Single axis controlled attraction type magnetic bearing

This paper presents a new type of magnetic bearing with active control only in axial direction. The bearing uses two pairs of permanent magnets working in attraction mode to restrict the radial motion and a control system composed of two electromagnets, a gap sensor and a controller to keep the axis in a fixed axial position. The principle, the dynamic model for axial motion and the control system for this bearing are presented. Finally, by experiments conducted in a prototype, the effectiveness of the presented concept is shown.

Tutkimusprojektinhallinnan tarkastelu ja valo-ohjauskonsolin määrittely

Teekkareiden musiikkikerho halusi päivittää valo-ohjauskalustoaan sekä selvittää, olisiko järkevää tehdä ohjauksessa käytettävä konsoli itse. Tässä työssä käsitellään valo-ohjauskonsolin suunnitteluprojektin projektinhallintaa suunnittelun, määrittelyn, tavoitteiden ja työryhmän toiminnan osalta. Työssä tehdään myös valo-ohjauskonsolille suuntaa-antava määrittely, joka tarkoituksena on ottaa huomioon tärkeimpiä sähkölaitteen suunnittelussa huomioon otettavia kriteereitä. Työssä selvitetään, mikä on toimiva työmalli pienelle tutkimusprojektille ja kannattaako pienen organisaation valmistaa valo-ohjauskonsoli itse.

Jännitettä nostavan hakkurin käyttö akkukäyttöisessä audiolaitteessa

Audiovahvistimet pohjautuvat yhä useammin D-luokan vahvistimiin niiden korkean hyötysuhteen takia. Tämä mahdollistaa pidemmän käyttöajan tai vastaavasti tehon lisäämisen kannettavissa audiolaitteissa. Kuitenkin, jotta akkukäyttöisestä audiolaitteesta saataisiin suurempaa tehoa, se vaatii yleensä korkeamman jännitteen kuin yksittäisen akun lähtöjännite on. Korkeampi jännite voidaan saavuttaa lisäämällä akkuja tai käyttämällä jännitettä nostavaa hakkuria. Hakkureissa syntyy kuitenkin kytkennästä johtuvaa värettä, mille D-luokan vahvistimet ovat alttiita. Tässä työssä tutkitaan boost- ja Čuk-hakkurin soveltuvuutta jännitteen nostoon akkukäyttöisessä audiolaitteessa. Käytännön sovelluksena toimii Porsas, josta halutaan saada 500 W teho. Työssä tutkitaan audiolaitteen asettamia ehtoja jännitelähteelle sekä hakkurien mitoittamista ehtojen mukaisesti. Työn tutkimustapana on kirjallisuustutkimus ja simulointi. Audiolaitteen jännitelähteeltä vaatima teho vaihtelee suuresti. Tämä tulee ottaa huomioon hakkurin komponenttien mitoituksessa. Lisäksi hakkurin lähtöjännitteen väre pyritään minimoimaan, koska sillä on suuri vaikutus vahvistimen toimintaan. Tulovirran väreen minimoinnilla on pidentävä vaikutus akun purkusykliin. Hakkurien laskennalliset komponenttien arvot sekä simuloinnit osoittavat, että hakkurit olisivat myös mahdollista tehdä käytännössä. Simulointien perusteella boost-hakkurin komponenttien arvot ovat pienempiä kuin Čuk-hakkurin. Boost-hakkurille löytyy myös valmiita ohjainpiirejä enemmän. Toisaalta Čuk-hakkurilla on mahdollista tehdä myös energiansäästötila. Hakkurien ohjaus ja jäähdytys vaatisivat jatkotutkimusta.

