Arduino-pohjainen OBD2-lukija SAE J1850 VPW protokollatuella

Kandidaatintyössä toteutetaan OBD2 (On-Board Diagnostics 2) -lukija ajoneuvon päästöjenhallintajärjestelmän diagnostiikkatiedoille yleiskäyttöisellä mikro-ohjaimella. Lukija tukee tiedonsiirtoprotokollana SAE J1850 VPW protokollaa. Mikro-ohjaimena on Atmel Corporationin AVR ATMega328. Työn tavoitteena on havainnoida vastaantulevia käytännön ongelmia ja haasteita mikro-ohjaimen käytöllä tiedonsiirtoprotokollan toteutukseen, ja verrata toteutettua järjestelmää kaupallisiin OBD2-lukijoihin. Työn johtopäätöksenä havaitaan mikro-ohjaimen suorituskyvyn rajoitteet ja sen tuomat toiminnan epävarmuustekijät. Työssä myös todetaan, että mikro-ohjain soveltuu tiedonsiirtoprotokollan toteutukseen kun rajoitteet otetaan huomioon. Kaupallisiin lukijoihin verrattuna yleiskäyttöiseen mikro-ohjaimeen perustuva toteutettu järjestelmä on kalliimpi ja toiminnoiltaan suppeampi. Mikro-ohjaimeen perustuva järjestelmä on kuitenkin muokattavissa ja laajennettavissa tarvittaessa, jolloin toteutukseen voidaan saada kaupallisista järjestelmistä mahdollisesti puuttuvia ominaisuuksia, kuten valmistajakohtaisia protokollia ja toimintoja, joita ei ole määritelty OBD2:ssa. Yhtenä esimerkkinä tällaisesta toiminnosta voi mainita ajoneuvoissa yleistyvän sähköisen käsijarrun säätöä ohjaavat komennot jarruhuoltoa varten.

Design and implementation of FPGA-based LQ control of active magnetic bearings

The need for high performance, high precision, and energy saving in rotating machinery demands an alternative solution to traditional bearings. Because of the contactless operation principle, the rotating machines employing active magnetic bearings (AMBs) provide many advantages over the traditional ones. The advantages such as contamination-free operation, low maintenance costs, high rotational speeds, low parasitic losses, programmable stiffness and damping, and vibration insulation come at expense of high cost, and complex technical solution. All these properties make the use of AMBs appropriate primarily for specific and highly demanding applications. High performance and high precision control requires model-based control methods and accurate models of the flexible rotor. In turn, complex models lead to high-order controllers and feature considerable computational burden. Fortunately, in the last few years the advancements in signal processing devices provide new perspective on the real-time control of AMBs. The design and the real-time digital implementation of the high-order LQ controllers, which focus on fast execution times, are the subjects of this work. In particular, the control design and implementation in the field programmable gate array (FPGA) circuits are investigated. The optimal design is guided by the physical constraints of the system for selecting the optimal weighting matrices. The plant model is complemented by augmenting appropriate disturbance models. The compensation of the force-field nonlinearities is proposed for decreasing the uncertainty of the actuator. A disturbance-observer-based unbalance compensation for canceling the magnetic force vibrations or vibrations in the measured positions is presented. The theoretical studies are verified by the practical experiments utilizing a custom-built laboratory test rig. The test rig uses a prototyping control platform developed in the scope of this work. To sum up, the work makes a step in the direction of an embedded single-chip FPGA-based controller of AMBs.

