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.

The Dynamics of Force Fluctuations in Shear Granular Flows

Tämän työn tavoitteena oli tutkia rakeisen materiaalin kinematiikkaa ja rakentaa koelaitteisto rakeisen materiaalin leikkausjännitysvirtauksien tutkimiseen. Kokeellisessa osassa on keskitytty sisäisiin voimaheilahteluihin ja niiden ymmärtämiseen. Teoriaosassa on käyty läpi rakeisen materiaalin yleisiä ominaisuuksia ja lisäksi on esitetty kaksi eri tapaa mallintaa fysikaalisien ominaisuuksien heilahteluja rakeisessa materiaalissa. Nämä kaksi esitettyä mallinnusmenetelmää ovat skalaarinen q-malli ja simulointi. Skalaarinen q-malli määrittelee jokaiseen yksittäiseen rakeeseen kohdistuvan jännityksen, rakeen ollessa osa 2- tai 3-dimensionaalista asetelmaa. Tämän mallin perusidea on kuvata jännityksien epähomogeenisuutta, joka johtuu rakeiden satunnaisasettelusta. Simulointimallinnus perustuu event-driven algoritmiin, missä systeemin dynamiikkaa kuvataan yksittäisillä partikkelien törmäyksillä. Törmäyksien vaiheet ratkaistiin käyttämällä liikemääräyhtälöitä ja restituution määritelmää. Teoriaosuudessa käytiin vielä pieniltä osin läpi syitä jännitysheilahteluihin ja rakeisen materiaalin lukkiintumiseen. Tutkimuslaitteistolla tutkittiin rakeisen materiaalin käyttäytymistä rengasmaisessa leikkausjännitysvirtauksessa. Tutkimusosuuden päätavoitteena oli mitata partikkelien kosketuksista ja törmäyksistä johtuvia hetkellisiä voimaheilahteluja rengastilavuuden pohjalta. Rakeisena materiaalina tutkimuksessa käytettiin teräskuulia. Jännityssignaali ajan funktiona osoittaa suurta heilahtelua, joka voi olla jopa kertalukua keskiarvosta suurempaa. Tällainen suuren amplitudin omaava heilahtelu on merkittävä haittapuoli yleisesti rakeisissa materiaaleissa käytettyjen jatkuvuusmallien kanssa. Tällainen heilahtelu tekee käytetyt jatkuvuusmallit epäpäteviksi. Yleisellä tasolla jännityksien todennäköisyysjakauma on yhtäpitävä skalaarisen q-mallin tuloksien kanssa. Molemmissa tapauksissa todennäköisyysjakaumalla on eksponentiaalinen muoto.

Nelitietrukin ohjausjärjestelmän suunnittelu QFD-laatutyökalua hyväksikäyttäen

Tämä työ käsittelee tuotekehitysprojektia, jonka tarkoituksena on suunnitella uusi nelitietyöntömastotrukki asiakaslähtöisesti QFD-laatutyökalua hyväksi käyttäen. Työ esittelee QFD-laatutyökalun, sekä varsinkin sen nelivaiheisen ASI:n toimintamallin. Työ antaa myös perusvalmiudet ASI:n toimintamallin käyttöön tuotekehitysprojektissa. Työssä keskitytään tarkastelemaan uuden ohjausjärjestelmän mekaanista kehittelyä. Suunnittelutyössä käytetään hyväksi ASI:n (American Supplier Institute) nelivaiheista QFD-laatutyökalua, joka on autoteollisuuden toimintatapoihin perustuva QFD-tekniikka. QFD tulee sanoista Quality Funcktion Deployment ja vapaasti suomennettuna se merkitsee asiakaslähtöinen tuotesuunnittelu. Nelivaiheinen QFD-malli koostuu seuraavista matriiseista: 1. Tuotteen suunnittelu, 2. osien suunnittelu ja kehittäminen, 3. prosessin suunnittelu sekä 4. tuotannon suunnittelu. Matriisin tulokset muodostavat aina seuraavan matriisin lähtökohdat. Ensimmäisen matriisin lähtökohdat muodostuvat asiakastarvekuvauksesta, joka saadaan haastatteluista, tutkimuksista yms. Tuotekehitysprojektissa kehitetty TEM-monitietrukki, jossa rajattomasti ympäripyöriviä tukipyöriä ohjataan CAN-väylän kautta älykkäällä ohjauslogiikalla, on markkinoilla erittäin kilpailukykyinen sekä ominaisuuksiensa että hintansa puolesta. QFD yhdessä huolellisesti analysoidun asiakastarvekuvauksen kanssa selkeyttää ja priorisoi tuotteen spesifikaation määrittelyä sekä ohjaa tuotteen kehittelyä ja tuotannollistamista. Tuotekehitysprojekti pysyy aikataulussaan ja tuotannollistamisen kynnyksellä tehtävät muutokset vähenevät selkeän jäsentelyn ansiosta.

