Electric-drive-based control and electric energy regeneration in a hydraulic system

Over the recent years, development in mobile working machines has concentrated on reducing emissions owing to the tightening rules and needs to improve energy utilization and reduce power losses. This study focuses on energy utilization and regeneration in an electro-hydraulic forklift, which is a lifting equipment application. The study starts from the modelling and simulation of a hydraulic forklift. The energy regeneration from the potential energy of the load was studied. Also a flow-based electric motor speed control was suggested in this thesis instead of the throttle control method or the variable displacement pump control. Topics related to further development in the future are discussed. Finally, a summary and conclusions are presented.

Market Study of Electric Drive Motion Control Business

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia älykkäiden paikoituskäyttöjen markkinoita ja liiketoimintamalleja. Työn pääongelmina oli määritellä alalla käytössä olevaa terminologiaa, määrittää markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaaville kolmivaihetaajuusmuuttajille, tutkia viiden alalla toimivan paikoituskäyttötoimittajan liiketoimintarakenteita ja tuotteita teknisestä näkökulmasta sekä esitellä kaksi teollisuuden käyttökohdetta paikoituskäytölle. Työn sisältö voidaan jakaa neljään eri osioon. Terminologian määrittely- ja markkinatutkimusosiot perustuvat pääasiassa kirjallisuustutkimukseen. Paikoituskäyttöjen toimittajia sekä niiden tuotteita käsittelevä osuus perustuu kirjallisuustutkimukseen sekä teknisiin esitteisiin ja manuaaleihin. Paikoituskäyttöjen sovellusesimerkit on selvitetty haastatteluin. Työ painottuu paikoituskäyttötoimittajien tuotteiden, tuoteominaisuuksien ja tuotetarjonnan tarkasteluun. Työn tuloksena on määritelty paikoituskäyttöjen liiketoiminnan tärkeimmät termit, paikoituskäyttöjen markkinoiden koko sekä markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaavalle kolmivaihetaajuusmuuttajalle. Alalla toimivien paikoituskäyttötoimittajien liiketoimintarakenne on selvitetty, jonka mukaan toimittajat on profiloitu komponentti-, komponenttipaketti-, toimialakeskeisiksi tai automaatiotoimittajiksi. Toimittajien paikoituskäyttötuotteet on luokiteltu viiteen eri luokkaan niiden teknisten ominaisuuksien perusteella. Lisäksi paikoituskäyttöjen suorituskyvyt on selvitetty säätimien momentti-, nopeus-, ja paikoituslaskenta-aikatasojen sekä kenttäväyläliityntöjen suhteen. Työssä kuvatut vanerinsorvausprosessi sekä FMS -materiaalinkäsittelyprosessi esittävät paikoituskäyttöjen potentiaalisia sovelluskohteita.

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.

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.

Electric field control of magnetism in hydrid ferromagnetic / ferroelectric materials

Väisälän palkinnon 2012 saaja.

Sähköverkkotiedonsiirtomenetelmän kehittäminen taajuusmuuttajaohjattuihin sähkökäyttöihin

Sähkömoottorin jatkuva-aikainen kunnonvalvonta vaatii tiedonsiirtoa moottorilta ylemmälle tietojärjestelmätasolle, kuten taajuusmuuttajalle. Uusien kaapeleiden asennus on työlästä ja kallista. Moottorin ja taajuusmuuttajan välillä on kuitenkin aina kaapeli, jota käytetään moottorin tehonsyöttöön. Tätä kaapelia on mahdollista käyttää myös tiedonsiirtokanavana. Tässä diplomityössä käsitellään ja tutkitaan sähköverkkotiedonsiirtomenetelmää, jonka avulla voidaan muodostaa Ethernet-yhteys moottorilta taajuusmuuttajalle tai toisinpäin. Työssä kehitetään simulointimalli tiedonsiirtokanavan taajuusriippuvan vaimennuksen simuloimiseen. Lisäksi kehitetään kytkentärajapinta, joka mahdollistaa tiedonsiirron kolmivaiheisessa taajuusmuuttajan syöttämässä moottorikaapelissa. Työssä suunnitellaan ja toteutetaan tiedonsiirtoa varten pilot-laitteisto, jolla tehdään laboratoriotestit. Laboratoriotesteillä varmistetaan menetelmän soveltuvuus. Laboratoriotestien avulla etsitään myös reunaehdot tiedonsiirron toiminnalle ja tiedonsiirtonopeuteen vaikuttavia tekijöitä taajuusmuuttajakäytössä. Lisäksi tarkastellaan menetelmän aiheuttamaa viivettä, joka on tärkeäsäätösovellusten kannalta. Lopuksi arvioidaan menetelmän soveltuvuus käytännön sovelluksiin.

