FPGA-basierte Steuerung von Drei-Level

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FPGA-basierte Steuerung von Drei-LevelUmrichtern
WP-01150-DE-1.1
White Paper
Autoren
■
Jens Onno Krah, FH-Köln
■
Rolf Richter, EBV Poing
■
Andreas Rath, FH-Köln
■
Markus Höltgen, FH-Köln
Einleitung
Getrieben durch Produkte aus den Bereichen der erneuerbaren Energien und
unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UPS) bieten verschiedene Hersteller von
Leistungselektronikbauelementen inzwischen auch IGBT-Module an, bei denen eine
Drei-Level-Phase vollständig integriert ist. Drei-Level-Topologien sind bei Leistungen
im MW-Bereich seit vielen Jahren Standard. Hauptgrund ist die deutlich geringere
erforderliche Spannungsfestigkeit, die die leistungselektronischen Schalter aufweisen
müssen. Die anderen positiven Eigenschaften der Drei-Level-Umrichter waren
willkommen aber nicht ausschlaggebend.
Im kW-Bereich ändert sich das gerade. Bei vielen Applikationen ist inzwischen die
Verwendung einer 3-Level-Topologie meist wirtschaftlicher:
■
Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UPS)
■
Umrichter mit hohen Ausgangsfrequenzen, z.B. Spindelantriebe
■
Hochdynamische Servoantriebe mit hohen Taktfrequenzen für eine schnelle
Regelung
■
Umrichter zur Netzeinspeisung, z.B. erneuerbare Energien, rückspeisefähige
Industrieumrichter oder Batteriemanagementsysteme für Smart Grid
Applikationen
Diese Applikationen sind durch zwei Merkmale gekennzeichnet:
1. Die Schaltfrequenz beträgt mehr als ca. 10 kHz—Bei geringeren Schaltfrequenzen
unter ca. 5 kHz spielen die Schaltverluste eine nicht mehr entscheidende Rolle.
Hier dominieren die Durchlassverluste, bei denen ein Drei-Level-Umrichter
ungünstiger ist.
2. Die Leistung beträgt mehr als ca. 10 kW—Bei kleineren Leistungen ist der höhere
Ansteueraufwand - 12 statt 6 IGBT-Treiber usw. - ein nicht unerheblicher Nachteil.
Solche Geräte würden überproportional teuer und auch deutlich größer. Bei
größeren Leistungen überwiegt jedoch z.B. der kleinere Kühlkörper, wodurch das
Gerät auch kleiner und oft kostengünstiger wird.
101 Innovation Drive
San Jose, CA 95134
www.altera.com
November 2010
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Die Drei-Level-Topologie
Die Drei-Level-Topologie
Klassische Zwei-Level- und Drei-Level-Umrichter ähneln sich in ihrer Funktion als
DC-AC-Umrichter, Figure 1. Beide Ansätze können aus der Gleichspannung des
Zwischenkreises (ud) eine Wechselspannung variabler Frequenz erzeugen. Der
Hauptunterschied ist die Anzahl der eingesetzten IGBTs, Dioden und Kondensatoren.
Eine Drei-Level-Phase in der NPC- (Neutral-Clamping-Point-) Topologie besteht aus
vier in Reihe geschalteten IGBTs, jeweils mit zugehörigen Freilaufdioden und zwei
zusätzlichen Clamping-Dioden für die Anbindung an den neutralen Punkt (NP) des
geteilten Zwischenkreises. Zwei-Level-Converter haben am Ausgang nur zwei
Zustände, während beim Drei-Level-Umrichter drei Zustände möglich sind.
Figure 1. Frequenzumrichter können Drehspannungen mit einstellbarer Frequenz und Amplitude
generieren. a) Zwei-Level-Umrichterb) Drei-Level-Umrichter
D
E
Im Gegensatz zur Zwei-Level-Topologie, bei der der IGBT die gesamte
Zwischenkreisspannung schalten muss, fällt im Falle der Drei-Level-Architektur nur
die halbe Zwischenkreisspannung am IGBT ab. Der Zwischenkreiskondensator muss
so ausgelegt werden, dass er die Zwischenkreisspannung halbieren kann. Bei fast
allen Umrichtern mit ca. 600 V Zwischenkreisspannung ist das automatisch durch die
Reihenschaltung zweier Kondensatoren mit geringerer Spannungsfestigkeit der Fall.