Monitelakalanterin ulosottotelan analysointi ja kehittäminen

Työn tarkoituksena on selvittää uusien ulosottotelaratkaisujen käyttömahdollisuutta sekä levitystelojen tarvetta on-line-monitelakalanterissa. Uusia ratkaisuja tutkitaan teoreettisesti. On-line-konseptissa ajonopeus on suuri. Tällöin paperirata liikkuu sileillä teloilla yleensä ilmafilmialueella. Ilmafilmi paperiradan ja telan välissä mahdollistaa radan ja telan nopeuden riippumattomuuden toisistaan. Ilmafilmikerros toimii liukulaakerin tavoin radan ja telan välissä. Ilmafilmin muodostumiseen vaikuttavat useat muuttujat. Ilmafilmiä, sileän telan pitoa sekä ilmanpainetta radan ja telan välissä mitattiin koeajossa Metso Paper Oy:n Järvenpään WEB3000-tutkimuslaitoksessa. Saatujen teoreettisten tulosten perusteella uudet ulosottotelaratkaisut ovat mahdollisia. Ulosottotelaa voidaan pyörittää tietyissä olosuhteissa paperirataa hitaammin tai ulosottotela voidaan korvata palkkityyppisellä radankääntölaitteella. Samoin levitystelojen poisto alimmista positioista on mahdollista.

ADVANCED NUMERICAL METHODS FOR SIMULATING MICROBUBBLE IN AN AERATED MIXING TANK

Fluid mixing in mechanically agitated tanks is one of the major unit operations in many industries. Bubbly flows have been of interest among researchers in physics, medicine, chemistry and technology over the centuries. The aim of this thesis is to use advanced numerical methods for simulating microbubble in an aerated mixing tank. Main components of the mixing tank are a cylindrical vessel, a rotating Rushton turbine and the air nozzle. The objective of Computational Fluid Dynamics (CFD) is to predict fluid flow, heat transfer, mass transfer and chemical reactions. The CFD simulations of a turbulent bubbly flow are carried out in a cylindrical mixing tank using large eddy simulation (LES) and volume of fluid (VOF) method. The Rushton turbine induced flow is modeled by using a sliding mesh method. Numerical results are used to describe the bubbly flows in highly complex liquid flow. Some of the experimental works related to turbulent bubbly flow in a mixing tank are briefly reported. Numerical simulations are needed to complete and interpret the results of the experimental work. Information given by numerical simulations has a major role in designing and scaling-up mixing tanks. The results of this work have been reported in the following scientific articles: ·Honkanen M., Koohestany A., Hatunen T., Saarenrinne P., Zamankhan P., Large eddy simulations and PIV experiments of a two-phase air-water mixer, in Proceedings of ASME Fluids Engineering Summer Conference (2005). ·Honkanen M., Koohestany A., Hatunen T., Saarenrinne P., Zamankhan P., Dynamical States of Bubbling in an Aerated Stirring Tank, submitted to J. Computational Physics.

Sähköisen lineaariservomoottorijärjestelmän dynamiikan simulointi

Työssä johdettiin sähköisen lineaariservomoottorijärjestelmän dynaaminen malli. Lineaarimoottori on keksintönä vanha, mutta vasta viimeaikoina kestomagneettimateriaalien kehittyessä ja halvetessa lineaarimoottorista on tullut varteenotettava vaihtoehto pyörivän moottorin ja lineaarisen liikkeen toteuttavan mekanismin yhdistelmälle. Kestomagnetoituja lineaarimoottoreita käytetään sovelluksissa, joissa tarvitaan tarkkaa paikoitusta ja nopeudella ja kiihtyvyydellä on suuret vaatimukset. Moottorimalli toteutettiin vuorovaikutteisena simulointimallina. Moottorimalli, josta saatiin moottorin voima, rakennettiin MatLabâ 6.0/Simulinkâ –ohjelmalle ja moottoriin kiinnitetyn mekaniikan malli ADAMS 10.0 –ohjelmalle. Mallit on liitetty tämän jälkeen vuorovaikutteiseksi simulointimalliksi. Simuloinnista saatuja tuloksia on verrattu koneautomaation laboratorioon hankitun lineaarimoottorijärjestelmän mitattuihin vasteisiin.

