Consulta de Guías Docentes



Curso : 2019/2020

532 - Máster Universitario en Ingeniería Industrial

60837 - Control digital con FPGA de etapas de potencia


Información del Plan Docente

Año académico:
2019/20
Asignatura:
60837 - Control digital con FPGA de etapas de potencia
Centro académico:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Titulación:
532 - Máster Universitario en Ingeniería Industrial
Créditos:
6.0
Curso:
2
Periodo de impartición:
Primer semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Materia:
---

1.Información Básica

1.1.Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

En esta asignatura se pretende formar profesionales que conozcan las técnicas de implementación en FPGA, utilizando lenguajes de descripción de hardware, de algoritmos de control digital de etapas de potencia y que sean capaces de usarlas en aplicaciones reales. Para ello será necesario estudiar tres aspectos fundamentales: las técnicas de modulación y su implementación digital, para  generar las señales de disparo de los dispositivos; la implementación en coma fija de reguladores lineales clásicos; y las técnicas de simulación en lazo cerrado de todo el sistema, incluyendo la parte digital y la analógica y de potencia, para verificar las prestaciones del control.

1.2.Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

Esta asignatura forma parte de la especialidad “Sistemas Electrónicos” del máster y también está vinculada a la especialidad “Automatización”.

Los conocimientos proporcionados por esta asignatura también permiten abordar la implementación digital en FPGA del control o procesado digital necesario en sistemas que se estudian en otras asignaturas del máster, ya que la tendencia actual para controlar sistemas en tiempo real es la utilización de técnicas digitales.

1.3.Recomendaciones para cursar la asignatura

Se recomienda haber cursado la asignatura optativa “Sistemas Electrónicos Digitales”  del grado de Ingeniera en Tecnologías Industriales o tener conocimientos previos de diseño de circuitos digitales mediante metodologías y herramientas basadas en el uso del lenguaje VHDL.

Asimismo, se aconseja al alumno seguir la asignatura de forma presencial, asistiendo y participando activamente en las clases con el profesor, tanto teóricas como prácticas.

2.Competencias y resultados de aprendizaje

2.1.Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para...

COMPETENCIAS BÁSICAS:

CB6. Poseer y comprender conocimientos que aporten una base u oportunidad de ser originales en el desarrollo y/o aplicación de ideas, a menudo en un contexto de investigación.

CB7. Que los estudiantes sepan aplicar los conocimientos adquiridos y su capacidad de resolución de problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios (o multidisciplinares) relacionados con su área de estudio.

CB8. Que los estudiantes sean capaces de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios.

CB9. Que los estudiantes sepan comunicar sus conclusiones y los conocimientos y razones últimas que las sustentan a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades.

CB10. Que los estudiantes posean las habilidades de aprendizaje que les permitan continuar estudiando de un modo que habrá de ser en gran medida autodirigido o autónomo.

COMPETENCIAS GENERALES

CG1. Tener conocimientos adecuados de los aspectos científicos y tecnológicos de: métodos matemáticos, analíticos y numéricos en la ingeniería, ingeniería eléctrica, ingeniería energética, ingeniería química, ingeniería mecánica, mecánica de medios continuos, electrónica industrial, automática, fabricación, materiales, métodos cuantitativos de gestión, informática industrial, urbanismo, infraestructuras, etc.

CG2. Proyectar, calcular y diseñar productos, procesos, instalaciones y plantas.

CG4. Realizar investigación, desarrollo e innovación en productos, procesos y métodos.

CG8. Aplicar los conocimientos adquiridos y resolver problemas en entornos nuevos o poco conocidos dentro de contextos más amplios y multidisciplinares.

CG9. Ser capaz de integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de formular juicios a partir de una información que, siendo incompleta o limitada, incluya reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas vinculadas a la aplicación de sus conocimientos y juicios.

CG10. Saber comunicar las conclusiones, y los conocimientos y razones últimas que las sustentan, a públicos especializados y no especializados de un modo claro y sin ambigüedades.

