Co-simulation techniques based on virtual platforms for soc desing and verification in power electronics applications
- Autores: Edel Díaz Llerena
- Directores de la Tesis: Raúl Mateos Gil (dir. tes.), Emilio José Bueno Peña (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2022
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eric Monmasson (presid.), Gustavo Sutter Capristo (secret.), Sergio López Buedo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Electrónica: Sistemas Electrónicos Avanzados. Sistemas Inteligentes por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
En las últimas décadas, la inversión en el ámbito energético ha aumentado considerablemente. Actualmente, existen numerosas empresas que están desarrollando equipos como convertidores de potencia o máquinas eléctricas con sistemas de control de última generación. La tendencia actual es usar System-on-chips y Field Programmable Gate Arrays para implementar todo el sistema de control. Estos dispositivos facilitan el uso de algoritmos de control más complejos y eficientes, mejorando la eficiencia de los equipos y habilitando la integración de los sistemas renovables en la red eléctrica. Sin embargo, la complejidad de los sistemas de control también ha aumentado considerablemente y con ello la dificultad de su verificación.
Los sistemas Hardware-in-the-loop (HIL) se han presentado como una solución para la verificación no destructiva de los equipos energéticos, evitando accidentes y pruebas de alto coste en bancos de ensayo. Los sistemas HIL simulan en tiempo real el comportamiento de la planta de potencia y su interfaz para realizar las pruebas con la placa de control en un entorno seguro.
Esta tesis se centra en mejorar el proceso de verificación de los sistemas de control en aplicaciones de electrónica potencia. La contribución general es proporcionar una alternativa a al uso de los HIL para la verificación del hardware/software de la tarjeta de control. La alternativa se basa en la técnica de Software-in-the-loop (SIL) y trata de superar o abordar las limitaciones encontradas hasta la fecha en el SIL.
Para mejorar las cualidades de SIL se ha desarrollado una herramienta software denominada COSIL que permite co-simular la implementación e integración final del sistema de control, sea software (CPU), hardware (FPGA) o una mezcla de software y hardware, al mismo tiempo que su interacción con la planta de potencia. Dicha plataforma puede trabajar en múltiples niveles de abstracción e incluye soporte para realizar co-simulación mixtas en distintos lenguajes como C o VHDL.
A lo largo de la tesis se hace hincapié en mejorar una de las limitaciones de SIL, su baja velocidad de simulación. Se proponen diferentes soluciones como el uso de emuladores software, distintos niveles de abstracción del software y hardware, o relojes locales en los módulos de la FPGA. En especial se aporta un mecanismo de sincronizaron externa para el emulador software QEMU habilitando su emulación multi-core. Esta aportación habilita el uso de QEMU en plataformas virtuales de co-simulacion como COSIL.
Toda la plataforma COSIL, incluido el uso de QEMU, se ha analizado bajo diferentes tipos de aplicaciones y bajo un proyecto industrial real. Su uso ha sido crítico para desarrollar y verificar el software y hardware del sistema de control de un convertidor de 400 kVA.
- English
In the last decades, investment in the energy sector has increased considerably. Nowadays, several companies are developing equipment such as power converters or electrical machines with state-of-the-art control systems. The current trend is to use Systemon-chips and Field Programmable Gate Arrays devices to implement the whole control system. These devices enable the use of more complex and efficient control algorithms, improving the efficiency of the equipment and enabling the integration of renewable systems into the power grid. However, the complexity of control systems has also increased considerably and the difficulty of their verification.
Hardware-in-the-loop (HIL) systems offer a solution for non-destructive verification of energy equipment, avoiding accidents and expensive laboratory tests. HIL systems simulate in real-time the behaviour of the power plant and its interface to perform the tests with the control board in a safe environment.
This thesis focuses on improving the verification process of control systems in power electronics applications. The overall contribution is to provide an alternative to using HILs for control board hardware/software verification. The alternative is based on the Software-in-the-loop (SIL) technique and attempts to overcome or address the limitations found in SIL up to date.
To enhance the qualities of SIL, a software tool called COSIL has been developed to co-simulate the final implementation and integration of the control system, be it software (CPU), hardware (FPGA) or a mixture of software and hardware, as well as its interaction with the power plant. This platform can work at multiple levels of abstraction and includes support for mixed-language co-simulation such as C or VHDL.
Throughout the thesis, emphasis is placed on improving one of the limitations of SIL, its low simulation speed. Different solutions are proposed, such as the use of software emulators, different abstraction levels of software and hardware, or local clocks in the FPGA modules. In particular, an external synchronisation mechanism is provided for the QEMU software emulator enabling its multi-core emulation mode. This contribution enables the use of QEMU in virtual co-simulation platforms such as COSIL.
The entire COSIL platform, including the use of QEMU, has been analysed under different types of applications and an actual industrial project. Its use has been critical to develop and verify the software and hardware of the control system of a 400 kVA converter
- español
