Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa

Tämä työ on osa Integrated Serial and Parallel Hybrid Drives in Working Machines projektia. Työssä simuloidaan ja lasketaan energian palautuspotentiaalia raskaassa liikkuvassa työkoneessa. Työn alussa aihetta käsitellään yleisesti kirjallisuuskatsauksen muodossa. Tukkikurottaja valittiin simulointien ja laskennan kohteeksi. Työssä suoritettiin alustavat simuloinnit, joiden tarkoituksena oli varmistua, että palautettavaa energiaa on olemassa. Tulokset osoittavat, että energian palauttaminen on mahdollista. Mittaukset ovat osa työtä. Mitatut muuttujat ovat paineet ja pituudet hydraulisylintereistä, rungon kiihtyvyys, sekä kaikki CAN-väylään kytkettyjen antureiden mittaustiedot. Lopulliset simuloinnit perustuvat mitattuihin työkiertoihin. Työsylintereiden ja ajovoimansiirron tehotarpeet valittiin simulointien tarkasteltaviksi mittaussuureiksi. Mahdollinen palautettavan energian määrä eri työkierroissa on työn lopputulos. Tulokset osoittavat, että palautettavan energian määrä on talteenoton kannalta riittävä.

Design and Control of Permanent Magnet Synchronous Machine for Hybrid Electric Vehicle

This master’s thesis mainly focuses on the design requirements of an Electric drive for Hybrid car application and its control strategy to achieve a wide speed range. It also emphasises how the control and performance requirements are transformed into its design variables. A parallel hybrid topology is considered where an IC engine and an electric drive share a common crank shaft. A permanent magnet synchronous machine (PMSM) is used as an electric drive machine. Performance requirements are converted into Machine design variables using the vector model of PMSM. Main dimensions of the machine are arrived using analytical approach and Finite Element Analysis (FEA) is used to verify the design and performance. Vector control algorithm was used to control the machine. The control algorithm was tested in a low power PMSM using an embedded controller. A prototype of 10 kW PMSM was built according to the design values. The prototype was tested in the laboratory using a high power converter. Tests were carried out to verify different operating modes. The results were in agreement with the calculations.

Memristive Computing

Memristive computing refers to the utilization of the memristor, the fourth fundamental passive circuit element, in computational tasks. The existence of the memristor was theoretically predicted in 1971 by Leon O. Chua, but experimentally validated only in 2008 by HP Labs. A memristor is essentially a nonvolatile nanoscale programmable resistor — indeed, memory resistor — whose resistance, or memristance to be precise, is changed by applying a voltage across, or current through, the device. Memristive computing is a new area of research, and many of its fundamental questions still remain open. For example, it is yet unclear which applications would benefit the most from the inherent nonlinear dynamics of memristors. In any case, these dynamics should be exploited to allow memristors to perform computation in a natural way instead of attempting to emulate existing technologies such as CMOS logic. Examples of such methods of computation presented in this thesis are memristive stateful logic operations, memristive multiplication based on the translinear principle, and the exploitation of nonlinear dynamics to construct chaotic memristive circuits. This thesis considers memristive computing at various levels of abstraction. The first part of the thesis analyses the physical properties and the current-voltage behaviour of a single device. The middle part presents memristor programming methods, and describes microcircuits for logic and analog operations. The final chapters discuss memristive computing in largescale applications. In particular, cellular neural networks, and associative memory architectures are proposed as applications that significantly benefit from memristive implementation. The work presents several new results on memristor modeling and programming, memristive logic, analog arithmetic operations on memristors, and applications of memristors. The main conclusion of this thesis is that memristive computing will be advantageous in large-scale, highly parallel mixed-mode processing architectures. This can be justified by the following two arguments. First, since processing can be performed directly within memristive memory architectures, the required circuitry, processing time, and possibly also power consumption can be reduced compared to a conventional CMOS implementation. Second, intrachip communication can be naturally implemented by a memristive crossbar structure.

