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.

Kriittisiä transpositioita : intertekstuaalisuuden teoriat kirjaimen ja metaforan välissä

English summary: Critical transpositions : the literal and the metaphoric in theories of intertextuality

Power quality improving with virtual flux-based voltage source line converter

Line converters have become an attractive AC/DC power conversion solution in industrial applications. Line converters are based on controllable semiconductor switches, typically insulated gate bipolar transistors. Compared to the traditional diode bridge-based power converters line converters have many advantageous characteristics, including bidirectional power flow, controllable de-link voltage and power factor and sinusoidal line current. This thesis considers the control of the lineconverter and its application to power quality improving. The line converter control system studied is based on the virtual flux linkage orientation and the direct torque control (DTC) principle. A new DTC-based current control scheme is introduced and analyzed. The overmodulation characteristics of the DTC converter are considered and an analytical equation for the maximum modulation index is derived. The integration of the active filtering features to the line converter isconsidered. Three different active filtering methods are implemented. A frequency-domain method, which is based on selective harmonic sequence elimination, anda time-domain method, which is effective in a wider frequency band, are used inharmonic current compensation. Also, a voltage feedback active filtering method, which mitigates harmonic sequences of the grid voltage, is implemented. The frequency-domain and the voltage feedback active filtering control systems are analyzed and controllers are designed. The designs are verified with practical measurements. The performance and the characteristics of the implemented active filtering methods are compared and the effect of the L- and the LCL-type line filteris discussed. The importance of the correct grid impedance estimate in the voltage feedback active filter control system is discussed and a new measurement-based method to obtain it is proposed. Also, a power conditioning system (PCS) application of the line converter is considered. A new method for correcting the voltage unbalance of the PCS-fed island network is proposed and experimentally validated.

Tuotekehitys- ja innovaatioprosessin kehittäminen yrityksessä

Tutkimus käsittelee tuotekehitys- ja innovaatioprosessin kehittämistä ja sen vakiinnuttamista kohdeyrityksissä A ja B. Työssä luodaan ensin kirjallisuustutkimuksena yleinen teoreettinen viitekehys ja lähtötilannemalli tuotekehitys- ja innovaatioprosessin referenssimallille. Tämän vaiheen aikanakäsitellään erilaisia elementtejä ja vaiheita, joita tarvitaan kehitysprosessinkuvaamiseen ja sen kehittämiseen. Prosessimallissa ovat keskeisessä osassa päätöspisteet, joiden arviointikriteereitä ja -tekniikoita työssä käsitellään osana portfolion hallinnan eri mahdollisuuksia. Kehitettyä teoreettista mallia lähdetään implementoimaan työn toisessa osassa kohdeyrityksiin A ja B. Implementoinninyhteydessä käydään läpi sekä prosessikuvaus että siihen liittyvät päätöskriteerit. Tutkimuksen lopputuloksena on yrityksille tuotettu esitys innovaatioprosessista ja sen eri osa-alueista tarkemmalla tasolla sekä tutkimuksen puitteissa rakennettu portfoliotyökalu, jolla kehitysprojekteja voidaan hallinnoida niiden eri vaiheissa.

Suurnopeushilaohjain IGB-transistoreille

Hilalta ohjattavien tehokytkimien, kuten IGBT tai MOSFET, ohjaaminen toteutetaan ohjausjännitettä muuttamalla. Hilaohjaimen tehtävä on ladata tehokytkimen hilakapasitanssia ohjattuun jännitteeseen. Hilaohjaimen siirtämän varauksen suuruuteen vaikuttaa hilakapasitanssin todellinen suuruus ja käytettävä ohjausjännite. Hilaohjaimen virrankäsittelykyky määrittää hilaohjaimen nopeuden siinä mielessä, että ohjattavan komponentin hilavaraus tulisi pystyä lataamaan ja purkamaan tietyssä suhteessa kytkentätaajuuteen. Kytkentätaajuuksien kasvaessa myös hilaohjaimen virrankäsittelykyky sekä hilaohjaimen teho joutuvat uudelleen arvioitaviksi. Työssä perehdytään IGBT:n toimintaan ja hilaohjainratkaisuihin suurilla kytkentätaajuuksilla. Työssä ontutkittu mahdollisuutta rakentaa IGBT:n hilaohjain jo markkinoilla olevista MOSFET:ien hilaohjaimista. Suurnopeushilaohjaimesta suunnitellaanja rakennetaan prototyyppi. Prototyypin suoriutumista tehtävistään tarkastellaan tekemällä mittauksia. Lopuksi arvioidaan asioita joiden tulee muuttua matkalla kohti megahertsien kytkentätaajuuksia.