In einer Drei-Level-Phase existieren bei Schaltvorgängen verschiedene komplexe
Kommutierungswege. Dafür sind kurze Strompfade mit optimiertem Layout im
Modul und eine dieses berücksichtigende Gate-Ansteuerung notwendig. Nur so ist es
möglich, Schaltüberspannungen gering zu halten und über möglichst hohe
Zwischenkreisspannungen den Wirkungsgrad zu maximieren.
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Spannungsform
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Spannungsform
Die Ausgangsspannung der einzelnen Phasen ist bei der Drei-Level-Anordnung dem
gewünschten Sinus deutlich ähnlicher, Figure 2. Die für den Stromripple maßgebende
Spannungszeitfläche zwischen dem gewünschten Sinus und der geschalteten
Ausgangsspannung erlaubt den Einsatz kleinerer Induktivitäten. Ein Filter kann
deutlich kleiner ausgelegt werden, was die Geräte kleiner und günstiger macht.
Durch die geringeren Kupferverluste steigt der Wirkungsgrad. Da eine Schaltflanke
bei einem Drei-Level nur die halbe Zwischenkreisspannung schaltet, kann auch das
EMV-Filter weniger aufwändig ausgelegt werden.
Figure 2. Ein Drei-Level-Umrichter kann den gewünschten sinusförmigen Spannungsverlauf
besser nachbilden als ein klassischer Zwei-Level-Umrichter
8BG
8BG
8BG
13
8BG
Steuerung von Drei-Level-Umrichtern
Viele Hersteller von µControllern bieten spezielle Motor-Control-Peripherie mit
integrierter 6-Phasen-PWM an. Zum Design eines Motor-Controllers werden die 6
Signale ausgehend vom Controller über Gate-Treiber an die 6-IGBTs angeschlossen.
Mit einigen Tricks - z.B. zur Synchronisation der PWM Blöcke - können µController,
die zur Steuerung von zwei Motoren über zwei 6-Phasen PWM-Bausteine verfügen,
zur Steuerung eines Drei-Level-Umrichters genutzt werden. Diese Ansätze sind
jedoch sehr kompliziert zu programmieren und weisen zusätzlich viele nennenswerte
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Drei-Level-Referenzdesign FalconEye III
Einschränkungen auf. Gerade bei höheren Schaltfrequenzen sind diese Prozessoren
nicht in der Lage, die notwendigen Berechnungen in der zur Verfügung stehenden
Zeit durchzuführen. Deshalb wird fast immer zumindest ein Teil der GateAnsteuerung und der Schutzbeschaltung für die Leistungshalbleiter in
programmierbarer Logik, z.B. in einem CPLD oder FPGA untergebracht.
Wird die Steuerung vollständig innerhalb eines FPGAs realisiert, so erhält man eine
leistungsfähige und geradlinige single-Chip Lösung.
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Das Drei-Level-Referenzdesign besteht aus mehreren Baugruppen:
Drei-Level-Leistungselektronik
Die Drei-Level-IGBT Module für einen dreiphasigen Umrichter sind zusammen mit
der Ansteuerelektronik und Schaltnetzteil auf einer 214 * 372 mm² großen 4-LayerLeiterkarte untergebracht, Figure 3.
Figure 3. Der Drei-Level-Wechselrichter ist mit einer 4-Lagen Leiterkarte realisiert. Die DreiLevel-IGBT-Module stammen von Infineon.
U V W PE
High Voltage
Ud
IGBT
FPGA
Interface
IGBT
Ud
IGBT
SPS
Low Voltage
Zur Spannungsversorgung der Treiber wird mit einem ersten Schaltnetzteil, einem
Sperrwandler, aus der Zwischenkreisspannung eine 15 V Gleichspannung erzeugt.
