Contribution des systèmes sur puce basés sur FPGA pour les applications embarquées d’entraînement électrique

par Imen Bahri

Thèse de doctorat en Génie électrique et électronique


  • Résumé

    La conception des systèmes de contrôle embarqués devient de plus en plus complexe en raison des algorithmes utilisés, de l'augmentation des besoins industriels et de la nature des domaines d'applications. Une façon de gérer cette complexité est de concevoir les contrôleurs correspondant en se basant sur des plateformes numériques puissantes et ouvertes. Plus précisément, cette thèse s'intéresse à l'utilisation des plateformes FPGA System-on-Chip (SoC) pour la mise en œuvre des algorithmes d'entraînement électrique pour des applications avioniques. Ces dernières sont caractérisées par des difficultés techniques telles que leur environnement de travail (pression, température élevée) et les exigences de performance (le haut degré d'intégration, la flexibilité). Durant cette thèse, l'auteur a contribué à concevoir et à tester un contrôleur numérique pour un variateur de vitesse synchrone qui doit fonctionner à 200 °C de température ambiante. Il s'agit d'une commande par flux orienté (FOC) pour une Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP) associée à un capteur de type résolveur. Une méthode de conception et de validation a été proposée et testée en utilisant une carte FPGA ProAsicPlus de la société Actel/Microsemi. L'impact de la température sur la fréquence de fonctionnement a également été analysé. Un état de l'art des technologies basées sur les SoC sur FPGA a été également présenté. Une description détaillée des plateformes numériques récentes et les contraintes en lien avec les applications embarquées a été également fourni. Ainsi, l'intérêt d'une approche basée sur SoC pour des applications d'entrainements électriques a été démontré. D'un autre coté et pour profiter pleinement des avantages offertes par les SoC, une méthodologie de Co-conception matériel-logiciel (hardware-software (HW-SW)) pour le contrôle d'entraînement électrique a été proposée. Cette méthode couvre l'ensemble des étapes de développement de l'application de contrôle à partir des spécifications jusqu'à la validation expérimentale. Une des principales étapes de cette méthode est le partitionnement HW-SW. Le but est de trouver une combinaison optimale entre les modules à mettre en œuvre dans la partie logiciel et celles qui doivent être mis en œuvre dans la partie matériel. Ce problème d'optimisation multi-objectif a été réalisé en utilisant l'algorithme de génétique, Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Ainsi, un Front de Pareto des solutions optimales peut être déduit. L'illustration de la méthodologie proposée a été effectuée en se basant sur l'exemple du régulateur de vitesse sans capteur utilisant le filtre de Kalman étendu (EKF). Le choix de cet exemple correspond à une tendance majeure dans le domaine des contrôleurs embraqués pour entrainements électriques. Par ailleurs, la gestion de l'architecture du contrôleur embarqué basée sur une approche SoC a été effectuée en utilisant un système d'exploitation temps réel. Afin d'accélérer les services de ce système d'exploitation, une unité temps réel a été développée en VHDL et associée au système d'exploitation. Il s'agit de placer les services d'ordonnanceur et des processus de communication du système d'exploitation logiciel au matériel. Ceci a permis une accélération significative du traitement. La validation expérimentale d'un contrôleur du courant a été effectuée en utilisant un banc de test du laboratoire. Les résultats obtenus prouvent l'intérêt de l'approche proposée.

  • Titre traduit

    Contribution of FPGA-based System-on-Chip controllers for embedded AC drive applications


  • Résumé

    Designing embedded control systems becomes increasingly complex due to the growing of algorithm complexity, the rising of industrials requirements and the nature of application domains. One way to handle with this complexity is to design the corresponding controllers on performing powerful and open digital platforms. More specifically, this PhD deals with the use of FPGA System-on-Chip (SoC) platforms for the implementation of complex AC drive controllers for avionic applications. These latters are characterized by stringent technical issues such as environment conditions (pressure, high temperature) and high performance requirements (high integration, flexibility and efficiency). During this thesis, the author has contributed to design and to test a digital controller for a high temperature synchronous drive that must operate at 200°C ambient. It consists on the Flux Oriented Controller (FOC) for a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) associated with a Resolver sensor. A design and validation method has been proposed and tested using a FPGA ProAsicPlus board from Actel-Microsemi Company. The impact of the temperature on the operating frequency has been also analyzed. A state of the art FPGA SoC technology has been also presented. A detailed description of the recent digital platforms and constraints in link with embedded applications was investigated. Thus, the interest of a SoC-based approach for AC drives applications was also established. Additionally and to have full advantages of a SoC based approach, an appropriate HW-SW Co-design methodology for electrical AC drive has been proposed. This method covers the whole development steps of the control application from the specifications to the final experimental validation. One of the main important steps of this method is the HW-SW partitioning. The goal is to find an optimal combination between modules to be implemented in software and those to be implemented in hardware. This multi-objective optimization problem was performed with the Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Thus, the Pareto-Front of optimal solution can be deduced. The illustration of the proposed Co-design methodology was made based on the sensorless speed controller using the Extended Kalman Filter (EKF). The choice of this benchmark corresponds to a major trend in embedded control of AC drives. Besides, the management of SoC-based architecture of the embedded controller was allowed using an efficient Real-Time Operating System (RTOS). To accelerate the services of this operating system, a Real-Time Unit (RTU) was developed in VHDL and associated to the RTOS. It consists in hardware operating system that moves the scheduling and communication process from software RTOS to hardware. Thus, a significant acceleration has been achieved. The experimentation tests based on digital current controller were also carried out using a laboratory set-up. The obtained results prove the interest of the proposed approach.


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