Novel Methods for Error Modeling and Parameter Identification of a Redundant Serial-Parallel Hybrid Robot

To obtain the desirable accuracy of a robot, there are two techniques available. The first option would be to make the robot match the nominal mathematic model. In other words, the manufacturing and assembling tolerances of every part would be extremely tight so that all of the various parameters would match the “design” or “nominal” values as closely as possible. This method can satisfy most of the accuracy requirements， but the cost would increase dramatically as the accuracy requirement increases. Alternatively, a more cost-effective solution is to build a manipulator with relaxed manufacturing and assembling tolerances. By modifying the mathematical model in the controller, the actual errors of the robot can be compensated. This is the essence of robot calibration. Simply put, robot calibration is the process of defining an appropriate error model and then identifying the various parameter errors that make the error model match the robot as closely as possible. This work focuses on kinematic calibration of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant serial-parallel hybrid robot. The robot consists of a 4-DOF serial mechanism and a 6-DOF hexapod parallel manipulator. The redundant 4-DOF serial structure is used to enlarge workspace and the 6-DOF hexapod manipulator is used to provide high load capabilities and stiffness for the whole structure. The main objective of the study is to develop a suitable calibration method to improve the accuracy of the redundant serial-parallel hybrid robot. To this end, a Denavit–Hartenberg (DH) hybrid error model and a Product-of-Exponential (POE) error model are developed for error modeling of the proposed robot. Furthermore, two kinds of global optimization methods, i.e. the differential-evolution (DE) algorithm and the Markov Chain Monte Carlo (MCMC) algorithm, are employed to identify the parameter errors of the derived error model. A measurement method based on a 3-2-1 wire-based pose estimation system is proposed and implemented in a Solidworks environment to simulate the real experimental validations. Numerical simulations and Solidworks prototype-model validations are carried out on the hybrid robot to verify the effectiveness, accuracy and robustness of the calibration algorithms.

Sähköavusteisen polkupyörän vääntömomenttisäädön toteuttaminen amplitudimodulaatiolla

Sähköavusteinen polkupyörä on hieman tavallista polkupyörää vahvarakenteisempi ja painavampi. Lisäpainoa tuovat muun muassa akut ja sähkömoottori, joka avustaa polke-mista. Moottori asennetaan yleensä eturenkaan keskiöön. Suurimmassa osassa, jollei kaikissa, kaupallisista sähköavusteisissa polkupyörissä moottori on hiiliharjaton tasavirta-moottori. Hiiliharjattoman tasavirtamoottorin pyörimisnopeutta ja vääntömomenttia voidaan säätää usealla eri tavalla. Markkinoilla olevat säätimet perustuvat poikkeuksetta pulssinleveys-modulaatioon. Tämän työn tarkoituksena on tutkia, onko säätöjärjestelmä mahdollista to-teuttaa muulla tavalla kuin pulssinleveysmodulaattorilla. Tutkimuksessa päädytään käyt-tämään amplitudimodulointia, jolloin taajuus voidaan pitää vakiona. Tämän tutkimuksen rinnalla samaan polkupyörään rakennetaan polkemisenergian avulla akkuja lataava la-tausjärjestelmä. Tämän kandityön puitteissa tutkimus jää kesken, mutta toiminta osoitetaan teoreettisesti ja simuloimalla. Suurin syy kokeellisen testauksen epäonnistumiseen on käytettyjen kom-ponenttien sopimattomuus sovellukseen.

