Design of a state observer using decay rate LMI constraints for fault detection in mechanical systems

Nowadays, one of the most important concerns for many companies is to maintain the operation of their systems without sudden equipment break down. Because of this, new techniques for fault detection and location in mechanical systems subject to dynamic loads have been developed. This paper studies of the influence of the decay rate in the design of state observers using LMI for fault detection in mechanical systems. This influence is analyzed by the performance index proposed by Huh and Stein for the condition of a state observer. An example is presented to illustrate the methodology discussed.

Use of myoelectric signals to command mobile entertainment robot by disabled children: Design and control architecture

Severely disabled children have little chance of environmental and social exploration and discovery. This lack of interaction and independency may lead to an idea that they are unable to do anything by themselves. In an attempt to help children in this situation, educational robotics can offer and aid, once it can provide them a certain degree of independency in the exploration of environment. The system developed in this work allows the child to transmit the commands to a robot through myoelectric and movement sensors. The sensors are placed on the child's body so they can obtain information from the body inclination and muscle contraction, thus allowing commanding, through a wireless communication, the mobile entertainment robot to carry out tasks such as play with objects and draw. In this paper, the details of the robot design and control architecture are presented and discussed. With this system, disabled children get a better cognitive development and social interaction, balancing in a certain way, the negative effects of their disabilities. © 2012 IEEE.

Analysis and Design Considerations of an Electric Vehicle Powertrain regarding Energy Efficiency and Magnetic Field Exposure