Toimittajaverkoston ja päähankkijan rajapintojen yhdistäminen

Kansainvälisen kaupan ja kanssakäymisen lisääntyminen onpakottanut veturiyritykset verkostoitumaan toisten yritysten kanssa, joustavuuden, tehokkuuden ja kilpailukyvyn parantamiseksi. Tällöin tarvitaan nopeita sähköisen tiedonsiirronvälineitä tilaus- ja toimitusprosesseissa. Tutkimuksen tavoitteena oli saada kehitysmalli kansainvälisen päähankkijan, järjestelmätoimittajan ja toimittajaverkoston välille sähköisen tiedonsiirron kehittämiseksi sellaiselle tasolle, missä voidaan saavuttaa kokonaiskustannushyöty koko toimittajaketjulle. Tutkimuksen mukaan järjestelmätoimittajan ja päähankkijan sähköinen tiedonsiirto oli valtaosassa tutkituista järjestelmätoimittajista hyvällä tasolla. Monessa verkoston yrityksessä sähköisen tiedonsiirron kehitys oli pysähtynyt järjestelmätoimittajatasolle, eikä sitä ole kehitetty edelleen toimittajaverkostoon päin. Ainoastaan yhden tutkimuksessa mukana olleen järjestelmätoimittajan kehityssuunnitelma vastaa päähankkijan asettamia lähitulevaisuuden tavoitteita sähköisen tiedonsiirron kehittämisestä toimittajaverkostossa. Tutkimuksessa havaittiin, ettei sähköinen tiedonsiirtokehity toimittajaverkostossa, elleivät järjestelmätoimittajat ota suurempaa vastuuta sen kehittämiseksi omassa toimittajaverkostossa. Tutkimustulosten perusteella kaikkien osapuolien päähankkijan, järjestelmätoimittajan ja toimittajaverkoston aktiivinen tuki sähköisen tiedonsiirron kehittämiselle parantaa kokonaiskustannusten hallinnan ja imuohjauksen kautta kilpailukykyä.

Induction motor versus permanent magnet synchronous motor in motion control applications: a comparative study

High dynamic performance of an electric motor is a fundamental prerequisite in motion control applications, also known as servo drives. Recent developments in the field of microprocessors and power electronics have enabled faster and faster movements with an electric motor. In such a dynamically demanding application, the dimensioning of the motor differs substantially from the industrial motor design, where feasible characteristics of the motor are for example high efficiency, a high power factor, and a low price. In motion control instead, such characteristics as high overloading capability, high-speed operation, high torque density and low inertia are required. The thesis investigates how the dimensioning of a high-performance servomotor differs from the dimensioning of industrial motors. The two most common servomotor types are examined; an induction motor and apermanent magnet synchronous motor. The suitability of these two motor types indynamically demanding servo applications is assessed, and the design aspects that optimize the servo characteristics of the motors are analyzed. Operating characteristics of a high performance motor are studied, and some methods for improvements are suggested. The main focus is on the induction machine, which is frequently compared to the permanent magnet synchronous motor. A 4 kW prototype induction motor was designed and manufactured for the verification of the simulation results in the laboratory conditions. Also a dynamic simulation model for estimating the thermal behaviour of the induction motor in servo applications was constructed. The accuracy of the model was improved by coupling it with the electromagnetic motor model in order to take into account the variations in the motor electromagnetic characteristics due to the temperature rise.

Analysis of torque and speed ripple producing non-idealities of frequency converters in electric drives

Electric motors driven by adjustable-frequency converters may produce periodic excitation forces that can cause torque and speed ripple. Interaction with the driven mechanical system may cause undesirable vibrations that affect the system performance and lifetime. Direct drives in sensitive applications, such as elevators or paper machines, emphasize the importance of smooth torque production. This thesis analyses the non-idealities of frequencyconverters that produce speed and torque ripple in electric drives. The origin of low order harmonics in speed and torque is examined. It is shown how different current measurement error types affect the torque. As the application environment, direct torque control (DTC) method is applied to permanent magnet synchronous machines (PMSM). A simulation model to analyse the effect of the frequency converter non-idealities on the performance of the electric drives is created. Themodel enables to identify potential problems causing torque vibrations and possibly damaging oscillations in electrically driven machine systems. The model is capable of coupling with separate simulation software of complex mechanical loads. Furthermore, the simulation model of the frequency converter's control algorithm can be applied to control a real frequency converter. A commercial frequencyconverter with standard software, a permanent magnet axial flux synchronous motor and a DC motor as the load are used to detect the effect of current measurement errors on load torque. A method to reduce the speed and torque ripple by compensating the current measurement errors is introduced. The method is based on analysing the amplitude of a selected harmonic component of speed as a function oftime and selecting a suitable compensation alternative for the current error. The speed can be either measured or estimated, so the compensation method is applicable also for speed sensorless drives. The proposed compensation method is tested with a laboratory drive, which consists of commercial frequency converter hardware with self-made software and a prototype PMSM. The speed and torque rippleof the test drive are reduced by applying the compensation method. In addition to the direct torque controlled PMSM drives, the compensation method can also beapplied to other motor types and control methods.

