Field-Programmable Gate Array Card for Readout and Control of Cryoelectronics

The main goal of the present Master’s Thesis project was to create a field-programmable gate array (FPGA) based system for the control of single-electron transistors or other cryoelectronic devices. The FPGA and similar technologies are studied in the present work. The fixed and programmable logic are compared with each other. The main features and limitations of the hardware used in the project are investigated. The hardware and software connections of the device to the computer are shown in detail. The software development techniques for FPGA-based design are described. The steps of design for programmable logic are considered. Furthermore, the results of filters implemented in the software are illustrated.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Design and implementation of FPGA-based LQ control of active magnetic bearings

The need for high performance, high precision, and energy saving in rotating machinery demands an alternative solution to traditional bearings. Because of the contactless operation principle, the rotating machines employing active magnetic bearings (AMBs) provide many advantages over the traditional ones. The advantages such as contamination-free operation, low maintenance costs, high rotational speeds, low parasitic losses, programmable stiffness and damping, and vibration insulation come at expense of high cost, and complex technical solution. All these properties make the use of AMBs appropriate primarily for specific and highly demanding applications. High performance and high precision control requires model-based control methods and accurate models of the flexible rotor. In turn, complex models lead to high-order controllers and feature considerable computational burden. Fortunately, in the last few years the advancements in signal processing devices provide new perspective on the real-time control of AMBs. The design and the real-time digital implementation of the high-order LQ controllers, which focus on fast execution times, are the subjects of this work. In particular, the control design and implementation in the field programmable gate array (FPGA) circuits are investigated. The optimal design is guided by the physical constraints of the system for selecting the optimal weighting matrices. The plant model is complemented by augmenting appropriate disturbance models. The compensation of the force-field nonlinearities is proposed for decreasing the uncertainty of the actuator. A disturbance-observer-based unbalance compensation for canceling the magnetic force vibrations or vibrations in the measured positions is presented. The theoretical studies are verified by the practical experiments utilizing a custom-built laboratory test rig. The test rig uses a prototyping control platform developed in the scope of this work. To sum up, the work makes a step in the direction of an embedded single-chip FPGA-based controller of AMBs.

Study of Control Methods of a High-Frequency Cycloconverter for Domestic Induction Heating Appliances

A high-frequency cyclonverter acts as a direct ac-to-ac power converter circuit that does not require a diode bidge rectifier. Bridgeless topology makes it possible to remove forward voltage drop losses that are present in a diode bridge. In addition, the on-state losses can be reduced to 1.5 times the on-state resistance of switches in half-bridge operation of the cycloconverter. A high-frequency cycloconverter is reviewed and the charging effect of the dc-capacitors in ``back-to-back'' or synchronous mode operation operation is analyzed. In addition, a control method is introduced for regulating dc-voltage of the ac-side capacitors in synchronous operation mode. The controller regulates the dc-capacitors and prevents switches from reaching overvoltage level. This can be accomplished by variating phase-shift between the upper and the lower gate signals. By adding phase-shift between the gate signal pairs, the charge stored in the energy storage capacitors can be discharged through the resonant load and substantially, the output resonant current amplitude can be improved. The above goals are analyzed and illustrated with simulation. Theory is supported with practical measurements where the proposed control method is implemented in an FPGA device and tested with a high-frequency cycloconverter using super-junction power MOSFETs as switching devices.