Tukin asemointi sahausta varten

Diplomityössä tutkittiin tukinpyörityksen yleisimpiä ongelmia. Tutkimus selvitti tukinpyörityksen ongelmien syitä, sekä määritti kahden tukinpyörityslaitteiston takuuarvot. Tutkimuksen kohteena oli myös prosessiparametrien muutoksen vaikutus pyöritystarkkuuteen. Tukin pyöritysvirheen ja saannon yhteyttä tutkittiin teorian perusteella. Tukin onnistuneessa asemoinnissa sahaukseen täytyy hallita tukinpyöritys sekä -suuntaus. Tukin virheellinen asemointi heikentää saantoa. Raaka-ainekustannukset ovat suurimmat yksittäiset kustannukset sahoilla, siksi tukin virheellinen asemointi heikentää sahan taloudellista tulosta voimakkaasti. Työn tuloksista käy ilmi, ettei tukinpyörityksen onnistuminen riipu ainoastaan mekaanisista ratkaisuista, järjestelmän kaikkien komponenttien on toimittava moitteettomasti. Mekaniikka ei toteuta pyörityskäskyjä oikein, jos käskyt ovat epätarkkoja. Tukinpyörityksen tarkkuuden mittaukseen on kiinnitetty huomiota vasta äskettäin. Tunnusluvut, jotka kuvaavat tukinpyöritystarkkuutta ovat vakiintumassa yleiseen käyttöön. Työn tulosten perusteella voidaan tukinpyörityslaitteistojen myynti perustaa tutkimustiedolle.

The contribution of real-time mirror reflections of motor actions on virtual body ownership in an immersive virtual environment

This paper reports an experiment that investigated people"s body ownership of an avatar that was observed in a virtual mirror. Twenty subjects were recruited in a within-groups study where 10 first experienced a virtual character that synchronously reflected their upper-body movements as seen in a virtual mirror, and then an asynchronous condition where the mirror avatar displayed prerecorded actions, unrelated to those of the participant. The other 10 subjects experienced the conditions in the opposite order. In both conditions the participant could carry out actions that led to elevation above ground level, as seen from their first person perspective and correspondingly in the mirror. A rotating virtual fan eventually descended to 2m above the ground. The hypothesis was that synchronous mirror reflection would result in higher subjective sense of ownership. A questionnaire analysis showed that the body ownership illusion was significantly greater for thesynchronous than asynchronous condition. Additionally participants in the synchronous condition avoided collision with the descending fan significantly more often than those in the asynchronous condition. The results of this experiment are put into context within similar experiments on multisensory correlation and body ownership within cognitive neuroscience.

Towards a digital body: the virtual arm illusion

The integration of the human brain with computers is an interesting new area of applied neuroscience, where one application is replacement of a person"s real body by a virtual representation. Here we demonstrate that a virtual limb can be made to feel part of your body if appropriate multisensory correlations are provided. We report an illusion that is invoked through tactile stimulation on a person"s hidden real right hand with synchronous virtual visual stimulation on an aligned 3D stereo virtual arm projecting horizontally out of their shoulder. An experiment with 21 male participants showed displacement of ownership towards the virtual hand, as illustrated by questionnaire responses and proprioceptive drift. A control experiment with asynchronous tapping was carried out with a different set of 20 male participants who did not experience the illusion. After 5 min of stimulation the virtual arm rotated. Evidence suggests that the extent of the illusion was also correlated with the degree of muscle activity onset in the right arm as measured by EMG during this period that the arm was rotating, for the synchronous but not the asynchronous condition. A completely virtual object can therefore be experienced as part of one"s self, which opens up the possibility that an entire virtual body could be felt as one"s own in future virtual reality applications or online games, and be an invaluable tool for the understanding of the brain mechanisms underlying body ownership.

