This thesis begins with a literature review focusing on electric vehicle (EV) applications. Systems used for steering, braking and energy storage are investigated, with specific concentration on torque control in various DC and AC motors commonly used in EVs. A final solution for a low range personal transportation EV in the form of a wheelchair is proposed. The theme for this thesis is motion control, focusing on a two axis (or two wheel drive) brushless DC hub motor (BLDCHM) EV, with torque and direction control tracking a user reference. The operation principle for a BLDCHM is documented and the dynamic and electrical equations derived. Simulation results for motor response under different load and speed conditions are compared to practical measurements. Current and torque control loops are designed, implemented and tuned on a single-axis test-bed with an induction motor (IM) load coupled via a torque transducer. A Texas Instrument DSP development kit is used for the control algorithm bench testing. The final control algorithm is then duplicated and expanded in simulation to form a dynamic two axis system for an electric wheelchair. It incorporates both motor drive and regenerative capabilities. After demonstrating two axis controls for BLDCHMs, a control algorithm is designed simulated and compared to traditional systems. The final solution focuses specifically on an intuitive response to the driver input whilst maintaining direction tracking, even when there is a difference in smoothness of the individual terrains traversed by the left and right wheels. In addition the motor drives are equipped with controllers that ensure regenerative braking in order to recover as much energy as possible when the wheelchair is commanded to decelerate. / M. Sc. Eng. University of KwaZulu-Natal, Durban 2014.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, το σχεδιασμό και την κατασκευή κυκλώματος οδήγησης κινητήρα τύπου DC Brushless. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Η οδήγηση του κινητήρα τύπου DC Brushless γίνεται ηλεκτρονικά με τη χρήση τριφασικού αντιστροφέα ισχύος. Σκοπός λοιπόν της παρούσας εργασίας είναι η κατασκευή του παραπάνω κυκλώματος. Ο κινητήρας τύπου DC Brushless είναι Σύγχρονος Κινητήρας Μόνιμου Μαγνήτη, επομένως το πρώτο που πραγματεύεται η διπλωματική εργασία είναι ο ορισμός κάποιων θεμελιωδών ιδιοτήτων του μαγνητικού πεδίου, και η μελέτη των χαρακτηριστικών των μαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται σε αυτού του τύπου τις μηχανές. Στη συνέχεια μελετώνται οι Σύγχρονοι Κινητήρες Μόνιμου Μαγνήτη τραπεζοειδούς και ημιτονοειδούς παλμού ως προς τα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά και την αρχή λειτουργίας τους. Παρατίθενται επίσης τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους σε σχέση με άλλους τύπους μηχανών και αναφέρονται κάποια πεδία στα οποία οι κινητήρες αυτοί βρίσκουν εφαρμογές. Ακόμα καταγράφονται λεπτομερώς οι μαθηματικές εξισώσεις λειτουργίας τους καθώς και η χαρακτηριστική ροπής ταχύτητας. Στο επόμενο βήμα γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του μετατροπέα που κατασκευάστηκε καθώς και όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων και στοιχείων που είναι αναγκαία για την λειτουργία του. Επιπροσθέτως, αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του μετατροπέα, που είναι η Διαμόρφωση Εύρους Παλμών (PWM) και κατόπιν περιγράφεται αναλυτικά η κατασκευή και η υλοποίηση των παραπάνω κυκλωμάτων. Η παρούσα διπλωματική εργασία προχωράει με την περιγραφή των ιδιοτήτων του μικροελεγκτή που χρησιμοποιήθηκε και την ανάλυση της παλμοδότησης του αντιστροφέα. Τέλος, ολοκληρώνεται με την παράθεση και το σχολιασμό των παλμογραφημάτων που προέκυψαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής . / This diploma thesis deals with the study, design and construction of a converter topology for a DC Brushless motor drives. The project was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering of School of Engineerings, of University of Patras. Three-Phase DC Brushless motors are known to be controlled electronically using three-phase voltage inverter. Therefore, the aim of this paper is to construct this circuit. DC Brushless motors are Synchronous Permanent Magnet Motors so that the first thing we deal with in this diploma thesis is the definition of some fundamental properties of the magnetic field and the study of the characteristics of magnetic materials used in this type of motors. Then we examine the synchronous permanent magnet motors with trapezoidal and sinusoidal supply on the construction characteristics and the principle of operation. We also list some of their the advantages and disadvantages compared with other types of motors and mention some areas where these motors are finding application. We also record in detail the mathematical equations of operation and the torque-speed characteristics. The next step is a theoretical analysis of the circuit of the converter that was constructed and of all the other circuits and components necessary for its operation. Furthermore, we describe the method of pulse generation which is Pulse Width Modulation (PWM) and then we describe in detail the construction and implementation of these circuits. This essay goes on to analyze the properties of the microcontroller used and finally, it concludes with oscillograph figures and measurements, occurred from the experiments transacted after the finalization of the construction.

Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη, εξομοίωση και κατασκευή ενός ηλεκτρονικού τριφασικού αντιστροφέα ισχύος, ο οποίος μετατρέπει μια σταθερή συνεχή τάση σε τριφασική εναλλασσόμενη , μέσω της οποίας ελέγχεται ένας τριφασικός σύγχρονος κινητήρας μόνιμου μαγνήτη (Brushless DC, BLDC). Η συνεχής αυτή τάση προέρχεται από έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος ανύψωσης συνεχούς τάσης σε συνεχή, ο οποίος ανυψώνει και σταθεροποιηθεί στα 50 V την τάση, η οποία παράγεται από μία πηγή κυψελών καυσίμου (Fuel Cells). Αρχικά έγινε ενδελεχής μελέτη διαφόρων τριφασικών αντιστροφέων με σκοπό την εμβάθυνση στη δομή και λειτουργία τους, ώστε να διευκολυνθούμε στο σχεδιασμό και κατασκευή του αντιστροφέα για τη συγκριμένη εφαρμογή και τελικά επιλέχτηκε να σχεδιαστεί, να εξομοιωθεί και να κατασκευαστεί ένας ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος έξι παλμών τετραγωνικής κυματομορφής εξόδου, όπου το πλάτος και η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης εξόδου ελέγχεται μέσω της τεχνικής διαμόρφωσης του εύρους των παλμών (PWM) των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων ισχύος του αντιστροφέα. Τα ημιαγωγικά διακοπτικά στοιχεία ισχύος του αντιστροφέα επιλέχθηκαν να είναι MOSFET, αφού ύστερα από υπολογισμούς και συγκρίσεις των διαφόρων ημιαγωγικών στοιχείων μεταξύ τους αυτά κρίθηκαν ως τα πιο κατάλληλα. Έπειτα έγινε εξομοίωση του συστήματος μετατροπέα-κινητήρα μέσω του προγράμματος Matlab/Simulink προκειμένου να βρεθεί η καταλληλότερη μέθοδος παλμοδότησης των έξι ημιαγωγικών στοιχείων ισχύος και να εξετασθούν διάφορα μεγέθη απαραίτητα για την σχεδίαση του αντιστροφέα. Ακολούθησε η σχεδίαση του τυπωμένου κυκλώματος του μετατροπέα καθώς και του κυκλώματος ελέγχου σε κοινή πλακέτα μέσω του προγράμματος Kicad, το οποίο έπειτα συναρμολογήθηκε και προγραμματίστηκε στο Εργαστήριο. Για τη σωστή λειτουργία του κινητήρα απαιτείται η συγχρονισμένη και διαδοχική τροφοδότηση των τριών τυλιγμάτων του στάτη του κινητήρα, έτσι ώστε να μην υπάρξει αποσυγχρονισμός. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται τρεις αισθητήρες Hall, οι οποίοι είναι ενσωματωμένοι στη μηχανή και τοποθετημένοι σε γωνία 120ο ηλεκτρικών μοιρών μεταξύ τους (οι 120ο ηλεκτρικές μοίρες αντιστοιχούν σε 30ο χωρικές μοίρες για έναν οχταπολικό κινητήρα). Τα σήματα που παράγουν οι αισθητήρες Hall χρησιμοποιούνται για να ορίσουν τη θέση του δρομέα και οδηγούνται στη βαθμίδα, η οποία καλείται «ελεγκτής καταστάσεων μετάβασης» (commutation logic block) και ελέγχει την παλμοδότηση των έξι ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων ισχύος του αντιστροφέα. Ο κινητήρας λόγω της χρήσης της παραπάνω λογικής στην τροφοδότησή του αδυνατεί να αποσυγχρονιστεί, διότι ο ελεγκτής καταστάσεων μετάβασης δεν επιτρέπει λανθασμένη τροφοδοσία τυλίγματος. Έτσι, η ηλεκτρική συχνότητα ισούται πάντα με τη συχνότητα περιστροφής του άξονα επί 4, δεδομένου ότι η μηχανή έχει τέσσερα ζεύγη πόλων. Ο έλεγχος του ρεύματος γίνεται μέσω του λόγου κατάτμησης (duty cycle) των διακοπτών. Σε λειτουργία κλειστού βρόχου το αποτέλεσμα της σύγκρισης του ρεύματος αναφοράς και του ρεύματος ανάδρασης οδηγείται σε έναν ελεγκτή PI και στη συνέχεια με τεχνική PWM ελέγχεται η κατάσταση των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων. Τέλος στο προαναφερθέν σύστημα προστέθηκε μία γεννήτρια συνεχούς ρεύματος μόνιμου μαγνήτη ως φορτίο και πραγματοποιήθηκαν πειραματικές δοκιμές για διάφορες καταστάσεις λειτουργίας της διάταξης. Μετρήσεις έγιναν για τις φασικές και πολικές τάσεις του κινητήρα καθώς και για τα ρεύματα αυτού για 1500min-1 και για 3000 min-1 (ονομαστικός αριθμός στροφών) με αφόρτιστη τη γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. / This thesis deals with the study, design and construction of a converter topology for a DC Brushless motor drives. Three-Phase DC Brushless motors are known to be controlled electronically using a three-phase voltage inverter. Therefore, the aim of this paper is to construct this circuit. This circuit converts a 50 V DC voltage which comes from fuel cells source and has already been stabilized with a power electronic boost converter to a three-phase voltage which drives the motor. Firstly a deep study was done between many different kinds of three-phase voltage inverter in order to find the most appropriate for this job. Finally it was chosen to be studied, designed and constructed a six pulse power converter producing a square waveform output. The amplitude and the frequency of the AC square output voltage is controlled by the method of pulse generation