DSP - FPGA Based Computing Platform for Control of Power Electronic Converters

• Autorzy: Stando D. , Chudzik P. , Moradewicz A. , Miśkiewicz R. , Kaźmierkowski M. P.

Warianty tytułu

PL

Platforma programowa DSP-FPGA do sterowania przekształtnikami energetycznymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Modern power electronic converters (PECs) require electronic controllers with high capabilities of implementing new and more complex algorithms combined with internal high-speed communications interfaces. This paper presents the design and implementation of a research/industrial multiprocessor controller based on a floating-point digital signal processor (DSP) and field programmable gate array (FPGA) developed in the Laboratory of the Electrotechnical Institute, Warsaw, Poland. The DSP-FPGA platform configuration, and also current and voltage sensors used in PECs are discussed. Although, the developed digital platform can be used in a variety of PECs, this paper focuses on an example of a 15kVA DC-AC high frequency AC link converter for auxiliary power supply used in DC traction. The novelty of the presented converter topology lies in passive components elimination by offering an all silicon solution for AC–AC power conversion part. Selected experimental oscillograms illustrating operation of the developed converter with DSP-FPGA control are added.

PL

Nowoczesne przekształtniki energoelektroniczne wymagają wydajnych platform obliczeniowych pozwalających na implementacje złożonych algorytmów i szybkich wewnętrznych interfejsów komunikacyjnych. Artykuł ten prezentuje projekt i implementację płyty sterującej zawierającej procesor sygnałowy i układ programowalny, którą opracowano w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie. Powstała platforma może być wykorzystywana do sterowania różnego rodzaju urządzeń energoelektronicznych, w tym artykule przedstawiono jej implementację w przetwornicy 15 kW AC-DC z wysokoczęstotliwościowym przekształtnikiem sprzęgającym AC do zasilania elektronarzędzi w trakcji elektrycznej. Innowacyjność prezentowanej przetwornicy polega na eliminacji elementów pasywnych poprzez zastosowanie bezpośredniego sprzęgu AC-AC. Przedstawione zostały również wybrane oscylogramy eksperymentalne prezentujące pracę powstałego urządzenia sterowanego przez platformę DSP-FPGA.

Słowa kluczowe

EN

digital signal processor; FPGAs; field programmable gate array (FPGA); PECs; current sensor; voltage sensor

PL

procesor sygnałowy; układ programowalny; sterowanie przekształtnikiem; czujnik prądu; czujnik napięcia

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 91, nr 12
• Strony: 1--6
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Stando D.

• Electrotechnical Institute, Department of Electrical Drives, ul. Pożaryskiego 28, 04-703 Warszawa

autor

Chudzik P.

• Electrotechnical Institute, Department of Electrical Drives, ul. Pożaryskiego 28, 04-703 Warszawa

autor

Moradewicz A.

• Electrotechnical Institute, Department of Electrical Drives, ul. Pożaryskiego 28, 04-703 Warszawa

autor

Miśkiewicz R.

• Electrotechnical Institute, Department of Electrical Drives, ul. Pożaryskiego 28, 04-703 Warszawa

autor

Kaźmierkowski M. P.

• Warsaw University of Technology, Institute of Control and Industrial Electronics, Koszykowa 75, 00-662 Warsaw