CG11. Poseer las habilidades de aprendizaje que permitan continuar estudiando de un modo autodirigido o autónomo.

CG12. Conocimiento, comprensión y capacidad para aplicar la legislación necesaria en el ejercicio de la profesión de Ingeniero Industrial.

COMPETENCIAS ESPECÍFICAS

CM7. Capacidad para diseñar sistemas electrónicos y de instrumentación industrial.

2.2.Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados...

Es capaz de especificar y analizar sistemas electrónicos complejos con bloques analógicos, digitales y de potencia.

Es capaz de concebir y desarrollar sistemas digitales avanzados basados en dispositivos programables, dispositivos lógicos configurables y circuitos integrados, con dominio de las herramientas de descripción de hardware.

Aplica los conocimientos adquiridos para seleccionar una FPGA para un diseño dado en función de sus recursos hardware.

Diseña en VHDL moduladores digitales para las diferentes etapas de potencia.

Diseña en VHDL reguladores lineales digitales utilizando aritmética en coma fija.

Conoce las metodologías y herramientas basadas en el uso del lenguaje VHDL para implementar diseños digitales complejos en FPGA.

Verifica funcionalmente el diseño mediante simulación en lazo cerrado del control digital y de la etapa de potencia.

2.3.Importancia de los resultados de aprendizaje

Los conocimientos, aptitudes y habilidades adquiridos a través de esta asignatura, junto con los del resto del Máster, deben permitir al estudiante desarrollar las competencias anteriormente expuestas, así como desempeñar adecuadamente una labor profesional en el ámbito de la aplicación de técnicas digitales para el control de etapas de potencia, o abordar con garantías la realización de una tesis doctoral en el mencionado ámbito.

3.Evaluación

3.1.Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluacion

La asignatura se evaluará en la modalidad de evaluación progresiva mediante las siguientes actividades:

 

1 Examen global con cuestiones teórico prácticas

Se realizará a final del curso una prueba con cuestiones y problemas relativas tanto a los contenidos teóricos como a las prácticas realizadas. En el examen se podrán consultar los apuntes de la asignatura.

Esta actividad se calificará de 0 a 10 puntos y supondrá el 50% de la calificación del estudiante en la asignatura.

 

2 Asistencia y evaluación de las prácticas

Se evaluará el trabajo realizado en las sesiones de laboratorio pues se considera que el aprendizaje de esta materia está asociado a la experimentación práctica. Además de la asistencia, se evaluarán los siguientes aspectos relativos a la realización de las prácticas:

  • Preparación previa de la práctica.
  • Manejo de las herramientas de diseño electrónico.
  • La autonomía de los estudiantes en el laboratorio.
  • El funcionamiento del diseño en la FPGA.
  • La participación de cada uno de los integrantes del grupo en cada trabajo.

Esta actividad se calificará de 0 a 10 puntos y supondrá el 30% de calificación del estudiante en la asignatura.

 

3 Valoración de los trabajos realizados en relación a las prácticas

Se requerirá la elaboración de un informe al finalizar cada práctica. Este informe constará de un resumen de la práctica y las respuestas a las cuestiones planteadas en el enunciado de la práctica. Se apreciará especialmente el grado de cumplimiento de la práctica y de las cuestiones planteadas.

Esta actividad se calificará de 0 a 10 puntos y supondrá el 20% de la calificación del estudiante en la asignatura.

La asignatura se supera con una calificación total mayor o igual que 5 puntos sobre 10.

 

Prueba global

Aquellos alumnos que opten por no realizar el procedimiento de evaluación progresiva, serán evaluados mediante una única prueba global al final del curso, consistente en un examen teórico-práctico a realizar en la fecha indicada por el calendario académico de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura.

4.Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1.Presentación metodológica general

El proceso de aprendizaje que se ha diseñado para esta asignatura se basa en lo siguiente:

El proceso de enseñanza se desarrollará en tres niveles principales: clases de teoría, problemas y laboratorio, con creciente participación del estudiante.

