Systèmes critiques embarqués

CANOPEN ALIMENTE L’ONDULEUR AUXILIAIRE DU MÉTRO

Publié le
Speed Train Railway Station Realistic Poster

CANopen alimente l’onduleur auxiliaire du métro

Leroy explique comment mettre en œuvre certaines fonctionnalités clés des onduleurs auxiliaires
gestion sur des technologies commerciales prêtes à l’emploi (COTS) : le matériel Brio
plateforme. Dans le cadre du projet de métro R211 de New York City Transit, le
La plate-forme agit comme un module d’entrée/sortie à distance basé sur CANopen

Leroy Automation est fabricant de systèmes d’automatisation pour le contrôle-commande de signalisation ferroviaire et ferroviaire embarqué Systèmes. Depuis plusieurs décennies, ils accompagnent les principaux fabricants de matériel roulant, les intégrateurs de sous-systèmes de locomotives et les fournisseurs d’équipement d’origine pour les véhicules de matériel roulant ainsi que pour de nombreux projets de révision de la flotte ferroviaire.
Dans le cadre des architectures embarquées des trains, la gestion de l’énergie est un sujet important où les convertisseurs de puissance efficaces sont des sous-systèmes clés.
Grâce à la puissance auxiliaire convertisseurs ou onduleurs, les caractéristiques courant-tension peut être ajusté pour correspondre les exigences des sous-systèmes installés dans le métro
voitures et véhicules ferroviaires. Ils remplissent également un rôle dans la sécurité en protégeant
l’ensemble du système, tels qu’ils sont résistants aux surtensions et aux courts-circuits. L’Intelligence de l’auxiliaire est mis en œuvre sur de puissants embarqués contrôleurs, où les tâches de traitement du signal numérique à grande vitesse sont courantes.

The Brio R107 CANopen-based PLC

La plateforme hardware

Brio est un module d’entrée/sortie décentralisé-distant basé sur Ethernet, conçu pour être embarqué dans les véhicules de matériel roulant. Il est disponible en tant que gamme de produits offrant différentes configurations d’entrées/sorties numériques et analogiques, et plusieurs interfaces de communication telles que CAN, Ethernet, EIA-485, MVB, etc. 

En général, Brio trouve ses cas d’utilisation dans les systèmes ferroviaires embarqués comme un contrôleur logique programmable (PLC) ou un module d’entrée/sortie à distance (RIOM); où les E/S numériques et analogiques sont gérées à partir d’un ou plusieurs ports de communication. Néanmoins, son architecture matérielle interne est basée sur un puissant microcontrôleur STM32 et un dispositif FPGA, ce qui le rend adapté à diverses applications. Dans le cadre du projet de métro R211 de New York City Transit, la plateforme agit comme un module d’entrée/sortie à distance basé sur CANopen.

Entièrement conforme à la norme ferroviaire EN 50155, il compte pas moins de 55 signaux d’E/S sur un encombrement mince de 6U. C’est la solution COTS idéale à intégrer dans les systèmes de propulsion des trains. En parallèle, la société CANopen powers subway auxiliary inverters a été sollicitée pour réfléchir à une solution innovante pour que le Brio puisse détecter en temps réel une tension d’ondulation sur une ligne haute tension DC autour de 900 VDC. 

 

La spécification technique était restrictive: le signal d’ondulation AC peut aller de 0,35 Vrms à 70 Vrms, et peut être sur deux fréquences quelconques entre 0 kHz et 1 kHz. De plus, le système devait être entièrement configurable et surveillé à partir de l’interface CANopen (fréquences d’ondulation à détecter, fenêtre temporelle de détection, seuil Vrms pour déclarer l’ondulation présente ou non, énergie mesurée pour les deux fréquences), et devait activer des sorties numériques spécifiques sur la détection de fréquence

Figure 2: The final system solution could be presented as
the following system-level block diagram (Source: Leroy)

traitement numérique de signalisation (DSP), la DFT

En traitement numérique de signalisation (DSP), la DFT (transformée de Fourier discrète) est un outil permettant de trouver une fréquence spécifique dans un signal. Des simulations ont montré qu’un DFT relié aux fenêtres Hann donnait de bons résultats avec une précision acceptable sur les signaux enregistrés dans le train. L’équation DFT en elle-même n’est pas si complexe:

Il dit simplement que « X(k) » est le niveau de la fréquence « k » dans le signal complet représenté par un ensemble de « N » échantillons « x(t) » du signal analysé. La fenêtre de Hann consiste à déformer le signal d’analyse avant d’appliquer l’algorithme DFT. En effet, le DFT implique un fenêtrage temporel du signal sur N échantillons, ce qui affecte le spectre du signal. L’application d’une pré-déformation telle que les fenêtres de Hann avant le DFT améliore la réponse en fréquence du DFT. 

