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.

GTK+ toolkit on mobile Linux devices

Linux -käyttöjärjestelmä on laajasti käytössä palvelin- ja työpöytätietokoneissa. Linux on lisäämässä suosiotaan kuitenkin myös sulautetuissa laitteissa, kuten PDA:issa, kännyköissä sekä erilaisissateollisuusjärjestelmissä. Näytön koko, suorituskyky ja käytettävyys asettavat omia erityisiä tarpeitaan laitteiden graafiselle käyttöliittymälle. Linux -käyttöjärjestelmälle on olemassa useita käyttöliittymäkirjastoja, joista GTK+ on yksi yleisimmin käytetyistä. Tämä diplomityö esittelee sulautetun Linux -käyttöjärjestelmän ja GTK+ käyttöliittymäkirjaston, selvittäen miten hyvin ne soveltuvat mobiileihin päätelaitteisiin. Yksi suurimmista esteistä työpöytäkäyttöön suunnattujen teknologioiden, kuten GTK+, muokkaamisessa mobiileihin päätelaitteisiin on suorituskyky. Osana tätä työtä kehitettiin GtkPerf -niminen työkalu, jolla GTK+:n suorituskykyä eri alustoilla pystytään helposti mittaamaan ja havaitsemaan mahdollisia pullonkauloja. Tämän työn johtopäätöksenä on, että pienillä muokkailuilla ja optimoinneilla GTK+ soveltuu myös mobiileihin päätelaitteisiin. Ensimmäinen kaupallisesti saatavilla oleva GTK+ -pohjainen päätelaite, Nokia 770 Internet Tablet, on tästä osoituksena.

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.

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.

Suitability of Ultra Wideband for Mobile Devices

Mobiililaitteet ovat kehittyneet merkittävästi viimeisen vuosikymmenen aikana. Ne eivät enää ole pelkästään puhelimia tai kämmentietokoneita, vaan multimediatietokoneita, jotka pystyvät tuottamaan korkealaatuisia elämyksiä käyttäjälleen.Sisällön laadun paraneminen johtaa väistämättä myös siirrettävän tietomäärän kasvamiseen. Siksi uusia, nopeampia tiedonsiirtomenetelmiä on otettava käyttöön. Ultra Wideband (UWB) on uusi radioaaltotekniikka, jokamahdollistaa korkeat tiedonsiirtonopeudet lyhyillä etäisyyksillä. Tekniikka operoi erittäin leveällä 3.1 - 10.6 gigahertsin taajuuskaistalla.UWB on suunnattu nopeaan, langattomaan tiedonsiirtoon personal area networkin (PAN) laitteiden välillä. Tämän diplomityön tarkoituksena on arvioida UWBn soveltuvuutta mobiililaitteisiin. Arviointi tehdään teoreettiselta pohjalta, sillä UWBtä ei vielä ole implementoitu kaupallisiin laitteisiin. Ensin esitellään UWBn tekniikka ja ominaisuudet, jonka jälkeen sen soveltuvuutta arvioidaan esimerkkikäyttötapausten valossa. Esimerkkikäyttötapauksiksi on valittu kolme tyypillistä mutta erilaista toimintoa, jotka mahdollisimman hyvin kuvaavat mobiililaitteiden käyttöä.

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.

The synchronization of personal information between mobile devices and online services by using SyncML

Monet henkilökohtaiset mobiililaitteet tarjoavat mahdollisuuden tallentaa henkilötietoja ja mahdollisuuden lyhyen kantaman radiotekniikoiden hyödyntämiseen. Vastaavasti henkilötietoja käyttävien tai vaativien verkkopalveluiden määrä on kasvussa. Mobiililaitteisiin tallennetut henkilötiedot tarjoavat potentiaalisen keinon välttää samojen henkilötietojen toistuva käsinsyöttö erilaisiin verkkopalveluihin ja keskitettyyn ajantasallapitoon. Tässä työssä käydään läpi ratkaisumalli henkilökohtaisen mobiililaitteen ja verkkopalveluiden välillä tapahtuvaan henkilötietojen siirtoon ja synkronointiin. Malli pohjautuu selainlaajennukseen, joka voi pyytää sekä selaimessa auki olevalta verkkopalvelun sivulta että mobiililta päätelaitteelta senhetkiset henkilötiedot ja synkronoida ne. Jo olemassaolevia henkilötietojen hallintaa helpottavia ratkaisuja käydään läpi arvioiden käyttökelpoisuutta tämänkaltaisiin tarpeisiin. Ratkaisumallin kannalta olennaiset tekniikat ja standardit, erityisesti Bluetooth ja SyncML, esitellään. Ratkaisumallin arkkitehtuuri käydään korkealla tasolla läpi ja esitellään toteutuksen yksityiskohtia. Tuloksena on periaatteeltaan kelvollinen henkilökohtaisten tietojen synkronointijärjestelmä, jonka toteutusta nykyisten mobiilien päätelaitteiden toiminnallisuus jossain määrin hankaloittaa.

