Caratterizzazione e generazione di segnali PWM per amplificatori in classe D ad alta efficienza

The convergence of information technology and consumer electronics towards battery powered portable devices has increased the interest in high efficiency, low dissipation amplifiers. Class D amplifiers are the state of the art in low power consumption and high performance amplification. In this thesis we explore the possibility of exploiting nonlinearities introduced by the PWM modulation, by designing an optimized modulation law which scales its carrier frequency adaptively with the input signal's average power while preserving the SNR, thus reducing power consumption. This is achieved by means of a novel analytical model of the PWM output spectrum, which shows how interfering harmonics and their bandwidth affect the spectrum. This allows for frequency scaling with negligible aliasing between the baseband spectrum and its harmonics. We performed low noise power spectrum measurements on PWM modulations generated by comparing variable bandwidth, random test signals with a variable frequency triangular wave carrier. The experimental results show that power-optimized frequency scaling is both feasible and effective. The new analytical model also suggests a new PWM architecture that can be applied to digitally encoded input signals which are predistorted and compared with a cosine carrier, which is accurately synthesized by a digital oscillator. This approach has been simulated in a realistic noisy model and tested in our measurement setup. A zero crossing search on the obtained PWM modulation law proves that this approach yields an equivalent signal quality with respect to traditional PWM schemes, while entailing the use of signals whose bandwidth is remarkably smaller due to the use of a cosine instead of a triangular carrier.

Realizzazione e collaudo di un inverter di media tensione per prove su formette

L’introduzione massiccia dell’elettronica di potenza nel campo degli azionamenti elettrici negli ultimi decenni ha sostanzialmente rivoluzionato la tipologia di alimentazione dei motori elettrici. Da un lato ciò ha migliorato la qualità del controllo della velocità, ma dall’altro ha aggravato le sollecitazioni che gli isolanti delle macchine devono sopportare. Si è infatti passati da tecniche di controllo tradizionali, che consistevano nell’alimentare i motori in alternata direttamente con la rete sinusoidale a 50 Hz (o a 60 Hz), ad alimentazioni indirette, cioè realizzate interponendo tra la rete e la macchina un convertitore elettronico (inverter). Tali dispositivi operano una conversione di tipo ac/dc e dc/ac che permette, come nella modulazione Pulse Width Modulation (PWM), di poter variare la frequenza di alimentazione della macchina, generando una sequenza di impulsi di larghezza variabile. Si è quindi passati dalle tradizionali alimentazioni con forme d’onda alternate sinusoidali a forme di tensione impulsive e ad elevata frequenza, cioè caratterizzate da rapidi fronti di salita e di discesa (dell’ordine di qualche kV/µs). La natura impulsiva di queste forme d’onda ha aggravato la sollecitazione elettrica a cui sono sottoposti i materiali impiegati per l’isolamento dei conduttori degli avvolgimenti delle macchine. E’ importante notare che l’utilizzo dei dispositivi elettronici, che ormai si trovano sparsi nelle reti di bassa tensione, assorbono correnti ad elevato contenuto armonico sul lato di prelievo, hanno quindi un effetto distorcente che altera l’andamento sinusoidale della rete stessa. Quindi, senza opportuni filtri, anche tutte le altre utenze connesse nelle vicinanze, dimensionate per alimentazioni sinusoidali di tipo tradizionale, possono risentire di queste distorsioni armoniche. Per tutti questi motivi è sorta la necessità di verificare l’adeguatezza dei tradizionali isolamenti ad essere in grado di sopportare le sollecitazioni che derivano dall’utilizzo di convertitori elettronici. In particolare, per i motori elettrici tale interrogativo è stato posto in seguito al verificarsi di un elevato numero di guasti inaspettati (precoci), probabilmente imputabile alla diversa sollecitazione elettrica applicata ai materiali. In questa tesi ci si è occupati della progettazione di un inverter di media tensione, che verrà impiegato per eseguire prove sugli avvolgimenti di statore di motori (formette), al fine di condurre successivamente uno studio sull’invecchiamento dei materiali che compongono gli isolamenti. Tale inverter è in grado di generare sequenze di impulsi con modulazione PWM. I parametri caratteristici delle sequenze possono essere modificati in modo da studiare i meccanismi di degradazione in funzione della tipologia delle sollecitazioni applicate. Avendo a che fare con provini di natura capacitiva, il cui isolamento può cedere durante la prova, il sistema deve essere intrinsecamente protetto nei confronti di tutte le condizioni anomale e di pericolo. In particolare deve essere in grado di offrire rapide ed efficaci protezioni per proteggere l’impianto stesso e per salvaguardare la sicurezza degli operatori, dato l’elevato livello delle tensioni in gioco. Per questo motivo è stata pensata un’architettura di sistema ad hoc, in grado di fronteggiare le situazioni anomale in modo ridondante. E’ infatti stato previsto l’inserimento di un sistema di controllo basato sul CompactRIO, sul quale è stato implementato un software in grado di monitorare le grandezze caratteristiche del sistema e le protezioni che affiancheranno quelle hardware, realizzate con dispositivi elettronici. I dispositivi elettronici di protezione e di interfacciamento sono stati studiati, implementati e simulati con PSpice, per poi essere successivamente dimensionati e realizzati su schede elettroniche, avvalendosi del software OrCAD. La tesi è strutturata come segue: - Il primo capitolo tratta, in maniera generale, i motori asincroni trifase, gli inverter e l’invecchiamento dei sistemi isolanti, con particolare interesse alle sollecitazioni meccaniche, termiche ed elettriche nel caso di sollecitazioni impulsive; - Il secondo capitolo riguarda il sistema realizzato nel suo complesso. Inizialmente verrà descritto lo schema elettrico generale, per poi analizzare più nello specifico le varie parti di cui il sistema è composto, come l’inverter di media tensione, il generatore di media tensione, la scheda di disaccoppiamento ottico, la scheda di controllo del generatore di media tensione, la scheda OCP; - Il terzo capitolo descrive le lavorazioni meccaniche eseguite sulle scatole contenti i rami di inverter, la realizzazione delle fibre ottiche e riporta le fasi di collaudo dell’intero sistema. Infine, verranno tratte le conclusioni.

