Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται τη μελέτη της συμπεριφοράς ενός σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη (Brushless DC) στην υγιή του κατάσταση και σε διάφορα σφάλματα με σκοπό την εύρεση διαγνωστικών δεικτών για την αναγνώριση και τη διακριτοποίηση των σφαλμάτων. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Για τους σκοπούς της διπλωματικής εργασίας προσομοιώθηκε ένας κινητήρας τύπου BLDC στην υγιή κατάσταση και στα σφάλματα με σταθερό αριθμό στροφών. Τα σφάλματα που μελετήθηκαν είναι πλήρης απομαγνήτιση ολόκληρου μαγνήτη, πλήρης τοπική απομαγνήτιση των άκρων ενός μαγνήτη, στατική και δυναμική εκκεντρότητα. Οι κινητήρες BLDC κερδίζουν συνεχώς έδαφος στη βιομηχανική παραγωγή και σε άλλες εφαρμογές, εκτοπίζοντας σιγά σιγά τους κινητήρες Συνεχούς Ρεύματος και τους Επαγωγικούς κινητήρες. Καθώς διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην βιομηχανική παραγωγή, και όχι μόνο, είναι απαραίτητο να προλαμβάνονται όσο το δυνατόν νωρίτερα διάφορες βλάβες που μπορεί να συμβούν στους κινητήρες και δημιουργηθούν έτσι προβλήματα στις εφαρμογές που χρησιμοποιούνται. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν τα φασικά ρεύματα και η ηλεκτρομαγνητική ροπή του κινητήρα ως τα υπό διερεύνηση μεγέθη, και αφού έγινε FFT ανάλυση στα παραπάνω μεγέθη συγκρίθηκαν τα φάσματά τους για να βρεθούν τυχών διαφορές και να χρησιμοποιηθούν ως διαγνωστικοί δείκτες. Η παραπάνω μέθοδος, δηλαδή η ανάλυση FFT κάποιων μεγεθών της μηχανής, είναι και η πιο ευρέως διαδεδομένη για παρόμοια χρήση, χωρίς αυτό να αποκλείει και άλλες μεθόδους. Ο κινητήρας BLDC που μελετήθηκε είναι ισχύος 660 W, τροφοδοσίας 48 V μέσω ενός αντιστροφέα (inverter), έχει ονομαστική ταχύτητα περιστροφής 3000 rpm και διαθέτει 8 μαγνητικούς πόλους στο δρομέα του. Για την προσομοίωση όλων των καταστάσεων χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Opera-2d της εταιρίας Vector Fields, ένα λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων. Για την ανάλυση FFT χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Matlab της εταιρίας Mathworks. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μία αναφορά στα μαγνητικά υλικά, χρήσιμη διότι έχουμε να κάνουμε με έναν κινητήρα που διαθέτει μόνιμους μαγνήτες στο δρομέα του αντί για τυλίγματα και επίσης, θα μελετηθούν σφάλματα απομαγνήτισης. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται θεωρητικά η δομή, η λειτουργία και η συμπεριφορά των κινητήρων BLDC, καθώς και παραθέτονται μαθηματικά μοντέλα και κυκλωματικά ισοδύναμα για τη δυναμική και για τη μόνιμη κατάσταση της μηχανής. Στο κεφάλαιο 3 γίνεται παρουσίαση των σφαλμάτων. Μελετούνται οι αιτίες που τα δημιουργούν και τα επιδεινώνουν, καθώς γίνεται και μία παρουσίαση των συμπερασμάτων από διάφορες εργασίες και άρθρα όπου μελετώνται παρόμοια σφάλματα σε σύγχρονες μηχανές μόνιμου μαγνήτη. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων των διαφόρων καταστάσεων. Αρχικά γίνεται μία παρουσίαση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων. Έπειτα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, και συγκεκριμένα η συμπεριφορά διαφόρων μεγεθών του κινητήρα. Αυτά τα μεγέθη είναι οι μαγνητικές γραμμές, το μέτρο του μαγνητικού πεδίου στο μέσω του διακένου, τα φασικά ρεύματα και η ηλεκτρομαγνητική ροπή, από τη μελέτη των οποίων βγαίνουν τα πρώτα συμπεράσματα για τη λειτουργία και την κατάσταση του κινητήρα. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται αρχικά η μέθοδος FFT και μετά παρουσιάζονται τα αποτελέσματα αυτής της ανάλυσης στα φασικά ρεύματα και στη ροπή. Από τη σύγκριση των φασμάτων της υγιούς κατάστασης και των σφαλμάτων βρίσκονται οι διαγνωστικοί δείκτες για την κατάσταση της μηχανής. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε. / In this thesis for diploma a Brushless DC (BLDC) is studying at healthy condition and under different kinds of faults. The purpose of this thesis for diploma is the For the purposes of this thesis for diploma a BLDC motor was simulated for the healthy condition and the faults. The faults under study are the uniform and the partial demagnetization of one permanent magnet, static and dynamic eccentricity. The variables that are studying are the phase currents and the electromagnetic torque of the motor. First, the waveforms of those variables were studying for the finding of the first conclusions and for the study of the behavior of the motor for those conditions. Furthermore, those variables were analyzed with the use of Fast Fourier Transform (FFT). The amplitudes of the harmonics of the phase currents and of the electromagnetic torque for the different faults were compared with the healthy condition for the finding of diagnostic indicators for the different faults.