En esta tesis se analiza el sistema de tracción de un vehículo eléctrico de batería desde el punto de vista de la eficiencia energética y de la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros (radiación electromagnética). Este estudio incluye tanto el sistema de almacenamiento de energía como la máquina eléctrica, junto con la electrónica de potencia y los sistemas de control asociados a ambos. Los análisis y los resultados presentados en este texto están basados en modelos matemáticos, simulaciones por ordenador y ensayos experimentales a escala de laboratorio. La investigación llevada a cabo durante esta tesis tuvo siempre un marcado enfoque industrial, a pesar de estar desarrollada en un entorno de considerable carácter universitario. Las líneas de investigación acometidas tuvieron como destinatario final al diseñador y al fabricante del vehículo, a pesar de lo cual algunos de los resultados obtenidos son preliminares y/o excesivamente académicos para resultar de interés industrial. En el ámbito de la eficiencia energética, esta tesis estudia sistemas híbridos de almacenamiento de energía basados en una combinación de baterías de litio y supercondensadores. Este tipo de sistemas son analizados desde el punto de vista de la eficiencia mediante modelos matemáticos y simulaciones, cuantificando el impacto de ésta en otros parámetros tales como el envejecimiento de las baterías. Respecto a la máquina eléctrica, el estudio se ha centrado en máquinas síncronas de imanes permanentes. El análisis de la eficiencia considera tanto el diseño de la máquina como la estrategia de control, dejando parcialmente de lado el inversor y la técnica de modulación (que son incluidos en el estudio como fuentes adicionales de pérdidas, pero no como potenciales fuentes de optimización de la eficiencia). En este sentido, tanto la topología del inversor (trifásico, basado en IGBTs) como la técnica de modulación (control de corriente en banda de histéresis) se establecen desde el principio. El segundo aspecto estudiado en esta tesis es la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros. Este tema se enfoca desde un punto de vista predictivo, y no desde un punto de vista de diagnóstico, puesto que se ha desarrollado una metodología para estimar el campo magnético generado por los dispositivos de potencia de un vehículo eléctrico. Esta metodología ha sido validada mediante ensayos de laboratorio. Otros aspectos importantes de esta contribución, además de la metodología en sí misma, son las consecuencias que se derivan de ella (por ejemplo, recomendaciones de diseño) y la comprensión del problema proporcionada por esta. Las principales contribuciones de esta tesis se listan a continuación: una recopilación de modelos de pérdidas correspondientes a la mayoría de dispositivos de potencia presentes en un vehículo eléctrico de batería, una metodología para analizar el funcionamiento de un sistema híbrido de almacenamiento de energía para aplicaciones de tracción, una explicación de cómo ponderar energéticamente los puntos de operación par-velocidad de un vehículo eléctrico (de utilidad para evaluar el rendimiento de una máquina eléctrica, por ejemplo), una propuesta de incluir un convertidor DC-DC en el sistema de tracción para minimizar las pérdidas globales del accionamiento (a pesar de las nuevas pérdidas introducidas por el propio DC-DC), una breve comparación entre dos tipos distintos de algoritmos de minimización de pérdidas para máquinas síncronas de imanes permanentes, una metodología predictiva para estimar la exposición a campos magnéticos por parte de los pasajeros de un vehículo eléctrico (debida a los equipos de potencia), y finalmente algunas conclusiones y recomendaciones de diseño respecto a dicha exposición a campos magnéticos. ABSTRACT This dissertation analyzes the powertrain of a battery electric vehicle, focusing on energy efficiency and passenger exposure to electromagnetic fields (electromagnetic radiation). This study comprises the energy storage system as well as the electric machine, along with their associated power electronics and control systems. The analysis and conclusions presented in this dissertation are based on mathematical models, computer simulations and laboratory scale tests. The research performed during this thesis was intended to be of industrial nature, despite being developed in a university. In this sense, the work described in this document was carried out thinking of both the designer and the manufacturer of the vehicle. However, some of the results obtained lack industrial readiness, and therefore they remain utterly academic. Regarding energy efficiency, hybrid energy storage systems consisting in lithium batteries, supercapacitors and up to two DC-DC power converters are considered. These kind of systems are analyzed by means of mathematical models and simulations from the energy efficiency point of view, quantifying its impact on other relevant aspects such as battery aging. Concerning the electric machine, permanent magnet synchronous machines are studied in this work. The energy efficiency analysis comprises the machine design and the control strategy, while the inverter and its modulation technique are taken into account but only as sources of further power losses, and not as potential sources for further efficiency optimization. In this sense, both the inverter topology (3-phase IGBT-based inverter) and the switching technique (hysteresis current control) are fixed from the beginning. The second aspect studied in this work is passenger exposure to magnetic fields. This topic is approached from the prediction point of view, rather than from the diagnosis point of view. In other words, a methodology to estimate the magnetic field generated by the power devices of an electric vehicle is proposed and analyzed in this dissertation. This methodology has been validated by laboratory tests. The most important aspects of this contribution, apart from the methodology itself, are the consequences (for instance, design guidelines) and the understanding of the magnetic radiation issue provided by it. The main contributions of this dissertation are listed next: a compilation of loss models for most of the power devices found in a battery electric vehicle powertrain, a simulation-based methodology to analyze hybrid energy storage performance in traction applications, an explanation of how to assign energy-based weights to different operating points in traction drives (useful when assessing electrical machine performance, for instance), a proposal to include one DC-DC converter in electric powertrains to minimize overall power losses in the system (despite the new losses added by the DC-DC), a brief comparison between two kinds of loss-minimization algorithms for permanent magnet synchronous machines in terms of adaptability and energy efficiency, a predictive methodology to estimate passenger magnetic field exposure due to power devices in an electric vehicle, and finally some useful conclusions and design guidelines concerning magnetic field exposure.

Field-based models for low speed switched reluctance machine designs

Trabalho apresentado na Conferência CPE-POWERENG 2016, 29 junho a 01 de julho 2016, Bydgoszcz, Polónia

Electromagnetic design and loss calculations of a 1.12-MW high-speed permanent-magnet motor for compressor applications

Electromagnetic design of a 1.12-MW, 18 000-r/min high-speed permanent-magnet motor (HSPMM) is carried out based on the analysis of pole number, stator slot number, rotor outer diameter, air-gap length, permanent magnet material, thickness, and pole arc. The no-load and full-load performance of the HSPMM is investigated in this paper by using 2-D finite element method (FEM). In addition, the power losses in the HSPMM including core loss, winding loss, rotor eddy current loss, and air friction loss are predicted. Based on the analysis, a prototype motor is manufactured and experimentally tested to verify the machine design.