Real-time Quality of Service Controller for Differentiated Services

IP-verkkojen hyvin tunnettu haitta on, että nämä eivät pysty takaamaan tiettyä palvelunlaatua (Quality of Service) lähetetyille paketeille. Seuraavat kaksi tekniikkaa pidetään lupaavimpina palvelunlaadun tarjoamiselle: Differentiated Services (DiffServ) ja palvelunlaatureititys (QoS Routing). DiffServ on varsin uusi IETF:n määrittelemä Internetille tarkoitettu palvelunlaatumekanismi. DiffServ tarjoaa skaalattavaa palvelujen erilaistamista ilman viestintää joka hypyssä ja per-flow –tilan ohjausta. DiffServ on hyvä esimerkki hajautetusta verkkosuunnittelusta. Tämän palvelutasomekanismin tavoite on viestintäjärjestelmien suunnittelun yksinkertaistaminen. Verkkosolmu voidaan rakentaa pienestä hyvin määritellystä rakennuspalikoiden joukosta. Palvelunlaatureititys on reititysmekanismi, jolla liikennereittejä määritellään verkon käytettävissä olevien resurssien pohjalta. Tässä työssä selvitetään uusi palvelunlaatureititystapa, jota kutsutaan yksinkertaiseksi monitiereititykseksi (Simple Multipath Routing). Tämän työn tarkoitus on suunnitella palvelunlaatuohjain DiffServille. Tässä työssä ehdotettu palvelunlaatuohjain on pyrkimys yhdistää DiffServ ja palvelunlaatureititysmekanismeja. Työn kokeellinen osuus keskittyy erityisesti palvelunlaatureititysalgoritmeihin.

Design and Comparison оf Mixed Hinf/H2 Controller fоr АMB System

This master’s thesis is focused on the active magnetic bearings control, specifically the robust control. As carrying out of such kind of control used mixed H2/Hinf controller. So the goal of this work is to design it using Robust Control Toolbox™ in MATLAB and compare it performance and robustness with Hinf robust controller characteristics. But only one degree-of-freedom controller considered.

Kestomagneettitahtikoneen emulointi digitaalisella signaaliprosessorilla

Sähkökäytön suunnittelussa säätöä voidaan testata useassa tapauksessa reaaliaikasimulaattorilla todellisen laitteiston sijaan. Monet reaaliaikasimulaatioiden perustana käytetyt algoritmit soveltuvat täysinohjatulle invertterisillalle. Eräissä sovelluksissa halutaan kuitenkin käyttää puoliksiohjattua siltaa. Puoliksiohjattulla sillalla mallin kausaalisuus voi kääntyä, mitä perinteiset reaaliaikasimulaattorit eivät pysty simuloimaan Tässä työssä oli tavoitteena kehittää reaaliaikasimulaattori puoliksiohjatulle kestomagneettitahtikonekäytölle. Emulaattoriin mallinnettiin todellisen käytön kestomagneettitahtikone ja invertterisilta. Simulaattori toteutettiin digitaaliselle signaaliprosessorille (DSP) ja mittauksiin liittyvät oheislaitteet mallinnettiin FPGA-piirille. Emulaattoriin liitettiin erillinen säätäjä, jota käytettiin myös todellisen sähkökäytön säätämiseen. Emulaattorilla ja todellisella käytöllä tehtyjä mittauksia verrattiin ja emuloimalla saadut tulokset vastasivat melko hyvin todellisesta käytöstä mitattuja.

Embedded controller system in crane application

The thesis studies possibility of using embedded controller in a crane application and furthermore defines requirements when designing such a controller. Basic crane control architectures are considered and compared. Then embedded controller product life cycle is described: considering such issues like microcontroller selection, software/hardware design and application development tools. Finally, available embedded controller is described and used for implementing crane control.

Automation Concept for Electrically Excited LV Synchronous Motor: Implementation into AC500 Programmable Logic Environment

This bachelor’s thesis is a part of the research project realized in the summer 2011 in Lappeenranta University of Technology. The goal of the project was to develop an automation concept for controlling the electrically excited synchronous motor. Thesis concentrates on the implementation of the automation concept into the ABB’s AC500 programmable logic enviroment. The automation program was developed as a state machine with the ABB’s PS501 Control Builder software. For controlling the automation program is developed a fieldbus control and with CodeSys Visualization Tool a local control with control panel. The fieldbus control is done to correspond the ABB drives communication profile and the local control is implemented with a function block which feeds right control words into the statemachine. A field current control of the synchronous motor is realized as a method presented in doctoral thesis of Olli Pyrhönen (Pyrhönen 1998). The Method combines stator flux and torque based openloop control and power factor based feedback control.