Electric Motor and Frequency Converter Markets in Latin America and Especially in the Mining Industry of Chile

Latinalaisen Amerikan osuus maailmantaloudesta on pieni verrattuna sen maantieteelliseen kokoon, väkilukuun ja luonnonvaroihin. Aluetta pidetään kuitenkin yhtenä tulevaisuuden merkittävistä kasvumarkkinoista. Useissa Latinalaisen Amerikan maissa on teollisuutta, joka hyödyntää luonnonvaroja ja tuottaa raaka-aineita sekä kotimaan että ulkomaiden markkinoille. Tällaisia tyypillisiä teollisuudenaloja Latinalaisessa Amerikassa ovat kaivos- ja metsäteollisuus sekä öljyn ja maakaasun tuotanto. Näiden teollisuudenalojen tuotantolaitteiden ja koneiden valmistusta ei Latinalaisessa Amerikassa juurikaan ole. Ne tuodaan yleensä Pohjois-Amerikasta ja Euroopasta. Tässä diplomityössä tutkitaan sähkömoottorien ja taajuusmuuttajien markkinapotentiaalia Latinalaisessa Amerikassa. Tutkimuksessa perehdytään Latinalaisen Amerikan maiden kansantalouksien tilaan sekä arvioidaan sähkömoottorien ja taajuusmuuttajien markkinoiden kokoa tullitilastojen avulla. Chilen kaivosteollisuudessa arvioidaan olevan erityistä potentiaalia. Diplomityössä selvitetään ostoprosessin kulkua Chilen kaivosteollisuudessa ja eri asiakastyyppien roolia siinä sekä tärkeimpiä päätöskriteerejä toimittaja- ja teknologiavalinnoissa.

The Design and Implementation of Loudspeaker Control Network Protocols

The networking and digitalization of audio equipment has created a need for control protocols. These protocols offer new services to customers and ensure that the equipment operates correctly. The control protocols used in the computer networks are not directly applicable since embedded systems have resource and cost limitations. In this master's thesis the design and implementation of new loudspeaker control network protocols are presented. The protocol stack was required to be reliable, have short response times, configure the network automatically and support the dynamic addition and removal of loudspeakers. The implemented protocol stack was also required to be as efficient and lightweight as possible because the network nodes are fairly simple and lack processing power. The protocol stack was thoroughly tested, validated and verified. The protocols were formally described using LOTOS (Language of Temporal Ordering Specifications) and verified using reachability analysis. A prototype of the loudspeaker network was built and used for testing the operation and the performance of the control protocols. The implemented control protocol stack met the design specifications and proved to be highly reliable and efficient.

Developing finished product stocking in a ventilation equipment company

Opinnäytetyön tavoitteena oli analysoida ja kehittää lopputuotteiden varastointia Halton Oy:ssä. Työ toteutettiin, koska yrityksen laajasta tuotevalikoimasta monia nimikkeitä varastoidaan tällä hetkellä ja ne sitovat runsaasti pääomaa varastoon. Lisäksi yrityksellä on vain rajallinen varastointitila käytettävissä ja sitä haluttiin hyödyntää optimaalisesti. Työssä suunniteltiin yritykselle varastoitavien tuotenimikkeiden hallintaprosessi ja lisäksi tutkittiin kuinka yritys voisi tarjota tuotteitaan nopeammin tärkeimmille ulkomaan markkina-alueille. Työn alussa huomio kohdistui myynniltään vähemmän merkittäviin varastonimikkeisiin, joita analysoitiin suunniteltujen kriteerien avulla. Tarkoituksena oli selvittää, mitkä varastonimikkeistä voitaisiin siirtää tilausohjautuviksi. Tärkeimpinä analysointikriteereinä käytettiin nimikkeiden alhaista myyntimäärää, lyhyttä tuotannonläpimenoaikaa sekä varastoitavien nimikkeiden lukumäärää tuoteryhmässä. Työssä huomioitiin kuitenkin myös muita mahdollisia syitä varastointiin. Lisäksi tehtiin havaintoja tilausohjautuvista nimikkeistä, jotka saattaisivat tarvita varastointia. Suunniteltuun hallintaprosessiin sisältyi kriteerien lisäksi myös varastotasojen määrittäminen yrityksen nykyisen varastomallin pohjalta. Työssä tutkittiin kuitenkin myös mahdollisia tulevaisuuden varastomalleja, joiden tarkoituksena olisi parantaa asiakaspalvelua ulkomailla. Tutkimus keskittyi pääasiassa nimikkeiden kysyntöjen analysointiin eri varastomallien myyntialueilla.

