[es] Español: La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, en francés) esta situada en Ginebra, Suiza. Tiene como objetivo superar los límites del conocimiento humano en física de partículas. Para poder cumplirlo, el CERN alberga actualmente el complejo de aceleradores de partículas más grande del mundo. Dentro de este, las principales tecnologías de aceleración se basan en cavidades de radiofrecuencia (RF) y electroimanes superconductores. En general, estos sistemas necesitan alimentarse de la red utilizando convertidores electrónicos de potencia, conmutados de alta eficiencia y precisión. Este Trabajo de Fin de Máster se ha llevado a cabo con el objetivo de completar los estudios del Máster en Sistemas Electrónicos Avanzados en la Universidad del País Vasco (EHU/UPV). Se ha realizado durante una estancia a través de un programa de prácticas del CERN, en el Departamento de Sistemas-Convertidores de Potencia Eléctricos-Baja Potencia (SY-EPC-LPC). Como su nombre indica, este grupo se encarga del diseño y desarrollo de convertidores modulares y compactos de baja tensión y alta corriente, que operan desde unos pocos Watt hasta varios kW. Este grupo gestiona una gran variedad de convertidores de potencia dentro del complejo de aceleradores de partículas. Entre estos, la mayoría de los controlados digitalmente comparten la misma arquitectura de hardware de control, que consiste en un módulo propietario, llamado RegFGC3. Este módulo incluye varias tarjetas, entre las que destacan una placa de regulación con un Procesador de Señal Digital (DSP, Digital Signal Processor, en inglés) y una tarjeta de control de estado que contiene una Matriz de Puertas Programable (FPGA, Field Programmable Gate Array, en inglés). A su vez, este módulo RegFGC3 forma parte de una plataforma de control mayor, llamada FGC3. Aunque el hardware esté estandarizado, actualmente cada uno de los convertidores utiliza un software de control específico, escrito en el lenguaje de programación C. Esto hace que el código resulte redundante y difícil de testear, depurar y mantener. Teniendo en cuenta las desventajas mencionadas, el objetivo del Trabajo de Fin de Máster ha sido diseñar, desarrollar y probar una librería de control común que englobe el software de regulación de varios convertidores de potencia, proporcionando estandarización, flexibilidad y ahorro de tiempo en el desarrollo de este. Para ello, como primer paso, se han seleccionado tres de los convertidores de potencia que forman parte de los aceleradores, CANCUN (Cern Acdc Narrow CoNverter), HL-LHC18kA (High Luminosity Large Hadron Collider 18 kA) y RF3kA (Radio-Frequency 3 kA). Esta selección se basa en que los convertidores incorporan arquitecturas de 1-cuadrante, 2-cuadrantes y 4-cuadrantes, distintos lazos de regulación de corriente y tensión, y varios modos de Modulación por Anchura de Pulso (PWM, Pulse Width Modulation, en inglés), incluyendo, en algunos casos, técnicas de entrelazamiento. Después de analizar los tres convertidores de potencia y su control (a nivel de hardware y software), se ha identificado una sinergia entre ellos, la cual falta a nivel de software. Para proporcionar una librería de software de control unificada que tenga en cuenta estas sinergias, se justifica la reescritura del código de C a C++ como la mejor opción. Esto permite utilizar un lenguaje de Programación Orientada a Objetos (OOP, Object Oriented Programming, en inglés) rápido y eficiente, cuya naturaleza facilita la expresión de la relación existente entre los códigos específicos del convertidor. La idea principal de la librería propuesta e implementada, llamada RegDspLib, se basa en la construcción de una clase padre que de soporte a todos los convertidores. Esta clase contiene todas las similitudes compartidas entre los convertidores, lo que facilita el desarrollo de código adicional y especializado al permitir la herencia de las características comunes configuradas. La librería posibilita utilizar, modificar o agregar lo que sea necesario para cada convertidor, a través de clases derivadas. Se han utilizado mecanismos del lenguaje C++ para correlacionar distintas clases, módulos, métodos y atributos del código, facilitando el desarrollo de una librería común. Esto hubiera sido más laborioso mediante el lenguaje de programación C. Con el objetivo de dotar de lógica a estas clases, se configuran una variedad de módulos. Se incluyen, entre otros, un módulo genérico para la configuración de Máquinas de Estados Finitas (FSM, Finite State Machine, en inglés) y un módulo de regulación con entradas PWM configurables. Además de esto, para posibilitar el diseño de la librería se han tenido que realizar múltiples modificaciones. Estas incluyen el diseño de una FSM estándar, la modificación de la FPGA que controla y supervisa el estado del convertidor de potencia, el manejo de interrupciones en la DSP y la creación de nuevas funciones genéricas que sirvan para múltiples convertidores. Entre estas últimas destacan el método de tasa de variación que controla el ratio de aumento/disminución del valor de referencia del algoritmo de control y el cálculo automático de los parámetros del mecanismo de control de entrelazamiento. La verificación de la librería RegDspLib se ha llevado a cabo en el convertidor de potencia CANCUN. Por un lado, se ha obtenido la misma respuesta al escalón de entrada de corriente, tanto con la librería propuesta como con el software original. Por otro, los resultados experimentales muestran un aumento del 2,48 %, en el tiempo de ejecución, para el peor de los casos, y una reducción de hasta el 24,63 %, en el mejor. Esto demuestra que ha sido posible estandarizar, reescribir el código a C++ y agregar características adicionales al software sin exceder los límites de tiempo. En resumen, el lenguaje de programación C++ se ha demostrado como válido para el control en tiempo real de los convertidores de potencia del CERN a través de la regulación en la DSP. Además, la construcción de una librería de control que engloba todas las características comunes ha proporcionado un programa mejor estructurado, lo que facilita su comprensión y trabajar con el mismo. En un futuro, este proyecto podría llevar a mejoras adicionales de la librería y ser completado para su utilización con otros convertidores de potencia, además de con los tres presentados. Por último, aunque la librería RegDspLib estaba originalmente destinada a la plataforma de control FGC3, este proyecto marca los primeros pasos hacia el desarrollo de librerías para la futura actualización del FGC4, donde las tarjetas dedicadas del FGC3 (control, supervisión, regulación, medición, etc.) serán reemplazadas por una sola Unidad Central de Procesamiento (CPU, Central Processing Unit, en inglés) principal.