which is Pulse Width Modulation (PWM). The power electronic components were chosen to be MOSFET because after some calculations and comparison between the different types of power electronic switches these (MOSFET) where consider to be the most appropriate. Afterwards the system ’’power converter-motor’’ was simulated trough the Matlab/Simulink program in order to find the best pulse generation method for the six power components and observe some current and voltage figures essential for the further design of the inverter. For the right function of the motor is required the synchronous and succession feed of its stator windings so as not to be unsynchronized. For this purpose three hall sensors are used. These sensors are an integral part of the motor and have 120 electrical degrees distance between each other. Those three hall signals are used to define rotor’s position and are driven to commutation logic block which controls the six pulses of the six MOSFETS. Due to the fact of the upper logic for giving pulses, the motor can’t be unsynchronized because the commutation logic block doesn’t allow a wrong winding to be fed. So electrical frequency is every time four times bigger than the mechanical (rotor) frequency (this BLDC motor has eight poles). Current control is possible via duty cycle control. In close loop operation, the result of the comparison between reference current and feedback current is driven to a PI controller which controls the output via duty cycle control. Finally a DC permanent magnet generation has been added to the upper system and several experimental tests took place in lab. Measurements were done at 1500 and 3000rpm (nominal rotation number) for BLDC motor’s voltages and motor’s currents while there was no load to the generator at that time.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, το σχεδιασμό και την εξομοίωση ενός σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (Brushless DC) οδηγούμενο από τριφασικό αντιστροφέα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στις μέρες μας, η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας, ευνοεί την αντικατάσταση σε πολλές εφαρμογές των κλασικών σύγχρονων και ασύγχρονων μηχανών από μηχανές νέας τεχνολογίας. Χαρακτηριστικό παράδειγμα, του νέου αυτού τύπου μηχανών, είναι και η Σύγχρονη Μηχανή Μόνιμου Μαγνήτη . Η ευκολία στον έλεγχο, η απουσία ψηκτρών και των προβλημάτων που αυτές δημιουργούν, ο μεγάλος βαθμός απόδοσης, καθώς και η υψηλή πυκνότητα ισχύος, την έχουν καταστήσει ιδανική επιλογή για μεγάλο πλήθος εφαρμογών. Σκοπός λοιπόν της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη και προσομοίωση ενός συγκεκριμένου 8πολικού κινητήρα τύπου Brushless DC, ονομαστικής ισχύος 660 W , ονομαστικής τάσης 48 V, και ονομαστικής ταχύτητας 3000 rpm, μέσω της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, με τη βοήθεια του λογισμικού Opera σε δύο διαστάσεις (2d). Στο περιβάλλον σχεδίασης κυκλωμάτων του ίδιου προγράμματος, σχεδιάσθηκε και ο τριφασικός αντιστροφέας ισχύος, για την οδήγηση του κινητήρα. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε, στην εξομοίωση του τρόπου λειτουργίας των αισθητήρων Hall, μέσω των ημιαγωγικών διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα, τα οποία ρυθμίστηκαν για να λειτουργούν σε κατάλληλες, για την υπό μελέτη μηχανή, χρονικές περιόδους. Κρίσιμη ήταν επίσης, η επιλογή της αρχικής θέσης του δρομέα, ώστε να παραχθεί η μέγιστη δυνατή ροπή με τη μικρότερη δυνατή ταλάντωση. / In this dissertation, the design and simulation of a permanent magnet synchronous motor (Brushless DC) with trapezoidal Back-Electromotive Force, driven by a three-phase inverter, is presented. The work was conducted at the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Patras. Nowadays, due to the rapid evolution of technology, classical synchronous and asynchronous machines are being replaced in many applications, by modern types of machine. An example of these modern types of machine is the Permanent Magnet Synchronous Machine. The ease in control, the absence of brushes and of the consequent problems, as also, the high efficiency and the high power density, are some of the characteristics that have made Brushless DC an ideal choice for a wide range of applications. The purpose of the present dissertation is the analysis and simulation of a specific Brushless DC motor, with a nominal power of 660 W, a nominal voltage of 48 V, and a nominal speed of 3000 rpm, using the Opera software in two dimensions (2d), which bases its analysis on the Finite Element Method (FEM). In the Circuit Editor environment of the same software, a three-phase inverter for driving the motor was designed. Special attention was given to the operation of the switching components of the inverter. Critical was also, the choice of the initial position of the rotor, so that the production of maximum torque with minimum ripple could be achieved.

