Emulación HIL de convertidores conmutados utilizando modelos parametrizables

Abstract

Las ventajas del uso de controladores digitales frente a analógicos están fuera de toda duda. Debido a ello y gracias a la reducción de precio de los primeros, los controladores digitales cada vez están más presentes en convertidores de potencia. Como cualquier otro producto de ingeniería, un controlador debe ser probado antes de pasar a la etapa de producción. Sin embargo, debido a la gran cantidad de energía que se maneja, no es trivial hacer pruebas con un convertidor real, por lo que es obligado realizar pruebas de simulación antes de probar el controlador con el sistema final. Una de las opciones que se utiliza habitualmente son las simulaciones mixtas; llamadas así debido a que hay una componente analógica (convertidor de potencia) y una componente digital (controlador). Sin embargo, estas simulaciones suelen ser muy costosas en términos de tiempo. Para aumentar la rapidez de la etapa de simulación, se suelen emplear técnicas HIL (Hardware In the Loop). Esta tecnología se basa en la creación de un modelo digitalizado del circuito analógico y ejecutar dicho modelo en hardware. Combinando esta metodología con el uso de FPGAs, se consiguen realizar simulaciones en tiempo real con tiempos de integración en torno a las decenas de nanosegundos. En este caso se ha digitalizado un convertidor conmutado Flyback con el fin de poder aplicar la metodología HIL sobre este modelo. Se han analizado las diferentes aritméticas que pueden usarse y se ha realizado una comparativa entre coma flotante y coma fija. Debido a que la coma fija es mucho más rápida y conlleva menos recursos, se ha propuesto utilizar esta aritmética, pero de forma parametrizable. De esa forma, el modelo se adaptará a las condiciones de simulación que el usuario requiera y se obtendrá un modelo generalizado manteniendo el requisito de tiempo real con bajo tiempo de integración. La veracidad del empleo de la tecnología HIL para el testeo de controladores sobre convertidores conmutados esta abalada en muchos estudios. En este caso se comprueba el modelo concreto parametrizable que se ha diseñado, frente al mismo realizado con Simulink (herramienta de diseño de Matlab) con el fin de demostrar que este diseño del Flyback es válido para diversos valores del mismo. Por lo tanto, este resultado podría formar parte de una librería de convertidores conmutados con el fin de acceder a esta simulación de forma rápida.The advantages of digital control over analog are taken as a true theory. For this reason and because of the price of the first one, which are cheaper, digital controllers are taking place in switching power converters. As another engineering products, some verification is needed to check the correct work of that particular controller before its production. However, because of the high energy which is managed in this kind of devices, it is not safe to do real verifications over the real converter. For this reason, it is necessary to test the control before its implementation with the model. One of the typical option is mixed simulations, which name comes from the two different components: analog (switching converters) and digital (control). Nevertheless, this kind of simulations use to be so expensive. In this Project, Flyback switching converter model is digitalized in order to apply HIL methodology over this model. Different arithmetics have been analyzed providing a comparison between fixed and floating point. Fixed point uses less resources and it is faster than floating point, so we have decided to use this arithmetic to implement a parametrical model. This design let the users custom the model to apply their own conditions to reach their own simulations. HIL option to test controls over switching converters is widely accepted in lots of studies. In this project, the design model is tested versus a Simulink model, in order to prove that this design is veracious. Furthermore, the model proposed in this project may be one model of a switching converter models library