Populaation monimuotoisuuden mittaaminen liukulukukoodatuissa evoluutioalgoritmeissa

Diplomityössä esitetään menetelmä populaation monimuotoisuuden mittaamiseen liukulukukoodatuissa evoluutioalgoritmeissa, ja tarkastellaan kokeellisesti sen toimintaa. Evoluutioalgoritmit ovat populaatiopohjaisia menetelmiä, joilla pyritään ratkaisemaan optimointiongelmia. Evoluutioalgoritmeissa populaation monimuotoisuuden hallinta on välttämätöntä, jotta suoritettu haku olisi riittävän luotettavaa ja toisaalta riittävän nopeaa. Monimuotoisuuden mittaaminen on erityisen tarpeellista tutkittaessa evoluutioalgoritmien dynaamista käyttäytymistä. Työssä tarkastellaan haku- ja tavoitefunktioavaruuden monimuotoisuuden mittaamista. Toistaiseksi ei ole ollut olemassa täysin tyydyttäviä monimuotoisuuden mittareita, ja työn tavoitteena on kehittää yleiskäyttöinen menetelmä liukulukukoodattujen evoluutioalgoritmien suhteellisen ja absoluuttisen monimuotoisuuden mittaamiseen hakuavaruudessa. Kehitettyjen mittareiden toimintaa ja käyttökelpoisuutta tarkastellaan kokeellisesti ratkaisemalla optimointiongelmia differentiaalievoluutioalgoritmilla. Toteutettujen mittareiden toiminta perustuu keskihajontojen laskemiseen populaatiosta. Keskihajonnoille suoritetaan skaalaus, joko alkupopulaation tai nykyisen populaation suhteen, riippuen lasketaanko absoluuttista vai suhteellista monimuotoisuutta. Kokeellisessa tarkastelussa havaittiin kehitetyt mittarit toimiviksi ja käyttökelpoisiksi. Tavoitefunktion venyttäminen koordinaattiakseleiden suunnassa ei vaikuta mittarin toimintaan. Myöskään tavoitefunktion kiertäminen koordinaatistossa ei vaikuta mittareiden tuloksiin. Esitetyn menetelmän aikakompleksisuus riippuu lineaarisesti populaation koosta, ja mittarin toiminta on siten nopeaa suuriakin populaatioita käytettäessä. Suhteellinen monimuotoisuus antaa vertailukelpoisia tuloksia riippumatta parametrien lukumäärästä tai populaation koosta.

Cardan Gear Mechanism versus Slider-Crank Mechanism in Pumps and Engines

In machine design we always want to save space, save energy and produce as much power as possible. We can often reduce accelerations, inertial loads and energy consumption by changing construction. In this study the old cardan gear mechanism (hypocycloid mechanism) has been compared with the conventional slider-crank mechanism in air pumps and four-stroke engines. Comprehensive Newtonian dynamics has been derived for the both mechanisms. First the slidercrank and the cardan gear machines have been studied as lossless systems. Then the friction losses have been added to the calculations. The calculation results show that the cardan gear machines can be more efficient than the slider-crank machines. The smooth running, low mass inertia, high pressures and small frictional power losses make the cardan gear machines clearly better than the slider-crank machines. The dynamic tooth loads of the original cardan gear construction do not rise very high when the tooth clearances are kept tight. On the other hand the half-size crank length causes high bearing forces in the cardan gear machines. The friction losses of the cardan gear machines are generally quite small. The mechanical efficiencies are much higher in the cardan gear machines than in the slider-crank machines in normal use. Crankshaft torques and power needs are smaller in the cardan gear air pumps than in the equal slider-crank air pumps. The mean crankshaft torque and the mean output power are higher in the cardan gear four-stroke engines than in the slider-crank four-stroke engines in normal use. The cardan gear mechanism is at its best, when we want to build a pump or an engine with a long connecting rod (≈ 5⋅crank length) and a thin piston (≈ 1.5⋅crank length) rotating at high angular velocity and intermittently high angular acceleration. The cardan gear machines can be designed also as slide constructions without gears. Suitable applications of the cardan gear machines are three-cylinder half-radial engines for motorcycles, sixcylinder radial engines for airplanes and six-cylinder double half-radial engines for sport cars. The applied equations of Newtonian dynamics, comparative calculations, calculation results (tables, curves and surface plots) and recommendations presented in this study hold novelty value and are unpublished before. They have been made and written by the author first time in this study.

