Emulación en FPGA del lazo cerrado de un controlador digital para convertidor conmutado

Abstract

En los últimos años se está produciendo un cambio en la electrónica que nos rodea. Los sistemas están pasando del mundo analógico al mundo digital en prácticamente todos los ámbitos en los que están presentes. En concreto, el uso de controles digitales ofrece beneficios importantes sobre el control analógico. El uso de sistemas digitales implica mejor reproducibilidad, facilidad de diseño, flexibilidad en la variación de los modelos y posibilidad de utilizar algoritmos más complejos entre otras ventajas. Para llevar a cabo este diseño en el que una planta analógica se regula con un control digital es necesario realizar comprobaciones y verificaciones para cerciorar que el control a emplear funciona correctamente junto a la planta que manipula. En el caso de que existan fallos en este conjunto, como el uso de un control inapropiado, se puede traducir en el rediseño de la placa, en daños materiales o incluso en daños personales. Además para realizar esta comprobación en lazo cerrado, es decir, comprobar el control junto a la planta, sería necesario un sistema mixto que pueda manipular tanto señales digitales como analógicas. Las simulaciones mixtas requieren mucho tiempo de simulación y hay pocos simuladores disponibles en el mercado. Para solventar este problema, se emplea la técnica HIL (Hardware In-The-Loop) que consiste en la digitalización de la planta y su integración en un dispositivo para lograr tiempos de simulación similares a los tiempos de trabajo del dispositivo analógico. Con esto se consigue simular 200 ms en un tiempo real de alrededor de 1 segundo, frente a las más de dos horas necesarias en los simuladores mixtos. En este trabajo se trata este tema para el caso de los convertidores conmutados regulados con control digital. Para este caso se consigue la mejora de tiempos antes mencionada. Para ello se digitaliza el modelo de planta para así simularlo conjuntamente junto al control en lazo cerrado. Por lo tanto, con estos resultados tomados de los modelos digitalizados que representan exactamente a las plantas sustituidas, se permite acelerar el proceso de pruebas y testeo de las fuentes conmutadas de una forma segura. Como se mostrará en este trabajo, el camino hasta lograr los objetivos marcados es algo complejo, pero con unos resultados asombrosos con respecto a las propuestas anteriores.A change in the electronics surrounding us is taking place over the last few years. Analog systems are giving way to digital systems in most areas. Particularly, digital control systems provide some important advantages over analog ones, such as better reproducibility, easier designs, flexibility in model variation and more complex algorithms support. In a design in which an analog plant is regulated with a digital controller, some verification is needed to check the correct work of that particular controller. If there is a failure such as inappropriate control, it may have implications like board redesign or personal and material damage. Moreover, in order to check in closed loop both the plant and the controller, a system that operates with analog and digital signals is required. Mixed simulations take a lot of time to run and there are few simulators available. To overcome this problem, HIL (Hardware In-The-Loop) technique is proposed. It consists on digitizing the plant and integrating it in a device in order to achieve a performance similar to the one attainable with an analog system. HIL can run a simulation of 200 ms in approximately one second versus mixed systems which need more than two hours. This work focuses on digitally-controlled switched converters. In order to obtain a significant time improvement in the verification of the closed loop system, a digitized model of the plant is generated so it can be easily simulated or emulated along with the controller. Hence, the results of the digitized models represent accurately the substituted plants which leads to a faster and safer testing process. It will be shown that this is a complex task but its outcome is significantly better than previous works