- En las clases de teoría se expondrán las bases teóricas del diseño digital con FPGA para aplicaciones de potencia.

- En las clases de problemas se desarrollarán problemas y diseños representativos con la participación de los estudiantes.

- Se realizarán prácticas de laboratorio en grupos reducidos en las que se realizarán diseños digitales en VHDL, se simularán y se probarán en una placa de desarrollo con FPGA.

4.2.Actividades de aprendizaje

El programa que se ofrece al estudiante para ayudarle a lograr los resultados previstos comprende las siguientes actividades...

Clase magistral (20 horas aproximadamente)

Sesiones expositivas y explicativas de contenidos, siempre acompañadas de ejemplos. Se presentarán los conceptos importantes y novedosos del diseño, simulación e implementación de controladores digitales en FPGAs utilizando el lenguaje de descripción de hardware VHDL. Los materiales que se expondrán en las clases magistrales estarán a disposición de los alumnos a través del Anillo Digital Docente.

 

Resolución de problemas y casos (10 horas aproximadamente)

En esta actividad se resolverá un conjunto de problemas representativos. Esta actividad se realizará en el aula de forma presencial. Los enunciados de los problemas que se resolverán en las clases magistrales estarán a disposición de los alumnos a través del Anillo Digital Docente.

 

Prácticas de laboratorio (18 horas aproximadamente)

Las prácticas están estructuradas en 6 sesiones de 3 horas cada una. Es necesario venir al laboratorio con el trabajo preparatorio previo realizado. Los enunciados de las prácticas estarán a disposición de los alumnos a en el Anillo Digital Docente.

 

Trabajos docentes (35 horas aproximadamente)

En esta actividad se realizarán los trabajos relacionados con el tema 2 y las prácticas. Los trabajos se realizarán en grupos de dos personas.

 

Tutela de trabajos (5 horas apoximadamente)

Tutela personalizada profesor-estudiante para los trabajos de aplicación prácticos relativos al tema 2 y a las sesiones P4 y P5  de las prácticas.

 

Estudio (60 horas aproximadamente)

Esta actividad comprende tanto el estudio personal encaminado a lograr el seguimiento adecuado de la asignatura, la realización de las prácticas, la preparación del examen y las tutorías.

 

Pruebas de evaluación (2 horas)

La actividad de evaluación comprende la realización del examen y la revisión de las calificaciones del examen y de los trabajos.

4.3.Programa

El programa por temas que se propone para alcanzar los resultados de aprendizaje previstos es el
siguiente:

 

T0. Presentación e introducción a la asignatura.

T1. Diseño con FPGA para etapas de potencia.

T2: Operaciones aritméticas en VHDL

T3: Simulación en VHDL de etapas de potencia.

T4: Moduladores. Generación digital de señales de disparo.

T5: Implementación de reguladores digitales en VHDL.

 

Programa de las sesiones de prácticas

P1: Lectura de un sensor de temperatura de 1 hilo.

P2: Control de conversor A/D. Simulación + Montaje.

P3: Modelado en VHDL de un convertidor Buck. Simulación.

P4: Modulador sigma-delta. Simulación + Montaje.

P5: Control digital de un convertidor Buck I. Simulación.

P6: Control digital de un convertidor Buck II. Simulación + Montaje.

4.4.Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

Calendario de sesiones presenciales y presentación de trabajos

Las clases magistrales y de problemas y las sesiones de prácticas en el laboratorio se imparten según horario establecido por el centro (horarios disponibles en su página web). El resto de actividades se planificará en función del número de alumnos y se dará a conocer con la suficiente antelación.

El calendario detallado de las diversas actividades a desarrollar se establecerá una vez que la Universidad y el Centro hayan aprobado el calendario académico (el cual podrá ser consultado en la página web del centro).