Field-Programmable Gate Array Card for Readout and Control of Cryoelectronics

The main goal of the present Master’s Thesis project was to create a field-programmable gate array (FPGA) based system for the control of single-electron transistors or other cryoelectronic devices. The FPGA and similar technologies are studied in the present work. The fixed and programmable logic are compared with each other. The main features and limitations of the hardware used in the project are investigated. The hardware and software connections of the device to the computer are shown in detail. The software development techniques for FPGA-based design are described. The steps of design for programmable logic are considered. Furthermore, the results of filters implemented in the software are illustrated.

AMB system for high-speed motors using automatic commissioning

The general trend towards increasing e ciency and energy density drives the industry to high-speed technologies. Active Magnetic Bearings (AMBs) are one of the technologies that allow contactless support of a rotating body. Theoretically, there are no limitations on the rotational speed. The absence of friction, low maintenance cost, micrometer precision, and programmable sti ness have made AMBs a viable choice for highdemanding applications. Along with the advances in power electronics, such as signi cantly improved reliability and cost, AMB systems have gained a wide adoption in the industry. The AMB system is a complex, open-loop unstable system with multiple inputs and outputs. For normal operation, such a system requires a feedback control. To meet the high demands for performance and robustness, model-based control techniques should be applied. These techniques require an accurate plant model description and uncertainty estimations. The advanced control methods require more e ort at the commissioning stage. In this work, a methodology is developed for an automatic commissioning of a subcritical, rigid gas blower machine. The commissioning process includes open-loop tuning of separate parts such as sensors and actuators. The next step is to apply a system identi cation procedure to obtain a model for the controller synthesis. Finally, a robust model-based controller is synthesized and experimentally evaluated in the full operating range of the system. The commissioning procedure is developed by applying only the system components available and a priori knowledge without any additional hardware. Thus, the work provides an intelligent system with a self-diagnostics feature and an automatic commissioning.

Sähkömoottorin etäohjausjärjestelmän suunnittelu ja testaus

Tämä kandityön aihe liittyy LUT Energialla lukuvuonna 2012 – 2013 käynnissä olevaan tutkimukseen, jossa tutkitaan sähkömoottorin laakerivirtojen syntyä. Tätä tutkimusta varten tarvittiin sähkömoottorin etäohjausjärjestelmä, jonka avulla tutkimuksessa käytettävän sähkömoottorin käyttäytymistä voitaisiin tutkia erilaisien käyttöprofiileiden funktiona. Tässä kandityössä suunnitellaan ja toteutetaan edellä kuvattu järjestelmä. Toteutuksessa hyödynnetään nykyaikaista automaatiotekniikkaa, joka yhdessä Ethernet-lähiverkkotekniikan kanssa mahdollistaa etäohjauksen. Valmiin etäohjausjärjestelmän avulla käyttäjä pystyy sekä käynnistämään että sammuttamaan sähkömoottorin, ja määrittämään käyttöprofiilin ON- ja OFF-tilojen ajalliset kestot sekä käyntinopeudet.

Model-View-Controller architectural pattern and its evolution in graphical user interface frameworks

Model-View-Controller (MVC) is an architectural pattern used in software development for graphical user interfaces. It was one of the first proposed solutions in the late 1970s to the Smart UI anti-pattern, which refers to the act of writing all domain logic into a user interface. The original MVC pattern has since evolved in multiple directions, with various names and may confuse many. The goal of this thesis is to present the origin of the MVC pattern and how it has changed over time. Software architecture in general and the MVC’s evolution within web applications are not the primary focus. Fundamen- tal designs are abstracted, and then used to examine the more recent versions. Prob- lems with the subject and its terminology are also presented.