Modeling and Design of Phase Shifted Full Bridge Isolated DC-DC ZVS Converter with Peak Current Mode Control

Nowadays, there is a boom in the use of electrification. Electric vehicles are gaining interest worldwide due to various factors, including climate and environmental awareness. In this thesis, a step-down isolated power supply for electric tractors is investigated, specifically the phase-shifted full-bridge (PSFB) DC-DC with synchronous rectification and zero-voltage switching (ZVS). This converter was selected for its high-power capacity with high efficiency. A 3500 W PSFB converter with peak current control (PCCM) is designed and modeled in MATLAB. The input voltage range is from 550 V to 820 V and the output voltage range is limited to 9 V to 16 V with a maximum output current of 250 A. All components were commercially designed and selected, including magnetics for the high-frequency transformer and inductors, taking into account loss calculations. Zero voltage switching for the lagging leg is achieved at 13% to 100% load. The proven efficiency of the converter is around 90

Power sharing e controllo modulare di macchine elettriche multi-trifase

La costante ricerca e lo sviluppo nel campo degli azionamenti e dei motori elettrici hanno portato ad una loro sempre maggiore applicazione ed utilizzo. Tuttavia, la crescente esigenza di sistemi ad alta potenza sempre più performanti da una parte ha evidenziato i limiti di certe soluzioni, dall’altra l’affermarsi di altre. In questi sistemi, infatti, la macchina elettrica trifase non rappresenta più l’unica soluzione possibile: negli ultimi anni si è assistito ad una sempre maggiore diffusione di macchine elettriche multifase. Grazie alle maggiori potenzialità che sono in grado di offrire, per quanto alcune di queste siano ancora sconosciute, risultano già essere una valida alternativa rispetto alla tradizionale controparte trifase. Sicuramente però, fra le varie architetture multifase, quelle multi-trifase (ovvero quelle con un numero di fasi multiplo di tre) rappresentano una soluzione particolarmente vantaggiosa in ambito industriale. Infatti, se impiegate all’interno di architetture multifase, la profonda conoscenza dei tradizionali sistemi trifase consente di ridurre i costi ed i tempi legati alla loro progettazione. In questo elaborato la macchina elettrica multi-trifase analizzata è una macchina sincrona esafase con rotore a magneti permanenti superficiali. Questa particolare tipologia di macchina elettrica può essere modellizzata attraverso due approcci completamente differenti: uno esafase ed uno doppio trifase. Queste possibilità hanno portato molti ricercatori alla ricerca della migliore strategia di controllo per questa macchina. L’obiettivo di questa tesi è di effettuare un’analisi comparativa tra tre diverse strategie di controllo applicate alla stessa macchina elettrica multi-trifase, analizzandone la risposta dinamica in diverse condizioni di funzionamento.

A novel approach to Non-Orthogonal Random Access with application to NB-IoT NTN systems

In the Massive IoT vision, millions of devices need to be connected to the Internet through a wireless access technology. However, current IoT-focused standards are not fully prepared for this future. In this thesis, a novel approach to Non-Orthogonal techniques for Random Access, which is the main bottleneck in high density systems, is proposed. First, the most popular wireless access standards are presented, with a focus on Narrowband-IoT. Then, the Random Access procedure as implemented in NB-IoT is analyzed. The Non-Orthogonal Random Access technique is presented next, along with two potential algorithms for the detection of non-orthogonal preambles. Finally, the performance of the proposed solutions are obtained through numerical simulations.

