This master thesis addresses the control of electric propulsion motors in a marine context. The focus lies mainly on the implementation of field oriented control (FOC) in a field programmable gate array (FPGA). The hypothesis is that FPGAs provide performance advantages over microcontroller-based control solutions by enabling parallel processing. Zparq AB, a startup specializing in electric marine propulsion, serves as the industry partner for this project. They develop sustainable alternatives to traditional fossil fuel powered propulsion, and the aim is to develop every included part of their electric propulsion systems inhouse. That makes the development of an FPGA-based motor control solution relevant to their goal. The research question focuses on how multiple marine propulsion motors can be controlled from a single FPGA. To answer this, the study investigates relevant engineering aspects such as reference frame transformations, motor control strategies, pulse width modulation (PWM) methods and technological aspects of modern FPGA architectures. For developing the motor controller, a Digilent Arty Z7-20 FPGA board is used. In the design process, all included functions are written as code in a hardware description language (HDL). This approach aims at maintaining complete insight in all details of the solution. Two variants of conventional FOC are developed; one with position feedback from an encoder and one sensorless. The developed motor controller is tested by controlling a brushless direct current (BLDC) motor, and the results prove the functionality of the encoder-based variant. They also show a latency of less than 15 microseconds and indicate the feasibility of the chosen approach. The modularity of the FPGA is demonstrated by successfully controlling two motors, using two copies of the developed solution in a single FPGA. A discussion on combining FPGA-based controllers with wide bandgap (WBG) semiconductors is also included, where the main discussed advantage is high switching frequency. In conclusion, the results and insights from the project contribute to future development of FPGA-based motor control solutions, both within Zparq and the research field. The insights regarding the specific chosen approach for the FPGA development can also be useful for similar projects. / Detta masterarbete behandlar styrning av elektriska motorer i ett marint kontext. Fokus ligger huvudsakligen på implementeringen av fältorienterad styrning (FOC) i en ifält-programmerbar grindmatris (FPGA). Hypotesen är att FPGAer erbjuder prestandafördelar jämfört med mikrokontroller-baserade styrlösningar, genom att möjliggöra parallella beräkningsprocesser. Zparq AB, ett startup som specialiserar sig på elektriska marina drivsystem, är industripartner för detta projekt. De utvecklar hållbara alternativ till traditionell fossildriven framdrift och målet är att på egen hand utveckla alla ingående delar i deras elektriska drivsystem. Det gör att utvecklingen av en FPGA-baserad lösning för motorstyrning är relevant inom ramen för deras mål. Forskningsfrågan fokuserar på hur ett flertal motorer för marin framdrift kan styras från en enda FPGA. För att svara på detta undersöks relevanta tekniska aspekter såsom koordinattransformationer, motorstyrningsstrategier, metoder för pulsbreddsmodulering (PWM) samt teknologiska aspekter av moderna FPGA-arkitekturer. För utvecklingen av motorstyrningen används ett Digilent Arty Z7-20 FPGA-kort. I designprocessen formuleras alla inkluderade funktioner som kod i ett hårdvarubeskrivande språk (HDL). Detta tillvägagångssätt syftar till att ha god insyn i hela lösningen, ner på detaljnivå. Två varianter av konventionell FOC utvecklas; en med positionsfeedback från vinkelgivare och en sensorlös. Den utvecklade motorstyrningen testas genom att driva en borstlös likströmsmotor (BLDC) och resultaten visar på den vinkelgivarbaserade variantens funktionalitet. De visar även att fördröjningen är under 15 mikrosekunder, samt på genomförbarheten av det valda tillvägagångssättet. Modulariteten i FPGAn demonstreras genom att framgångsrikt styra två motorer med hjälp av två kopior av den utvecklade lösningen i en och samma FPGA. En diskussion kring att kombinera FPGA-baserad styrning och halvledare med brett bandgap (WBG) är också inkluderad, där den huvudsakliga fördelen som diskuteras är hög switchfrekvens.svis bidrar resultaten och insikterna från projektet till framtida utveckling av FPGA-baserade lösningar för motorstyrning, både inom Zparq och övriga forskningsfältet. Insikterna från det specifika valda tillvägagångssättet för FPGA-utvecklingen kan även de vara användbara i liknande projekt.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-344748 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Weideskog, Simon |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2024:2 |
Page generated in 0.0038 seconds