Professionalization of controllers in Finland

Professions are a special category of occupations that possesses exclusive rights over its domain of expertise. Professions apply expert knowledge in their work by using professional discretion and judgment to solve their clients’ problems. With control over their expert knowledge base, professions are able to control the supply of practitioners in their field and regulate the practice in their market. Professionalization is the process during which occupations attempt to gain the status of a profession. The benefits of becoming a profession are extensive – professional autonomy, social and financial rewards, prestige, status, and an exclusive community are only a few of the privileges that established professions possess. Many aspiring occupations have tried and failed to gain the status of a profession and one of these groups is the occupation of controllers in Finland. The objective of this study to uncover, why controllers have not professionalized, which properties of the occupation correspond with the elements generally regarded to pertain to professions, and which aspects of the occupational group may hinder the professionalization project. The professionalization project of controllers is analyzed using a multi-actor model of professionalization, in which practitioners, clients, the state, training institutions, and employing organizations are considered to affect the project. The properties of the occupation of controllers are compared to features generally associated with professions. The research methodology for this thesis is qualitative, and the study is conducted as an exploratory research. The data is primarily gathered using semi-structured interviews, which were conducted between March and May 2013 lasting from 40 minutes to an hour. In total, four controllers were interviewed, who worked for different companies operating in different industries, and whose experience of working as a controller varied between a few years to nearly 15 years. The data in this study indicates that although controllers possess qualities that distinguish professions from other occupational groups, the professionalization of controllers may not be plausible. Controllers enjoy considerable autonomy in organizations, and they possess a strong orientation towards serving their clients. The more profound problem with the occupation is its non-exclusive, indistinct knowledge base that does not rely solely on a single knowledge base. Controllers’ expertise is relatively organization-specific and built on several different fields of knowledge and not just management accounting, which could be considered as their primary knowledge base. In addition, controllers have not organized themselves, which is a quintessential, but by no means a sufficient prerequisite for professionalization.

Limittelymenetelmän hyödyntäminen verkkovaihtosuuntaajassa: LCL-suotimen mitoitus

Teollisuudessa yleinen trendi on saada entistä tehokkaampia, halvempia, hyötysuhteeltaan parempia ja fyysisiltä mitoiltaan pienempiä sähkökäyttöjä. Luonnollisesti nämä vaatimukset ovat samoja myös taajuusmuuttajilla. Näiden vaatimusten välillä täytyy aina tehdä kompromisseja ja kehittää uusia menetelmiä. Monissa teollisuuden sähkökäytöissä tarvitaan verkkovaihtosuuntaajaa syöttämään tehoa generaattorilta tai jarrutettavalta moottorilta sähköverkkoon. Verkkovaihtosuuntaajassa käytännössä tarvitaan aina LCL-suodin, joka on fyysisesti järjestelmän suurin ja kallein yksittäinen komponentti, ja luonnollisesti suuritehoinen laite vaatii suuren LCL-suotimen. LCL-Suotimen fyysinen koko on kääntäen verrannollinen kytkentätaajuuteen. Tässä diplomityössä esitellään interleaving eli limittelymenetelmä, jonka avulla pystytään kasvattamaan verkkovaihtosuuntaajan ekvivalenttista kytkentätaajuutta ja pienentämään virran värettä sekä kokonaisharmonista säröä. Menetelmästä aiheutuu myös merkittävä haaste, kiertovirrat, joiden suodatusta tutkitaan kahdella eri menetelmällä. Käytetyt suodatustavat ovat LCL-suodin, jossa on lisäksi CM-kuristin ja LCL-suodin, jossa käytetään solujen välistä muuntajaa, ICT:tä. Työ suoritettiin teoriatutkimuksena ja simuloimalla. Tulokset osoittavat, että molemmat suodatustavat voivat toimia todellisessa sovelluksessa. Kuitenkin vain ICT:n omaava suodin on selkeästi vastaavan kokoista kaksitasoista verkkovaihtosuuntaajan suodinta pienempi. Tutkimus osoittaa myös sen, että tutkitussa sovelluskohteessa pelkkä fyysinen suodin ei riitä suodattamaan kiertovirtoja, vaan säätimeen täytyy tehdä myös muutoksia.

