Diseño, implementación y verificación de un controlador para robots educativos

[EN] This project briefly analyzes the scope and applications of Industrial Robotics, as well as the importance that this technical discipline has gained in the past decades. In addition, it proposes a modern platform to assist in teaching this discipline in colleges and universities. This new educational platform for the teaching of Industrial Robotics is based on the robotic systems from Rhino Robotics Ltd., using the existing robotic arms and replacing the control electronics by a newer, modern and yet backwards-compatible controller. In addition to the controller, this platform also provides new, up-to-date software utilities that are more intuitive than those provided with the old system. The work to be done consists essentially in receiving commands from a personal computer which the controller must interpret in order to control the motors of the robotic arm. The controller itself will be implemented as an embedded system based on microcontrollers. This requires the implementation of a communication protocol between the personal computer and the microcontroller, the design of a command interpreter, the design of the electronics for motor control using PWM and H-bridges, and the implementation of control techniques (more precisely, PID control). Hence, this project combines software and hardware design and integration techniques with motor control techniques and feedback control methods from Control Engineering, along with the kinematic analysis of the Rhino XR-4 robotic arm. 

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.

A multilevel converter structure for grid-connected PV plants

A new conversion structure for three-phase grid-connected photovoltaic (PV) generation plants is presented and discussed in this Thesis. The conversion scheme is based on two insulated PV arrays, each one feeding the dc bus of a standard 2-level three-phase voltage source inverter (VSI). Inverters are connected to the grid by a traditional three-phase transformer having open-end windings at inverters side and either star or delta connection at the grid side. The resulting conversion structure is able to perform as a multilevel VSI, equivalent to a 3-level inverter, doubling the power capability of a single VSI with given voltage and current ratings. Different modulation schemes able to generate proper multilevel voltage waveforms have been discussed and compared. They include known algorithms, some their developments, and new original approaches. The goal was to share the grid power with a given ratio between the two VSI within each cycle period of the PWM, being the PWM pattern suitable for the implementation in industrial DSPs. It has been shown that an extension of the modulation methods for standard two-level inverter can provide a elegant solution for dual two-level inverter. An original control method has been introduced to regulate the dc-link voltages of each VSI, according to the voltage reference given by a single MPPT controller. A particular MPPT algorithm has been successfully tested, based on the comparison of the operating points of the two PV arrays. The small deliberately introduced difference between two operating dc voltages leads towards the MPP in a fast and accurate manner. Either simulation or experimental tests, or even both, always accompanied theoretical developments. For the simulation, the Simulink tool of Matlab has been adopted, whereas the experiments have been carried out by a full-scale low-voltage prototype of the whole PV generation system. All the research work was done at the Lab of the Department of Electrical Engineering, University of Bologna.

Analysis and Implementation of Multiphase-Multilevel Inverter for Open-Winding Loads

Research work carried out in focusing a novel multiphase-multilevel ac motor drive system much suitable for low-voltage high-current power applications. In specific, six-phase asymmetrical induction motor with open-end stator winding configuration, fed from four standard two-level three-phase voltage source inverters (VSIs). Proposed synchronous reference frame control algorithm shares the total dc source power among the 4 VSIs in each switching cycle with three degree of freedom. Precisely, first degree of freedom concerns with the current sharing between two three-phase stator windings. Based on modified multilevel space vector pulse width modulation shares the voltage between each single VSIs of two three-phase stator windings with second and third degree of freedom, having proper multilevel output waveforms. Complete model of whole ac motor drive based on three-phase space vector decomposition approach was developed in PLECS - numerical simulation software working in MATLAB environment. Proposed synchronous reference control algorithm was framed in MATLAB with modified multilevel space vector pulse width modulator. The effectiveness of the entire ac motor drives system was tested. Simulation results are given in detail to show symmetrical and asymmetrical, power sharing conditions. Furthermore, the three degree of freedom are exploited to investigate fault tolerant capabilities in post-fault conditions. Complete set of simulation results are provided when one, two and three VSIs are faulty. Hardware prototype model of quad-inverter was implemented with two passive three-phase open-winding loads using two TMS320F2812 DSP controllers. Developed McBSP (multi-channel buffered serial port) communication algorithm able to control the four VSIs for PWM communication and synchronization. Open-loop control scheme based on inverse three-phase decomposition approach was developed to control entire quad-inverter configuration and tested with balanced and unbalanced operating conditions with simplified PWM techniques. Both simulation and experimental results are always in good agreement with theoretical developments.