Towards combining interactive mobile TV and smart spaces : architectures, tools and application development

Technological developments in microprocessors and ICT landscape have made a shift to a new era where computing power is embedded in numerous small distributed objects and devices in our everyday lives. These small computing devices are ne-tuned to perform a particular task and are increasingly reaching our society at every level. For example, home appliances such as programmable washing machines, microwave ovens etc., employ several sensors to improve performance and convenience. Similarly, cars have on-board computers that use information from many di erent sensors to control things such as fuel injectors, spark plug etc., to perform their tasks e ciently. These individual devices make life easy by helping in taking decisions and removing the burden from their users. All these objects and devices obtain some piece of information about the physical environment. Each of these devices is an island with no proper connectivity and information sharing between each other. Sharing of information between these heterogeneous devices could enable a whole new universe of innovative and intelligent applications. The information sharing between the devices is a diffcult task due to the heterogeneity and interoperability of devices. Smart Space vision is to overcome these issues of heterogeneity and interoperability so that the devices can understand each other and utilize services of each other by information sharing. This enables innovative local mashup applications based on shared data between heterogeneous devices. Smart homes are one such example of Smart Spaces which facilitate to bring the health care system to the patient, by intelligent interconnection of resources and their collective behavior, as opposed to bringing the patient into the health system. In addition, the use of mobile handheld devices has risen at a tremendous rate during the last few years and they have become an essential part of everyday life. Mobile phones o er a wide range of different services to their users including text and multimedia messages, Internet, audio, video, email applications and most recently TV services. The interactive TV provides a variety of applications for the viewers. The combination of interactive TV and the Smart Spaces could give innovative applications that are personalized, context-aware, ubiquitous and intelligent by enabling heterogeneous systems to collaborate each other by sharing information between them. There are many challenges in designing the frameworks and application development tools for rapid and easy development of these applications. The research work presented in this thesis addresses these issues. The original publications presented in the second part of this thesis propose architectures and methodologies for interactive and context-aware applications, and tools for the development of these applications. We demonstrated the suitability of our ontology-driven application development tools and rule basedapproach for the development of dynamic, context-aware ubiquitous iTV applications.

One chip solution for low-cost active magnetic bearing system

In this work the implementation of the active magnetic bearing control system in a single FPGA is studied. Requirements for the full magnetic bearing control system are reviewed. Different control methods for active magnetic bearings are described shortly. Flux and the current base controllers are implemented in a FPGA. Suitability of the con-trollers for a low-cost magnetic bearing application is studied. Floating-point arithmetic’s are used in the controllers to ease designing burden and improve calculation precision. Per-formance of the flux controller is verified with simulations.

Kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin virtasäätö polttokennosovelluksessa

Ilmastonmuutos ja fossiilisten polttoaineiden ehtyminen ovat edesauttaneet uusiutuvien energialähteiden tutkimusta huomattavasti. Lisäksi alati kasvava sähköenergian tarve lisää hajautetun sähköntuotannon ja vaihtoehtoisten energialähteiden kiinnostavuutta. Yleisimpiä hajautetun sähköntuotannon energialähteitä ovat tuulivoima, aurinkovoima ja uutena tulokkaana polttokennot. Polttokennon kytkeminen sähköverkkoon vaatii tehoelektroniikkaa, ja yleensä yksinkertaisessa polttokennosovelluksessa polttokenno kytketään galvaanisesti erottavan yksisuuntaisen DC/DC-hakkurin ja vaihtosuuntaajan kanssa sarjaan. Polttokennon rinnalla voidaan käyttää akkua tasaamaan polttokennon syöttämää jännitettä, jolloin akun ja polttokennon väliin tarvitaan kaksisuuntainen DC/DC-hakkuri, joka pystyy siirtämään energiaa molempiin suuntiin. Tässä diplomityössä on esitetty kaksisuuntaisen DC/DC-hakkurin tilayhtälökeskiarvoistusmenetelmään perustuva malli sekä mallin perusteella toteutettu virtasäätö. Tutkittava hakkuritopologia on kokosilta-tyyppinen boost-hakkuri, ja säätömenetelmä keskiarvovirtasäätö. Työn tuloksena syntyi tilayhtälömalli kaksisuuntaiselle FB boost -hakkurille sekä sen tulokelan virran säätämiseen soveltuva säädin. Säädin toimii normaalitilanteissa hyvin, mutta erikoistilanteissa, kuten hakkurin tulojännitteen äkillisessä muutostilanteessa, vaadittaisiin tehokkaampi säädin, jolla saavutettaisiin nopeampi nousuaika ilman ylitystä ja oskillointia.

