Evaluation of system-on-chip devices for embedded real-time simulators of electrical systems

L’objectif de ce travail de Thèse est d’évaluer les capacités de composants numérique de type Système-sur-Puce (SoC en anglais) pour l’implantation de Simulateurs Temps Réel Embarqués (ERTS en anglais) de systèmes électromécaniques et d’électronique de puissance. En effet, l’utilisation de ces simulateurs n’est pas seulement limitée aux validations matériel dans la boucle (en anglais Hardware-in-the-Loop ou HIL) du système mais doivent également être embarqués avec le contrôleur afin d’assurer plusieurs fonctionnalités additionnelles comme l'observation, l'estimation, commande sans capteur (ou sensorless), le diagnostic ou la surveillance de la santé, commande tolérante aux défauts, etc.La réalisation de ces simulateurs doit néanmoins considérer plusieurs contraintes à plusieurs niveaux de développement : durant la modélisation de la partie du système à simuler en temps-réel, durant la réalisation numérique et enfin durant l’implantation sur le composant numérique utilisé. Ainsi, le travail réalisé durant cette Thèse s’est focalisé sur ce dernier niveau et l’objectif était d’évaluer les capacités temps/ressources des composants de type SoC pour l’implantation de modules ERTS. Ce type de plateformes intègrent dans un même composant de puissants processeurs, un circuit logique programmable (de type Field-Programmable Gate Array ou FPGA), et d’autres périphériques, ce qui offre plusieurs opportunités d’implantation.Afin de pallier les limitations liées au codage VHDL de la partie FPGA, il existe des outils High-Level Synthesis (HLS) qui permettent de programmer ces dispositifs en utilisant des langages à haut niveau d'abstraction comme C, C++ ou SystemC. De plus, en incluant des directives et contraintes au code source, ces outils peuvent produire des implémentations matérielles différentes (architecture totalement combinatoire, « pipeline », architecture parallélisées ou factorisées, arranger les données et leurs formats pour une meilleure utilisation des ressources de mémoire, etc.).Dans le but d’évaluer ces différentes implantations, deux cas d’études ont été choisis : le premier se compose d’un Générateur Asynchrone à Double Alimentation (GADA) et le second d’un Convertisseur Modulaire Multiniveau (ou Modular Multi-level Converter - MMC). Vu que la GADA a une dynamique basse/moyenne (dynamiques électriques et mécaniques), deux versions d’implantations ont été évaluées : (i) une implantation full-software en utilisant seulement les processeurs ARM; et (ii) une implantation full-hardware en utilisant l’outil HLS pour programmer la partie FPGA. Ces deux versions ont été évaluées avec différentes optimisations du compilateur et trois formats de données: 64/32-bit en virgule flottante, et 32-bit en virgule flottante. L’approche mixe software/hardware a également été évaluée à travers la caractérisation des transferts de données entre le processeur et l’IP ERTS implantée dans la partie FPGA. Quant au convertisseur MMC, sa complexité et sa forte dynamique (dynamique de commutation) impose une implantation exclusivement full-hardware. Celle-ci a également été réalisée à base d’outils HLS.Enfin pour la validation expérimentale de ce travail de Thèse, une maquette à base de convertisseur MMC a été construite dans le but de comparer des mesures du système réel avec les résultats fournis par l’IP ERTS.This Doctoral Thesis is a detailed study of how suitable System-on-Chip (SoC) devices are for implementing Embedded Real-Time Simulators (ERTS) of electromechanical and power electronic systems. This emerging class of Real-Time Simulators (RTS) are not only expected for Hardware-in-the-Loop (HIL) validations of systems; but they also have to be embedded within the controller to play several roles like observers, parameter estimation, diagnostic, health monitoring, fault-tolerant and sensorless control, etc.The design of these Intellectual Properties (IP) must rigorously consider a set of constraints at different development stages: (i) during the modeling of the system to be real-time simulated; (ii) during the digital realization of the IP; and also (iii) during its final implementation in the digital platform. Thus, the conducted work of this Thesis focuses specially on this last stage and its aim is to evaluate the time/resource performances of recent SoC devices and study how suitable they are for implementing ERTSs. These kind of digital platforms combine powerful general purpose processors, a Field-Programmable Gate Array (FPGA) and other peripherals which make them very convenient for controlling and monitoring a complete system.One of the limitations of these devices is that control engineers are not particularly familiarized with FPGA programming, which needs extensive expertise in order to code these highly sophisticated algorithms using Hardware Description Languages (HDL). Notwithstanding, there exist High-Level Synthesis (HLS) tools which allow to program these devices using more generic programming languages such as C, C++ or SystemC. Moreover, by inserting directives and constraints to the source code, these tools can produce different hardware implementations (e.g. full-combinatorial design, pipelined design, parallel or factorized design, partition or arrange data for a better utilisation of memory resources, etc.).This dissertation is based on the implementation of two representative applications that are well known in our laboratory: a Doubly-fed Induction Generator (DFIG) commonly used as wind turbines; and a Modular Multi-level Converter (MMC) that can be arranged in different configurations and utilized for many different energy conversion purposes. Since the DFIG has low/medium system dynamics (electrical and mechanical ones), both a full-software implementation using solely the ARM processor and a full-hardware implementation using HLS to program the FPGA will be evaluated with different design optimizations and data formats (64/32-bit floating-point and 32-bit fixed-point). Moreover, it will also be investigated whether a system of these characteristics is interesting to be run as a hardware accelerator. Different data transfer options between the Processor System (PS) and the Programmable Logic (PL) have been studied as well for this matter. Conversely, because of its harsh dynamics (switching dynamics), the MMC will be implemented only with a full-hardware approach using HLS tools, as well.For the experimental validation of this Thesis work, a complete MMC test bench has been built from scratch in order to compare the real-world results with its SoC ERTS implementation