Verkkovaihtosuuntaajan vektorisäädön toteutus FPGA-piirillä

Verkkovaihtosuuntaajalla pystytään muuntamaan tasajännite vaihtojännitteeksi ja päinvastoin. Verkkovaihtosuuntaajan toiminta perustuu tehokytkinten ohjaukseen ja sopivan modulointimenetelmän käyttöön. Vektorisäädössä vaihtosuuntaajanvirrat ja jännitteet esitetään kompleksitasossa, jolloin virta- ja jännitekomponentit voidaan esittää vektoreina. Vektorisäädössä verkkovaihtosuuntaajan ohjaustoteutetaan laskemalla kompleksitasossa vektoreille arvot, jotka tuottavat vaihtosuuntaajan lähtöön halutun vektorin. Koska FPGA-piirit mahdollistavat nopean rinnakkaisen laskennan, soveltuvat ne hyvin vektorisäädön toteuttamiseen. FPGA-piirien rakenteesta johtuen on säätöjärjestelmän suunnittelussa huomioitava kiinteän pilkun lukujen riittävä bittileveys ja järjestelmän diskretointiaika. Työssä suunnitellaan verkkovaihtosuuntaajan vektorisäätö ja tutkitaan bittileveyden vaikutusta säädön toteuttamiseen FPGA-piirillä. Bittileveyden tarkasteluun esitetään käytettäväksi tilastollisia menetelmiä. Työssä tarkastellaan kiinteän pilkun järjestelmän ja liukulukujärjestelmän erosuureen tilastollisia tunnusmerkkejä sekä histogrammia. Tarkasteluissa huomattiin, että maksimivirhe itsessään ei tarjoa riittävästi tietoa erosuureen jakautumisesta. Näin ollen maksimivirhe ei ole kaikissa tilanteissa sovelias menetelmä riittävän bittitarkkuuden määrittämiseen. Työssä esitetään riittävän bittitarkkuuden määrittelemiseen käytettäväksi otossuureista otosvarianssia, keskipoikkeamaa ja vaihteluväliä.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan ohjauksen toteutus FPGA-piireillä

Tässä diplomityössä tutustutaan sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan rakenteeseen ja ohjaukseen. Työssä tarkastellaan myös hajautetun järjestelmän testaamista ja ohjelmointia. Työssä toteutettiin sarjakytkentäisen taajuusmuuttajan modulaattori hajautetusti FPGA-piireille. Lisäksi diplomityössä kehitettiin ja toteutettiin optinen JTAG-rajapinta hajautetun järjestelmän testaukseen ja ohjelmointiin. Laboratoriokoelaitteisto koostui yhdeksästä taajuusmuuttajan ohjauskortista, LUT Master -ohjausyksiköstä ja dSPACE-ohjausjärjestelmästä. Laboratoriomittaukset tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Säätötekniikan laboratoriossa.

Tuotannollisen testerin suunnittelu tiedonsiirtolinkkikortille

Työssä suunniteltiin ja toteutettiin linkkikorttien tuotannollinen testeri. Linkkikortti on osa CERN:iin rakennettavan hiukkaskiihdyttimen Large Hadron Colliderin koeasema Compact Muon Solenoidin luentajärjestelmää. Linkkikortin tehtävänä on muuttaa rinnakkaismuotoinen LVDS-signaali sarjamuotoiseksi optiseksi signaaliksi. Testattaessa testeri ja linkkikortti sijoitetaan kehikkoon, joten testerin liittimien pitää olla linkkikortin liittimien kanssa identtisiä. Testerin lähdöt ovat linkkikortin tuloja ja toisinpäin. Tällöin testattaessa voidaan ohjelmoitavien FPGA-piirien avulla lähettää signaalia kortilta toiselle. Vastaanottavan kortin FPGA-piirin avulla voidaan tarkistaa, onko data tullut perille muuttumattomana. Testin ohjaus tapahtuu tietokoneella, jolla käyttäjä antaa käskyn testin aloittamisesta ja jonne lopulta myös raportoidaan testin tulokset. Testien tulokset näytetään myös testerin ledeillä. Työssä ei pystytä linkkikorttien puuttumisen takia testaamaan testeriä loppukäytössään. Kuitenkin testerin toimivuus pystyttiin suurilta osin testaamaan, jolloin saatiin odotettuja tuloksia.