Random Access Procedures in 5G IoT via NTN: System level performances

The Internet of Things (IoT) is a critical pillar in the digital transformation because it enables interaction with the physical world through remote sensing and actuation. Owing to the advancements in wireless technology, we now have the opportunity of using their features to the best of our abilities and improve over the current situation. Indeed, the Internet of Things market is expanding at an exponential rate, with devices such as alarms and detectors, smart metres, trackers, and wearables being used on a global scale for automotive and agriculture, environment monitoring, infrastructure surveillance and management, healthcare, energy and utilities, logistics, good tracking, and so on. The Third Generation Partnership Project (3GPP) acknowledged the importance of IoT by introducing new features to support it. In particular, in Rel.13, the 3GPP introduced the so-called IoT to support Low Power Wide Area Networks (LPWAN).As these devices will be distributed in areas where terrestrial networks are not feasible or commercially viable, satellite networks will play a complementary role due to their ability to provide global connectivity via their large footprint size and short service deployment time. In this context, the goal of this thesis is to investigate the viability of integrating IoT technology with satellite communication (SatCom) systems, with a focus on the Random Access(RA) Procedure. Indeed, the RA is the most critical procedure because it allows the UE to achieve uplink synchronisation, obtain the permanent ID, and obtain uplink transmission resources. The goal of this thesis is to evaluate preamble detection in the SatCom environment.

Development of Software Tools for the Test of Ultra Wide Band Receivers

In the last years, the importance of locating people and objects and communicating with them in real time has become a common occurrence in every day life. Nowadays, the state of the art of location systems for indoor environments has not a dominant technology as instead occurs in location systems for outdoor environments, where GPS is the dominant technology. In fact, each location technology for indoor environments presents a set of features that do not allow their use in the overall application scenarios, but due its characteristics, it can well coexist with other similar technologies, without being dominant and more adopted than the others indoor location systems. In this context, the European project SELECT studies the opportunity of collecting all these different features in an innovative system which can be used in a large number of application scenarios. The goal of this project is to realize a wireless system, where a network of fixed readers able to query one or more tags attached to objects to be located. The SELECT consortium is composed of European institutions and companies, including Datalogic S.p.A. and CNIT, which deal with software and firmware development of the baseband receiving section of the readers, whose function is to acquire and process the information received from generic tagged objects. Since the SELECT project has an highly innovative content, one of the key stages of the system design is represented by the debug phase. This work aims to study and develop tools and techniques that allow to perform the debug phase of the firmware of the baseband receiving section of the readers.

Implementazione di un codice di calcolo random close per un propellente solido

L’impacchettamento risulta essere importante in molti settori industriali, come il settore minerario, farmaceutico e soprattutto il settore spaziale, in quanto permette di massimizzare il grado di riempimento del propellente solido di un razzo ottenendo prestazioni migliori e notevoli vantaggi economici. Il lavoro di tesi presentato nel seguente elaborato consiste nello studio dell’impacchettamento casuale, in particolare il caso Random Close Packing, di un propellente solido; per fare ciò è stato implementato un codice in ambiente C++ presso l’hangar della Scuola di Ingegneria ed Architettura con sede a Forlì. L’obiettivo principale era quello di trovare la granulometria delle particelle di perclorato di ammonio e delle particelle di alluminio tali da minimizzare gli spazi lasciati vuoti dalle particelle stesse.

Crystallization and morphology of the PLLA phase within random poly (L-lactide-ran-ɛ-caprolactone)

This work has mainly focused on the poly (L-lactide) (PLLA) which is a material for multiple applications with performances comparable to those of petrochemical polymers (PP, PS, PET, etc. ...), readily recyclable and also compostable. However, PLLA has certain shortcomings that limit its applications. It is a brittle, hard polymer with a very low elongation at break, hydrophobic, exhibits low crystallization kinetics and takes a long time to degrade. The properties of PLLA may be modified by copolymerization (random, block, and graft) of L-lactide monomers with other co-monomers. In this thesis it has been studied the crystallization and morphology of random copolymers poly (L-lactide-ran-ε-caprolactone) with different compositions of the two monomers since the physical, mechanical, optical and chemical properties of a material depend on this behavior. Thermal analyses were performed by differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetry (TGA) to observe behaviors due to the different compositions of the copolymers. The crystallization kinetics and morphology of poly (L-lactide-ran-ε-caprolactone) was investigated by polarized light optical microscopy (PLOM) and differential scanning calorimetry (DSC). Their thermal behavior was observed with crystallization from melt. It was observed that with increasing amounts of PCL in the copolymer, there is a decrease of the thermal degradation. Studies on the crystallization kinetics have shown that small quantities of PCL in the copolymer increase the overall crystallization kinetics and the crystal growth rate which decreases with higher quantities of PCL.