Sulautetun moniprosessorijärjestelmän suunnittelu sähkömoottorien ohjaus- ja valvontatarpeisiin

Universal Converter (UNICON) –projektin osana suunniteltiin sähkömoottorikäyttöjen ohjaukseen ja mittaukseen soveltuva digitaaliseen signaaliprosessoriin (DSP) pohjautuva sulautettu järjestelmä. Riittävän laskentatehon varmistamiseksi päädyttiin käyttämään moniprosessorijärjestelmää. Prosessorijärjestelmässä käytettävää DSP-piiriä valittaessa valintaperusteina olivat piirien tarjoama prosessointiteho ja moniprosessorituki. Analog Devices:n SHARC-sarjan DSP-piirit täyttivät parhaiten asetetut vaatimukset: Ne tarjoavat tehokkaan käskykannan lisäksi suuren sisäisen muistin ja sisäänrakennetun moniprosessorituen. Järjestelmän mittalaiteluonteisuudesta johtuen keskeinen suunnitteluparametri oli luoda nopeat tiedonsiirtoyhteydet mittausantureilta DSP-järjestelmään. Tämä toteutettiin käyttäen ohjelmointavia FPGA-logiikkapiirejä digitaalimuotoisen mittausdatan vastaanotossa ja esikäsittelyssä. Tiedonsiirtoyhteys PC-tietokoneelle toteutettiin käyttäen erityistä liityntäkorttia DSP-järjestelmän ja PC-tietokoneen välillä. Liityntäkortin päätehtävänä on puskuroida siirrettävä data. Järjestelyllä estetään PC-tietokoneen vaikutus DSP-järjestelmän toimintaan, jotta kyetään takaamaan järjestelmän reaaliaikainen toiminta kaikissa olosuhteissa.

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.

Adaptive Protocol Stacks for Mobile Devices

Tulevaisuudessa siirrettävät laitteet, kuten matkapuhelimet ja kämmenmikrot, pystyvät muodostamaan verkkoyhteyden käyttäen erilaisia yhteysmenetelmiä eri tilanteissa. Yhteysmenetelmillä on toisistaan poikkeavat viestintäominaisuudet mm. latenssin, kaistanleveyden, virhemäärän yms. suhteen. Langattomille yhteysmenetelmille on myös ominaista tietoliikenneyhteyden ominaisuuksien voimakas muuttuminen ympäristön suhteen. Parhaan suorituskyvyn ja käytettävyyden saavuttamiseksi, on siirrettävän laitteen pystyttävä mukautumaan käytettyyn viestintämenetelmään ja viestintäympäristössä tapahtuviin muutoksiin. Olennainen osa tietoliikenteessä ovat protokollapinot, jotka mahdollistavat tietoliikenneyhteyden järjestelmien välillä tarjoten verkkopalveluita päätelaitteen käyttäjäsovelluksille. Jotta protokollapinot pystyisivät mukautumaan tietyn viestintäympäristön ominaisuuksiin, on protokollapinon käyttäytymistä pystyttävä muuttamaan ajonaikaisesti. Perinteisesti protokollapinot ovat kuitenkin rakennettu muuttumattomiksi niin, että mukautuminen tässä laajuudessa on erittäin vaikeaa toteuttaa, ellei jopa mahdotonta. Tämä diplomityö käsittelee mukautuvien protokollapinojen rakentamista käyttäen komponenttipohjaista ohjelmistokehystä joka mahdollistaa protokollapinojen ajonaikaisen muuttamisen. Toteuttamalla esimerkkijärjestelmän, ja mittaamalla sen suorituskykyä vaihtelevassa tietoliikenneympäristössä, osoitamme, että mukautuvat protokollapinot ovat mahdollisia rakentaa ja ne tarjoavat merkittäviä etuja erityisesti tulevaisuuden siirrettävissä laitteissa.

Context-based services for mobile devices

The subject of this master’s thesis was developing a context-based reminder service for mobile devices. Possible sources of context were identified and analyzed. One such source is geographical location obtained via a GPS receiver. These receivers consume a lot of power and techniques and algorithms for reducing power consumptions were proposed and analyzed. The service was implemented as an application on a series 60 mobile phone. The application requirements, user interface and architecture are presented. The end-user experiences are discussed and possible future development and research areas are presented.