Ammonia regeneration in nickel matte chloride leaching

Ammonia can be used as a pH controller in chloride-based metal recovery processes. In chloride conditions, ammonia reacts to ammonium chloride which can be regenerated back to ammonia with lime. Although the regeneration process itself has been known for a long time, the concentrations, non-reacting species, conditions, and even goals are different when comparing the ammonia regeneration process in different industries. The main objective of this thesis was to study the phenomena, equipment, and challenges in ammonia regeneration in the nickel process and to make a preliminary process design. The study concentrated on the regeneration and recovery units. The thesis was made by process simulation and laboratory tests using the current processes as initial information. The results were combined from all of the information obtained during the studies to provide a total process solution, which can be used as a basis when designing an ammonia regeneration process to be used in industry. In particular, it was possible to determine ammonia recovery with a stripping column and the achievement of the desired ammonia water product within the scope of this thesis. The required mass flows and process conditions were also determined. The possible challenges and solutions or further studies to overcome them were provided as well to ease the prediction and design of the ammonia regeneration process in the future. On the basis of the results of this thesis, the ammonia regeneration process can be developed further and implemented in the nickel chloride leaching process.

Virtual technology and haptic interface solutions for design and control of mobile working machines

Commercially available haptic interfaces are usable for many purposes. However, as generic devices they are not the most suitable for the control of heavy duty mobile working machines like mining machines, container handling equipment and excavators. Alternative mechanical constructions for a haptic controller are presented and analysed. A virtual reality environment (VRE) was built to test the proposed haptic controller mechanisms. Verification of an electric motor emulating a hydraulic pump in the electro-hydraulic system of a mobile working machine is carried out. A real-time simulator using multi-body-dynamics based software with hardware-in-loop (HIL) setup was used for the tests. Recommendations for further development of a haptic controller and emulator electric motor are given.

Taajuusmuuttaja aktiivisesti säädetyn magneettilaakerin virtalähteenä

Työssä tutkitaan mahdollisuutta hyödyntää sähkömoottorien nopeudensäätöön suunniteltuja kaupallisia taajuusmuuttajia osana aktiivisesti säädetyn magneettilaakeroinnin säätöjärjestelmää. Magneettilaakerijärjestelmän ohjaamiseksi tarvitaan vahvistin, jonka tehtävänä on muuntaa paikkasäätöjärjestelmältä tuleva ohjearvo virraksi, jännitteeksi tai magneettivuoksi voiman tuottamiseksi laakerikäämityksellä. Nykyaikaiset modernit taajuusmuuttajat mahdollistavat säätöalgoritmien suorittamisen sekä liitynnän muuhun automaatiojärjestelmään kenttäväylien kautta. Tämän järjestelmäintegraation myötä olisi mahdollista rakentaa modulaarinen säätöjärjestelmä hyödyntäen luotettavaksi todettuja teollisuusautomaatiotuotteita vain muutamalla itse magneettilaakerijärjestelmään liittyvällä tuotteella. Haluttaessa hyödyntää kolmivaiheinen taajuusmuuttaja mahdollisimman tehokkaasti magneettilaakerin teholähteenä tulee laakerikäämityksien kytkeytymistä taajuusmuuttajaan tarkastella tarkemmin. Kirjallisuustutkimuksessa keskitytään taajuusmuuttajan tehokytkimien muodostaman vaihtosuuntaajan eri rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön dynaamisten ominaisuuksien tarkasteluun. Soveltuvien rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön suorituskyky todennetaan simuloinnein ja lopuksi todellisella koelaitteistolla. Magneettilaakeroinnilla varustetun sähkökoneen roottorin onnistunut leijuttaminen viiden vapausasteen suhteen paikkasäädettynä sekä mittauksien tulokset osoittavat, ettei taajuusmuuttajien järjestelmäarkkitehtuurista löydy merkittäviä esteitä muuttajien hyödyntämiseksi magneettilaakerisovelluksissa.

