Bericht

Elektronik entwickeln mit FPGAs

Hochleistungsfähige Elektroniksysteme sind eine zentrale Schlüsselkomponente zur Umsetzung von Anwendungen in vielen Bereichen des täglichen Lebens. Die sogenannte FPGA-Technologie (Field Programmable Gate Arrays) ermöglicht es hierbei, auf der Basis rekonfigurierbarer Mikrochips in kurzer Zeit hochleistungsfähige Spezialanwendungen umzusetzen. Damit werden die zeit- und kostenintensive Entwicklung sowie Fertigung eigener anwendungsspezifischer Mikrochips vermieden.

Dr.-Ing. Holger Flatt zeigte am Beispiel einer Windenergieanlage, wie das Fraunhofer IOSB-INA und die Firma Enercon mit modernen FPGA-Technologien innerhalb von nur drei Jahren ein neues Kommunikationssystem zur Ultrahochgeschwindigkeitsregelung von Netzeinspeiseumrichtern realisieren konnten. Er stellte die wesentlichen Entwicklungsschritte von der wissenschaftlichen Idee bis zur Pilotierung in einer 4,26 MW Windenergieanlage vor. Diese umfassen den Entwurf eines neuen GBit-Ethernet-Kommunikationsansatzes, die schnelle Umsetzung eines Technologiedemonstrators, die Portierung auf die Serienhardware sowie die Entwicklung eines Rapid-Prototyping-basierten Testkonzeptes zur Verifikation. Die erzielten Ergebnisse und ein Ausblick auf aktuelle Trends im Bereich der Elektronikentwicklung auf der Grundlage von FPGAs rundeten den Vortrag ab.

Hier finden Sie die präsentierten Folien von Dr.-Ing. Holger Flatt

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Kurzlebenslauf Dr.-Ing. Holger Flatt

Dr.-Ing. Holger Flatt leitet die Gruppe „Intelligente Sensorsysteme“ am Fraunhofer IOSB-INA. Sein Forschungsschwerpunkt umfasst die Entwicklung intelligenter Sensorsysteme, mit dem Ziel Prozess-, Umwelt- und Umgebungsdaten in der Produktfertigung sowie im urbanen Raum zu erfassen, in Echtzeit auszuwerten und für die Umsetzung moderner Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Themen sind hierbei die Datenerfassung auf der Grundlage von Multisensorkonzepten, Sensorfusion und lokale Vorverarbeitung in Echtzeit, Anbindung an Industrie 4.0-Kommunikationsschnittstellen sowie der applikationsspezifische Einsatz von RISC-, FPGA- und GPU-Technologien. Zuvor war H. Flatt im Rahmen seiner Promotion als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Mikroelektronische Systeme der Leibniz Universität Hannover tätig. Zudem lehrt er im Rahmen eines Lehrauftrages in Master-Studiengängen der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe das Fach Embedded Systems Design.

 

Ultrahochgeschwindigkeitsregelung von Netzeinspeiseumrichtern für Windenergieanlagen

Zum Einstieg informierte der Referent die 16 ZuhörerInnen über Grundlagen der deterministischen Echtzeit-Kommunikation und Field Programmable Gate Arrays (FPGA). Dr.-Ing. Holger Flatt: „Politik, Wirtschaft und Wissenschaft stellen sich aufgrund des Klimawandels aktuell den immensen Herausforderungen an eine hocheffiziente Stromproduktion aus erneuerbaren Energien.  Hochleistungsfähige Elektroniksysteme sind hierbei eine zentrale Schlüsselkomponente, um mit neuen Technologien zur nachhaltigen Stromproduktion beitragen zu können.“

Die Anforderungen und Herausforderungen des Projekts wurden ausführlich erläutert. Beispielsweise bedient die Zentralsteuerung bis zu acht IGBT-Halbbrücken pro Phase, die mit äußerst geringen Verzögerungszeiten von unter einer Micro-Sekunde angesprochen werden müssen. Dafür wurden Ethernet-basierte Echtzeit-Kommunikationssysteme bewertet. Markübliche Systeme eigneten sich nicht, daher musste ein neuer Ansatz zur Ultra-Hochgeschwindigkeitskommunikation entwickelt werden. Die Regelung und das Zeitverhalten erfolgen nun mit FastCOMv2. Das neu entwickelte Kommunikationsprotokoll wird in einem FPGA-basierten IP-Core bereitgestellt. Die Umsetzung des FastCOMv2-Protokolls erfolgt vollständig in der Hardware.

Im nächsten Schritt wurde das Enercon-Systemkonzept zur Steuerung von Netzeinspeiseumrichtern protoypisch getestet. Die neue Entwicklung wurde auf die Serien-Hardware übertragen. Wie bei jeder Geräteentwicklung wurden dafür realitätsnahe Testszenarien entwickelt. Dr.-Ing. Holger Flatt stellte den Testaufbau vor, in dem auch Kommunikationsprobleme generiert werden können, um das Verhalten der Steuerung zu prüfen. Seit Ende 2022 betreibt Enercon die Pilotanlage im Windpark Staphorst, Niederlande, in einer ENERCON-E-Gondel mit 138 Meter Rotordurchmesser und einer Nennleistung von 4,26 MW.

„Die Entwicklung hat insgesamt nur drei Jahre gedauert, von der ersten Idee bis zur Inbetriebnahme in der Pilotanlage,“ freut sich Dr.-Ing. Holger Flatt. Abschließend wurden Trends im Bereich der Elektronikentwicklung mit FPGAs vorgestellt, z.B. die Umsetzung innovativer Zukunftsapplikationen auf Hochleistungs-FPGAs wie KI oder autonome Fahrzeuge. Ob ChatGPT bei der Entwicklung von Code in Zukunft helfen kann? Der Trend ist auf jeden Fall erkennbar.

 

Im nächsten CIIT-Techtalk am 16. Februar 2024, 12:30 – 13:30 Uhr, wird Sven Stiller zum Thema KI in sozialen Medien informieren.

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