Vapastii ohjelmoitavan automaatioyksikön suunnitteluprosessi

Rakennusautomaatiossa tulee esiin sovelluksia, joissa järjestelmän ohjaus-, säätö- tai valvontaratkaisun toteuttaminen ohjelmoitavilla logiikoilla ei ole riittävän edullista. Tällöin vaihtoehtona on oman laitteen suunnittelu. Työn tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa kustannustehokas CAN-väylään liitettävä vapaasti ohjelmoitava automaatioyksikkö. Suunnittelua ohjasivat asiakkaan laatimat vaatimusmäärittelyt. Niistä laitteen konfigurointimahdollisuudet ja piirilevyn tavoitekoko asettivat suurimmat haasteet laitteen suunnittelulle. Työn tuloksena toteutettiin asiakkaan tarpeisiin soveltuva automaatioyksikkö. Tavoitteisiin päästiin komponenttivalinnoilla ja hyödyntämällä tehokkaasti mikro-ohjaimen integroituja ominaisuuksia. Näiden avulla pystyttiin karsimaan monia yksiköitä, joita tavanomaisesti toteutetaan erilliskomponenteilla. Työssä perehdyttiin sulautetun järjestelmän elektroniikan tuotekehitysprosessiin ideasta prototyyppiin. Samalla on kuvailtu valittuja ratkaisuja sekä suunnittelussa tapahtuneita virheitä ja miten ne on ratkaistu.

Flexible multibody dynamics and intelligent control of a hydraulically driven hybrid redundant robot machine

The assembly and maintenance of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) vacuum vessel (VV) is highly challenging since the tasks performed by the robot involve welding, material handling, and machine cutting from inside the VV. The VV is made of stainless steel, which has poor machinability and tends to work harden very rapidly, and all the machining operations need to be carried out from inside of the ITER VV. A general industrial robot cannot be used due to its poor stiffness in the heavy duty machining process, and this will cause many problems, such as poor surface quality, tool damage, low accuracy. Therefore, one of the most suitable options should be a light weight mobile robot which is able to move around inside of the VV and perform different machining tasks by replacing different cutting tools. Reducing the mass of the robot manipulators offers many advantages: reduced material costs, reduced power consumption, the possibility of using smaller actuators, and a higher payload-to-robot weight ratio. Offsetting these advantages, the lighter weight robot is more flexible, which makes it more difficult to control. To achieve good machining surface quality, the tracking of the end effector must be accurate, and an accurate model for a more flexible robot must be constructed. This thesis studies the dynamics and control of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant hybrid robot (4-DOF serial mechanism and 6-DOF 6-UPS hexapod parallel mechanisms) hydraulically driven with flexible rods under the influence of machining forces. Firstly, the flexibility of the bodies is described using the floating frame of reference method (FFRF). A finite element model (FEM) provided the Craig-Bampton (CB) modes needed for the FFRF. A dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using the constrained Lagrange equations and the Lagrange multiplier method. Subsequently, the reaction forces between the parallel and serial parts were used to study the dynamics of the serial robot. A PID control based on position predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders of the robot. Secondly, in machining, to achieve greater end effector trajectory tracking accuracy for surface quality, a robust control of the actuators for the flexible link has to be deduced. This thesis investigates the intelligent control of a hydraulically driven parallel robot part based on the dynamic model and two schemes of intelligent control for a hydraulically driven parallel mechanism based on the dynamic model: (1) a fuzzy-PID self-tuning controller composed of the conventional PID control and with fuzzy logic, and (2) adaptive neuro-fuzzy inference system-PID (ANFIS-PID) self-tuning of the gains of the PID controller, which are implemented independently to control each hydraulic cylinder of the parallel mechanism based on rod length predictions. The serial component of the hybrid robot can be analyzed using the equilibrium of reaction forces at the universal joint connections of the hexa-element. To achieve precise positional control of the end effector for maximum precision machining, the hydraulic cylinder should be controlled to hold the hexa-element. Thirdly, a finite element approach of multibody systems using the Special Euclidean group SE(3) framework is presented for a parallel mechanism with flexible piston rods under the influence of machining forces. The flexibility of the bodies is described using the nonlinear interpolation method with an exponential map. The equations of motion take the form of a differential algebraic equation on a Lie group, which is solved using a Lie group time integration scheme. The method relies on the local description of motions, so that it provides a singularity-free formulation, and no parameterization of the nodal variables needs to be introduced. The flexible slider constraint is formulated using a Lie group and used for modeling a flexible rod sliding inside a cylinder. The dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using Hamilton’s principle and the Lagrange multiplier method. A linearized hydraulic control system based on rod length predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders. Consequently, the results of the simulations demonstrating the behavior of the robot machine are presented for each case study. In conclusion, this thesis studies the dynamic analysis of a special hybrid (serialparallel) robot for the above-mentioned special task involving the ITER and investigates different control algorithms that can significantly improve machining performance. These analyses and results provide valuable insight into the design and control of the parallel robot with flexible rods.