Rotational Doppler effect in magnetic resonance

We compute the shift in the frequency of the spin resonance in a solid that rotates in the field of a circularly polarized electromagnetic wave. Electron-spin resonance, nuclear magnetic resonance, and ferromagnetic resonance are considered. We show that contrary to the case of the rotating LC circuit, the shift in the frequency of the spin resonance has strong dependence on the symmetry of the receiver. The shift due to rotation occurs only when rotational symmetry is broken by the anisotropy of the gyromagnetic tensor, by the shape of the body or by magnetocrystalline anisotropy. General expressions for the resonance frequency and power absorption are derived and implications for experiment are discussed.

Microwave spectrometry for the Evaluation of the structural integrity of metallic stents

Purpose: To assess the feasibility of a method based on microwave spectrometry to detect structural distortions of metallic stents in open air conditions and envisage the prospects of this approach toward possible medical applicability for the evaluation of implanted stents. Methods: Microwave absorbance spectra between 2.0 and 18.0 GHz were acquired in open air for the characterization of a set of commercial stents using a specifically design setup. Rotating each sample over 360º, 2D absorbance diagrams were generated as a function of frequency and rotation angle. To check our approach for detecting changes in stent length (fracture) and diameter (recoil), two specific tests were performed in open air. Finally, with a few adjustments, this same system provides 2D absorbance diagrams of stents immersed in a water-based phantom, this time over a bandwidth ranging from 0.2 to 1.8 GHz. Results: The authors show that metallic stents exhibit characteristic resonant frequencies in their microwave absorbance spectra in open air which depend on their length and, as a result, may reflect the occurrence of structural distortions. These resonances can be understood considering that such devices behave like dipole antennas in terms of microwave scattering. From fracture tests, the authors infer that microwave spectrometry provides signs of presence of Type I to Type IV stent fractures and allows in particular a quantitative evaluation of Type III and Type IV fractures. Recoil tests show that microwave spectrometry seems able to provide some quantitative assessment of diametrical shrinkage, but only if it involves longitudinal shortening. Finally, the authors observe that the resonant frequencies of stents placed inside the phantom shift down with respect to the corresponding open air frequencies, as it should be expected considering the increase of dielectric permittivity from air to water. Conclusions: The evaluation of stent resonant frequencies provided by microwave spectrometry allows detection and some quantitative assessment of stent fracture and recoil in open air conditions. Resonances of stents immersed in water can be also detected and their characteristic frequencies are in good agreement with theoretical estimates. Although these are promising results, further verifica tion in a more relevant phantom is required in order to foresee the real potential of this approach.

Growth and magnetic characterization of Co nanoparticles obtained by femtosecond pulsed laser deposition.

We present a detailed study on the morphology and magnetic properties of Co nanostructures deposited onto oxidized Si substrates by femtosecond pulsed laser deposition. Generally, Co disks of nanometric dimensions are obtained just above the ablation threshold, with a size distribution characterized by an increasingly larger number of disks as their size diminishes, and with a maximum disk size that depends on the laser power density. In Au/Co/Au structures, in-plane magnetic anisotropy is observed in all cases, with no indication of superparamagnetism regardless of the amount of material or the laser power density. Magnetic force microscopy observations show coexistence of single-domain and vortex states for the magnetic domain structure of the disks. Superconducting quantum interference device magnetometry and x-ray magnetic circular dichroism measurements point to saturation magnetization values lower than the bulk, probably due to partial oxidation of the Co resulting from incomplete coverage by the Au capping layer.

Designing a new type of support for rotary kilns

Lime kiln is used as a part of the modern kraft pulp process in order to produce burnt lime from lime mud. This rotating kiln is supported by support rollers, which are traditionally supported by journal bearings. Since the continuous growth in the production of pulp mills requires larger lime kilns, the traditional bearing construction has become unreliable. The main problem especially involves the running-in phase of the bearings. In the present thesis, a new type of support roller was developed by using the systematic approach of machine design. Structural analysis was conducted on the critical parts of the selected structure by the finite element method. The operation of hydrodynamic bearings was examined by analytical methods. As a result of this work, a new type of support for rotating kilns was designed, which is more reliable and easier to service. A new support roller geometry is described, which pro¬vides for significant cost savings.