Diese wird direkt zur Versorgung der Gate-Treiber für die unteren IGBTs (IGBT 4)
genutzt. Über nachgeschaltete Gegentaktwandler werden die restlichen, galvanisch
getrennten Spannungen für die einzelnen Gate-Treiber (IGBT 1 bis 3) erzeugt.
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Die eingesetzten IGBT-Module von Infineon (F3L50) werden, wie vom Hersteller
vorgegeben, über einen 8,2  Gate-Widerstand angesteuert. Bei den äußeren IGBTs
(1 und 4) werden Gate-Treiber mit integrierter UCE-Über-wachungsfunktion von
Avago eingesetzt (ACPL-332J). Der spezifizierte Ausgangsstrom von mindestens 2 A
reicht in dieser Applikation aus. Die galvanische Trennung erfolgt über Optokoppler.
Als Fehlerzustände werden das Ansprechen der UCE-Überwachung sowie
Unterspannung angezeigt. Die Fehlersignale der 6 Gate-Treiber sind einzeln mit
einem 2k7 Pull-Up versehen und auf je einen I/O des FPGAs geführt.
Bei den inneren IGBTs werden kleinere Gate-Treiber ohne UCE-Überwachung
eingesetzt (Avago ACPL-H342). Die Phasenströme werden jeweils über einen 5 m
Shunt gemessen. Bei 20 A ergibt sich ein Spannungsabfall von 100 mV, der von einem
Sigma-Delta-Modulator (Avago ACPL-796) in einen mit 20 MHz getakteten Bitstream
umgesetzt wird. Durch die Auswertung des Modulator-Clock-Signals ist gleichzeitig
eine Überwachung der zugehörigen Gate-Spannungsversorgung (jeweils IGBT 2)
möglich.
Die Gate-Spannungsversorgung von IGBT 3 jeder Phase ist mit der Auswertung des
Temperatursensors gekoppelt. Hierzu ist der etwas langsamere Sigma-DeltaModulator ACPL-C797 mit interner, asynchroner Taktgenerierung vorgesehen.
Zwei weitere Modulatoren dieses Typs werden zur Messung der beiden
Zwischenkreisspannungen genutzt. Zur Vereinfachung der Spannungsversorgung
für die Modulatoren wird mit einem Spannungsteiler die untere
Zwischenkreisspannung und mit einem weiteren Spannungsteiler wird die gesamte
Zwischenkreisspannung gemessen. Die obere Zwischenkreisspannung kann
problemlos im FPGA berechnet werden.
VHDL Module
Die FPGA-basierte Steuerung ist modular aufgebaut. Figure 4 zeigt schematisch die
Top-Level-Ansicht des Drei-Level-PWM IP-Blocks. Links ist das Interface zur
Einbindung des Moduls in die Regelkreise eines Umrichters dargestellt. Rechts ist das
Interface zur Leistungselektronik dargestellt.
Figure 4. Die Drei-Level-PWM ist modular aufgebaut. Links: Interface zu den Regelkreisen.
Rechts: Interface zur Leistungselektronik.
EN
12 gate signals
voltage space
vector uD, uE
current space
vector iD , iE
Cyclone
6 Vce fault signals
FPGA
(VHDL)
Error
6'signals
3 * current
2 * dc voltage
FPGA IP
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Über das Enable-Signal kann die Leistungselektronik eingeschaltet werden, sofern
kein Fehler vorliegt. Der Sollwert der Ausgangsspannung wird als Raumzeiger in
rechtwinkligen Ständerkoordinaten vorgegeben, u und u. Figure 5 zeigt die
Zuordnung der Schaltzustände. Innerhalb der 24 dargestellten Sektoren (Dreiecke)
erfolgt eine Raumzeigermodulation (RZM). Außerhalb der Sektoren wird
automatisch ein Übermodulationsmodus bis hin zur Blockkommutierung verwendet.