Data-parallel computation in parallel and distributed environments

The past few decades have seen a considerable increase in the number of parallel and distributed systems. With the development of more complex applications, the need for more powerful systems has emerged and various parallel and distributed environments have been designed and implemented. Each of the environments, including hardware and software, has unique strengths and weaknesses. There is no single parallel environment that can be identified as the best environment for all applications with respect to hardware and software properties. The main goal of this thesis is to provide a novel way of performing data-parallel computation in parallel and distributed environments by utilizing the best characteristics of difference aspects of parallel computing. For the purpose of this thesis, three aspects of parallel computing were identified and studied. First, three parallel environments (shared memory, distributed memory, and a network of workstations) are evaluated to quantify theirsuitability for different parallel applications. Due to the parallel and distributed nature of the environments, networks connecting the processors in these environments were investigated with respect to their performance characteristics. Second, scheduling algorithms are studied in order to make them more efficient and effective. A concept of application-specific information scheduling is introduced. The application- specific information is data about the workload extractedfrom an application, which is provided to a scheduling algorithm. Three scheduling algorithms are enhanced to utilize the application-specific information to further refine their scheduling properties. A more accurate description of the workload is especially important in cases where the workunits are heterogeneous and the parallel environment is heterogeneous and/or non-dedicated. The results obtained show that the additional information regarding the workload has a positive impact on the performance of applications. Third, a programming paradigm for networks of symmetric multiprocessor (SMP) workstations is introduced. The MPIT programming paradigm incorporates the Message Passing Interface (MPI) with threads to provide a methodology to write parallel applications that efficiently utilize the available resources and minimize the overhead. The MPIT allows for communication and computation to overlap by deploying a dedicated thread for communication. Furthermore, the programming paradigm implements an application-specific scheduling algorithm. The scheduling algorithm is executed by the communication thread. Thus, the scheduling does not affect the execution of the parallel application. Performance results achieved from the MPIT show that considerable improvements over conventional MPI applications are achieved.

Introducing massively parallel computers into operational weather forecasting

Numerical weather prediction and climate simulation have been among the computationally most demanding applications of high performance computing eversince they were started in the 1950's. Since the 1980's, the most powerful computers have featured an ever larger number of processors. By the early 2000's, this number is often several thousand. An operational weather model must use all these processors in a highly coordinated fashion. The critical resource in running such models is not computation, but the amount of necessary communication between the processors. The communication capacity of parallel computers often fallsfar short of their computational power. The articles in this thesis cover fourteen years of research into how to harness thousands of processors on a single weather forecast or climate simulation, so that the application can benefit as much as possible from the power of parallel high performance computers. The resultsattained in these articles have already been widely applied, so that currently most of the organizations that carry out global weather forecasting or climate simulation anywhere in the world use methods introduced in them. Some further studies extend parallelization opportunities into other parts of the weather forecasting environment, in particular to data assimilation of satellite observations.

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.

FPGA:lle sulautetulla mikroprosessorilla toteutettu sähkökäytön säätöjärjestelmä

Sähkökäyttöjen ohjauselektroniikka koostuu yleensä hyvin monista eri komponenteista, jolloin järjestelmän toimivuutta haittaavat esimerkiksi piirilevyvetoihin kytkeytyvät häiriöt. Tässä diplomityössä selvitetään, kuinka sähkökäyttöjen ohjausjärjestelmä voidaan toteuttaa FPGA-piirillä ja sille sulautetulla mikroprosessorilla. Tällöin koko ohjausjärjestelmä toteutetaan käyttäen vain yhtä mikropiiriä. FPGA-piirit ovat ohjelmoitavia logiikkapiirejä, joiden koko ja nopeus ovat kasvaneet riittävän suuriksi tällaisiin järjestelmiin. FPGA-piirille voidaan toteuttaa sulautettu prosessori kahdella tapaa, laitteistolohkona tai käyttäen piirillä olevaa logiikkaa. Piirillä olevaa logiikkaa käyttäen saadaan monia etuja, kuten järjestelmän helppo päivittäminen ja ominaisuuksien muuttaminen. Xilinx tarjoaa FPGA-piireilleen ohjelmistopohjaisen MicroBlaze-nimisen prosessoriytimen, joka tehokkuutensa ansiosta soveltuu hyvin käytettäväksi monimutkaisissa järjestelmissä kuten tietoliikenne-, sulautetuissa ja kuluttajamarkkinoiden laitteissa. Jotta prosessoria voitaisiin käyttää mahdollisimman tehokkaasti, tutustutaan myös reaaliaikakäyttöjärjestelmän tarjoamiin etuihin ja sovelletaan tälläistä järjestelmää yksinkertaisen oikosulkumoottorin ohjausjärjestelmän toteuttamiseen.

