FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Welding time models for cost calculations in the early stages of the design process

It is generally accepted that between 70 and 80% of manufacturing costs can be attributed to design. Nevertheless, it is difficult for the designer to estimate manufacturing costs accurately, especially when alternative constructions are compared at the conceptual design phase, because of the lack of cost information and appropriate tools. In general, previous reports concerning optimisation of a welded structure have used the mass of the product as the basis for the cost comparison. However, it can easily be shown using a simple example that the use of product mass as the sole manufacturing cost estimator is unsatisfactory. This study describes a method of formulating welding time models for cost calculation, and presents the results of the models for particular sections, based on typical costs in Finland. This was achieved by collecting information concerning welded products from different companies. The data included 71 different welded assemblies taken from the mechanical engineering and construction industries. The welded assemblies contained in total 1 589 welded parts, 4 257 separate welds, and a total welded length of 3 188 metres. The data were modelled for statistical calculations, and models of welding time were derived by using linear regression analysis. Themodels were tested by using appropriate statistical methods, and were found to be accurate. General welding time models have been developed, valid for welding in Finland, as well as specific, more accurate models for particular companies. The models are presented in such a form that they can be used easily by a designer, enabling the cost calculation to be automated.

Use of a pre-sidedress soil nitrate test (PSNT) to determine nitrogen fertilizer requirements for irrigated corn

In the present study, a 2-year N rate response experiment was conducted in different fields to monitor NO3-N soil profiles, N accumulation by the crop and final crop performance, in order to assess if soil NO3-N at pre-sidedressing (Pre-Sidedress Soil Nitrate Test, PSNT) is a reliable indicator for soil N availability for corn in the irrigated area served by canal d’Urgell (Lleida, Spain), and if the test can be used to separate responsive fields from non-responsive fields to sidedress N fertilizer applications. Preliminary soil N availability (N sidedress fertilizer rate + PSNT) critical levels to identify fields that need supplementary N fertilizer applications were established at ca. 300 and 210 kg NO3-N·ha–1, for PSNTrooting–zone and PSNT0–30 cm, respectively (for a yield goal of 14 t grain·ha–1).

Neuro-mechanical and metabolic adjustments to the repeated anaerobic sprint test in professional football players.

PURPOSE: This study aimed to determine the neuro-mechanical and metabolic adjustments in the lower limbs induced by the running anaerobic sprint test (the so-called RAST). METHODS: Eight professional football players performed 6 × 35 m sprints interspersed with 10 s of active recovery on artificial turf with their football shoes. Sprinting mechanics (plantar pressure insoles), root mean square activity of the vastus lateralis (VL), rectus femoris (RF), and biceps femoris (BF) muscles (surface electromyography, EMG) and VL muscle oxygenation (near-infrared spectroscopy) were monitored continuously. RESULTS: Sprint time, contact time and total stride duration increased from the first to the last repetition (+17.4, +20.0 and +16.6 %; all P < 0.05), while flight time and stride length remained constant. Stride frequency (-13.9 %; P < 0.001) and vertical stiffness decreased (-27.2 %; P < 0.001) across trials. Root mean square EMG activities of RF and BF (-18.7 and -18.1 %; P < 0.01 and 0.001, respectively), but not VL (-1.2 %; P > 0.05), decreased over sprint repetitions and were correlated with the increase in running time (r = -0.82 and -0.90; both P < 0.05). Together with a better maintenance of RF and BF muscles activation levels over sprint repetitions, players with a better repeated-sprint performance (lower cumulated times) also displayed faster muscle de- (during sprints) and re-oxygenation (during recovery) rates (r = -0.74 and -0.84; P < 0.05 and 0.01, respectively). CONCLUSION: The repeated anaerobic sprint test leads to substantial alterations in stride mechanics and leg-spring behaviour. Our results also strengthen the link between repeated-sprint ability and the change in neuromuscular activation as well as in muscle de- and re-oxygenation rates.

Micronucleus test on Triturus carnifex as a tool for environmental biomonitoring.

The amphibian micronucleus test has been widely used during the last 30 years to test the genotoxic properties of several chemicals and as a tool for ecogenotoxic monitoring. The vast majority of these studies were performed on peripheral blood of urodelan larvae and anuran tadpoles and to a lesser extent adults were also used. In this study, we developed protocols for measuring micronuclei in adult shed skin cells and larval gill cells of the Italian crested newt (Triturus carnifex). Amphibians were collected from ponds in two protected areas in Italy that differed in their radon content. Twenty-three adult newts and 31 larvae were captured from the radon-rich pond, while 20 adults and 27 larvae were taken from the radon-free site. The animals were brought to the laboratory and the micronucleus test was performed on peripheral blood and shed skins taken from the adults and on larval gills. Samples from the radon-rich site showed micronucleus frequencies higher than those from the radon-free site and the difference was statistically significant in gill cells (P < 0.00001). Moreover, the larval gills seem to be more sensitive than the adult tissues. This method represents an easy (and noninvasive in the case of the shed skin) application of the micronucleus assay that can be useful for environmental studies in situ. Environ. Mol. Mutagen. 56:412-417, 2015. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.