Adaptive control of Hydraulic Drive

Adaptive control systems are one of the most significant research directions of modern control theory. It is well known that every mechanical appliance’s behavior noticeably depends on environmental changes, functioning-mode parameter changes and changes in technical characteristics of internal functional devices. An adaptive controller involved in control process allows reducing an influence of such changes. In spite of this such type of control methods is applied seldom due to specifics of a controller designing. The work presented in this paper shows the design process of the adaptive controller built by Lyapunov’s function method for the Hydraulic Drive. The calculation needed and the modeling were conducting with MATLAB® software including Simulink® and Symbolic Math Toolbox™ etc. In the work there was applied the Jacobi matrix linearization of the object’s mathematical model and derivation of the suitable reference models based on Newton’s characteristic polynomial. The intelligent adaptive to nonlinearities algorithm for solving Lyapunov’s equation was developed. Developed algorithm works properly but considered plant is not met requirement of functioning with. The results showed confirmation that adaptive systems application significantly increases possibilities in use devices and might be used for correction a system’s behavior dynamics.

Globaalin toimintaympäristön vaikutukset johdon laskentatoimen asiantuntijan työnkuvassa

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, millaisia globalisaation aiheuttamia vaikutuksia näkyy suomalaisessa johdon laskentatoimessa ja johdon laskentatoimen asiantuntijoiden, eli controllereiden, työnkuvissa. Oli tärkeää selvittää, ovatko kansainväliset tekijät tuoneet jo liiallista haastavuutta controllerin työhön ja odotetaanko heiltä kenties jo liikaa. Teoriaosuudessa tutkittiin johdon laskentatoimea ja controller-toiminnon kehittymistä, sekä controllereilta vaadittavia ominaisuuksia ja piirteitä. Lisäksi globalisaatiota ja sen aiheuttamia vaikutuksia suomalaiseen johdon laskentatoimeen käytiin läpi. Tutkimus oli kvalitatiivinen ja toteutettiin haastattelemalla kahdeksaa suomalaista johdon laskentatoimen asiantuntijaa, jotka työskentelivät kansainvälisissä yhtiöissä useilla eri toimialoilla. Tutkimus osoitti kuinka kansainvälisestä ja laajasta alasta on kyse johdon laskentatoimesta puhuttaessa. Suuri joukko globaaleja tekijöitä vaikuttaa jatkuvasti controllereihin. Näiden luokittelu teemoittain osoittautui haastavaksi tehtäväksi ja on mahdotonta luoda kattava lista kaikista kansainvälisyyden tuomista vaikutuksista. Tärkeää oli havaita, ettei controller-toiminnon laajuutta koeta negatiivisena vaan ennemminkin sopivan haasteellisena asiana ja mielenkiinnon ylläpitäjänä.

Robust current control of a phase shifted full-bridge buck converter

In this thesis, the main point of interest is the robust control of a DC/DC converter. The use of reactive components in the power conversion gives rise to dynamical effects in DC/DC converters and the dynamical effects of the converter mandates the use of active control. Active control uses measurements from the converter to correct errors present in the converter’s output. The controller needs to be able to perform in the presence of varying component values and different kinds of disturbances in loading and noises in measurements. Such a feature in control design is referred as robustness. This thesis also contains survey of general properties of DC/DC converters and their effects on control design. In this thesis, a linear robust control design method is studied. A robust controller is then designed and applied to the current control of a phase shifted full bridge converter. The experimental results are shown to match simulations.