Bibliografia

• [1] Kazmierkowski M.P., Krishnan R., Blaabjerg, F., (2002). Control in Power Electronics Selected Problems. San Diego, Academic Press.
• [2] Cortés P., Kazmierkowski M.P., Kennel R.M., Quevedo D.E., Rodríguez J., Predictive control in power electronics and drives. IEEE Trans. on Ind. Electronics, 55 (2008), no.12, 4312–4324.
• [3] Antoniewicz P., Kazmierkowski M.P., Virtual flux based predictive direct power control of ac/dc converters with on-line inductance estimation. IEEE Trans. on Ind. Electronics, 55 (2008) no. 12, 4381–4390.
• [4] Buccella C., Cecati C., Latafat H., Digital control of power converters—A survey. IEEE Trans. on Ind. Informatics, 8 (2012), no. 3, 437– 447.
• [5] Wrona G., Jasinski M., Kazmierkowski M.P., Bobrowska-Rafal M., Korzeniewski M., Floating point DSP TMS320F28xx in control systems for renewable energy sources RES, Przegląd Elektrotechniczny, 87 (2011), no. 6, 73-78.
• [6] Monmasson E., Cirstea M.N., FPGA design methodology for industrial control systems: a review. IEEE Trans. on Ind. Electron., 54 (2007), no. 4, 1824-1842.
• [7] Monmasson E., Idkhajine L., and Naouar M.W., FPGA-based controllers. IEEE Trans. Ind. Electron. Magaz., 5 (2011), no. 3, 14-26.
• [8] Monmasson E., Idkhajine L., Cirstea M.N., Bahri I., Tisan A., Naouar M.W., FPGAs in industrial control applications. IEEE Trans. Ind. Informat., 7 (2011), no. 5, 224-243.
• [9] Moradewicz A.J., Kazmierkowski M.P., Contactless energy transfer system with FPGA-controlled resonant converter. IEEE Trans. Ind. Electron., 57 (2010), no. 9, 3181–3190.
• [10] Navarro D., Lucía O., Barragán L.A., Urriza I., Jiménez O., High-level synthesis for accelerating the FPGA implementation of computationally-demanding control algorithms for power converters. IEEE Trans. Ind. Informatics, 9 (2013), no. 8, 1371-1379.
• [11] Giron C., Rodriguez F.J., Huerta F., Bueno E., Implementing high speed communication buses for FPGA-DSP architecture for digital control of power electronics. In Proc. IEEE Int. Symp. Intell. Signal Process., 2006 Oct. 3-5, 1-6.
• [12] Bueno E.J., Hernandez A., Rodriguez F.J., Giron C., Mateos R., Cobreces S., A DSP- and FPGA-Based Industrial Control With High-Speed Communication Interfaces for Grid Converters Applied to Distributed Power Generation Systems. IEEE Trans. on Ind. Electronics, 56 (2009) no. 3, 654-668.
• [13] Hamouda M., Blanchette H.F., Al-Haddad K., Fnaiech F., An Efficient DSP-FPGA-Based Real-Time Implementation Method of SVM Algorithms for an Indirect Matrix Converter. IEEE Trans. on Ind. Electronics, 58 (2011), no. 11, 5024-5030.
• [14] Turzyński M., Banach P., Murawski P., Pepliński R., Chrzan P.J., (2013), A predictive estimation based control strategy for a quasi-resonant dc-link inverter. Bull. Pol. Ac.: Tech., 61(4), 757-762.
• [15] Tarczewski T., Grzesiak L.M., Wawrzak A., Karwowski, K., Erwinski K., A state-space approach for control of NPC type 3- level sine wave inverter used in FOC PMSM drive. Bull. Pol. Ac.:Tech. 63 (2014), no. 3, 439–448.
• [16] LEM sensors www.lem.com
• [17] Thal E., Masuda K., Wiesner E., New 800A/1200V Full SiC Module. Bodo’s Power Systems, (2015), April, 28-31. (www.bodospower.com)
• [18] Millan J., Godignon P., Perpinya X., Perez-Tomas A., Rebollo J., A survey of wide band gap power semiconductor devices, IEEE Trans. Power Electron., 29 (2013), no. 5, 2155-2163.
• [19] Caddock www.caddock.com
• [20] PRC www.precisionresistor.com
• [21] TI www.ti.com/lsds/ti/amplifiers-linear/isolation-amplifierproducts
• [22] DENT Instruments www.dentinstruments.com
• [23] U.R.D. www.u-rd.com/english/index.html
• [24] Zhang M, Li K., He S., Wang J., Design And Test of A New High-Current Electronic Current Transformer With A Rogowski Coil. Metrol. Meas. Syst., 21 (2014), no. 1, 121-132.
• [25] PEM www.pemuk.com
• [26] ABB www.abb.com/sensors
• [27] Scherner S., Slatter R., New applications in power electronics for highly integrated high-speed magneto resistive current sensors. In Proc. of CIPS 2014, February, 25–27, Nurnberg, Germany.
• [28] RM sensors www.sensitec.com