Ohjausalusta sähkötekniikan tutkimuskäyttöön ja mikroprosessorien opetuskäyttöön
Ruohonen, Matti (2019)
Diplomityö
Ruohonen, Matti
2019
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019120946195
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019120946195
Tiivistelmä
Tässä työssä haluttiin toteuttaa LUT-Yliopiston tehoelektroniikan tutkimuskäyttöön soveltuva yleiskäyttöinen ohjausalusta, jolla voidaan ohjata monenlaisia tehoelektroniikkalaitteita ja esimerkiksi testata erilaisia säätö- ja ohjausmenetelmiä tehoelektroniikan kokeellisessa tutkimuksessa. Lisäksi toissijaisena käyttökohteena olisi suotuisaa, mikäli uusi ohjausalusta soveltuisi joko suoraan tai pienin muutoksin myös mikrokontrollereihin ja FPGA-piireihin keskittyvän opetuksen käyttöön LUT-Yliopistolla. Uusi ohjausalusta tulisi tutkimuskäytössä jo olemassa olevan vanhan ohjausalustan rinnalle tai mahdollisesti asteittain korvaajaksi.
Uuden ohjausalustan tulisi olla ensisijaisesti huomattavasti halvempi hankkia tai valmistaa kuin olemassa oleva ohjausalusta. Lisäksi sen haluttiin käyttävän mikrokontrolleri- tai DSP- ja FPGA-malleja, joille on saatavilla ilmaiset tai edulliset ohjelmointilaitteet sekä ohjelmistonkehitysympäristöt. Uuden ohjausalustan tulisi tarjota tehoelektroniikan tutkimuskäytön näkökulmasta vähintään samat ominaisuudet kuin olemassa oleva ohjausalusta.
Koska tutkimuskäyttöön erinomaisesti soveltuvaa kaupallista ohjausalustaa ei löydetty, suunniteltiin työssä uusi ohjausalusta sisältäen erillisen prosessorilevyn sekä oheislaitteet ja virransyöttökomponentit sisältävän pohjalevykokonaisuuden. Prosessorilevy sisältää ensisijaisesti FPGA:n ja mikrokontrollerin sekä lisäksi joitakin mikrokontrollerille kytkettyjä oheislaitteita kuten muistikorttipaikan ja USB-liitännän tietokoneelle. Prosessorilevystä suunniteltiin kaksi eri versiota, käyttäen kahta erityyppistä mikrokontrolleria. Ulkoiset oheislaitteet sisältävästä pohjalevystä suunniteltiin työssä täysin modulaarinen versio, jossa voidaan eri oheislaitemoduuleita kuten optisiä lähtöjä tai analogisia tuloja liittää tarpeen mukaan.
Lisäksi todettiin, että suunnitellun prosessorilevyn edullinen prototyyppiversio olisi hyvin pienin muutoksin muokattavissa myös melko hyvin opetuskäyttöön soveltuvaksi. The motivation of this thesis was to realize a generic control platform that can be used in power electronics related research applications at the LUT-University. The platform would be used to control various power electronics devices and to test different control methods and algorithms in experimental power electronics research projects. Secondarily it would be beneficial if the new control platform could also be used for education purposes on the microcontroller and FPGA related courses at the LUT-University either as-is or with minor changes. The new control platform would be used as an alternative, or possibly in stages as a replacement for an existing control platform.
The new control platform should primarily be a lot more affordable to purchase or manufacture than the existing control platform, and it should also use microcontroller or DSP and FPGA models that can be used with free or cheap programming devices and development environments. The new control platform should offer at least the same capabilities as the existing platform as far as power eletronics research applications as concerned.
When a suitable commercial product wasn't found, a new control platform was designed, including both a processor board and a separate base board, which holds the external peripherals and the power supplies. The processor board includes both a microcontroller and an FPGA, plus some peripherals connected to the microcontroller, such as a memory card slot and a USB-connection for a computer. Two different versions of the processor board were designed, using two different types of microcontrollers. A modular version of the base board was designed, which allows quite freely combining different peripheral module types such as optical transmitters or analog inputs.
It was also concluded, that especially the cheap prototype version of the processor board could, with some small changes, also be suitable for education purposes.
Uuden ohjausalustan tulisi olla ensisijaisesti huomattavasti halvempi hankkia tai valmistaa kuin olemassa oleva ohjausalusta. Lisäksi sen haluttiin käyttävän mikrokontrolleri- tai DSP- ja FPGA-malleja, joille on saatavilla ilmaiset tai edulliset ohjelmointilaitteet sekä ohjelmistonkehitysympäristöt. Uuden ohjausalustan tulisi tarjota tehoelektroniikan tutkimuskäytön näkökulmasta vähintään samat ominaisuudet kuin olemassa oleva ohjausalusta.
Koska tutkimuskäyttöön erinomaisesti soveltuvaa kaupallista ohjausalustaa ei löydetty, suunniteltiin työssä uusi ohjausalusta sisältäen erillisen prosessorilevyn sekä oheislaitteet ja virransyöttökomponentit sisältävän pohjalevykokonaisuuden. Prosessorilevy sisältää ensisijaisesti FPGA:n ja mikrokontrollerin sekä lisäksi joitakin mikrokontrollerille kytkettyjä oheislaitteita kuten muistikorttipaikan ja USB-liitännän tietokoneelle. Prosessorilevystä suunniteltiin kaksi eri versiota, käyttäen kahta erityyppistä mikrokontrolleria. Ulkoiset oheislaitteet sisältävästä pohjalevystä suunniteltiin työssä täysin modulaarinen versio, jossa voidaan eri oheislaitemoduuleita kuten optisiä lähtöjä tai analogisia tuloja liittää tarpeen mukaan.
Lisäksi todettiin, että suunnitellun prosessorilevyn edullinen prototyyppiversio olisi hyvin pienin muutoksin muokattavissa myös melko hyvin opetuskäyttöön soveltuvaksi.
The new control platform should primarily be a lot more affordable to purchase or manufacture than the existing control platform, and it should also use microcontroller or DSP and FPGA models that can be used with free or cheap programming devices and development environments. The new control platform should offer at least the same capabilities as the existing platform as far as power eletronics research applications as concerned.
When a suitable commercial product wasn't found, a new control platform was designed, including both a processor board and a separate base board, which holds the external peripherals and the power supplies. The processor board includes both a microcontroller and an FPGA, plus some peripherals connected to the microcontroller, such as a memory card slot and a USB-connection for a computer. Two different versions of the processor board were designed, using two different types of microcontrollers. A modular version of the base board was designed, which allows quite freely combining different peripheral module types such as optical transmitters or analog inputs.
It was also concluded, that especially the cheap prototype version of the processor board could, with some small changes, also be suitable for education purposes.