Figure 5. Liegt der Sollwert des Spannungszeigers nicht innerhalb der 24 dargestellten Sektoren
(Dreiecke), so wird automatisch ein Übermodulationsmodus bis hin zur Blockkommutierung
verwendet.
u_beta
C
-+-
6
12
13
- +0
7
15
- ++
9
22
- -+
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0-+00
18
+--
u_alpha
24
6
23
5
18
2
7
--000
+++
0
13
26
1
14
A
8
4
- 0+
+0 -
21
1
17
5
00 ++0
2
- 00
0++
16
9
12
25
3
4
17
B
10
-00+0
3
16
++ -
24
11
14
8
0+ -
15
--0
00+
10
23
0 -0
+0+
+-0
22
20
19
19
21
11
0 -+
20
+ -+
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Ein Block beinhaltet die Logik zur Auswertung von insgesamt 20 Fehlersignalen,
Figure 6:
■
6 Fault-Signale der äußeren Gate-Treiber, die die Unterspannung und das
Ansprechen der UCE-Überwachungen anzeigen
■
6 Sigma-Delta Clock-Error-Signale zur Überwachung der Gate-Spannung von den
inneren Gate-Treibern über die drei Strommess-Sensoren und die drei
Temperatursensoren
■
3 Überstromsignale von den drei schnellen Sinc³-Filtern der Stromsensoren
■
2 Überspannungssignale von der Spannungsmessung
■
3 Übertemperatursignale von der Temperaturüberwachung
Figure 6. Die Logik zur Auswertung der Fehlersignale ist in einem Block integriert.
Wenn ein Fehlersignal auftritt, so wird das Fault-Ausgangssignal bis auf weiteres
aktiviert. Welches Signal ein eventuelles Ausgangssignal verursacht hat, kann aus
zwei Statusregistern ausgelesen werden. Das Fehlersignal kann nur dann vom Soft
Core Prozessor Nios II zurückgesetzt werden, wenn an den Eingängen kein Fehler
signalisiert wird.
Die Ansteuerung der vier IGBTs einer Phase erfolgt jeweils unabhängig voneinander
über eine State-Maschine, Figure 7. Für eine positive Ausgangsspannung (+) werden
die beiden oberen IGBTs eingeschaltet. Für eine negative Ausgangsspannung (-)
werden die beiden unteren IGBTs eingeschaltet. Werden die beiden mittleren IGBTs
eingeschaltet, so ergibt sich die für Drei-Level-Umrichter charakteristische, neutrale
Ausgangspannung (0). Bei der Ansteuerung stellt die State-Maschine sicher, dass
nach dem Ausschalten eines IGBTs erst nach einer einstellbaren Verriegelungszeit ein
anderer IGBT eingeschaltet wird. Auch wenn die Leistungstransistoren im Falle eines
Fehlers alle ausgeschaltet werden, stellt die Logik sicher, dass nur die äußern IGBTs
sofort ausgeschaltet werden. Damit der Strom kontrolliert kommutiert, werden erst
nach einer programmierten Verzögerung auch die inneren IGBTs ausgeschaltet.
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Figure 7. State-Maschine zur Ansteuerung der Gate-Treiber.
Active State
Blocking time
(1 μs for example)
wz
off 2
T1 , T2
Vp
10
wz
10
V0_Vp
Vp_V0
T2
00
OFF
11
00
wz
00
V0
00
01
00
T2 , T3
wz
Vn_V0
V0_Vn
10
Vn
T3
wz
T3, T4
Bei dem Bitstream der Phasenströme wird mit Sinc³-Filtern das
Quantisierungsrauschen unterdrückt (1). Mit einem Dezimierungsfaktor von M = 128
ergibt sich effektiv eine Auflösung von ca. 12 Bit (6). Da alle Phasenströme gemessen
werden, hat ein eventuell auftretender, systematischer Offsetdrift keine Auswirkung.
Auch rauscht das Stromsignal nach der Clarke-Transformation ca. 3 dB mehr, wenn
nur zwei statt der drei Ströme gemessen werden (2). Drei Stromsensoren sind
unbedingt notwendig, wenn - z.B. bei einer USV-Anwendung - an den neutralen
Punkt NP der N-Leiter angeschlossen wird.
Die Überstromerkennung nutzt einen Dezimierungsfaktor von M = 16. Dadurch ist
das Signal deutlich schneller, aber mit ca. 8-Bit nicht ganz so genau. Wenn dem GateTreiber vom IGBT3 die Versorgungsspannung fehlt, enthält der Sigma-DeltaBitstream keinen Takt. Dieser Fehler wird bei jeder Phase mit einem Fault-Signal
angezeigt.