Studio e implementazione di un modello random-close per propellenti solidi

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di implementare un codice di calcolo, attraverso l'algoritmo di Lubachevsky-Stillinger, in modo da poter prevedere la frazione volumetrica occupata dalle particelle solide che costituiscono il grain negli endoreattori a propellente solido. Particolare attenzione verrà rivolta al problema dell'impacchettamento sferico random (Random-Close Packing) che tale algoritmo cerca di modellare, e le ipotesi per cui tale modellazione può essere applicata al tipo di problema proposto. Inoltre saranno descritte le procedure effettuate per l'ottenimento dei risultati numerici delle simulazioni e la loro motivazione, oltre ai limiti del modello utilizzato e alle migliorie apportate per un'esecuzione più efficiente e veloce.

Progetto vhdl di un nucleo di calcolo per misure di impedenza basate su segnali pseudo-random

In questo elaborato si affronta il progetto di un nucleo di calcolo per misure d'impedenza sulla pelle tramite l'utilizzo di segnali pseudo-random. La misura viene effettuata applicando il segnale casuale all'impedenza per ottenere la risposta impulsiva tramite un'operazione di convoluzione. Il nucleo di calcolo è stato implementato in VHDL.

Fluctuation properties in random walks on networks and simple integrate and fire models

In questa tesi si è studiato l’insorgere di eventi critici in un semplice modello neurale del tipo Integrate and Fire, basato su processi dinamici stocastici markoviani definiti su una rete. Il segnale neurale elettrico è stato modellato da un flusso di particelle. Si è concentrata l’attenzione sulla fase transiente del sistema, cercando di identificare fenomeni simili alla sincronizzazione neurale, la quale può essere considerata un evento critico. Sono state studiate reti particolarmente semplici, trovando che il modello proposto ha la capacità di produrre effetti "a cascata" nell’attività neurale, dovuti a Self Organized Criticality (auto organizzazione del sistema in stati instabili); questi effetti non vengono invece osservati in Random Walks sulle stesse reti. Si è visto che un piccolo stimolo random è capace di generare nell’attività della rete delle fluttuazioni notevoli, in particolar modo se il sistema si trova in una fase al limite dell’equilibrio. I picchi di attività così rilevati sono stati interpretati come valanghe di segnale neurale, fenomeno riconducibile alla sincronizzazione.

Mission synthesis of sine-on-random excitations for accelerated vibration qualification testing

In most real-life environments, mechanical or electronic components are subjected to vibrations. Some of these components may have to pass qualification tests to verify that they can withstand the fatigue damage they will encounter during their operational life. In order to conduct a reliable test, the environmental excitations can be taken as a reference to synthesize the test profile: this procedure is referred to as “test tailoring”. Due to cost and feasibility reasons, accelerated qualification tests are usually performed. In this case, the duration of the original excitation which acts on the component for its entire life-cycle, typically hundreds or thousands of hours, is reduced. In particular, the “Mission Synthesis” procedure lets to quantify the induced damage of the environmental vibration through two functions: the Fatigue Damage Spectrum (FDS) quantifies the fatigue damage, while the Maximum Response Spectrum (MRS) quantifies the maximum stress. Then, a new random Power Spectral Density (PSD) can be synthesized, with same amount of induced damage, but a specified duration in order to conduct accelerated tests. In this work, the Mission Synthesis procedure is applied in the case of so-called Sine-on-Random vibrations, i.e. excitations composed of random vibrations superimposed on deterministic contributions, in the form of sine tones typically due to some rotating parts of the system (e.g. helicopters, engine-mounted components, …). In fact, a proper test tailoring should not only preserve the accumulated fatigue damage, but also the “nature” of the excitation (in this case the sinusoidal components superimposed on the random process) in order to obtain reliable results. The classic time-domain approach is taken as a reference for the comparison of different methods for the FDS calculation in presence of Sine-on-Random vibrations. Then, a methodology to compute a Sine-on-Random specification based on a mission FDS is presented.

On the recurrence of random walks in Lévy random environments

This thesis investigates one-dimensional random walks in random environment whose transition probabilities might have an infinite variance. The ergodicity of the dynamical system ''from the point of view of the particle'' is proved under the assumptions of transitivity and existence of an absolutely continuous steady state on the space of the environments. We show that, if the average of the local drift over the environments is summable and null, then the RWRE is recurrent. We provide an example satisfying all the hypotheses.