Applying discrete element modelling to vertical and horizontal shaft impact crushers

The PFC3D (particle flow code) that models the movement and interaction of particles by the DEM techniques was employed to simulate the particle movement and to calculate the velocity and energy distribution of collision in two types of impact crusher: the Canica vertical shaft crusher and the BJD horizontal shaft swing hammer mill. The distribution of collision energies was then converted into a product size distribution for a particular ore type using JKMRC impact breakage test data. Experimental data of the Canica VSI crusher treating quarry and the BJD hammer mill treating coal were used to verify the DEM simulation results. Upon the DEM procedures being validated, a detailed simulation study was conducted to investigate the effects of the machine design and operational conditions on velocity and energy distributions of collision inside the milling chamber and on the particle breakage behaviour. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Estudo de um equipamento de processamento de soldaduras por Friction Stir Welding

Este é um projeto I&D interno do INEGI, com as unidades DPS e LOME, que tem em vista a utilização de componentes disponíveis no INEGI para o estudo de um equipamento capaz de efetuar soldaduras por Friction Stir Welding. O equipamento já conta com controlo numérico para um sistema de três eixos e os respetivos motores, ficando assim encarregue de tirar o máximo proveito possível destes componentes. Este equipamento terá como finalidade munir o INEGI com um equipamento capaz de dar resposta a eventuais projetos externos/internos bem como para fins de investigação para a melhoria da qualidade do processo de soldadura. A conceção deste equipamento tem a particularidade das condições envolventes do processo nomeadamente os esforços desenvolvidos durante o processo de soldadura, em particular a força vertical (eixo da ferramenta) que é necessária fazer de forma a evitar a ascensão de material da junta de soldadura. A soldadura por Friction Stir Welding, é um processo de soldadura relativamente actual, desenvolvido em 1991 por Wayne Thomas pelo The Welding Institute que se sobrepõe aos métodos de soldadura convencionais, uma vez que não necessita de levar o/os materiais acima da sua temperatura de fusão, sendo um processo de soldadura no estado solido, o material não chega a fundir. Este processo consiste na utilização de uma ferramenta em rotação que que se desloca ao longo da junta de soldadura, que uma vez a fricção gerada entre a ferramenta e o material base gera calor que promove o aquecimento e quase fusão do material base. A ligação do material dá-se aquando a passagem da ferramenta na junta, misturando os materiais. Com o recurso a este método de fabrico é possível efetuar soldaduras com grande qualidade em materiais considerados de difícil soldabilidade pelos métodos convencionais, como por exemplo o Alumínio. Neste projecto foram estudadas varias soluções, contactados vários fornecedores e com o seu feedback foi desenvolvido o equipamento. Este projecto consiste essencialmente na análise estrutural e selecção de equipamentos. O equipamento final resultou de uma série de iterações e ideias de forma a optimizar toda estrutura para a magnitude dos esforços envolvidos, obtendo no final um equipamento capaz de cumprir os requisitos. No final prevêse um equipamento com a capacidade de suportar esforços verticais de 50

Designing next generation car washing machines with rotary brushes

Tese de Doutoramento - Leaders for Technical Industries (LTI) - MIT Portugal

Desenvolupament d'una draga per al mostreig de sòls marins

A l'empresa PRAESENTIS S.L. se li proposà la construcció d'una draga per utilitzar-la en el mostreig de sòls marins en expedicions científiques a mar obert. Segons les especificacions del projecte, la draga resultant haurà de ser capaç de recollir mostres d'una capacitat d'entre 60 i 80 l. amb una profunditat de cavat de fins a 20 cm., i haurà de poder assolir profunditats de treball de fins a 500 m. per sota el nivell del mar. El tipus de sòl en el qual es treballarà és de tipus arenós. La draga projectada és un mecanisme basat en una pala bivalva activada per un cilindre hidràulic que utilitza com a bancada una estructura que a l'hora fa la funció de xassís

