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Entwurf einer Leistungselektronik für eine Stromquelle von der SPICE-Simulation bis zur Implementierung der Ansteuerung auf NI-FPGA- und Echtzeitbetriebssystem

Dipl.-Ing. Martin Kroschk, EAAT GmbH Chemnitz

"Neben dieser Messwerterfassung über SPI sind auf dem FPGA der Sollwertgenerator, der PID-Stromregler und die PWM-Signalerzeugung untergebracht. Die entwickelte Stromquelle zeichnet sich neben der modularen Hardware auch durch den modularen Aufbau der Software aus. Dies ermöglicht die schnelle und einfache Adaption für neue Anwendungen."

- Dipl.-Ing. Martin Kroschk, EAAT GmbH Chemnitz

Die Aufgabe:

Zur Erzeugung eines mit bis zu 20 kHz alternierenden Magnetfelds wurde eine Stromquelle mit ausgangsseitigem Serienschwingkreis entwickelt. Dabei sind Stromstärke und Frequenz in weiten Grenzen einstellbar.

Die Lösung:

Um dies zu erreichen, werden zwei IGBT-Endstufen mit einem General Purpose Inverter Controller (GPIC) von National Instruments (NI) angesteuert. Dem GPIC wurde eine Tochterplatine zur Seite gestellt, auf der neben dem Signalrouting und der Messwertfilterung auch zusätzliche schnellere Analog-Digital-Konverter (ADC) vorgesehen sind. Die Stromregelung wird von einem FPGA übernommen, der sich auf dem GPIC befindet. Zusätzlich zum PID-Regler werden auch die SPI-Kommunikation zu den ADCs und die PWM-Erzeugung zur Ansteuerung der Endstufen vom FPGA ausgeführt. Die Inbetriebnahme der FPGA-Quellcodes erfolgte mithilfe einer Co-Simulation von LabVIEW und Multisim.

Autor(en):

Dipl.-Ing. Martin Kroschk - EAAT GmbH Chemnitz

 

Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2016 des Technologie- und Anwenderkongresses „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ veröffentlicht.

 

Eingesetzte Produkte: LabVIEW, SPICE-Simulation-Software Multisim

Stromquelle mit GPIC

Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde für Versuche eine Stromquelle benötigt, die mithilfe eines angeschlossenen Spulensystems ein alternierendes Magnetfeld mit variabler Frequenz erzeugt. Nach Möglichkeit sollten Frequenzen bis zu 20.000 Hz erreicht werden. Die Stromquelle sollte zwei Ausgänge besitzen, deren Strom und Frequenz über einen weiten Bereich geregelt wird. Hierzu wurde eine Stromquelle mit zwei ausgangsseitigen Wechselrichtern entwickelt, die von einem GPIC gesteuert werden. Diese Wechselrichter werden aus einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis gespeist.

 

An die GPIC-gesteuerten Endstufen wurden diverse AC-Kondensatoren geschaltet, die über Stickstoffrelais zu einer Kapazität variabler Größe kombiniert werden können. Zusammen mit dem bifilaren Spulensystem am Ausgang bildet diese Kapazität einen Serienschwingkreis, der die hohen Ausgangsfrequenzen bei bis zu 65 Aeff ermöglicht. Alternativ hierzu können die Kondensatoren überbrückt werden, wodurch die beiden Wechselrichter auf einer induktiven Last arbeiten. Verbaut wurde die gesamte Leistungselektronik in einem Schaltschrank inklusive der erforderlichen Filter und Überwachungsgeräte. Die Schaltschranküberwachung und -steuerung wurde mithilfe einer SPS realisiert. Sowohl SPS als auch GPIC werden zur Bedienung der Quelle mit einem PC verbunden, auf dem eine LabVIEW-basierte Bedienoberfläche ausgeführt wird.

