GPIC +Tochterplatine

Bild 1: GIPC und Tochterplatine sind auf eine Platine montiert. Der GPIC dient der Steuerung der Endstufen. Die Tochterplatine wiederum ermöglicht unter anderem Signalrouting und Messwertfilterung. (Bild: National Instruments)

Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde für Versuche eine Stromquelle benötigt, die mithilfe eines angeschlossenen Spulensystems ein alternierendes Magnetfeld mit variabler Frequenz erzeugt. Nach Möglichkeit sollte die Stromquelle Frequenzen mit bis zu 20.000 Hz erreichen und zudem zwei Ausgänge besitzen. Die beiden Ausgänge sollen Strom und Frequenz über einen weiten Bereich regeln.

GPIC  Tochterplatine

Bild 1: GIPC und Tochterplatine sind auf eine Platine montiert. Der GPIC dient der Steuerung der Endstufen. Die Tochterplatine wiederum ermöglicht unter anderem Signalrouting und Messwertfilterung. National Instruments

Stromquelle mit dem GPIC

Dafür entwickelten die Forscher eine Stromquelle mit zwei ausgangsseitigen Wechselrichtern, die ein General Purpose Inverter Controller (GPIC) steuert. Ein Gleichspannungszwischenkreis speist die beiden Wechselrichter. Die Entwickler schalteten dann verschiedene AC-Kondensatoren an die vom GPIC gesteuerten Endstufen. Stickstoffrelais machten es möglich, dass sich die Kondensatoren zu einer Kapazität mit variabler Größe kombinieren ließen. Zusammen mit einem bifilaren Spulensystem am Ausgang bildet die entstandene Kapazität einen Serienschwingkreis, der die hohen Ausgangsfrequenzen bei bis zu 65 Aeff ermöglich. Alternativ ist auch eine Überbrückung der Kondensatoren möglich, wodurch beide Wechselrichter auf einer induktiven Last arbeiten.

Anschließend verbaute man die gesamte Leistungselektronik sowie die erforderlichen Filter und Überwachungsgeräte in einen Schaltschrank. Eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) regelte die Überwachung sowie die Steuerung des Schaltschrankes. Im weiteren Verlauf des Forschungsprojektes schlossen die Entwickler die SPS und die GPICs an einen PC an. Der PC diente dabei der Bedienung der Stromquelle und war deshalb mit einer Labview-basierten Bedienoberfläche ausgestattet.

Zusätzliche Platine notwendig

Wie auf Bild 1 zu sehen ist, war eine zusätzliche Tochterplatine erforderlich, um dem GPIC die Steuerung der Endstufen zu ermöglichen. Die zusätzliche Platine diente dem Signalrouting und machte außerdem eine Umsetzung verschiedener Steuer-IOs möglich. Zudem diente die Platine der Filterung und Anpassung der Messwerte sowie der Messwerterfassung, die mithilfe von schnellen Analog-Digital-Wandlern (ADC) durchgeführt wurde. Die zusätzlichen ADCs waren notwendig, da die im GPIC integrierten Wandler mit 100 kS/s keine zur Regelung ausreichende Abtastung bei einer Ausgangsfrequenz von 20 kHz boten. Die folglich eingesetzten AD-Wandler besaßen eine Samplerate von 400 kS/s und kommunizieren über eine SPI-Schnittstelle mit dem verwendeten FPGA (Field Programmable Gate Array).

FPGA als Kernstück

Auf dem FPGA sind neben der Messwerterfassung über SPI noch der Sollwertgenerator, der PID-Stromregler und die PWM-Signalerzeugung untergebracht. Diese Funktionen sind abhängig von der Ausgangskonfiguration, welche der Nutzer vor der Freigabe der Endstufen noch einstellt. Er kann dabei zwischen induktiver Last und Schwingkreis wählen. Der verbaute PID-Regler ist für induktive Lasten als quasi-analoger Regler, der auf den Momentanwert regelt, ausgeführt. Im Gegensatz dazu werden Schwingkreise auf den Effektivwert geregelt.

 

Auf der nächsten Seite ist die Inbetriebnahme mit Labview und Multisim Thema.

Aufgabenverteilung

Bild 2: Schematische Darstellung der Aufgabenverteilung zwischen FPGA, Echtzeitcontroller und dem PC. National Instruments

Darstellung in Labview

Dem FPGA ist ein Echtzeitcontroller, der für die allgemeine Bedienung der Stromquelle wie beispielsweise der Freigabe, dem Laden und dem Speichern von Einstellungen zuständig ist. Zudem übernimmt der Echtzeitcontroller die Konfiguration des FPGAs und die Kommunikation mit dem PC. Über die Benutzeroberfläche auf dem PC kann der Benutzer schließlich Einstellungen an der Stromquelle vornehmen, Sollwerte einstellen und die Stromquelle aktivieren und deaktivieren. Wie auf Bild 2 zu erkennen ist, dient die Labview-basierte Benutzeroberfläche auch der Darstellung der momentanen Ist-Werte.

Inbetriebnahme mit Labview und Multisim

Die Inbetriebnahme des FPGA-Quellcodes erfolgte unter Zuhilfenahme einer Co-Simulation mit Labview und Multisim. Hierzu erstellte man zunächst ein Modell der Endstufen mit der Spice-Simulationssoftware Multisim. Dabei definierte man die Gate-Anschlüsse der Leistungshalbleiter sowie diverse Messsignale als Schnittstellen zu Labview. Anschließend wurde der FPGA-Quellcode mit einem FPGA Desktop Execution Node in eine Simulationsschleife innerhalb eines Virtual Instruments (VI) gelegt und mit dem Multisim-Modell gekoppelt. Ein Frontpanel des VIs stellte die Simulationsergebnisse wie beispielsweise die Ansteuersignale, die Ausgangsspannung sowie die Ausgangsströme dar. Die so erstellte Simulation ermöglichte zunächst die PWM-Erzeugung und die Inbetriebnahme der Regler, ohne dabei die Bauelemente zu beschädigen.

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

Eck-Daten

Zur Erzeugung eines mit bis zu 20 kHz alternierenden Magnetfelds entwickelten Forscher eine Stromquelle mit ausgangsseitigem Serienschwingkreis. Dabei sind Stromstärke und Frequenz in weiten Grenzen einstellbar. Um dies zu erreichen, werden zwei IGBT-Endstufen mit einem General Purpose Inverter Controller (GPIC) von National Instruments (NI) angesteuert. Dem GPIC ist eine Tochterplatine zur Seite gestellt, auf der neben dem Signalrouting und der Messwertfilterung auch zusätzliche schnellere Analog-Digital-Converter (ADC) vorgesehen sind. Die Stromregelung übernimmt ein FPGA, 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.

Martin Kroschk

EAAT GmbH Chemnitz

(prm)

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