Die Auswertung der Temperatursensoren - je einer pro IGBT-Modul - erfolgt ebenso
mit einem Sinc³-Filter. Der Sigma-Delta-Modulator ACPL-C797 generiert intern einen
nicht-synchronen 10 MHz Takt (6). Vor der Sinc³-Filterung werden Takt und Daten
auf den FPGA-Takt (50 MHz) synchronisiert. Die etwas höhere Umsetzzeit, bedingt
durch die entsprechend langsamer getakteten Sinc³-Filter, spielt bei der
Temperaturmessung keine Rolle. Zum Schutz der Leistungshalbleiter sind zwei
Grenzen programmierbar. Beim Überschreiten eines ersten Grenzwertes wird ein
Warnsignal aktiviert, das von der Soft Core CPU Nios II ausgewertet werden kann.
Durch überschreiten des zweiten, höheren Grenzwertes wird ein Fehler signalisiert,
der zum Abschalten der Endstufe führt.
Die gleiche Sigma-Delta-Signalaufbereitung wird zur Messung der beiden
Zwischenkreisspannungen genutzt, die auch nicht besonders zeitkritisch sind. Bei
beiden Teilspannungen führt eine Überspannung zum sofortigen Abschalten der
gesamten Endstufe. Die Differenz der beiden Zwischenkreisspannungen wird zur
Regelung der Spannung des neutralen Punktes genutzt.
Die Berechnung der Drei-Level-Raumzeigermodulation erfolgt im Wesentlichen in
sechs Schritten:
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1. Bestimmung des Sektors (1-24), in den der Spannungssollwert zeigt, Figure 8 und
Figure 9 Modul 1.
2. Berechnung der klassischen (Zwei-Level) Raumzeigermodulation innerhalb dieses
Sektors (3).
3. Zuordnung der Zeiten mit den Randbedingungen - je nach Sektor-Typ - dass bei
redundanten Schaltzuständen die Spannung des neutralen Punktes stabilisiert
wird. Die Sektoren sind in drei Typen unterteilt, Figure 8:
■
I (z.B. Sektor 7): Der redundante Zeiger wird in Abhängigkeit vom
Vorzeichen des zugehörigen Phasenstroms zur Stabilisierung genutzt.
■
II (z.B. Sektor 8): Einer der beiden redundanten Zeiger wird in
Abhängigkeit vom Vorzeichen des zugehörigen Phasenstroms zur
Stabilisierung genutzt.
■
III (z.B. Sektor 1): In Abhängigkeit von dem zugehörigen Phasenstrom wird
entweder nur der untere (IGBT 3 und 4) oder alternativ nur der obere
Teilumrichter (IGBT 1 und 2) genutzt.
4. PWM-Ausgabe mit einer der klassischen 6~ PWM sehr ähnlichen Struktur,
Figure 10. Durch den FPGA-Clock von 50 MHz beträgt die zeitliche Auflösung der
PWM 20 ns. Auch die Abtastung des Stroms ist mit dem dreieckförmigen PWMCarrier-Signal synchronisiert.
5. Umsetzung der States in IGBT-Schaltsignale zur Ausgabe der Schaltsequenz
6. State-Maschine zur Ansteuerung der Gate-Treiber
Sobald der Sinc³-Filter die Messwerte bereitstellt, wird ein Interrupt-Signal für die
Soft-Core-CPU generiert.
Figure 8. Der Sollwert des Spannungsraumzeigers (ua , ub) zeigt in Sektor 7. Infolgedessen gibt
der Block bei "sector" eine 7 aus. An den Ausgängen u_a_shifted und u_b_shiftet wird die
Zeigerlänge innerhalb des Sektors für die RZM bereitgestellt.