Developing of the Variable Speed Drive -control in simulated parallel pumping systems

This thesis presents briefly the basic operation and use of centrifugal pumps and parallel pumping applications. The characteristics of parallel pumping applications are compared to circuitry, in order to search analogy between these technical fields. The purpose of studying circuitry is to find out if common software tools for solving circuit performance could be used to observe parallel pumping applications. The empirical part of the thesis introduces a simulation environment for parallel pumping systems, which is based on circuit components of Matlab Simulink —software. The created simulation environment ensures the observation of variable speed controlled parallel pumping systems in case of different controlling methods. The introduced simulation environment was evaluated by building a simulation model for actual parallel pumping system at Lappeenranta University of Technology. The simulated performance of the parallel pumps was compared to measured values of the actual system. The gathered information shows, that if the initial data of the system and pump perfonnance is adequate, the circuitry based simulation environment can be exploited to observe parallel pumping systems. The introduced simulation environment can represent the actual operation of parallel pumps in reasonably accuracy. There by the circuitry based simulation can be used as a researching tool to develop new controlling ways for parallel pumps.

Error Modeling and Accuracy Analysis of a Novel Mobile Hybrid Parallel Robot

Over the last decades, calibration techniques have been widely used to improve the accuracy of robots and machine tools since they only involve software modification instead of changing the design and manufacture of the hardware. Traditionally, there are four steps are required for a calibration, i.e. error modeling, measurement, parameter identification and compensation. The objective of this thesis is to propose a method for the kinematics analysis and error modeling of a newly developed hybrid redundant robot IWR (Intersector Welding Robot), which possesses ten degrees of freedom (DOF) where 6-DOF in parallel and additional 4-DOF in serial. In this article, the problem of kinematics modeling and error modeling of the proposed IWR robot are discussed. Based on the vector arithmetic method, the kinematics model and the sensitivity model of the end-effector subject to the structure parameters is derived and analyzed. The relations between the pose (position and orientation) accuracy and manufacturing tolerances, actuation errors, and connection errors are formulated. Computer simulation is performed to examine the validity and effectiveness of the proposed method.

Laakerikipinöintilaskurin toteuttaminen FPGA- piirillä

FPGA- piirit ovat viime vuosina kehittyneet tehokkaammiksi, mutta samalla niiden hinta on laskenut tasolle, jolloin ne ovat vaihtoehto yhä useampiin sovelluksiin. Kandidaatintyöni aiheena oli suunnitella ja mahdollisesti toteuttaa sulautettu laite, joka laskisi signaalissa esiintyvien pulssien lukumäärää. Sitä käytettäisiin mitattaessa kipinöintiä sähkömoottorin laakeroinnissa. Kipinät havaitaan moottorin ulkopuolelta UHF- antennilla. Antennisignaalista poimittavat pulssit ovat hyvin nopeita, joten digitaaliselta logiikalta vaaditaan myös erityistä nopeutta. Tämän takia laitetta lähdettiin toteuttamaan esimerkiksi mikrokontrollerin sijasta FPGA- piirin avulla. Pulssilaskurin toteutus onnistui suhteellisen vaivattomasti FPGAlla, ja sen toimivuutta käytännössä päästiin testaamaan todellisissa olosuhteissa.

Parallel-Operating Three-Phase Voltage Source Inverters – Circulating CurrentModeling, Analysis and Mitigation