Peak-to-Peak Output Current Ripple Analysis in Multiphase and Multilevel Inverters

Analysis of the peak-to-peak output current ripple amplitude for multiphase and multilevel inverters is presented in this PhD thesis. The current ripple is calculated on the basis of the alternating voltage component, and peak-to-peak value is defined by the current slopes and application times of the voltage levels in a switching period. Detailed analytical expressions of peak-to-peak current ripple distribution over a fundamental period are given as function of the modulation index. For all the cases, reference is made to centered and symmetrical switching patterns, generated either by carrier-based or space vector PWM. Starting from the definition and the analysis of the output current ripple in three-phase two-level inverters, the theoretical developments have been extended to the case of multiphase inverters, with emphasis on the five- and seven-phase inverters. The instantaneous current ripple is introduced for a generic balanced multiphase loads consisting of series RL impedance and ac back emf (RLE). Simplified and effective expressions to account for the maximum of the output current ripple have been defined. The peak-to-peak current ripple diagrams are presented and discussed. The analysis of the output current ripple has been extended also to multilevel inverters, specifically three-phase three-level inverters. Also in this case, the current ripple analysis is carried out for a balanced three-phase system consisting of series RL impedance and ac back emf (RLE), representing both motor loads and grid-connected applications. The peak-to-peak current ripple diagrams are presented and discussed. In addition, simulation and experimental results are carried out to prove the validity of the analytical developments in all the cases. The cases with different phase numbers and with different number of levels are compared among them, and some useful conclusions have been pointed out. Furthermore, some application examples are given.

Studio, simulazione e verifica sperimentale di tecniche di controllo per convertitori multilivello modulari

L’evoluzione dei componenti elettronici di potenza ed il conseguente sviluppo dei convertitori statici dell’energia elettrica hanno consentito di ottenere un’elevata efficienza energetica, sia nell’ambito degli azionamenti elettrici, sia nell’ambito della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. L’efficienza energetica è una questione molto importante nell’attuale contesto storico, in quanto si sta facendo fronte ad una elevatissima richiesta di energia, sfruttando prevalentemente fonti di energia non rinnovabili. L’introduzione dei convertitori statici ha reso possibile un notevolissimo incremento dello sfruttamento delle fonti di energia rinnovabili: si pensi ad esempio agli inverter per impianti fotovoltaici o ai convertitori back to back per applicazioni eoliche. All’aumentare della potenza di un convertitore aumenta la sua tensione di esercizio: le limitazioni della tensione sopportabile dagli IGBT, che sono i componenti elettronici di potenza di più largo impiego nei convertitori statici, rendono necessarie modifiche strutturali per i convertitori nei casi in cui la tensione superi determinati valori. Tipicamente in media ed alta tensione si impiegano strutture multilivello. Esistono più tipi di configurazioni multilivello: nel presente lavoro è stato fatto un confronto tra le varie strutture esistenti e sono state valutate le possibilità offerte dall’architettura innovativa Modular Multilevel Converter, nota come MMC. Attualmente le strutture più diffuse sono la Diode Clamped e la Cascaded. La prima non è modulare, in quanto richiede un’apposita progettazione in relazione al numero di livelli di tensione. La seconda è modulare, ma richiede alimentazioni separate e indipendenti per ogni modulo. La struttura MMC è modulare e necessita di un’unica alimentazione per il bus DC, ma la presenza dei condensatori richiede particolare attenzione in fase di progettazione della tecnica di controllo, analogamente al caso del Diode Clamped. Un esempio di possibile utilizzo del convertitore MMC riguarda le trasmissioni HVDC, alle quali si sta dedicando un crescente interesse negli ultimi anni.