abstract: The ocean is vital to the health of our planet but remains virtually unexplored. Many researchers seek to understand a wide range of geological and biological phenomena by developing technologies which enable exploration of the deep-sea. The task of developing a technology which can withstand extreme pressure and temperature gradients in the deep ocean is not trivial. Of these technologies, underwater vehicles were developed to study the deep ocean, but remain large and expensive to manufacture. I am proposing the development of cost efficient miniaturized underwater vehicle (mUV) with propulsion systems to carry small measurement devices and enable deep-sea exploration. These mUV's overall size is optimized based on the vehicle parameters such as energy density, desired velocity, swimming time and propulsion performance. However, there are limitations associated with the size of the mUV which leads to certain challenges. For example, 2000 m below the sea level, the pressure is as high as 3000 psi. Therefore, certain underwater vehicle modules, such as the propulsion system, will require pressure housing to ensure the functionality of the thrust generation. In the case of a mUV swimming against the deep-sea current, a thrust magnitude is required to enable the vehicle to overcome the ocean current speed and move forward. Therefore, the size of the mUV is limited by the energy density and the propeller size. An equation is derived to miniaturize underwater vehicle while performing with a certain specifications. An inrunner three-phase permanent magnet brushless DC motor is designed and fabricated with a specific size to fit inside the mUV's core. The motor is composed of stator winding in a pressure housing and an open to water ring-propeller rotor magnet. Several ring-propellers are 3D printed and tested experimentally to determine their performances and efficiencies. A planer motion optimal trajectory for the mUV is determined to minimize the energy usage. Those studies enable the design of size optimized underwater vehicle with propulsion to carry small measurement sensors and enable underwater exploration. Developing mUV's will enable ocean exploration that can lead to significant scientific discoveries and breakthroughs that will solve current world health and environmental problems. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Mechanical Engineering 2014

Submitted by Cássia Santos (cassia.bcufg@gmail.com) on 2016-12-16T10:26:12Z No. of bitstreams: 2 Dissertação - Renato de Almeida Prado - 2016.pdf: 5947860 bytes, checksum: 8eac741b1f0ab4e9c86905c5865fda99 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Approved for entry into archive by Jaqueline Silva (jtas29@gmail.com) on 2016-12-16T16:49:28Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação - Renato de Almeida Prado - 2016.pdf: 5947860 bytes, checksum: 8eac741b1f0ab4e9c86905c5865fda99 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-16T16:49:28Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação - Renato de Almeida Prado - 2016.pdf: 5947860 bytes, checksum: 8eac741b1f0ab4e9c86905c5865fda99 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2016-12-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The Permanent Magnet Brushless DC Machine has been used increasingly in numerous applications, such as in industry, transportation systems and wind energy conversion. Given this scenario and the need for knowledge of machine parameters for design purposes, performance analysis and operation of systems, this paper aims to present methodologies and the development of a test system. The test system is based on virtual instrumentation and aims to determine phase resistance, inductances, viscous and static friction coefficients, inertia, and electromotive force and torque constants. In many aspects, the test system is a tool that fills a gap in the area. To check the validity of the obtained parameters and to study machine's perfomance, computer simulations and load tests are performed. / A máquina CC de ímãs permanentes sem escovas (máquina Brushless DC) vem sendo empregada de forma crescente em diversas aplicações, tais como na indústria, nos sistemas