3D-muodot tuoliaihion muotopuristuksessa

Diplomityössä tutkittiin muotopuristeissa käytettävien viilujen soveltuvuutta yhteistyöyrityksen, VK Valmiskaluste Oy:n, valmistaman lepotuolin materiaaliksi. Tuoliaihion muoto edellytti viilun taivuttamista kahteen suuntaan, eli kyseessä oli ns. 3D-muoto. Muotopuristeita valmistavissa yrityksissä tehtyjen haastattelujen perusteella valittiin viilumateriaalit ja mitattiin niiden murtovenymä. Materiaaleja testattiin puristamalla tuoliaihioita. Aihionmuoto edellytti viilulta vähintään 3,3 %:n venyvyyttä. Koepuristuksetvahvistivat murtovenymätestauksen tulokset, eli tutkitun aihion pintarakenne säilyi ehjänä käyttämällä paperitaustaista viilua tai 3D-muotoihin tarkoitettua 3D-viilua. Kirjallisuusosiossa on selvitetty taivutettavuuteen vaikuttavia tekijöitä ja viilun rakenteen muokkausta taivutettavuuden parantamiseksi .

Suurien tahtimoottorien tilaustoimitusprosessin kehittäminen

Työn tavoitteena on ideoida keinoja, joilla tehottomasti toimivaa tilaustoimitusprosessia voidaan kehittää. Ideoidut kehittämistoimet pohjautuvat tilaustoimitusprosessin toimivuutta selvittävään tutkimukseen ja niillä tavoitellaan kohdeyrityksessä valmistettavien suurien tahtikoneiden tilaustoimitusprosessin korkeampaa tuottavuutta ja laaduntuottokykyä, lyhyempiä läpäisyaikoja sekä pienempää keskeneräisen tuotannon määrää. Työssä keskitytään kehittämään tilaustoimitusprosessin alkupään vaiheiden eli tilauskohtaisen suunnittelun ja projektinhoidon epästandardeja toimintatapoja sekä puutteellisia työvälineitä. Työn tutkimusvaiheessa selvitetään tilaustoimitusprosessinnykytila prosessiin osallistuvia henkilöitä haastattelemalla, tutkimalla toteutuneita toimitusaika- ja nimikerakenteita sekä esiintyneitä laatupoikkeamia. Näin pyritään löytämään nykyisen toimintamallin ongelmakohdat, joihin kehittämisen painopistealue asetetaan. Tutkimusvaiheeseen kuuluu myös kirjallisuustutkimus, jossa paneudutaan tilaustoimitusprosessin toimintaan yleisellä tasolla sekä kartoitetaan niitä tekijöitä, jotka vaikuttavat tilaustoimitusprosessin tehokkuuteen. Lisäksi kirjallisuustutkimuksessa perehdytään yksittäistuotantoon liittyvään teoriaan ja erilaisiin tapoihin organisoida sen toimintaa. Tutkimusvaiheen jälkeen esitellään tutkimukseen pohjautuvat toimenpide-ehdotukset kohdeyrityksen tilaustoimitusprosessin tehokkuuden parantamiseksi.Ehdotettuja toimintaa tehostavia keinoja ovat simultaanisuunnittelu, erilaistensuunnittelun ja tuotannon yhteistyötä tukevien tietojärjestelmien rakentaminen,DFMA-analyysin käyttöönotto, tuotteiden rakenteiden tehokas modulointi sekä mallirakenne yrityksen heikoimmin vakioidulle tuotteelle. Ennen kehitystoimien aloittamista yrityksen toimistoprosessin toimivuutta ehdotetaan lisäksi tarkasteltavan työntutkimuksen keinoin.

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.

Project Success through Effective Decisions: Case Studies on Project Goal Setting, Success Evaluation and Managerial Decision Making