Studio e realizzazione di un inverter trifase a tre livelli

Lo scopo di questa tesi è lo studio e la realizzazione di una specifica tipologia di inverter, l’inverter trifase a tre livelli di tipo Cascaded. Il primo capitolo descrive l’inverter a due livelli e quello multilivello, evidenziandone gli aspetti peculiari e le possibili applicazioni. Il secondo capitolo affronta nello specifico l’inverter a trifase a tre livelli, per il quale, nel terzo capitolo, ne è descritta una realizzazione pratica, costruita presso i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università di Bologna. Nel quarto capitolo vengono presentate alcune prove sperimentali effettuate sul sistema reale.

Power Converters and Electric Drives for Smart Grid Applications

The present dissertation aims to explore, theoretically and experimentally, the problems and the potential advantages of different types of power converters for “Smart Grid” applications, with particular emphasis on multi-level architectures, which are attracting a rising interest even for industrial requests. The models of the main multilevel architectures (Diode-Clamped and Cascaded) are shown. The best suited modulation strategies to function as a network interface are identified. In particular, the close correlation between PWM (Pulse Width Modulation) approach and SVM (Space Vector Modulation) approach is highlighted. An innovative multilevel topology called MMC (Modular Multilevel Converter) is investigated, and the single-phase, three-phase and "back to back" configurations are analyzed. Specific control techniques that can manage, in an appropriate way, the charge level of the numerous capacitors and handle the power flow in a flexible way are defined and experimentally validated. Another converter that is attracting interest in “Power Conditioning Systems” field is the “Matrix Converter”. Even in this architecture, the output voltage is multilevel. It offers an high quality input current, a bidirectional power flow and has the possibility to control the input power factor (i.e. possibility to participate to active and reactive power regulations). The implemented control system, that allows fast data acquisition for diagnostic purposes, is described and experimentally verified.

Studio sul convertitore elettronico per il pilotaggio di motori asincroni trifase

La semplicità, affidabilità, robustezza ed economicità del motore asincrono trifase ne fanno un motore largamente utilizzato sia in ambiente industriale che civile (pompe, ascensori, montacarichi, nastri trasportatori, ventilatori, locomotive ferroviarie, …). È ipotizzabile che in futuro vi sarà sempre più largo impiego di motori elettrici e i recenti sviluppi nella tecnologia dei convertitori elettronici per il controllo dei motori asincroni ne consentiranno l’uso in sempre più estesi ambiti applicativi. La messa sotto tensione di motori a media/alta potenza presenta però, in fase di avviamento, correnti di spunto e coppie elevate che devono essere controllate. In questa tesi saranno pertanto studiate le tecniche di protezione, avviamento e controllo dei motori asincroni trifase Nel primo capitolo esamineremo le funzioni di sezionamento, comando e protezione da cortocircuiti e sovraccarichi e i dispositivi adatti a svolgere tale compito in modo coordinato. Nel secondo capitolo esamineremo le principali tecnologie usate per l’avviamento dei motori, da quelle più semplici a quelle che impiegano dispositivi elettronici allo stato solido: Soft-Starters a tiristori (solo regolazione AC), Inverters a transistori (controllo sia in frequenza che ampiezza della forma d’onda AC generata). Fra tutti i possibili convertitori DC/AC analizzeremo dettagliatamente esclusivamente quelli a controllo PWM analogico che costituiranno l’oggetto della trattazione dei capitoli seguenti.

Studio di un algoritmo di controllo di temperatura per ganasce termosigillanti in macchine per packaging

