Applications (CCA), Marseille France 6-8 Dec. 2012
• [11] W.A. Salah, D. Ishak, and K.J. Hammadi, “PWM Switching Strategy for Torque Ripple Minimization in BLDC Motor,” Journal of Electrical Engineering- Slovakia vol. 62 (2011). 141- 146.
• [12] A. Suzdalenko and J. Zakis, “Single-Loop Current Sensorless Control for Half-Bridge Based AC/DC Converter,” IETE Technical Review, vol.33, no. 6, 2016
• [13] S. Ayasun, R. Fischl, S. Vallieu, J. Braun, D. Çadırlı, Modeling and stability analysis of a simulation–stimulation interface for hardware-in-the-loop applications, Elsevier, 2007.
• [14] C. Paiz, C. Pohl, and M. Porrmann, “Hardware-in-the-Loop Simulations for FPGA-based Digital Control Design”. Informatics in Control Automation and Robotics. Lecture Notes Electrical Engineering, vol 15. Springer, Berlin, Heidelberg 2008.
• [15] K. Jha, S. Mishra, and A. Joshi, “Boost-amplifier-based powerhardwarein- the-loop simulator,” IEEE Trans. Indust. Electr., vol. 62, no. 12, pp. 7479–7488, 2015.
• [16] T. Vo-Duy and M. C. Ta, “A signal hardware-in-the-loop model for electric vehicles,” ROBOMECH Journal, vol. 3, no. 1, p. 29, 2016.
• [17] S. Panayiotis, and D. Piyabongkarn “Development of a Real- Time Digital Control System With a Hardware-in-the-Loop Magnetic Levitation Device for Reinforcement of Controls Education”, IEEE Trans. on Education, Vol.. 46, no.. 1, February 2003
• [18] K. L. Lian, , and P. W. Lehn, “Real-Time Simulation of Voltage Source Converters Based on Time Average Method” IEEE Trans. on power systems, vol. 20, no. 1, February 2005
• [19] R. Crosbiea, J. Zenora, R. Bednara, D. Worda, N. Hingoranib, and T. Ericsenc, ”High-Speed, Scalable, Real-Time Simulation Using DSP Arrays”, Proceedings of the 18th Workshop on Parallel and Distributed Simulation (PADS’04)
• [20] K. Upamanyu, M. Chaitanya, G. Narayanan, and G. Gurrala, “Current Controlled Voltage Source Inverter Based Amplifier for Power Hardware in Loop Simulation Using Miniature Full Spectrum Simulator”, IEEE 7th Power India International Conference, India, 2016.
• [21] R. Isermann, and N. Muller, “Design of computer controlled combustion engines,” Mechatronics 13 (2003) 1067–1089.
• [22] X. Yue, M. Vilathgamuwa, and K.J. Tseng, “Robust Adaptive Control of a Three-Axis Motion Simulator With State Observers”, IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS, VOL. 10, NO. 4, AUGUST 2005.
• [23] A. Kulkarni and V. John, “HF transformer-based gridconnected inverter topology for photovoltaic systems,” IETE Technical Review, vol. 33, no. 1, Jan. 2016.
• [24] N. Mohan, T.M. Undeland, and W.P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1995.
• [25] A. Belkheiri, S. Aoughellanet, M. Belkheiri and A. Rabhi, "FPGA based control of a PWM inverter by the third harmonic injection technique for maximizing DC bus utilization," 2015 3rd International Conference on Control, Engineering & Information Technology (CEIT), Tlemcen, 2015, doi: 10.1109/CEIT.2015.7233028.
• [1] Kowal ski J., Jak pisać tekst do Przeglądu, Przegląd Elektrotechniczny, 78 (2002), nr 5, 125-128
• [2] Johnson B., Pike G.E., Preparation of Papers for Transactions, IEEE Trans. Magn., 50 (2002), No. 5, 133-137

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).