Disseny d'una equilibradora de rotors per a ús didàctic

El Laboratori de Mecànica de l’Escola Politècnica Superior disposa d’una màquina equilibradora de rotors. El projecte consisteix a fer un nou disseny de l’equilibradora i els seus components,realitzar tots els càlculs necessaris per assegurar-ne el bon funcionament i pressupostar la màquina per si, en un futur, es creu convenient construir-la. A l’hora de fer aquest nou disseny s’ha mantingut un principi de funcionament i un manteniment el més senzill possible. També s’ha procurat que l’aparell tingui una gran flexibilitat a l’hora de plantejar casos pràctics, ja que la finalitat d’aquesta equilibradora de rotors és realitzar pràctiques de laboratori. Pel que fa a la part mecànica s’ha hagut d’assegurar una bona transmissió de moviment entre el motor i el rotor, i garantir una bona lectura dels aparells de mesura. El fet de ser un aparell d’ús docent ha fet que es donés molta importància a la seguretat

Disseny del capçal d'un molinet motoritzat per a realitzar extractes de plantes en el sector de la indústria farmacèutica

Una empresa de la indústria farmacèutica vol comercialitzar càpsules elaborades amb plantes medicinals. El procés a seguir per a aconseguir el producte final es realitza mitjançant un molí motoritzat que consta d’unes ganivetes, la funció de les quals és triturar les fulles de les plantes prèviament seleccionades a unes mides realment minúscules, de tal manera que llavors es puguin introduir dins les càpsules. Actualment el procés de trituració es realitza aproximadament a 3.000 rpm i en intentar assolir majors velocitats de treball el capçal de la màquina no les aguanta, cedint un o més dels seus components, patint sobretot l’eix de transmissió i els rodaments, que en ocasions acaben trencant-se. Per a intentar resoldre aquest problema, l’empresa subministradora de maquinària industrial es planteja la viabilitat d’un nou prototipus. La primera mesura que es proposa al client per a solucionar el problema derivat d’aquest augment de la producció és dissenyar un nou capçal del molí motoritzat perquè pugui treballar a velocitats superiors, aproximadament de 18.000 r.p.m, que significaria un canvi total de la transmissió de la màquina

Kestomagneettitahtikoneen lämpömallinnus

Sähkökoneenterminen suunnittelu on yhtä tärkeätä kuin koneen sähköisten piirien ja magneettipiirin mitoitus, koska koneen lämpenemä määrää koneesta saatavan tehon. Pääosasähkökoneista suunnitellaan edelleen ns. perimätiedon avulla, jossa tukeudutaanvalmiiksi koeteltuihin ratkaisuihin ja kokemusperäiseen tietoon tiettyjen rakenteiden toimivuudesta. Perinteisin menetelmin uusia konerakenteita suunniteltaessa ei pystytä saamaan luotettavaa tietoa uusien ratkaisuiden toimivuudesta. Etenkin hitaasti pyörivien ja suuren vääntötiheyden omaavien kestomagneettitahtikoneiden jäähdytyksen mitoitus on ongelmallista. Siten tarve kehittää analyyttisiä työkaluja lämpenemän mallinnukseen on perusteltua. Tässä työssäperehdytään suuren tehotiheyden omaavien kestomagneettikoneiden urakoon ja virrantiheyden valintaan termisen mitoituksen kannalta. Työn tavoitteena on laatia yksinkertainen analyyttinen työkalu urakoon ja virrantiheyden valintaan. Työkaluavoidaan hyödyntää jo koneensuunnittelun alkuvaiheessa.