Tutkimusprojektinhallinnan tarkastelu ja valo-ohjauskonsolin määrittely

Teekkareiden musiikkikerho halusi päivittää valo-ohjauskalustoaan sekä selvittää, olisiko järkevää tehdä ohjauksessa käytettävä konsoli itse. Tässä työssä käsitellään valo-ohjauskonsolin suunnitteluprojektin projektinhallintaa suunnittelun, määrittelyn, tavoitteiden ja työryhmän toiminnan osalta. Työssä tehdään myös valo-ohjauskonsolille suuntaa-antava määrittely, joka tarkoituksena on ottaa huomioon tärkeimpiä sähkölaitteen suunnittelussa huomioon otettavia kriteereitä. Työssä selvitetään, mikä on toimiva työmalli pienelle tutkimusprojektille ja kannattaako pienen organisaation valmistaa valo-ohjauskonsoli itse.

Jännitettä nostavan hakkurin käyttö akkukäyttöisessä audiolaitteessa

Audiovahvistimet pohjautuvat yhä useammin D-luokan vahvistimiin niiden korkean hyötysuhteen takia. Tämä mahdollistaa pidemmän käyttöajan tai vastaavasti tehon lisäämisen kannettavissa audiolaitteissa. Kuitenkin, jotta akkukäyttöisestä audiolaitteesta saataisiin suurempaa tehoa, se vaatii yleensä korkeamman jännitteen kuin yksittäisen akun lähtöjännite on. Korkeampi jännite voidaan saavuttaa lisäämällä akkuja tai käyttämällä jännitettä nostavaa hakkuria. Hakkureissa syntyy kuitenkin kytkennästä johtuvaa värettä, mille D-luokan vahvistimet ovat alttiita. Tässä työssä tutkitaan boost- ja Čuk-hakkurin soveltuvuutta jännitteen nostoon akkukäyttöisessä audiolaitteessa. Käytännön sovelluksena toimii Porsas, josta halutaan saada 500 W teho. Työssä tutkitaan audiolaitteen asettamia ehtoja jännitelähteelle sekä hakkurien mitoittamista ehtojen mukaisesti. Työn tutkimustapana on kirjallisuustutkimus ja simulointi. Audiolaitteen jännitelähteeltä vaatima teho vaihtelee suuresti. Tämä tulee ottaa huomioon hakkurin komponenttien mitoituksessa. Lisäksi hakkurin lähtöjännitteen väre pyritään minimoimaan, koska sillä on suuri vaikutus vahvistimen toimintaan. Tulovirran väreen minimoinnilla on pidentävä vaikutus akun purkusykliin. Hakkurien laskennalliset komponenttien arvot sekä simuloinnit osoittavat, että hakkurit olisivat myös mahdollista tehdä käytännössä. Simulointien perusteella boost-hakkurin komponenttien arvot ovat pienempiä kuin Čuk-hakkurin. Boost-hakkurille löytyy myös valmiita ohjainpiirejä enemmän. Toisaalta Čuk-hakkurilla on mahdollista tehdä myös energiansäästötila. Hakkurien ohjaus ja jäähdytys vaatisivat jatkotutkimusta.

