Controlo de um motor síncrono baseado em FPGA

Abstract

O acionamento de motores elétricos por conversores eletrónicos é uma solução relativamente nova, embora utilizada na indústria desde o seu aparecimento devido às suas características. Ainda assim, há muito por ser feito, estudado e compreendido em tais aplicações. O trabalho aqui aprestado tem a ver com o estudo de técnicas de controlo para acionamento de motores elétricos, avaliando ao mesmo tempo as vantagens que a tecnologia das FPGA (Field Programmable Gate Array) pode aportar para este tipo de aplicações de eletrónica de potência. No início da dissertação é feito um estudo das FPGAs, surgindo deste estudo uma análise do conjunto de vantagens e desvantagens que estas apresentam. Acompanhando o estudo das FPGAs, numa fase posterior estudou-se o software de desenvolvimento de programas para este tipo de plataformas, que foi criado pela mesma empresa que desenvolve o kit utilizado, o “Spartan-3E FPGA Starter Kit Board” da Xilinx. Para avaliar as mais-valias da FPGA, a solução desenvolvida foi utilizada no sistema de controlo de um motor elétrico síncrono de ímanes permanentes (PMSM) destinado a aplicações de mobilidade elétrica. Previamente foram estudadas as estratégias de controlo mais adequadas neste contexto, tendo-se optado pelo comando do motor através de um inversor fonte de tensão com controlo de corrente. Para avaliar o sistema projetado foram efetuadas simulações no software PSIM, uma ferramenta para simulação de circuitos eletrónicos, especialmente dedicada à área da eletrónica de potência. Para comprovar os resultados obtidos na simulação foi desenvolvido e testado um protótipo composto pelo inversor de potência, motor síncrono de ímanes permanentes e o sistema de controlo baseado na FPGA.

The use of electronic converters in electric motor drives is a relatively new solution, although it is widely used in industry for quite some time. Even so, there is much to be done and known in such applications. The work described here has to do with the study of control techniques for electric motors drives, while evaluating the advantages that the technology of FPGA (Field Programmable Gate Array) can add to this type of power electronics applications. At the beginning of the work a study of FPGAs is done, emerging from this study an analysis of the set of advantages and disadvantages that they present. Following the study of FPGAs, at a later stage, the software development tools for this type of platform were studied, which were created by the same company that developed the kit used, the "Spartan-3E FPGA Starter Kit Board" Xilinx. To assess the added value of the FPGA, the developed solution was used in the control system of a permanent magnets synchronous electric motor (PMSM) for electric mobility applications. Previously the most appropriate control strategies were studied, having opted to drive the motor control through a voltage source inverter with current control. To evaluate the designed system, simulations were made in PSIM, a software tool for simulation of electronic circuits, especially dedicated to the power electronics area. To check the results obtained in the simulations, a prototype was developed and tested, consisting of a power inverter, a synchronous permanent magnet motor and a control system based on a FPGA.