Influence of Equipment Operation and Performance Deterioration on Power Plant Economy.

Pysyäkseen kilpailukykyisenä vapautuneilla sähkömarkkinoilla on voimalaitoksen energiantuotantokustannusten oltava mahdollisimman matalia, tinkimättä kuitenkaan korkeasta käytettävyydestä. Polttoaineen energiasisällön mahdollisimman hyvä hyödyntäminen on ratkaisevan tärkeää voimalaitoksen kannattavuudelle. Polttoainekustannusten osuus on konvektiivisilla laitoksilla yleensä yli puolet koko elinjakson kustannuksista. Kun vielä päästörajat tiukkenevat koko ajan, korostuu polttoaineen korkea hyötykäyttö entisestään. Korkea energiantuotannon luotettavuus ja käytettävyys ovat myös elintärkeitä pyrittäessä kustannusten minimointiin. Tässä työssä on käyty läpi voimalaitoksen kustannuksiin vaikuttavia käsitteitä, kuten hyötysuhdetta, käytettävyyttä, polttoaineen hintoja, ylös- ja alasajoja ja tärkeimpiä häviöitä. Ajostrategiassa ja poikkeamien hallinnassa pyritään hyvään hyötysuhteeseen ja alhaisiin päästöihin joka käyttötilanteessa. Lisäksi on tarkasteltu tiettyjen suureiden, eli höyryn lämpötilan ja paineen, savukaasun hapen pitoisuuden, savukaasun loppulämpötilan, sekä lauhduttimen paineen poikkeamien vaikutusta ohjearvostaan energiantuotantokustannuksiin. Happi / hiilimonoksidi optimoinnissa on otettu huomioon myös pohjatuhkan palamattomat.

High Performance Electrical Drive System for a Biomechanical Test and Rehabilitation Equipment

Suunniteltiin ja rakennettiin suoraa vääntömomenttisäätöä soveltava taajuudenmuuttajakäyttö oikosulkumoottorin ohjaukseen korvaamaan passiivinen jarrukäyttö. Laite on kuntoutuslaite, jolla tehdään lihasvoiman mittauksia ja voimaharjoituksia. Selvitettiin kaupallisten moottoreiden ja taajuudenmuuttajien suoritusominaisuuksia ja tämän perusteella valittiin käyttöön sopivat laitteet. Työssä esitetään kaksi oikosulkumoottorin ohjaustapaa: vektorisäätö ja suora vääntömomenttisäätö. Merkittävin osa tästä työstä käsittelee - tarkan turvallisuussuunnitelman lisäksi - kuntoutuslaitteen prototyypin komponentteja, kokoamista ja suoritustestien tuloksia.

Real-time Linux in electric drive systems

Reaaliaikaisten käyttöjärjestelmien käyttö sulautetuissa järjestelmissä on kasvamassa koko ajan. Sulautettuja tietokoneita käytetään yhä useammassa kohteessa kuten sähkökäyttöjen ohjauksessa. Sähkökäyttöjen ohjaus hoidetaan nykyisin yleensä nopealla digitaalisella signaaliprosessorilla (DSP), jolloin ohjelmointi ja päivittäminen on hidasta ja vaikeaa johtuen käytettävästä matalan tason Assembler-kielestä. Ratkaisuna yleiskäyttöisten prosessorien ja reaaliaikakäyttöjärjestelmien käyttö. Kaupalliset reaaliaikakäyttöjärjestelmät ovat kalliita ja lähdekoodin saaminen omaan käyttöön jopa mahdotonta. Linux on ei-kaupallinen avoimen lähdekoodin käyttöjärjestelmä, joten sen käyttö on ilmaista ja sitä voi muokata vapaasti. Linux:iin on saatavana useita laajennuksia, jotka tekevät siitä reaaliaikaisen käyttöjärjestelmän. Vaihtoehtoina joko kova (hard) tai pehmeä (soft) reaaliaikaisuus. Linux:iin on olemassa valmiita kehitysympäristöjä mutta ne kaipaavat parannusta ennen kuin niitä voidaan käyttää suuressa mittakaavassa teollisuudessa. Reaaliaika Linux ei sovellus nopeisiin ohjauslooppeihin (<100 ms) koska nopeus ei riitä vielä mutta nopeus kasvaa samalla kun prosessorit kehittyvät. Linux soveltuu hyvin rajapinnaksi nopean ohjauksen ja käyttäjän välille ja hitaampaan ohjaukseen.