6
12
13
11
3
16
7
15
10
9
12
25
14
8
24
15
2
3
16
10
23
1
14
18
2
u_b_shifted
9 (= t0)
22 (=t7)
18 (= t1)
19
22
20
19
7
u_beta
23
5
17
u_a_shifted
18
24
6
21 (= t2)
u_alpha
7
9
22
4
5
sector
8
1
0
13
26
4
17
locate sector
21
21
11
20
Die Schaltsequenzen von der PWM werden über die drei State-Maschinen (eine je
Phase) zur Ansteuerung der IGBTs an die Gate-Treiber geschaltet.
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Figure 9. Die Berechnung der PWM erfolgt mit 6 Modulen: 1. Bestimmung von Sektor und des
Zeigers im Sektor (Figure 8), 2. Bestimmung der RZM im Sektor, 3. Regelung der Spannung,
4. Zuweisung der Schaltsequenz, 5. Erzeugung der PWM (Ausgabe der Schaltsequenz), 6. StateMaschine zur Ansteuerung der Gate-Treiber
5
1
4
2
3
6
6
6
Figure 10. Das Modul PWM (Figure 9 Modul 5) erzeugt die gewünschte State-Sequenz mit Hilfe
eines Carrier-Signals. Im Beispiel ist eine RZM innerhalb des Sektors 9 dargestellt.
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Zusammenfassung
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Die Steuerung erfolgt mit dem Soft Core Prozessor Nios II
Die Steuerung des Drei-Level-Umrichters erfolgt über den Soft Core Prozessor
Nios II. Zunächst werden die VHDL Module konfiguriert. Neben der Schaltfrequenz
können auch Überstromschwellwerte, Verriegelungszeiten usw. parametriert werden.
Im einfachsten Fall kann eine Asynchronmaschine mit dem Spannungs/Frequenzverfahren (U/F) angesteuert werden. Hierzu gibt der Nios II der DreiLevel-PWM einen sich drehenden Raumzeiger vor. Das erfolgt innerhalb einer
Interrupt-Serviceroutine (ISR), die zyklisch von dem PWM-Modul getriggert wird.
Alternativ kann stattdessen innerhalb der ISR auch ein Stromregelungsalgorithmus
berechnet werden.
Falls ein Fehler auftreten sollte, so kann der Prozessor den Fehler aus dem Register
des zugehörigen Moduls auslesen und - falls gewünscht - zurücksetzten, sobald die
Fehlerursache beseitigt ist.
Zusammenfassung
Die beschriebene Drei-Level-PWM benötigt inklusive der Soft-Core-CPU in einem
Cyclone III FPGA ca. 15 000 Logik-Elemente. Schaltfrequenzen bis 50 kHz können mit
dieser Struktur einwandfrei realisiert werden. Bei höheren Schaltfrequenzen sollten
das Modul zur PWM-Ausgabe und die State-Maschine zur Ansteuerung der IGBTs
mit 75 oder 100 MHz getaktet werden. Auch ist der Einsatz eines FPGA-basierten
Strom-Beobachters eventuell sinnvoll (4).
Weitere Informationen
1. J. O. Krah, R. Yüsay, "Motorsteuerung auf einem programmierbaren Chip, FPGAs
eröffnen neue Möglichkeiten für Motion Control". Elektronik Heft 26, 2008,
S. 41-47.
2. FalconEye FPGA Manual:
www.ebv.com
3. J. O. Krah, J. Holtz: "High-Performance Current Regulation and Efficient PWM
Implementation for Low-Inductance Servo Motors". IEEE Transactions on
Industry Applications, Vol. 35, No. 5, Sept/Oct 1999, pp. 1039-1049.
4. J. O. Krah, C. Klarenbach, "FPGA-based Field-Oriented Current Controller for
High Performance Servo Drives", PCIM Power Conversion Intelligent Motion
Conference, Nürnberg, May 2008.
5. Cyclone III Device Handbook:
www.altera.com
6. Avago Datasheet ACPL-796, ACPL-C797:
www.avagotech.com
7. Infineon Datasheet:
www.infineon.de
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Dokumentenhistorie
Dokumentenhistorie
Table 1 stellt Revisionshistorie für dieses Dokument dar.
Table 1. Document Revision History
Date
Version
Changes
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1.1
Minor text edits.
November 2010
1.0
Initial release.
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