Presenting HTML Content Using Mobile Devices

Tämä diplomityö käsittelee HTML-sivujen näyttämistä käytettävästi mobiililla päätelaitteella. Tutkimuskohteena on sivujen käytettävyyden parantaminen mobiilissa internetselaimessa. Diplomityössä esitetään havaittuja käytettävyysongelmia ja pohditaan ratkaisuja näihin selaimessa. Teoriataustaa tarkastellaan useista käytettävyyden näkökulmista, käyttäen apuna tutkimuksia ja teorioita. Tutkimuksiin ja teorioihin perustuen suunnitellaan selaimessa tapahtuvat muutokset, jotka mahdollistaisivat sivujen hyvän käytettävyyden. Tutkimusainestoa kerättiin aikaisimmista käytettävyystutkimuksista, suosituksista sekä tieteellisistä analyyseistä. Tarkastelun kohteena olivat myös nykyisten mobiilien internetselainten käyttämät ratkaisut havaittuihin käytettävyysongelmiin. Työn tuloksena esitetään mobiiliin selaimeen toteutettavat sääntöjoukot, jotka muovaisivat HTML-sivut käytettäväksi päätelaitteelle. Ratkaisuna annetaan ehdotuksia sisällön esittämistavalle ja pohditaan näissä syntyneitä ongelmia. Tulevaisuudessa kun sääntöjoukko on toteutettu selaimeen sillä suoritetaan käytettävyystestaukset.

Positioning Wireless Mobile Terminal Devices

Positioning techniques enable the positioning of mobile transportation vehicles. Location information can be used in transport planning as well as in vehicles. Information can also be transferred between vehicles and transport planning. For example, pickup and delivery information and route instructions can be exchanged wirelessly. In this thesis, techniques suitable for positioning vehicles are studied, as well as techniques enabling wireless connectivity of the vehicles to the transport planning system. A prototype based on one positioning and connectivity technique is implemented. As a result, a system capable of positioning vehicles is created. The vehicles can be located almost in real-time. The accuracy in positioning is sufficient to visualise the locations on a good quality 1:20000 city map.

Remote File Access with Wireless Symbian Devices

Erilaisten langattomien päätelaitteiden kuten älypuhelimien ja kommunikaattoreiden määrän lisääntyessä myös kiinnostus liikkuville käyttäjille lisäarvoa tuottavia verkkopalveluita ja -sovelluksia kohtaan kasvaa. Työn tarkoituksena oli tutkia kuinka langattomat Symbianin käyttöjärjestelmää käyttävät laitteet voivat hyödyntää verkkotiedostoja. Työssä arvioitiin eri tiedostojenjakoprotokollien käytettävyyttä langattomissa verkoissa, määriteltiin etätiedostoyhteyden Symbian-alustalle tarjoavan ohjelmiston vaatimukset ja tehtiin alustava suunnitelma ohjelmiston toteuttamiseksi. Läpinäkyvä tiedostojen etäkäyttö vaatii tiedostojenjakoprotokollan toteuttamista sovelluksille yhteisen tiedostosaantimekanismin alle. Tiedostojen etäkäyttö voi perustua eri tiedostojenjakoprotokolliin kuten IP:n päällä toimiviin NFS:ään tai CIFS:ään. Langattomuuden aiheuttamat rajoitukset laitteissa ja tiedonsiirrossa saattavat vähentää sovellutuksen käytettävyyttä ja on huomioitava ohjelmistoa toteutettaessa. Symbian-alusta perustuu asiakas-palvelin arkkitehtuuriin, jossa asiakassovellukset käyttävät tiedostopalveluita yhteisen tiedostopalvelimen kautta. Etätiedostoyhteys on mahdollista toteuttaa liittämällä uusi kirjastomoduuli tiedostopalvelimeen. Protokollan toteuttavan moduulin on muunnettava protokollan viestit tiedostopalvelimelle sopiviksi huolehtien samalla muista samanaikaisista tiedostotapahtumista. Suunniteltu moduulin arkkitehtuuri mahdollistaa eri protokollavaihtoehtojen käyttämisen etätiedostoyhteyden toteuttamiseen.

Profitability Analysis of Service Contracts of Devices

The objective of this study has been to make a profitability analysis of service contracts for a company in Finland. The purpose has been to see how profitable the contracts are and if there possibly were some things to change or develop in the contracts. Allocation rules of cost accounting, service costs both profitability and management of services have been considered in the theory part. All the service contracts that have been valid at least three last accounting periods have been included in the study. All direct costs relating to the contracts have been collected and indirect costs have been assigned to the contracts. Profitability of the contracts has been calculated over three years. Results have been analyzed according to the key figures the company is controlling. Some suggestions for developments have been given at the end of the study. The study has shown differences between the contracts. Part of them has turned out to be like the profitability aims of the company and part less profitable. The study has shown that many factors have an effect on the profitability of the service contracts.