Vapastii ohjelmoitavan automaatioyksikön suunnitteluprosessi

Rakennusautomaatiossa tulee esiin sovelluksia, joissa järjestelmän ohjaus-, säätö- tai valvontaratkaisun toteuttaminen ohjelmoitavilla logiikoilla ei ole riittävän edullista. Tällöin vaihtoehtona on oman laitteen suunnittelu. Työn tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa kustannustehokas CAN-väylään liitettävä vapaasti ohjelmoitava automaatioyksikkö. Suunnittelua ohjasivat asiakkaan laatimat vaatimusmäärittelyt. Niistä laitteen konfigurointimahdollisuudet ja piirilevyn tavoitekoko asettivat suurimmat haasteet laitteen suunnittelulle. Työn tuloksena toteutettiin asiakkaan tarpeisiin soveltuva automaatioyksikkö. Tavoitteisiin päästiin komponenttivalinnoilla ja hyödyntämällä tehokkaasti mikro-ohjaimen integroituja ominaisuuksia. Näiden avulla pystyttiin karsimaan monia yksiköitä, joita tavanomaisesti toteutetaan erilliskomponenteilla. Työssä perehdyttiin sulautetun järjestelmän elektroniikan tuotekehitysprosessiin ideasta prototyyppiin. Samalla on kuvailtu valittuja ratkaisuja sekä suunnittelussa tapahtuneita virheitä ja miten ne on ratkaistu.

Suorituskyvyn mittaus ja controller toimintojen kehittäminen Venäjällä toimivassa yhteisyrityksessä

Tässä työssä tutkittiin kahden suomalaisen yrityksen omistamaa yhteisyritystä Venäjällä. Tavoitteena oli kehittää tasapainotettu mittaristo suorituskyvyn mittaukseen johtamisen tueksi. Lisäksi oli tarve parantaa materiaalinhallintaa kehittämällä controllerin työtä helpottava työkalu, sekä kehittää materiaalinhallinnan prosessia läpinäkyvämmäksi ja suoraviivaisemmaksi. Työ koostuu teoreettisesta ja empiirisestä osuudesta. Teoria koostuu raportoinnista, suorituskyvyn mittauksesta ja materiaalinhallinnan seurannasta. Työssä käytettiin laadullisia menetelmiä ja tutkimustyypiksi valikoitui toimintatutkimus. Teoreettinen aineisto on peräisin julkaisuista ja alan kirjallisuudesta. Empiirinen aineisto kerättiin pääosin haastatteluista, benchmarkkauksesta ja dokumenteista. Työn tuloksena saavutettiin päätavoite, eli kehitettiin Excel – pohjaiset työkalut suorituskyvyn mittaukseen ja materiaalinhallinnan seurantaan. Lisäksi kehitettiin kirjallinen ohjeistus näiden työkalujen käyttöön ja materiaalinhallintaprosessien suoraviivaistamiseksi. Diplomityö helpottaa yrityksen johtamista ja kontrollointia sekä sisäisesti että ulkoisesti omistajanäkökulmasta katsottuna. Venäjällä toimivan ulkomaalaisomisteisen yrityksen seuranta on haastavaa, jossa prosessien toimivuus ja läpinäkyvyys ovat olennaisessa roolissa.