Sähköverkosta irti olevan pienhybridijärjestelmän toteutus

Lappeen siniset –partiolippukunnalla on käytössään leiripaikka Humaljärvellä, Lappeenrannassa. Leiripaikalla ei ole liityntää sähköverkkoon, joten leiripaikalle on asennettu kaksi erillistä aurinkovoimalla toimivaa sähköjärjestelmää. Leiripaikan sähköistetyt rakennukset ovat pääkämppä ja saunan sekä vanhan kämpän muodostama kokonaisuus. Aurinkopaneeleilla tuotettu sähköenergia varastoidaan akustoihin. Lippukunta on havainnot käytössä, ettei talvella tuotettu aurinkoenergia riitä kattamaan pääkämpän sähkönkulutusta, joten leiripaikalle on päätetty hankkia tuulivoimala lisäämään tuotantoa. Tässä kandidaatin työssä esitellään hybridijärjestelmään kuuluvien aurinko- ja tuulivoiman toimintaperiaatteita sekä näiden komponentteja. Aurinko- ja tuulivoimalla tuotetulle sähköenergialle lasketaan arviot, joita verrataan leiripaikan sähköjärjestelmän arvioituun kulutukseen. Leiripaikalle tulevaa tuuliturbiinia ja sen lataussäädintä testataan laboratoriossa, jotta varmistutaan niiden soveltuvuudesta sekä toimivuudesta kohteeseen. Testausten ja laitteiden datalehtien avulla suunnitellaan leiripaikalle toimiva hybridijärjestelmä, joka kattaa leiripaikan ympärivuotisen sähkönkulutuksen.

Minimizing Conducted RF-Emissions in Switch Mode Power Supplies Using Spread-Spectrum Techniques

Switching power supplies are usually implemented with a control circuitry that uses constant clock frequency turning the power semiconductor switches on and off. A drawback of this customary operating principle is that the switching frequency and harmonic frequencies are present in both the conducted and radiated EMI spectrum of the power converter. Various variable-frequency techniques have been introduced during the last decade to overcome the EMC problem. The main objective of this study was to compare the EMI and steady-state performance of a switch mode power supply with different spread-spectrum/variable-frequency methods. Another goal was to find out suitable tools for the variable-frequency EMI analysis. This thesis can be divided into three main parts: Firstly, some aspects of spectral estimation and measurement are presented. Secondly, selected spread spectrum generation techniques are presented with simulations and background information. Finally, simulations and prototype measurements from the EMC and the steady-state performance are carried out in the last part of this work. Combination of the autocorrelation function, the Welch spectrum estimate and the spectrogram were used as a substitute for ordinary Fourier methods in the EMC analysis. It was also shown that the switching function can be used in preliminary EMC analysis of a SMPS and the spectrum and autocorrelation sequence of a switching function correlates with the final EMI spectrum. This work is based on numerous simulations and measurements made with the prototype. All these simulations and measurements are made with the boost DC/DC converter. Four different variable-frequency modulation techniques in six different configurations were analyzed and the EMI performance was compared to the constant frequency operation. Output voltage and input current waveforms were also analyzed in time domain to see the effect of the spread spectrum operation on these quantities. According to the results presented in this work, spread spectrum modulation can be utilized in power converter for EMI mitigation. The results from steady-state voltage measurements show, that the variable-frequency operation of the SMPS has effect on the voltage ripple, but the ripple measured from the prototype is still acceptable in some applications. Both current and voltage ripple can be controlled with proper main circuit and controller design.

Study of Control Methods of a High-Frequency Cycloconverter for Domestic Induction Heating Appliances

A high-frequency cyclonverter acts as a direct ac-to-ac power converter circuit that does not require a diode bidge rectifier. Bridgeless topology makes it possible to remove forward voltage drop losses that are present in a diode bridge. In addition, the on-state losses can be reduced to 1.5 times the on-state resistance of switches in half-bridge operation of the cycloconverter. A high-frequency cycloconverter is reviewed and the charging effect of the dc-capacitors in ``back-to-back'' or synchronous mode operation operation is analyzed. In addition, a control method is introduced for regulating dc-voltage of the ac-side capacitors in synchronous operation mode. The controller regulates the dc-capacitors and prevents switches from reaching overvoltage level. This can be accomplished by variating phase-shift between the upper and the lower gate signals. By adding phase-shift between the gate signal pairs, the charge stored in the energy storage capacitors can be discharged through the resonant load and substantially, the output resonant current amplitude can be improved. The above goals are analyzed and illustrated with simulation. Theory is supported with practical measurements where the proposed control method is implemented in an FPGA device and tested with a high-frequency cycloconverter using super-junction power MOSFETs as switching devices.

