Induction motor controlling using FPGA-based platform in a parallel processing environment using field oriented control with analytical analysis over microcontroller-based solutions

Field Oriented Control (FOC) is one of the most known methods for controlling 3-phase motors specially AC motors or Induction Motors (IM or ACIM) inside the industry of motor controlling. Comparing to classical control methods for IMs like V/Hz or other conventional algorithms, FOC can be considered as a much more complex solution with high demands of processing power an in return a very high quality control and performance, that’s why despite of being available since long time ago, just recently by improvements in electronics components and rapid growth of processing power of controllers the FOC became a feasible method to be implemented on various types of IM to be a competitive alternate to DC drives. By improvement of digital processing power of microprocessors or more precisely microcontrollers they became dominant solution of the designs for lots of projects and controllers. Microcontrollers are generally designed with a sequential architecture, meaning that tasks are run in order or they can be interrupted by other tasks, and the environment that microcontrollers are programmed are also based on sequential design like C programming language, which is the core part of programming of almost all the microcontrollers in the market. During the recent years, by increase of the fame of FPGAs, now they found the chance to be challenged and tested for designing FOC in parallel processing manner. Actually, the main difference between FPGA-based solutions versus the Microcontroller-based solution is that the architecture of the FPGA is based on parallel processing, and there are possibilities to run different tasks in concurrent way without the necessity of braking or interrupting them to be able to do other tasks. This can make a huge difference specially on the freedom of the design and possibility of testing much more different algorithms in FPGA-based solution environments regarding the performance evaluations and reliable control system design. In this thesis the main intention is firstly to develop an FPGA-based solution for controlling AC motors using FOC in a concurrent manner by actually adapting a previously made microcontroller-based hardware to the new design for the parallel processing control with FPGA-based hardware. Then this will be followed by an interface design between the FPGA-based solution to switching module and finally by making the software and testing the FOC in the real environment. The results will be compared to the simulations and finally an analytical analysis will be given for the comparison of FOC design in FPGA-based environments versus Microcontroller-based environments.

Field Oriented Control (FOC) è uno dei metodi più conosciuti per il controllo di motori trifase specialmente motori AC o motori a induzione (IM o ACIM) nel settore del controllo motori. Rispetto ai metodi di controllo classici per IM come V / Hz o altri algoritmi convenzionali, il FOC può essere considerato una soluzione molto più complessa con elevate esigenze di potenza di elaborazione e in cambio un controllo e prestazioni di altissima qualità, ecco perché nonostante sia disponibile da molto tempo fa, proprio di recente con il miglioramento dei componenti elettronici e la rapida crescita della potenza di elaborazione dei controller, la FOC è diventata un metodo fattibile da implementare su vari tipi di IM per essere un'alternativa competitiva ai drive DC. Migliorando la potenza di elaborazione digitale dei microprocessori o più precisamente i microcontrollori, sono diventati la soluzione dominante dei progetti per molti progetti e controllori. I microcontrollori sono generalmente progettati con un'architettura sequenziale, il che significa che le attività sono eseguite in ordine o possono essere interrotte da altre attività, e l'ambiente in cui i microcontrollori sono programmati si basano anche su un design sequenziale come il linguaggio di programmazione C, che è la parte centrale della programmazione di quasi tutti i microcontrollori sul mercato. Negli ultimi anni, con l'aumento della fama degli FPGA, ora hanno trovato la possibilità di essere sfidati e testati per la progettazione di FOC in modalità di elaborazione parallela. In realtà, la differenza principale tra le soluzioni basate su FPGA e la soluzione basata su microcontroller è che l'architettura dell'FPGA è basata sull'elaborazione parallela e ci sono possibilità di eseguire attività diverse in modo concorrente senza la necessità di frenare o interromperle in grado di svolgere altre attività. Ciò può fare una grande differenza specialmente sulla libertà del design e la possibilità di testare algoritmi molto più diversi in ambienti di soluzione basati su FPGA per quanto riguarda le valutazioni delle prestazioni e la progettazione affidabile del sistema di controllo. In questa tesi l'intenzione principale è in primo luogo di sviluppare una soluzione basata su FPGA per controllare i motori AC usando FOC in modo concorrente, adattando in realtà un hardware basato su microcontroller fatto in precedenza al nuovo design per il controllo di elaborazione parallelo con hardware basato su FPGA. Successivamente questo sarà seguito da un design dell'interfaccia tra la soluzione basata su FPGA e il modulo di commutazione e infine facendo il software e testando l'FOC nell'ambiente reale. I risultati saranno confrontati con le simulazioni e, infine, verrà fornita un'analisi analitica per il confronto della progettazione FOC in ambienti basati su FPGA e ambienti basati su microcontrollori.