The maximum realizable power throughput of power electronic converters may be limited or constrained by technical or economical considerations. One solution to this problemis to connect several power converter units in parallel. The parallel connection can be used to increase the current carrying capacity of the overall system beyond the ratings of individual power converter units. Thus, it is possible to use several lower-power converter units, produced in large quantities, as building blocks to construct high-power converters in a modular manner. High-power converters realized by using parallel connection are needed for example in multimegawatt wind power generation systems. Parallel connection of power converter units is also required in emerging applications such as photovoltaic and fuel cell power conversion. The parallel operation of power converter units is not, however, problem free. This is because parallel-operating units are subject to overcurrent stresses, which are caused by unequal load current sharing or currents that flow between the units. Commonly, the term ’circulatingcurrent’ is used to describe both the unequal load current sharing and the currents flowing between the units. Circulating currents, again, are caused by component tolerances and asynchronous operation of the parallel units. Parallel-operating units are also subject to stresses caused by unequal thermal stress distribution. Both of these problemscan, nevertheless, be handled with a proper circulating current control. To design an effective circulating current control system, we need information about circulating current dynamics. The dynamics of the circulating currents can be investigated by developing appropriate mathematical models. In this dissertation, circulating current models aredeveloped for two different types of parallel two-level three-phase inverter configurations. Themodels, which are developed for an arbitrary number of parallel units, provide a framework for analyzing circulating current generation mechanisms and developing circulating current control systems. In addition to developing circulating current models, modulation of parallel inverters is considered. It is illustrated that depending on the parallel inverter configuration and the modulation method applied, common-mode circulating currents may be excited as a consequence of the differential-mode circulating current control. To prevent the common-mode circulating currents that are caused by the modulation, a dual modulator method is introduced. The dual modulator basically consists of two independently operating modulators, the outputs of which eventually constitute the switching commands of the inverter. The two independently operating modulators are referred to as primary and secondary modulators. In its intended usage, the same voltage vector is fed to the primary modulators of each parallel unit, and the inputs of the secondary modulators are obtained from the circulating current controllers. To ensure that voltage commands obtained from the circulating current controllers are realizable, it must be guaranteed that the inverter is not driven into saturation by the primary modulator. The inverter saturation can be prevented by limiting the inputs of the primary and secondary modulators. Because of this, also a limitation algorithm is proposed. The operation of both the proposed dual modulator and the limitation algorithm is verified experimentally.

Permanent Magnet Synchronous Machine for Parallel Hybrid Vehicle

The aim of this thesis is to describe hybrid drive design problems, the advantages and difficulties related to the drive. A review of possible hybrid constructions, benefits of parallel, series and series-parallel hybrids is done. In the thesis analytical and finite element calculations of permanent magnet synchronous machines with embedded magnets were done. The finite element calculations were done using Cedrat’s Flux 2D software. This machine is planned to be used as a motor-generator in a low power parallel hybrid vehicle. The boundary conditions for the design were found from Lucas-TVS Ltd., India. Design Requirements, briefly: • The system DC voltage level is 120 V, which implies Uphase = 49 V (RMS) in a three phase system. • The power output of 10 kW at base speed 1500 rpm (Torque of 65 Nm) is desired. • The maximum outer diameter should not be more than 250 mm, and the maximum core length should not exceed 40 mm. The main difficulties which the author met were the dimensional restrictions. After having designed and analyzed several possible constructions they were compared and the final design selected. Dimensioned and detailed design is performed. Effects of different parameters, such as the number of poles, number of turns and magnetic geometry are discussed. The best modification offers considerable reduction of volume.

GAMS MINLP Solver comparisons and some improvements to the AlphaECP algorithm

I doktorsavhandlingen undersöks förmågan att lösa hos ett antal lösare för optimeringsproblem och ett antal svårigheter med att göra en rättvis lösarjämförelse avslöjas. Dessutom framläggs några förbättringar som utförts på en av lösarna som heter GAMS/AlphaECP. Optimering innebär, i det här sammanhanget, att finna den bästa möjliga lösningen på ett problem. Den undersökta klassen av problem kan karaktäriseras som svårlöst och förekommer inom ett flertal industriområden. Målet har varit att undersöka om det finns en lösare som är universellt snabbare och hittar lösningar med högre kvalitet än någon av de andra lösarna. Det kommersiella optimeringssystemet GAMS (General Algebraic Modeling System) och omfattande problembibliotek har använts för att jämföra lösare. Förbättringarna som presenterats har utförts på GAMS/AlphaECP lösaren som baserar sig på skärplansmetoden Extended Cutting Plane (ECP). ECP-metoden har utvecklats främst av professor Tapio Westerlund på Anläggnings- och systemteknik vid Åbo Akademi.

Optimizing Customer Energy Invoice Calculation with Parallel Computation

Diplomityön tarkoituksena on optimoida asiakkaiden sähkölaskun laskeminen hajautetun laskennan avulla. Älykkäiden etäluettavien energiamittareiden tullessa jokaiseen kotitalouteen, energiayhtiöt velvoitetaan laskemaan asiakkaiden sähkölaskut tuntiperusteiseen mittaustietoon perustuen. Kasvava tiedonmäärä lisää myös tarvittavien laskutehtävien määrää. Työssä arvioidaan vaihtoehtoja hajautetun laskennan toteuttamiseksi ja luodaan tarkempi katsaus pilvilaskennan mahdollisuuksiin. Lisäksi ajettiin simulaatioita, joiden avulla arvioitiin rinnakkaislaskennan ja peräkkäislaskennan eroja. Sähkölaskujen oikeinlaskemisen tueksi kehitettiin mittauspuu-algoritmi.