Resolver virtual de alta precisión en FPGA orientado a aplicaciones Hardware-in-the-Loop

Abstract

En los últimos años, el agotamiento de los combustibles fósiles y, sobre todo, la degradación social y ambiental a la que su uso contribuye, han hecho comprender que es necesaria una revolución energética en profundidad. Esta necesaria y urgente transición desde las energías no renovables y contaminantes a las energías limpias y sostenibles viene marcada en gran medida por el sector del transporte, máximo responsable de las emisiones de gases de efecto invernadero. Por todo ello, en el sector automovilístico se está produciendo un crecimiento exponencial en la producción y comercialización de vehículos eléctricos, los cuales han supuesto una revolución tecnológica relevante al sustituir el motor de combustión por un motor eléctrico sin emisiones de agentes contaminantes. Una pieza fundamental del vehículo eléctrico es el motor de tracción, el cual requiere conocer de forma precisa y en cada instante la posición angular del rotor para poder llevar a cabo un control adecuado y eficiente. Aunque existen varias alternativas para la determinación de dicho ángulo, el resolver es el sistema de medida más usado para cumplir esta función. El resolver es transductor electromagnético analógico que es usado en máquinas rotativas para medir la posición y la velocidad angular del rotor de manera precisa y con alta resolución. Es la elección natural en ambientes hostiles, como temperaturas extremas, alta vibración y choque, niveles de radiación elevados y contaminantes como suciedad, aceite o grasa, los cuales son habituales en un vehículo eléctrico. En la industria de la automoción es habitual utilizar herramientas Hardware-in-the-Loop (HiL) para acelerar el proceso de desarrollo de los sistemas electrónicos embarcados en vehículos (generalmente Unidades Electrónicas de Control o ECUs). En dichas plataformas se simula en tiempo real la planta a controlar por dichos dispositivos. En este sentido, es necesario emular el comportamiento de los sensores de posición de los motores de forma fiable. Teniendo todo lo anterior en cuenta, este proyecto se ha centrado en la modelización y simulación del algoritmo de un resolver virtual orientado a aplicaciones HiL. Para ello, se ha utilizado el software Matlab/Simulink y tras validar su funcionalidad mediante bloques estándar de Simulink, se ha llevado a cabo la implementación y validación del algoritmo mediante Xilinx System Generator para su futura implementación en una FPGA.

Azken urteotan, erregai fosilak agortu izanak eta batez ere erregai hauek erabiltzeak dakarren degradazio sozial eta ingurumenaren degradazioak sakoneko iraultza energetikoa egitea ezinbestekoa dela ulertzera eraman gaitu. Energia ez berriztagarri eta kutsakorretatik energia berriztagarri eta garbietara doan premiazko bezain beharrezko trantsizio hau garraio gintzak eragindakoa da gehienbat; sektore hau baita berotegi-efektuko gas gehien isurtzen duena. Honengatik guztiagatik, automobilgintzan, ibilgailu elektrikoen produkzioan eta komertzializazioan hazkunde esponentziala ematen ari da; ibilgailu hauek gainera, iraultza teknologiko nabarmena eragin dute errekuntzako motorra gai kutsakorrik isurtzen ez duen motor elektrikoarengatik ordezkatu baitute. Ibilgailu elektrikoaren funtsezko piezetako bat trakziozko motorra da. Honek une bakoitzean errotorearen posizio angeluarra zein den zehatz-mehatz jakitea eskatzen du, kontrol egoki eta eraginkorra burutu ahal izateko. Angelu zehatza zein den jakiteko hainbat aukera dauden arren, resolver da funtzio hau betetzeko gehien erabiltzen den neurri-sistema. Resolverra makina birakariekin erabiltzen den transduktore elektromagnetiko analogikoa da eta errotorearen posizioa eta abiadura angeluarra ahalik eta zehatzen eta bereizmen handienarekin neurtzeko erabiltzen da. Muturreko tenperaturak, bibrazio handia eta txokea, erradiazio maila altuak… kasu arrotzak bezain ohikoak dira ibilgailu elektrikoetan eta zikinkeria, olioa edo koipea bezalako kutsatzaileen aurrean ere aukera naturala da. Automobilgintzaren industrian ohikoa da Hardware-in-the-Loop (HiL) erremintak erabiltzea ibilgailuetan sistema elektronikoen garapen prozesua azkartzeko (normalean Kontrolerako Unitate elektronikoak edo KUEak). Plataforma hauetan denbora errealean simulatzen da gailu hauek kontrolatu behar duten makina. Zentzu honetan beraz, motorren posizio-sentsoreen portaera forma fidagarrian berdintzea beharrezkoa da. Aurrez aipatutako guztia kontuan izanda, proiektu hau HiL aplikazioen gana bideratutako resolver birtual baten algoritmo baten modelazio eta simulazioan zentratu da. Horretarako, Matlab/Simulink softwarea erabili da eta behin Simulinkezko bloke estandarrekin haren erabilgarritasuna balioztatuta, algoritmoa inplementatu eta baliozkotzat jo da Xilinx System Generatorraren bidez. Etorkizunean FPGA batean erabili ahal izateko.

In recent years, the depletion of fossil fuels and specially the contribution their use makes to social and environmental degradation, has made it clear that an in depth energy revolution is needed. This necessary and urgent transition from non-renewable and polluting energies to clean and sustainable energies is marked to a large extent by the transport sector, which is the leading cause of greenhouse gas emissions. Therefore, an exponential growth of the production and commercialization of electric vehicles, which have meant a significant technological revolution because they have replaced combustion engines with electrical engines that do not emit greenhouse gases, is taking place in the automotive sector. A fundamental part of an electric vehicle is the traction motor, which needs to know precisely and at any time the angular position of the rotor in order to be able to perform an appropriate and efficient control. Even though there are several alternatives to determine this angle, the resolver is the most commonly used measurement system to fulfil this purpose. A resolver is an analogic electromagnetic transducer used in rotative machines to measure accurately and with high resolution the angular speed and position of the rotor. It is the natural choice in harsh environments, such as, extreme temperatures, high vibration and shock, high radiation levels and pollutants like dirt, oil or fat, which are common in an electric vehicle. In the automotive industry it is common to use Hardware-in-the-Loop (HiL) tools to accelerate the development process of electronic systems on vehicles (generally Engine Control Units or ECUs). In those platforms, the plant to be controlled by said devices is simulated in real time. In this sense, it is necessary to emulate the behavior of the position sensors of the engines reliably. In view of the above, this project has focused on the modeling and simulation of the algorithm of a virtual resolver oriented to HiL applications. In order to do this, the Matlab/Simulink software has been used and after validating its functionality through standard Simulink blocks, the algorithm has been implemented and validated