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.

Direct support, general support, and depot maintenance repair parts and special tools lists : welding machine, arc, AC/DC, 300 amp, transformer rectifier, constant current, base mounted (Eutectic Corp. model MD301 FED), FSN 3431-235-4728.

"October 1971."

Organizational, DS, GS, and depot maintenance manual including repair parts : welding machine, arc, generator, electric motor driven, 300-amp DC arc, 220/440-V, 60-cycle, 3-phase, wheel mounted (Harnischfeger model W300 MG), FSN 3431-226-1569).

"April 1965."

Operator, organizational, direct support and general support maintenance manual : welding machine, ARC, AC/DC, 300 AMP, transformer rectifier, constant current, base mounted (Eutectic Corp. model MD301 FED) FSN 3431-235-4728.

Includes index.

Operator's manual : welding machine, ARC, generator, diesel driven, single operator, remote control, 300 AMP, DC ARC, skid MTD, 60 AMP 20 V MIN, 375 AMP AT 40 V MAX, current 115 V 3 KW auxiliary power (Libby model ODW-300) FSN 3431-894-1573.

"August 1962."

Organizational, direct and general support, and depot maintenance repair parts and special tools list : welding machine, ARC, G.E.D. generator, 300 amp, DC, constant current, consistant potential, skid mounted, (Libby welding model LTO 300), FSN 3431-253-0558.

"March 1971."

Organizational, maintenance repair parts, and special tools lists : welding machine, arc, generator, GED, 300 amp, DC (Libby welding models) (model LE-300) FSN 3431-810-9696, (model LEW-300) FSN 3431-991-2961, (model LEB-300) FSN 3431-072-0327.

"January 1971."

Operator, organizational, direct support, and general support maintenance manual : welding machine, arc, AC/DC, 300 amp, transformer rectifier, constant current, base mounted (Eutectic Corp. model MD301 FED), FSN 3431-235-4728.

"September 1970."

Operator, organizational, direct support, and general support maintenance manual, including repair parts and special tools list : welding machine, arc, general and inert gas, shielded, transformer-rectifier type, AC and DC, 300 ampere rating at 60% duty cycle (Harnischfeger model DAR-300HFSG), FSN 3431-984-3401, (Harnischfeger model 2100H2007), FSN 3431-926-3746.

Includes index.

Operator, organizational, direct and general support and depot maintenance manual : welding machine, arc, generator, gasoline engine driven, 300 amp, DC (Libby model LE-300) FSN 3431-810-9696, (Libby model LEW-300) FSN 3431-991-2961, (Libby model LEB-300) FSN 3431-072-0327.

Includes index.

Direct and general support and depot maintenance repair parts and special tools list : welding machine, arc, generator, electric motor driven, AC, 220V, 3 phrase [i.e. phase], 60HZ, single operator, remote control, 300 amp DC arc, wheel MTD ....

"December 1968."

Operator, organizational, direct and general support, and depot maintenance manual (including repair parts) : welding machine, arc, inert shielded, transformer, 300 amp, 10 to 400 amp AC straight polarity, 10 to 00 amp DC reverse polarity (Midstates model MAG 00 AC/DC T 14) FSN 3431-862-6670.

"February 1967."

Operator, organizational, direct and general support, and depot maintenance manual : welding machine, arc, general and inert gas shielded transformer, 300 amp, 5 to 460 amp AC, 5 to 350 amp DC (Miller model 330A/B/SP) FSN 3431-620-0858.

"March 1969."

Direct and general support and depot maintenance repair parts and special tools lists : welding machine, arc, generator, GED, 300 amp, DC (Libby Welding models) (model LE-300) FSN 3431-810-9696, (model LEW-300) FSN 3431-991-2961, (model LEB-300) FSN 3431-072-0327.

"January 1971."

Operator, organizational, field, and depot maintenance manual : welding machine, arc, generator, elec [sic] motor driven, AC, 220V, 3 phase, 60 cycle, single operator, remote control, 300 amp DC arc, wheel mounted ...

"August 1963."