Suorituskykymittariston rakentaminen ja kehittämisen haasteet öljyliiketoiminta-alan logistisessa organisaatiossa

Yrityksen oman toiminnan ja tehokkuuden analysointi mittaamalla sen suoritus-kykyä on yritysjohdolle oiva keino saada parempi tietoisuus resurssikäytöstä ja strategian toteutumisesta. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että perinteinen taloudellisen tiedon seuranta ei itsessään riitä liiketoiminnan kattavassa seuran-nassa. Tutkimuksen tavoitteena oli rakentaa suorituskykymittaristo öljyliiketoiminta-alan logistiseen organisaatioon siten, että mittaristo täyttää organisaation mittaamisen päämäärät mahdollisimman tehokkaasti. Suorituskykymittariston osa-alueet ra-kennettiin kohdeorganisaation kriittisten menestystekijöiden perusteella luotujen näkökulmien avulla. Kohdeorganisaation erityspiirteenä oli toiminta osana toimi-tusketjua, johon kuuluivat öljytuotteiden varastointi ja hallittu logistinen operointi perustuen alan standardeihin. Rakennettu suorituskykymittaristo keskittyi turvalli-suus-, kustannustehokkuus- ja tuotehallintatekijöihin tähtäimenä organisaation strategiset tavoitteet. Tutkimus jakaantui teoria- ja empiriaosuuteen. Teoriaosassa tarkasteltiin suoritus-kyvyn mittaamisen merkitystä, suorituskykymittariston rakentamista ja suoritus-kyvyn mittaamisen keskeisiä haasteita. Empiriaosuudessa kerrottiin kohdeorgani-saation erityispiirteet ja kuvattiin suorituskykymittariston kehittäminen kohdeor-ganisaatiossa. Käytetyn tapaustutkimusmenetelmän avulla nostettiin esiin suori-tuskyvyn mittaamisen haasteita ratkaisuineen. Kohdeorganisaation suorituskyvyn mittaamisesta kerätty tieto päädyttiin koosta-maan kerran kuukaudessa päivitettävälle tuloskortille organisaation controllerin toimesta. Tuloskortin rakentamis- ja kehitystyö toteutettiin kahden vuoden aikana. Sen tärkeimmät mittarit pohjautuivat turvallisuuden, kustannustehokkuuden ja käyttöomaisuuden kriittisiin menestystekijöihin, jotka heijastuivat organisaation strategiasta. Tuloskortista saatiin toimiva työkalu johdon käyttöön. Tutkimuksen jatkokehityskohteiksi jäivät tuloskortin kevyempi kuukausipäivitys ja ennustemit-tareiden kehittäminen strategian seurannan tueksi.

SDN in an ISP Environment

As computer networks grow larger and more complex there is a need for a new, simpler kind of approach to configuring them. Software Defined Networking (SDN) takes the control plane away from individual nodes and centralizes the network control by utilizing a flow based traffic management. In this thesis the suitability of SDN in a small ISP (Internet Service Provider) network is considered for an alternative to the current traditional core network and access network OSSs (Operations Support System), mainly to simplify the network management but also to see what else would SDN offer for such an environment. Combining information learned from a theoretical study on the matter to a more practical experiment of SDN network simulation using Mininet simulation software and OpenDayLight SDN controller software does this. Although the simulation shows that SDN is able to provide the functionality needed for the network, the immaturity of the technology suggests that for a small ISP network there is no need to utilize SDN just yet. For when SDN becomes more commonplace a brief transition plan is introduced.