[eu] Euskeraz: Ikerketa Nuklearrerako Europako Kontseilua (CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, frantsesez) Genevan (Suitza) dago kokatua. Partikula-fisikaren ezagutzaren mugak handitzea du helburu erakundeak. Horretarako, gaur egun munduko partikula azeleratzaile handiena dago bertan. CERNen erabiltzen diren azelerazio-teknologia nagusiak irrati-maiztasun (RF) kabitateak eta elektroiman supereroaleetan oinarritzen dira. Normalean, sistema horiek saretik hornitzen direnez, potentzia-bihurgailuak erabili behar dira. Oro har, bihurgailu horiek kommutatuak dira, eta eraginkortasun eta zehaztasun handiarekin operatzen dute. Euskal Herriko Unibertsitatearen (EHU/UPV) Sistema Elektroniko Aurreratuen masterra osatzeko helburuarekin burutu da master amaierako lan hau. CERNek unibertsitate-ikasleentzat duen praktika-programa baten testuinguruan garatu da lana, hain zuzen ere, Sistema Departamendua-Potentzia Bihurgailu Elektrikoak- Potentzia Baxuko Bihurgailu (SY-EPC-LPC) taldean. Bere izenak adierazten duen bezala, tentsio baxuko eta korronte altuko bihurgailu modularrak eta konpaktuak diseinatzeko eta garatzeko ardura du talde horrek. Bereziki, partikula-azeleradore konplexuaren parte diren bihurgailu ugari kudeatzen ditu SY-EPC-LPCek, Watt batzuetatik hasi eta zenbait kW-etaraino iristen direnak. Horien artean, hardware arkitektura berdina partekatzen dute digitalki kontrolaturiko bihurgailu gehienek, CERNen diseinatutako RegFGC3 modulua erabiltzen dutenak. Zenbait txartel elektronikok osatzen dute RegFGC3 modulua. Horien artean Seinale Digitalen Prozesadorea (DSP, Digital Signal Processor, ingelesez) duen erregulazio-txartela eta Ate-Matrize Programagarria (FPGA, Field Programmable Gate Array, ingelesez) daukan egoera-kontrol txartela nabarmentzen dira. Aldi berean, FGC3 izeneko bihurgailuen kontrolerako plataforma handiago baten parte da RegFGC3 moduloa. Hardwarea nahikoa estandarizatua dagoen arren, gaur egun bihurgailuetako bakoitzak bere kontrol-software espezifikoa erabiltzen du, C programazio-lengoaian idatzita. Horrek, erredundantzia eragiteaz gain, kodea frogatzeko, arazteko eta mantentzeko zailtasunak sortzen ditu. Aipatutako arazoak aztertu ondoren, master amaierako lanak bihurgailuen erregulazio-softwarea bateratzen duen kontrol-liburutegi amankomuna diseinatu, garatu eta frogatzea du helburu. Horrekin, estandarizazioa, malgutasuna eta denbora aurreztea bilatu da. Lehenengo urrats bezala, partikula-azeleradoreen parte diren hiru bihurgailu aukeratu dira: CANCUN (Cern Acdc Narrow CoNverter), HL-LHC18kA (High Luminosity Large Hadron Collider 18 kA) eta RF3kA (Radio-Frequency 3 kA). Bihurgailu ezberdinek duten aniztasuna hartzen da kontuan aukeraketa horretan. Hori da, 1, 2 eta 4-koadranteko arkitekturak aurki daitezke; horrez gain, korrontearen eta tentsioaren kontrolerako begizta eta Pultsu Zabalera bidezko Modulazio (PWM, Pulse Width Modulation ingelesez) algoritmo ezberdinak, zenbait kasutan, tartekatutako (interleaved, ingelesez) modulazio-eskemak barne. Behin hiru bihurgailuak eta horien kontrola aztertuta (hardware eta software mailan), sinergiak antzeman dira horien artean. Sinergiak kontuan hartzen dituen kontrol software-liburutegi amankomuna sortzeko, kodea C-tik C++-ra berreraikitzea justifikatu da aukerarik onena bezala. Horrek, Objektuetara Bideratutako Programazio-hizkuntza (OOP, Object Oriented Programming, ingelesez) azkar