The objective of the thesis is to structure and model the factors that contribute to and can be used in evaluating project success. The purpose of this thesis is to enhance the understanding of three research topics. The goal setting process, success evaluation and decision-making process are studied in the context of a project, business unitand its business environment. To achieve the objective three research questionsare posed. These are 1) how to set measurable project goals, 2) how to evaluateproject success and 3) how to affect project success with managerial decisions.The main theoretical contribution comes from deriving a synthesis of these research topics which have mostly been discussed apart from each other in prior research. The research strategy of the study has features from at least the constructive, nomothetical, and decision-oriented research approaches. This strategy guides the theoretical and empirical part of the study. Relevant concepts and a framework are composed on the basis of the prior research contributions within the problem area. A literature review is used to derive constructs of factors withinthe framework. They are related to project goal setting, success evaluation, and decision making. On the basis of this, the case study method is applied to complement the framework. The empirical data includes one product development program, three construction projects, as well as one organization development, hardware/software, and marketing project in their contexts. In two of the case studiesthe analytic hierarchy process is used to formulate a hierarchical model that returns a numerical evaluation of the degree of project success. It has its origin in the solution idea which in turn has its foundation in the notion of projectsuccess. The achieved results are condensed in the form of a process model thatintegrates project goal setting, success evaluation and decision making. The process of project goal setting is analysed as a part of an open system that includes a project, the business unit and its competitive environment. Four main constructs of factors are suggested. First, the project characteristics and requirements are clarified. The second and the third construct comprise the components of client/market segment attractiveness and sources of competitive advantage. Together they determine the competitive position of a business unit. Fourth, the relevant goals and the situation of a business unit are clarified to stress their contribution to the project goals. Empirical evidence is gained on the exploitation of increased knowledge and on the reaction to changes in the business environment during a project to ensure project success. The relevance of a successful project to a company or a business unit tends to increase the higher the reference level of project goals is set. However, normal performance or sometimes performance below this normal level is intentionally accepted. Success measures make project success quantifiable. There are result-oriented, process-oriented and resource-oriented success measures. The study also links result measurements to enablers that portray the key processes. The success measures can be classified into success domains determining the areas on which success is assessed. Empiricalevidence is gained on six success domains: strategy, project implementation, product, stakeholder relationships, learning situation and company functions. However, some project goals, like safety, can be assessed using success measures that belong to two success domains. For example a safety index is used for assessing occupational safety during a project, which is related to project implementation. Product safety requirements, in turn, are connected to the product characteristics and thus to the product-related success domain. Strategic success measures can be used to weave the project phases together. Empirical evidence on their static nature is gained. In order-oriented projects the project phases are oftencontractually divided into different suppliers or contractors. A project from the supplier's perspective can represent only a part of the ¿whole project¿ viewed from the client's perspective. Therefore static success measures are mostly used within the contractually agreed project scope and duration. Proof is also acquired on the dynamic use of operational success measures. They help to focus on the key issues during each project phase. Furthermore, it is shown that the original success domains and success measures, their weights and target values can change dynamically. New success measures can replace the old ones to correspond better with the emphasis of the particular project phase. This adjustment concentrates on the key decision milestones. As a conclusion, the study suggests a combination of static and dynamic success measures. Their linkage to an incentive system can make the project management proactive, enable fast feedback and enhancethe motivation of the personnel. It is argued that the sequence of effective decisions is closely linked to the dynamic control of project success. According to the used definition, effective decisions aim at adequate decision quality and decision implementation. The findings support that project managers construct and use a chain of key decision milestones to evaluate and affect success during aproject. These milestones can be seen as a part of the business processes. Different managers prioritise the key decision milestones to a varying degree. Divergent managerial perspectives, power, responsibilities and involvement during a project offer some explanation for this. Finally, the study introduces the use ofHard Gate and Soft Gate decision milestones. The managers may use the former milestones to provide decision support on result measurements and ad hoc critical conditions. In the latter milestones they may make intermediate success evaluation also on the basis of other types of success measures, like process and resource measures.

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.

A Model for Product Transfer Project

In this thesis a model for managing the product data in a product transfer project was created for ABB Machines. This model was then applied for the ongoing product transfer project during its planning phase. Detailed information about the demands and challenges in product transfer projects was acquired by analyzing previous product transfer projects in participating organizations. This analysis and the ABB Gate Model were then used as a base for the creation of the model for managing the product data in a product transfer project. The created model shows the main tasks during each phase in the project, their sub-tasks and relatedness on general level. Furthermore the model emphasizes need for detailed analysis of the situation during the project planning phase. The created model for managing the product data in a product transfer project was applied into ongoing project two main areas; manufacturing instructions and production item data. The results showed that the greatest challenge considering the product transfer project in previously mentioned areas is the current state of the product data. Based on the findings, process and resource proposals for both the ongoing product transfer project and the BU Machines were given. For manufacturing instructions it is necessary to create detailed process instructions in receiving organizations own language for each department so that the manufacturing instructions can be used as a training material during the training in sending organization. For production item data the English version of the bill of materials needs to be fully in English. In addition it needs to be ensured that bill of materials is updated and these changes implemented before the training in sending organization begins.