A título orientativo:

  • Período de clases: primer semestre (Otoño).
  • Clases teoría y problemas: cada semana hay programadas clases de teoría y/o problemas en el aula.
  • Sesiones prácticas: el estudiante realizará 6 sesiones prácticas de 3 horas de laboratorio y entregará trabajos asociados a las mismas.
  • Entrega de trabajos: se informará adecuadamente en clase de las fechas y condiciones de entrega.
  • Examen: habrá un examen de 1ª convocatoria y otro de 2ª convocatoria en las fechas concretas que indique el centro.

4.5.Bibliografía y recursos recomendados

Materiales bibliográficos recomendados se encuentran en la página web de la biblioteca.

Materiales docentes básicos disponibles en http://moodle2.unizar.es

  • Transparenciasde la asignatura: son considerados los apuntes de la asignatura.
  • Enunciados de problemas y guiones de prácticas.
  • Materiales docentes complementarios: conjunto de materiales de utilidad para la asignatura: manuales de la placade FPGA, hojas de características de componentes, etc


Curso : 2019/2020

532 - Master's in Industrial Engineering

60837 - FPGA-Based Digital Control for Power Converters


Información del Plan Docente

Academic Year:
2019/20
Subject:
60837 - FPGA-Based Digital Control for Power Converters
Faculty / School:
110 -
Degree:
532 - Master's in Industrial Engineering
ECTS:
6.0
Year:
2
Semester:
First semester
Subject Type:
Optional
Module:
---

1.General information

1.1.Aims of the course

1.2.Context and importance of this course in the degree

1.3.Recommendations to take this course

2.Learning goals

2.1.Competences

2.2.Learning goals

2.3.Importance of learning goals

3.Assessment (1st and 2nd call)

3.1.Assessment tasks (description of tasks, marking system and assessment criteria)

Course grading
The final grade for this course is based on the following weighting:
- Final exam (50 % of grade)
- Pre-lab work, attendance, attitude, and accomplishment during laboratory sessions (30 %)
- Laboratory reports (20 %)

4.Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1.Methodological overview

The methodology followed in this course is oriented towards achievement of the learning objectives. A wide range of teaching and learning tasks are implemented, such as

  • Lectures, where the theoretical concepts of the design of FPGA-based digital electronic systems for power electronic applications will be presented, illustrated with numerous examples.
  • Several sessions will be devoted to apply the theoretical concepts to solve problems and case studies.
  • Laboratory sessions will be conducted in small groups where students simulate, program and check the operation of the FPGA-based digital electronic systems.

4.2.Learning tasks

The course includes the following learning tasks:

  • Lectures (20 hours). Explanation of theoretical contents.
  • Practice sessions (10 hours). Problem solving and case studies.
  • Laboratory sessions (18 hours). 6 sessions of 3 hours each.
  • Assignments and homework (35 hours).
  • Tutorials for assignment supervision (5 hours).
  • Autonomous work and study (60 hours).
  • Final exam (2 hours).

4.3.Syllabus

The course will address the following topics:

Lectures

  • Topic 1. Design with FPGA for switched-mode power electronic converters.
  • Topic 2. Arithmetic and VHDL coding.
  • Topic 3. VHDL modeling of switched-mode power converters for test bench generation.
  • Topic 4. FPGA-based gate signal generation for power electronic converters.
  • Topic 5. VHDL description of digital controllers for power electronic converters.

Laboratory sessions

  • Session 1. FPGA interface to a 1-wire temperature sensor. Simulation + practical work.
  • Session 2. FPGA interface with an A / D converter. Simulation + practical work.
  • Session 3. VHDL Modeling of a Buck converter. Simulation.
  • Session 4. FPGA-Based Sigma-delta modulator. Simulation + practical work.
  • Session 5. Digital Control of a Buck Converter I. Simulation.
  • Session 6. Digital Control of a Buck Converter II. Simulation + practical work.

4.4.Course planning and calendar

Further information concerning the timetable, classroom, office hours, assessment dates and other details regarding this course, will be provided on the first day of class or please refer to the EINA website (http://eina.unizar.es).

4.5.Bibliography and recommended resources

Basic bibliography could be found in the library website.