eta eraginkorra erabiltzea ahalbideratu du, programaren izaerak bihurgailuaren kode espezifikoen arteko erlazioen adierazpena sinplifikatuz. Proposatu eta inplementatutako RegDspLib izeneko liburutegian dagoen ideia nagusia da bihurgailu guztiei euskarria ematen dien funtsezko klase bat eraikitzean oinarritzen dela. Bihurgailuek partekatutako antzekotasun guztiak biltzen ditu klase horrek, eta kode gehigarria eta espezializatua garatzeko erraztasunak ematen ditu, konfiguratutako ezaugarri komunak heredatzea baimenduz. Liburutegi horrekin, bihurgailu bakoitzak behar duena erabiltzeko, aldatzeko edo gehitzeko aukera ematen da, klase deribatuen bidez. RegDspLib liburutegian C++ hizkuntzaren mekanismoak erabili dira klase, modulu, metodo eta atributu ezberdinak elkarrekin lotzeko. Garrantzitsua da aipatzea, nahiz eta helburu horiek lortzeko C programazio-hizkuntza erabiltzea posible izan, lana zailagoa izango litzatekeela. Elementu batzuk konfiguratzen dira klaseetan horiei logika emateko. Besteak beste, Egoera Finituko Makinak (FSM, Finite State Machine, ingelesez) konfiguratzeko modulu generiko bat eta PWM irteera konfiguragarriak dituen erregulazio-moduluak diseinatu dira. Horrez gain, aldaketa ugari burutu behar izan dira liburutegiaren diseinu egokia ahalbidetzeko. Horien artean hauexek nabarmen daitezke: FSM estandarra diseinatzea, potentzia-bihurgailuaren egoera kontrolatzen eta gainbegiratzen duen FPGAren programa-aldaketa, DSParen etenak kudeatzen eta, azkenik, bihurgailu anitzetan funtzionatzen duten funtzio generiko berriak sortzea. Funtzio berri horien artean kontrol algoritmoaren erreferentzia balioaren hazkunde/murrizketa abiadura kontrolatzen duen metodoa eta tartekatutako modulazio-mekanismoaren parametroak automatikoki kalkulatzen dituen funtzioa nabarmentzen dira, besteak beste. CANCUN potentzia-bihurgailuan gauzatu da RegDspLib liburutegiaren egiaztapena. Lehenik eta behin, korrontearen erreferentziari sistemak egindako jarraipenak frogatu du erregulazio-emaitza berdinak lortzen direla, bai proposatutako liburutegiarekin eta baita jatorrizko softwarearekin ere. Baliabide digitalei dagokienez, % 2,48ko exekuzio-denboraren gehikuntza erakutsi dute emaitza esperimentalek, kasurik okerrean, eta % 24,63ko murrizketa, kasurik onenean. Horrek guztiak frogatzen du posible dela, denbora-mugak gainditu gabe, kodea estandarizatzea, C++ lengoaiara berreraikiz, softwareari ezaugarriak gehituz. Laburbilduz, C++ programazio-lengoaia CERNen potentzia-bihurgailuak denbora errealean kontrolatzeko baliozkoa dela frogatu da. Gainera, ezaugarri amankomun guztiak biltzen dituen kontrol-liburutegi bat eraikitzeak, hobeto egituratutako programa bat sortu du, eta kodea hobeto ulertu eta honekin lan egitea erraztu du. Lan honetatik abiatuta, inplementatutako liburutegiaren hobekuntza gehigarriak garatu daitezke etorkizunean. Gainera, liburutegia beste bihurgailu batzuetan (aurkeztutakoez gain) erabiltzeko osatu daiteke. Azkenik, garrantzitsua da aipatzea, RegDspLib liburutegia FGC3 kontrol-plataformara bideratzeko asmoarekin sortu bada ere, proiektu honek FGC4 bertsiorako baliagarriak izango diren liburutegien garatze-ibilbidea hasi duela. Nabarmentzekoa da puntu hori, FGC3ko txartel espezifikoak (kontrola, ikuskapena, erregulazioa, neurketa, etab.) Prozesatzeko Unitate Zentral (CPU, Central Processing Unit, ingelesez) bakar batek ordezkatuko baititu FGC4n.