Professionalization of controllers in Finland

Professions are a special category of occupations that possesses exclusive rights over its domain of expertise. Professions apply expert knowledge in their work by using professional discretion and judgment to solve their clients’ problems. With control over their expert knowledge base, professions are able to control the supply of practitioners in their field and regulate the practice in their market. Professionalization is the process during which occupations attempt to gain the status of a profession. The benefits of becoming a profession are extensive – professional autonomy, social and financial rewards, prestige, status, and an exclusive community are only a few of the privileges that established professions possess. Many aspiring occupations have tried and failed to gain the status of a profession and one of these groups is the occupation of controllers in Finland. The objective of this study to uncover, why controllers have not professionalized, which properties of the occupation correspond with the elements generally regarded to pertain to professions, and which aspects of the occupational group may hinder the professionalization project. The professionalization project of controllers is analyzed using a multi-actor model of professionalization, in which practitioners, clients, the state, training institutions, and employing organizations are considered to affect the project. The properties of the occupation of controllers are compared to features generally associated with professions. The research methodology for this thesis is qualitative, and the study is conducted as an exploratory research. The data is primarily gathered using semi-structured interviews, which were conducted between March and May 2013 lasting from 40 minutes to an hour. In total, four controllers were interviewed, who worked for different companies operating in different industries, and whose experience of working as a controller varied between a few years to nearly 15 years. The data in this study indicates that although controllers possess qualities that distinguish professions from other occupational groups, the professionalization of controllers may not be plausible. Controllers enjoy considerable autonomy in organizations, and they possess a strong orientation towards serving their clients. The more profound problem with the occupation is its non-exclusive, indistinct knowledge base that does not rely solely on a single knowledge base. Controllers’ expertise is relatively organization-specific and built on several different fields of knowledge and not just management accounting, which could be considered as their primary knowledge base. In addition, controllers have not organized themselves, which is a quintessential, but by no means a sufficient prerequisite for professionalization.

Limittelymenetelmän hyödyntäminen verkkovaihtosuuntaajassa: LCL-suotimen mitoitus

Teollisuudessa yleinen trendi on saada entistä tehokkaampia, halvempia, hyötysuhteeltaan parempia ja fyysisiltä mitoiltaan pienempiä sähkökäyttöjä. Luonnollisesti nämä vaatimukset ovat samoja myös taajuusmuuttajilla. Näiden vaatimusten välillä täytyy aina tehdä kompromisseja ja kehittää uusia menetelmiä. Monissa teollisuuden sähkökäytöissä tarvitaan verkkovaihtosuuntaajaa syöttämään tehoa generaattorilta tai jarrutettavalta moottorilta sähköverkkoon. Verkkovaihtosuuntaajassa käytännössä tarvitaan aina LCL-suodin, joka on fyysisesti järjestelmän suurin ja kallein yksittäinen komponentti, ja luonnollisesti suuritehoinen laite vaatii suuren LCL-suotimen. LCL-Suotimen fyysinen koko on kääntäen verrannollinen kytkentätaajuuteen. Tässä diplomityössä esitellään interleaving eli limittelymenetelmä, jonka avulla pystytään kasvattamaan verkkovaihtosuuntaajan ekvivalenttista kytkentätaajuutta ja pienentämään virran värettä sekä kokonaisharmonista säröä. Menetelmästä aiheutuu myös merkittävä haaste, kiertovirrat, joiden suodatusta tutkitaan kahdella eri menetelmällä. Käytetyt suodatustavat ovat LCL-suodin, jossa on lisäksi CM-kuristin ja LCL-suodin, jossa käytetään solujen välistä muuntajaa, ICT:tä. Työ suoritettiin teoriatutkimuksena ja simuloimalla. Tulokset osoittavat, että molemmat suodatustavat voivat toimia todellisessa sovelluksessa. Kuitenkin vain ICT:n omaava suodin on selkeästi vastaavan kokoista kaksitasoista verkkovaihtosuuntaajan suodinta pienempi. Tutkimus osoittaa myös sen, että tutkitussa sovelluskohteessa pelkkä fyysinen suodin ei riitä suodattamaan kiertovirtoja, vaan säätimeen täytyy tehdä myös muutoksia.