The Design and Implementation of a SD Card File System

SD card (Secure Digital Memory Card) is widely used in portable storage medium. Currently, latest researches on SD card, are mainly SD card controller based on FPGA (Field Programmable Gate Array). Most of them are relying on API interface (Application Programming Interface), AHB bus (Advanced High performance Bus), etc. They are dedicated to the realization of ultra high speed communication between SD card and upper systems. Studies about SD card controller, really play a vital role in the field of high speed cameras and other sub-areas of expertise. This design of FPGA-based file systems and SD2.0 IP (Intellectual Property core) does not only exhibit a nice transmission rate, but also achieve the systematic management of files, while retaining a strong portability and practicality. The file system design and implementation on a SD card covers the main three IP innovation points. First, the combination and integration of file system and SD card controller, makes the overall system highly integrated and practical. The popular SD2.0 protocol is implemented for communication channels. Pure digital logic design based on VHDL (Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language), integrates the SD card controller in hardware layer and the FAT32 file system for the entire system. Secondly, the document management system mechanism makes document processing more convenient and easy. Especially for small files in batch processing, it can ease the pressure of upper system to frequently access and process them, thereby enhancing the overall efficiency of systems. Finally, digital design ensures the superior performance. For transmission security, CRC (Cyclic Redundancy Check) algorithm is for data transmission protection. Design of each module is platform-independent of macro cells, and keeps a better portability. Custom integrated instructions and interfaces may facilitate easily to use. Finally, the actual test went through multi-platform method, Xilinx and Altera FPGA developing platforms. The timing simulation and debugging of each module was covered. Finally, Test results show that the designed FPGA-based file system IP on SD card can support SD card, TF card and Micro SD with 2.0 protocols, and the successful implementation of systematic management for stored files, and supports SD bus mode. Data read and write rates in Kingston class10 card is approximately 24.27MB/s and 16.94MB/s.

Pituusleikkurin turvaväylät ja koneturvallisuus

Turvallisuuteen liittyvän ohjausjärjestelmän tehtävänä on siirtää ja käsitellä turvallisuuskriittistä tietoa. Esimerkiksi anturin (turvalaitteen) havaitessa vaaravyöhykkeelle pyrkivän ihmisen tulee ensimmäisenä tiedon välittyä ohjausjärjestelmään. Ohjausjärjestelmän on muodostettava saapuneen tiedon perusteella käsky tehonohjauselimille. Tehonohjauselimillä säädellään koneen käyttöenergian syöttöä ja sitä kautta on mahdollista pysäyttää koneen liike ennen mahdollisen vahingon sattumista. Perinteiset turvaratkaisut ovat perustuneet pakkotoimintaisiin releisiin ja kahdennuksiin. Tällämenetelmällä on toteutettu varmatoimintaisia turvaratkaisuja, joissa yksittäiset viat ovat paljastuneet. Nykyisin on kuitenkin yhä enemmän tarvetta integroida turvatoiminnot automaatiojärjestelmään ja toteuttaa turvaratkaisut hajautetuillajärjestelmillä. Hajautetut järjestelmät sisältävät osittain ohjelmoitavien järjestelmien etuja ja haittoja, mutta tuovat mukanaan myös uudenlaisia vikoja. Työn tarkoitus oli selvittää, millaisia rajoituksia koneturvallisuus asettaa paperiteollisuuden pituusleikkurien turvallisuuteen liittyville ohjausjärjestelmille, sekä selvittää turvallisuuteen liittyvien järjestelmien rakennetta ja ominaisuuksia. Tässä työssä tutkittiin AS-i, EsaLan ja ProfiSafe turvajärjestelmiä teknisten tietojen perusteella. Tutkitut järjestelmät ovat erilaisia ja soveltuvat tämän vuoksi hieman erilaisiin kohteisiin. Kaikilla näillä järjestelmillä on kuitenkin mahdollista toteuttaa pituusleikkurin turvaväyläjärjestelmässä riittävä turvallisuuden taso koneturvallisuuden näkökulmasta. Tämä edellyttää oikein tehtyä riskianalyysiä ja oikeita suunnittelumenetelmiä. Teknisten tietojen perusteella otettiin testattavaksi AS-i safety at workja EsaLan:in Compact järjestelmät, joille suoritettiin sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen (EMC) ja toiminnallisuuteen liittyviä testejä.