de transporte e na conversão de energia eólica. Tendo em vista esse cenário e a necessidade do conhecimento dos parâmetros da máquina para fins de projeto, análise de desempenho e operação dos sistemas, esse trabalho tem como objetivo a apresentação de metodologias e o desenvolvimento de um sistema de ensaio. Tal sistema é baseado em instrumentação virtual e visa o levantamento da resistência de fase, indutâncias, coeficientes de atrito viscoso e estático, inércia e constantes de força eletromotriz e de torque. Sob muitos aspectos, tem-se uma ferramenta que preenche uma lacuna atual na área. Para a verificação dos parâmetros obtidos e estudo de seu rendimento, são realizadas simulações computacionais e ensaios em carga.

Robust fault analysis (FA) including the diagnosis of faults and predicting their level of severity is necessary to optimise maintenance and improve reliability of Aircraft. Early diagnosis of faults that might occur in the supervised process renders it possible to perform important preventative actions. The proposed diagnostic models were validated in two experimental tests. The first test concerned a single localised and generalised roller element bearing fault in a permanent magnet brushless DC (PMBLDC) motor. Rolling element bearing defect is one of the main reasons for breakdown in electrical machines. Vibration and current are analysed under stationary and non-stationary load and speed conditions, for a variety of bearing fault severities, and for both local and global bearing faults. The second test examined the case of an unbalance rotor due to blade faults in a thruster, motor based on a permanent magnet brushed DC (PMBDC) motor. A variety of blade fault conditions were investigated, over a wide range of rotation speeds. The test used both discrete wavelet transform (DWT) to extract the useful features, and then feature reduction techniques to avoid redundant features. This reduces computation requirements and the time taken for classification by the application of an orthogonal fuzzy neighbourhood discriminant analysis (OFNDA) approach. The real time monitoring of motor operating conditions is an advanced technique that presents the real performance of the motor, so that the dynamic recurrent neural network (DRNN) proposed predicts the conditions of components and classifies the different faults under different operating conditions. The results obtained from real time simulation demonstrate the effectiveness and reliability of the proposed methodology in accurately classifying faults and predicting levels of fault severity.

No description available.

The use of brushless motors has increased in recent years due to superior performance characteristics compared with alternatives. The operation of a brushless motor is dependent upon a separate controller which is often in the form of a printed circuit board. As such, the size and performance capability of the controller can restrict the performance of the overall motor control system so advancements of these controllers further the potential use of BLDC motors. This project outlines the design of a PCB based, sensorless motor controller for operation of a three-phase BLDC motor powered by a 24 V, high current external supply. Components used were selected to withstand an ambient temperature environment of 125 degrees C. The design for this PCB based motor control system was completed but fabrication and testing of the system was prevented by COVID-19 related restrictions that prohibited the use of necessary facilities and equipment. The detailed design including component selection, board layout, and software development is included in addition to a plan for fabrication and fundamental functional testing. Although no results are available for analysis to bring about any conclusions, a variety of design strategies and corresponding learnings hold the potential to be a source of valuable reference to the further study and development of future designs.

This thesis focuses on BLDC motor control algorithms with model based design approach. Models and control algorithms were programmed in LabView, the NI MyRIO was used as a hardware platform. For hall-sensor feedback controlled application an already finished power inverter was used from a Honeywell rotary actuator. For sensor-less motor control an indirect sensing of BEMF signal is applied using motor phase current measurement. The time-critical parts of the algorithms are programmed for FPGA, the non-time-critical parts are programmed for LabView Real-Time module.