La fenêtre Hann n’est pas non plus très complexe en termes de fonction de traitement numérique du signal. Pour un ensemble de N échantillons, on donne un coefficient à appliquer sur l’échantillon « t » par la formule suivante :

Afin d’illustrer l’efficacité de la fenêtre Hann, prenons un signal sinusal pur

Nous pouvons voir que dans le domaine fréquentiel, la représentation du spectre donne de bien meilleurs résultats avec la fenêtre de Hann que sans. En effet, les pics d’énergie qui caractérisent les harmoniques du signal original sont beaucoup plus clairs en rouge, ce qui permet une détection de fréquence avec une meilleure précision. 

Afin de détecter deux fréquences spécifiques « K1 » et « K2 » dans le signal analysé, l’algorithme à implémenter peut être vu sur la figure 5

Figure 5: Digital signal processing – Hann window and
discrete fourier transforms (DFT) (Source: Leroy)

le périphérique FPGA

C’est une chose de faire une simulation hors ligne sur un PC Windows, avec des outils mathématiques. Mais c’est un autre défi de faire la même chose en temps réel, dans un API embarqué, avec la même précision.

Comme mentionné précédemment, le Brio est basé sur un micro-contrôleur STM32 et un dispositif FPGA. Cela aurait pu être facile à implémenter l’algorithme dans le micro-contrôleur. Quelques lignes de programmation ANSI-C auraient suffi. Néanmoins, le microcontrôleur était déjà occupé à gérer les autres fonctionnalités du Brio lui-même, y compris les messages CANopen, et les critères en temps réel auraient été difficiles à respecter. 

Il a ensuite été décidé d’implémenter l’algorithme dans le périphérique FPGA. À ce stade, la difficulté reste d’implémenter le calcul dans la puce matérielle. En effet, les FPGA, et en particulier les petites matrices, ne sont pas bien adaptés au calcul en virgule flottante avec des fonctions cosinus et sinus. L’idée était de tirer parti de la force de chaque appareil avec une conception modulaire approcher:  

microcontrôleur pour le calcul complexe en virgule flottante et en cosinus/sinus, FPGA pour l’informatique en temps réel en virgule fixe. La partie temps réel de l’algorithme implémenté dans le FPGA peut être représentée comme le montre la figure 6.

Chaque fois qu’un paramètre est modifié (taille de la fenêtre, K1, K2, fréquence d’échantillonnage), le microcontrôleur ne calcule qu’une seule fois les cinq tables contenant les coefficients sinus et sinus nécessaires à la fenêtre de Hann et à la DFT. De plus, le FPGA n’a besoin d’effectuer que des opérations simples telles que des multiplications et des additions, pour lesquelles il est très bien adapté. La partie numérique de l’algorithme a bien fonctionné, mais un défi demeure. Le signal à analyser est composé d’une pièce DC pouvant aller jusqu’à 1000 VDC.  

 

D’autre part, l’ondulation peut être aussi faible que 0,5 VAC. Il était nécessaire de retirer la partie DC du signal afin de conserver la majeure partie de la résolution ADC (convertisseur numérique analogique) pour la partie AC. Il était également nécessaire de conserver le filtre passe-bas requis avant toute conversion analogique-numérique. Le filtre passe-bande résultant a ensuite nécessité beaucoup de calculs et de simulations pour être suffisamment plat sur la plage de fréquences requise, et pour toute la plage de température (de -40 °C à +70 °C).

Il devait également s’adapter au faible encombrement disponible sur la carte de circuit imprimé (PCB) Brio. À la fin, nous avons pu modifier une entrée analogique du Brio pour implémenter le filtre passe-bande illustré à la figure 7.

 

À cette époque, l’interfaçage du système de détection de fréquence avec la pile CANopen était la partie la plus facile du projet. Certains messages PDO spécifiques ont été implémentés pour configurer dynamiquement les paramètres de détection et pour rapporter les résultats de détection de manière très efficace.

 

 

 

En conclusion

En conclusion, ce projet a été un grand succès d’ingénierie. Les tests opérationnels à bord des voitures de métro ont donné d’excellents résultats, totalement conformes à la théorie et aux simulations. Brio était déjà connu comme un module d’E/S hautement disponible et fiable avec des capacités de programmation PLC. Mais cette application d’onduleur auxiliaire particulière a révélé tout le potentiel et les avantages du matériel Brio avec le partitionnement des algorithmes et des techniques de traitement de la signalisation numérique sur une plate-forme mixte FPGA et micro-contrôleur

Auteur
David Rambaud
Leroy Automation