Gli obiettivi dell'elaborato sono lo studio e la programmazione di un algoritmo di controllo di temperatura per le superfici termosaldanti di macchine per il packaging (confezionatrici in film a file multiple) prodotte dal committente, OMAG srl. L'algoritmo è implementato tramite il software SoMachineMotion v.4.2, prodotto da Schneider Electrics spa. Il controllo è di tipo in anello chiuso in retroazione, con temocoppie e resistenze di riscaldamento con modulazione PWM. Ci si è inizialmente occupati di testare su banco prova varie tipologie di regolatori: a relay, a isteresi, a ricerca diretta del duty cycle, TBH, con approccio misto TBH/integratore di Clegg, PID. I diversi metodi di regolazione sono stati valutati sulla base di una serie di metri di giudizio (precisione dell'inseguimento, prestazioni statiche e dinamiche, flessibilità, peso computazionale, facilità implementativa), pesati secondo i requisiti imposti dal committente. Le metodologie selezionate sono state PID e TBH/Clegg integrator; quest'ultima ha dato risultati assai soddisfacenti, pur essendo un metodo monoparametrico. Si sono quindi studiate diverse modalità per la taratura del regolatore PID, in particolare: tuning in anello chiuso con metodo a relay per la fase di pretuning, algoritmo di Nelder-Mead, per la ricerca diretta continua dei valori che minimizzano l'errore integrale, per un selftuning adattivo. Si è infine proceduto ad implementare le soluzioni individuate in un software robusto, che rispetti gli standard del settore e si sono inoltre sviluppate una serie di funzionalità aggiuntive, quali: modulazione software PWM, preriscaldamento, handling errori/warning, filtraggio segnali in/out. Si è addizionalmente sviluppato un modello matematico predittivo dell'evoluzione del sistema, che potrebbe servire, in un futuro sviluppo, come base per un controllo model-based in cascata al controllo in retroazione studiato.

Inverters multilivello per il pilotaggio di motori asincroni trifase

In questo lavoro di laurea si presentano le varie famiglie di convertitori multilivello MMC (Modular Multilevel Converter). Questi convertitori sono di ausilio per il condizionamento dei parametri di reti elettriche in media e alta tensione e possono anche essere convenientemente utilizzati nel pilotaggio di motori asincroni trifase. Dopo aver esplicitato i principi di funzionamento, presentato i dispositivi di commutazione, le tipologie conosciute e le rispettive principali tecniche di modulazione, si è presentato il motore asincrono trifase, il suo circuito equivalente e le problematiche di accoppiamento ad un inverter. Successivamente si è simulato un inverter multilivello di tipo Diode-Clamped, con modulazione analogica PWM multiportante, che aziona un motore asincrono commerciale, così da poterne verificare le prestazioni in diversi regimi di velocità.

Un nuovo algoritmo di Landing Detection per aeromobili quadri-rotore

In questa tesi si è realizzato un nuovo algoritmo di "Landing Detection",il quale utilizza i dati rilevati dall’accelerometro e dal giroscopio, situati all’interno dell’IMU (Inertial Measurement Unit), e i segnali PWM inviati ad i motori, rappresentati dai livelli dei canali di radiocomunicazione (RC).

Sistema di controllo PID di temperatura con LabVIEW e scheda Arduino

Lo scopo del lavoro svolto e quello di realizzare un sistema di controllo Proporzionale-Integrativo-Derivativo (PID) della temperatura all'interno di un fornetto in una camera a vuoto. Il sistema deve essere in grado di eseguire rampe di temperatura con differenti rapidita di variazione, in vista di un suo futuro impiego nello studio del Desorbimento Termico di diversi materiali. Nella prima parte della tesi, si esaminano le premesse teoriche ai controlli Proporzionali-Integrativi-Derivativi, e sono esposti i metodi di Ziegler-Nichols e di Tyreus-Luyben per ricavare le costanti del PID. Nella seconda parte si descrivono il sistema fisico in esame e l'hardware messo a punto per il sistema di controllo, gestito interfacciandolo con una scheda Arduino. Nella terza parte viene invece trattato il software realizzato con LabVIEW per gestire e controllare l'apparato. Nella quarta parte sono infine mostrati i risultati sperimentali ottenuti, e le conclusioni tratte al termine del lavoro.

Progetto di un dispositivo wireless di feedback tattile per un sistema di ausilio per non vedenti o ipovedenti

La tesi è incentrata sullo studio e sulla progettazione di un dispositivo wireless di feedback tattile per un sistema di ausilio per non vedenti o ipovedenti. Il dispositivo composto da micro motori vibranti avvisa l'utente di imminenti ostacoli nel suo cammino. La rilevazione degli ostacoli è opera del visore, un sistema composto da una videocamera stereo, con elaborazione su FPGA, collegata ad un Odroid-U3. Viene trattato anche lo sviluppo di un'applicazione server, con relativa libreria di funzioni, che permette al visore di comunicare con dispositivi iOS esterni. Quest'ultima parte è avvenuta in collaborazione con il collega Luca Ranalli che si è occupato dell' App client per smartphone e tablet iOS.