Jännitteen reunan hallinta taajuusmuuttajissa

Diplomityössä perehdyttiin taajuusmuuttajien toimintaan ja ohjaukseen. Lisäksi työssä tarkasteltiin vaihtosuuntaajan nopeiden transienttitilojen aiheuttamaa moottorin ylijännitettä. Moottorikaapelin heijastuksia käsiteltiin vertaamalla moottorikaapelia siirtolinjaan ja todennettiin ylijännitteen syyt. Ylijännitteen vähentämiseksi on kehitetty useita suodatusmenetelmiä. Työssä vertailtiin näitä menetelmiä ja kartoitettiin kaupallisia vaihtoehtoja. Taajuusmuuttajan ohjaus on tähän päivään asti tehty yleensä käyttäen mikroprosessoria sekä logiikkapiiriä. Tulevaisuudessa ohjaukseen käytetään todennäköisesti uudelleenohjelmoitavia FPGA-piirejä (Field Programmable Gate Array). FPGA-piirin etuihin kuuluu uudelleenohjelmoitavuus sekä ohjauksen keskittäminen yhdelle piirille.

Flash Memory Cells Reliability Parameters Investigation

The present work is a part of the large project with purpose to qualify the Flash memory for automotive application using a standardized test and measurement flow. High memory reliability and data retention are the most critical parameters in this application. The current work covers the functional tests and data retention test. The purpose of the data retention test is to obtain the data retention parameters of the designed memory, i.e. the maximum time of information storage at specified conditions without critical charge leakage. For this purpose the charge leakage from the cells, which results in decrease of cells threshold voltage, was measured after a long-time hightemperature treatment at several temperatures. The amount of lost charge for each temperature was used to calculate the Arrhenius constant and activation energy for the discharge process. With this data, the discharge of the cells at different temperatures during long time can be predicted and the probability of data loss after years can be calculated. The memory chips, investigated in this work, were 0.035 μm CMOS Flash memory testchips, designed for further use in the Systems-on-Chips for automotive electronics.

Kehitystoiminnan (RTD) systematisointi vaiheittaisen etenemisen ja portfoliojohtamisen avulla

Kehitystoimintaan liittyvä termi, innovaatio, voidaan määritellä monella eri tavalla. Riippumatta tarkasta määritelmästä innovaatioiden johtaminen voidaan määritellä prosessiksi, jossa eri suoritusvaiheet seuraavat toisiaan. Olennaista on erottaa innovaatioprosessin alkupää ja varsinainen kehitysprojekti toisistaan. Innovaatioprosessin alkupää mielletään usein sumeaksi ja vaikeasti hallittavaksi, kun taas kehitysprojektin johtamiseen on kehitetty systemaattisia menetelmiä, esimerkiksi Stage-Gate-prosessi. Kehitysprojektien johtamisessa ongelmaksi muodostuu resurssien riittämättömyys mahdollisiin projekteihin nähden. Tämä liittää kehitystoiminnan kiinteästi portfoliojohtamiseen. RTD-toiminnalla tarkoitetaan UPM Timberissä kehitystoimintaa, joka sisältää tuotekehityksen lisäksi myös prosessien ja teknologian kehitystoiminnot. UPM Timberiltä on puuttunut systemaattinen toimintamalli RTD-projektien läpiviemiseksi eikä niiden valintaan ja resurssien allokointiin ole ollut järjestelmää. Tutkimuksessa määritetään RTD-toiminnan kriittiset menestystekijät sekä muodostetaan UPM Timberille RTD-toiminnan kehityshaasteet. Niiden perusteella luodaan UPM Timberille systemaattinen toimintamalli, RTD-prosessikuvaus, RTD-projektien läpiviemiseksi sekä integroidaan portfoliojohtaminen toimintamalliin.

Paperikoneen hyötysuhteen parantaminen kunnossapidon keinoin

Stora Enson Kotkan tehtaiden paperikone yksi on pieni erikoislaatuja tekevä paperikone, jonka hy6tysuhteen parantamiseen on etsitty keinoja kunnossapidon toimesta. Kansainvälisen kilpailun kiristyessä sekä raaka aineiden ja energian kallistuessa paperikoneen hy6tysuhteen tulee olla korkealla tasolla. Tämän diplomity6n kirjallisuusosassa on perehdytty yleisesti kunnossapidon käsitteisiin ja toimintatapoihin. Vikaantumisen osiossa on pyritty l6ytamaan mekanismi laakereiden vikaantumiseen ja kunnonvalvonnalla keinot laakereiden vikaantumisen ehkäisyyn. Työn käytännön osiossa tutkittiin paperikoneen häiriökirjauksia vuosilta 2006 ja 2007 tehtaan toiminnanohjausjärjestelmistä. Samanaikaisesti selvitettiin toimenpidekirjauksia ja tehtyjä korjauksia samoihin kohteisiin, joissa vikaantumista tapahtuu. Tavoitteena oli selvittää syyt suuriin hairi6seisokkiaikoihin sekä analysoida suunniteltujen ja suunnittelemattomien seisokkien suhdetta. Tutkimuksessa havaittiin häiriökirjauksien puutteellisuus ja kirjauksien merkitys häiriöiden ennaltaehkäisyssä.