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Academic Year/course: 2023/24

532 - Master's in Industrial Engineering

60837 - FPGA-Based Digital Control for Power Converters


Syllabus Information

Academic year:
2023/24
Subject:
60837 - FPGA-Based Digital Control for Power Converters
Faculty / School:
110 - Escuela de Ingeniería y Arquitectura
Degree:
532 - Master's in Industrial Engineering
ECTS:
6.0
Year:
2
Semester:
First semester
Subject type:
Optional
Module:
---

1. General information

This subject studies the implementation techniques of digital control algorithms for power stages in FPGA, using VHDL language and high-level synthesis tools (HLS). For this purpose, it will be necessary to study three fundamental aspects: modulation techniques and their digital implementation to generate the trigger signals of the devices; fixed and floating point implementation of linear regulators; closed-loop simulation techniques of the whole system, including the digital, analogue and power part, to verify the control performance.

These approaches and objectives are aligned with the Sustainable Development Goals (SDGs) of the United Nations Agenda 2030 (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/) and certain specific targets, such that the acquisition of the learning results of the subject will contribute to some extent to the achievement of Objectives 7.3, of Goal 7, and Objective 9.4 of Goal 9.

2. Learning results

To be able to specify and analyse complex electronic systems with analogue, digital and power blocks.

To be able to conceive and develop advanced digital systems based on programmable devices, configurable logic devices and integrated circuits, with mastery of hardware description tools.

To apply the acquired knowledge to select an FPGA for a given design based on its hardware resources.

To design digital modulators in VHDL for the different power stages.

To design digital linear regulators using fixed-point and floating-point arithmetic with high-level synthesis (HLS) tools.

To know the methodologies based on high-level synthesis tools to implement complex digital designs on FPGA.

To functionally verify the design of the digital control and power stage through closed-loop simulation.

3. Syllabus

  • T0. Presentation and introduction to the subject.
  • T1. FPGA design for power stages.
  • T2. Design review with VHDL.
  • T3. Digital generation of trigger signals.
  • T4: Design and implementation of digital controllers in HLS.
  • T5: VHDL/C simulation of power stages.

There will be 6 sessions of laboratory practices to apply the topics of the subject to real designs.

4. Academic activities

  • Participatory master class: 20 hours
  • The contents of the subject will be presented, with a practical orientation towards the design of electronic systems.

  • Problem solving and cases: 10 hours
  • Practical design problems will be solved.

  • Laboratory practices: 18 hours
  • The integrated digital design environment and FPGA evaluation boards will be used to approach the design and verification of the different blocks studied in the master classes.

  • Study and personal work: 96 hours
  • Assessment tests: 6 hours.

 

 

5. Assessment system

The subject will be assessed by the continuous assessment system by means of the following activities:

Global exam with theoretical and practical questions (50% of the grade).

A test with questions and problems related to both the theoretical contents and the practices performed will be carried out in the official calls. Subject materials will be available for consult during the exam.

Laboratory practices (50% of the grade).

The work done in the laboratory sessions will be assessed since it is considered that the learning of this subject is associated with practical experimentation. The following aspects will be assessed:

  • Previous preparation of the practice.
  • Management of electronic design tools.
  • Autonomy and participation of each student.
  • Design operation on the FPGA.
  • Report made at the end of each practice.

The subject is passed with a total grade higher than or equal to 5 points out of 10.

If the student has not passed any of these activities during the semester, they will have the opportunity to pass the subject by means of a global test in the official calls for exams.


Curso Académico: 2023/24

532 - Máster Universitario en Ingeniería Industrial

60837 - Control digital con FPGA de etapas de potencia


Información del Plan Docente

Año académico:
2023/24
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 de la asignatura

En esta asignatura se estudian las técnicas de implementación en FPGA de algoritmos de control digital para etapas de potencia, utilizando lenguaje VHDL y herramientas de síntesis de alto nivel (HLS). 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 y coma flotante de reguladores lineales; y las técnicas de simulación en lazo cerrado de todo el sistema, incluyendo la parte digital, analógica y de potencia, para verificar las prestaciones del control.

Estos planteamientos y objetivos están alineados con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 de Naciones Unidas (https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/) y determinadas metas concretas, de tal manera que la adquisición de los resultados de aprendizaje de la asignatura contribuirá en cierta medida al logro de la meta 7.3 del Objetivo 7 y de la meta 9.4 del Objetivo 9.

 

 

 

2. Resultados de aprendizaje

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 reguladores lineales digitales utilizando aritmética en coma fija y coma flotante con herramientas de síntesis de alto nivel (HLS).

Conoce las metodologías basadas en herramientas de síntesis de alto nivel 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.

 

 

3. Programa de la asignatura

  • T0. Presentación e introducción a la asignatura.
  • T1. Diseño con FPGA para etapas de potencia.
  • T2: Revisión de diseño con VHDL.
  • T3: Generación digital de señales de disparo.
  • T4: Diseño e implementación en HLS de reguladores digitales.
  • T5: Simulación en VHDL/C de etapas de potencia.

Se realizarán 6 sesiones de prácticas de laboratorio para aplicar los temas de la asignatura a diseños reales.

 

 

 

 

 

4. Actividades académicas

  • Clase magistral participativa: 20 horas
    Se expondrán los contenidos de la asignatura, con una orientación práctica hacia el diseño de sistemas electrónicos.
  • Resolución de problemas y casos: 10 horas
    Se resolverán problemas prácticos de diseño.
  • Prácticas de laboratorio: 18 horas
    Se utilizará el entorno integrado de diseño digital y placas de evaluación de FPGA para abordar el diseño y verificación de los distintos bloques estudiados en las clases.
  • Estudio y trabajo personal: 96 horas
  • Pruebas de evaluación: 6 horas

 

 

 

 

 

 

5. Sistema de evaluación

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

Examen global con cuestiones teórico prácticas (50 % de la nota).

Se realizará en las convocatorias oficiales una prueba con cuestiones y problemas relativas tanto a los contenidos teóricos como a las prácticas realizadas. En el examen se podrán consultar los materiales del curso.

Prácticas de laboratorio (50 % de la nota).

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. Se evaluarán los siguientes aspectos:

  • Preparación previa de la práctica.
  • Manejo de las herramientas de diseño electrónico.
  • Autonomía y participación de cada persona.
  • Funcionamiento del diseño en la FPGA.
  • Informe realizado al finalizar cada práctica.

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

Si el estudiantado no ha superado alguna de estas actividades durante el semestre, tendrá la oportunidad de superar la asignatura mediante una prueba global en las convocatorias oficiales.