 

Um dem GPIC die Steuerung der Endstufen zu ermöglichen, war eine zusätzliche Tochterplatine erforderlich (Bild 1). Diese diente dem Signalrouting und der Realisierung diverser Steuer-IOs. Weiterhin wurde auf dieser Platine neben der Messwertfilterung und -anpassung eine zusätzliche Messwerterfassung mithilfe von schnellen ADCs duchgeführt. Diese zusätzlichen ADCs waren erforderlich, da die im GPIC integrierten Wandler (100 kS/s) für 20 kHz Ausgangsfrequenz keine zur Regelung ausreichende Abtastung boten. Daher wurden ADCs mit einer Samplerate von bis zu 400 kS/s eingesetzt. Diese Wandler kommunizieren über eine SPI-Schnittstelle mit dem FPGA.

 

Neben dieser Messwerterfassung über SPI sind auf dem FPGA der Sollwertgenerator, der PID-Stromregler und die PWM-Signalerzeugung untergebracht. Diese Funktionen sind abhängig von der Ausgangskonfiguration (induktive Last oder Schwingkreis) und werden vor der Freigabe der Endstufen eingestellt. Der PID-Regler ist für induktive Lasten als quasi-analoger Regler, der auf den Momentanwert regelt, ausgeführt. Schwingkreise hingegen werden auf den Effektivwert geregelt.

 

Dem FPGA überlagert ist ein Echtzeitcontroller, der für die allgemeine Bedienung der Stromquelle (Freigabe, Laden und Speichern von Einstellungen usw.), die Konfiguration des FPGAs und die Kommunikation mit dem PC zuständig ist. Über die Bedienoberfläche auf dem PC kann der Benutzer schließlich Einstellungen an der Stromquelle vornehmen, Sollwerte einstellen und die Quelle aktivieren bzw. deaktivieren. Außerdem dient die LabVIEW-basierte Oberfläche der Darstellung der momentanen Ist-Werte (Bild 2).

 

Die Inbetriebnahme des FPGA-Quellcodes erfolgte unter Zuhilfenahme einer Co-Simulation mit LabVIEW und Multisim. Hierzu wurden zunächst ein Modell der Endstufen mit der SPICE-Simulations-Software Multisim erstellt und die Gate-Anschlüsse der Leistungshalbleiter sowie diverse Messsignale als Schnittstellen zu LabVIEW definiert. Anschließend wurde der FPGA-Quellcode mit einem FPGA Desktop Execution Node in eine Simulationsschleife innerhalb eines VIs gelegt und mit dem Multisim-Modell gekoppelt. Die Simulationsergebnisse, z. B. die Ansteuersignale, die Ausgangsspannung und die Ausgangsströme, wurden auf dem Frontpanel des VIs dargestellt. Mithilfe der so erstellten Simulation konnten zunächst die PWM-Erzeugung und der Regler in Betrieb genommen werden, ohne die Gefahr der Beschädigung von Bauelementen.

 

Die entwickelte Stromquelle zeichnet sich neben der modularen Hardware auch durch den modularen Aufbau der Software aus. Dies ermöglicht die schnelle und einfache Adaption für neue Anwendungen. Der GPIC bietet eine gut verfügbare und einfach zu programmierende Basis für derartige Entwicklungen.

 

Zusammenfassung

Mit der Entwicklung von Stromquellen auf Basis des GPIC, wurde eine flexible Lösung geschaffen, die sich leicht an die Bedürfnisse neuer Kunden anpassen lässt. Der GPIC ermöglicht dabei die Steuerung mehrerer Endstufen mit einer Steuereinheit, was die Synchronisation dieser Endstufen erheblich vereinfacht. Die Inbetriebnahme mithilfe einer Co-Simulation reduziert zudem den Zeitbedarf der Sofware-Entwicklung und minimiert das Risiko einer Beschädigung der Anlage während der Inbetriebnahme.

 

Informationen zum Autor:

Dipl.-Ing. Martin Kroschk
EAAT GmbH Chemnitz
Annaberger Straße 231
09120
Germany
Tel: +49 (0)371 53019-266
Fax: +49 (0)371 53019-13
m.kroschk@eaat.de

Bild 1: GPIC und Tochterplatine, montiert auf den Gehäusen der beiden Endstufen
Bild 2: Aufgabenverteilung zwischen FPGA, Echtzeit-Controller und PC