Fractional slot permanent magnet synchronous motors for low speed applications

This study compares different rotor structures of permanent magnet motors with fractional slot windings. The surface mounted magnet and the embedded magnet rotor structures are studied. This thesis analyses the characteristics of a concentrated two-layer winding, each coil of which is wound around one tooth and which has a number of slots per pole and per phase less than one (q < 1). Compared to the integer slot winding, the fractional winding (q < 1) has shorter end windings and this, thereby, makes space as well as manufacturing cost saving possible. Several possible ways of winding a fractional slot machine with slots per pole and per phase lessthan one are examined. The winding factor and the winding harmonic components are calculated. The benefits attainable from a machine with concentrated windingsare considered. Rotor structures with surface magnets, radially embedded magnets and embedded magnets in V-position are discussed. The finite element method isused to solve the main values of the motors. The waveform of the induced electro motive force, the no-load and rated load torque ripple as well as the dynamic behavior of the current driven and voltage driven motor are solved. The results obtained from different finite element analyses are given. A simple analytic method to calculate fractional slot machines is introduced and the values are compared to the values obtained with the finite element analysis. Several different fractional slot machines are first designed by using the simple analytical methodand then computed by using the finite element method. All the motors are of thesame 225-frame size, and have an approximately same amount of magnet material, a same rated torque demand and a 400 - 420 rpm speed. An analysis of the computation results gives new information on the character of fractional slot machines.A fractional slot prototype machine with number 0.4 for the slots per pole and per phase, 45 kW output power and 420 rpm speed is constructed to verify the calculations. The measurement and the finite element method results are found to beequal.

Disseny i desenvolupament d’un sistema tecnològic de fabricació de “stents” cardiovasculars mitjançant làser

Els stents són unes pròtesis endovasculars. L’objectiu del projecte és el disseny i desenvolupament d’un utillatge que permeti la seva fabricació per tall làser. S’utilitzarà el làser del GREP (Grup de Recerca en Enginyeria de Producte, Procés i Producció) de la Universitat de Girona, el qual està instal•lat sobre el capçal d’un centre de mecanitzat convencional

Disseny de circuit de proves de traçabilitat amb rfid

ITENE és un institut tecnològic de recerca situat a Paterna (València). Té una plantapilot especialitzada en logística on les empreses que ho vulguin (mitjançant convenis,en règim de lloguer, etc.), poden utilitzar les instal•lacions (magatzem intel•ligent,aplicacions RFID, etc.), per provar els seus productes i simular processos de logística itraçabilitat.En aquesta planta s'ha detectat la necessitat de poder provar nous productes cometiquetes, detectors i processadors equipats amb tecnologia RFID (Identificació perRadiofreqüència). Aquesta tecnologia consisteix en passar informació que conté unaetiqueta “intel•ligent” cap a un terminal (PC) mitjançant uns detectors que, perproximitat, poden llegir la informació. Per exemple, quan un camió ple de mercaderiesprèviament etiquetades, passa per un pòrtic amb detectors RFID, es genera unainformació que passa directament a un terminal. Al moment es pot saber què porta elcamió, quantitat, color, mides, etc. Si això es combina amb un ERP, es pot descomptarde l'estoc en temps real. De fet s'utilitza per moltes aplicacions logística, control deprocessos de fabricació, traçabilitat de productes, etc.Per aquest motiu, ITENE, mitjançant el contacte de AIFOS SOLUTIONS S.L (empresaespecialitzada en RFID) ha encarregat un sistema de transportadors de banda per provarnoves solucions.L'objecte del present projecte consisteix en el disseny i automatització d'un sistema de 4cintes transportadores 2 elevadors per tal de fer un circuit tancat per moure caixes en un“bucle” de forma automàtica. L'objectiu és “llençar” caixes plenes de productes (etiquetats amb RFID) mitjançant untransportador equipat amb un pòrtic que té instal•lats diversos detectors de radiofreqüència,i poder-ne provar la correcta detecció a diferents velocitats. Un “buffer” s'encarrega desubministrar les caixes d'una en una que, un cop acabat el circuit, tornen al lloc d'on hansortit. Per donar un producte per bo, es realitzen tests de diverses hores i se n'obté unaestadística de lectures bones/dolentes. Si la ràtio és la desitjada es dóna per bo elproducte.Per aconseguir un disseny correcte s'ha utilitzat diferents eines CAD per dimensionar elsistema de transportadors i els seus elements. Tota l'aplicació està realitzada en 3Dmitjançant el software AutoCAD 3D. L'abast d'aquest projecte inclourà la solució mecànica i pneumàtica del sistema, aixícom el seu muntatge i tot el referent a les normes de seguretat per tal que el sistemacompleixi la normativa referida a la seguretat de màquines