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.

Αντικείμενο της εργασίας είναι η μελέτη και κατασκευή διάταξης μετατροπής συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο σύγχρονης μηχανής με μόνιμο μαγνήτη. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε μια μηχανή «brushless» με μόνιμο μαγνήτη ως κινητήρας και ως φορτίο αυτής μια δεύτερη μηχανή, συνεχούς ρεύματος με μόνιμο μαγνήτη, που λειτούργησε ως γεννήτρια. Ο έλεγχος της πρώτης μηχανής πραγματοποιήθηκε με έναν ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος συνεχούς τάσης σε τριφασική εναλλασσόμενη. Αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στους μόνιμους μαγνήτες που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή μηχανών «brushless». Αναλύονται θεμελιώδεις μαγνητικές έννοιες και μαγνητικές ιδιότητες των υλικών. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται εκτενής περιγραφή της λειτουργίας μιας μηχανής «brushless» με μόνιμο μαγνήτη. Αναλύονται τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά της, οι διαφορές της από άλλες κλασσικές μηχανές, καθώς και η αρχή λειτουργίας της. Στο κεφάλαιο 3 αναλύεται το μαθηματικό μοντέλο που διέπει τη λειτουργία της μηχανής: τα μαγνητικά πεδία της, οι σκεδάσεις, οι τάσεις εξ’επαγωγής και οι ηλεκτρομαγνητικές ροπές. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται το σύστημα τροφοδοσίας και ελέγχου της μηχανής. Στο κεφάλαιο 5 προσομοιώνεται το υπό μελέτη σύστημα μέσω του προγράμματος simulink. Αρχικά προσομοιώνεται η απόκριση της μηχανής «brushless» υπό διαφορετικές ροπές φορτίου και εν τέλει γίνεται προσομοίωση του συστήματος που περιλαμβάνει αντιστροφέα με διαμόρφωση παλμών PWM και τη μηχανή. Στο κεφάλαιο 6 αναλύεται η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίηση των μετρήσεων και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις. Κυρίως παρουσιάζονται τα παλμογραφήματα τα οποία προέκυψαν κατά τη λειτουργία του συστήματος. Τέλος, καταγράφεται η βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε και στα παραρτήματα ενσωματώνονται τα φυλλάδια των κατασκευαστών των μηχανών που χρησιμοποιήθηκαν για τη συγκρότηση του υπό μελέτη πειραματικού συστήματος. / -

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.

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.

Master thesis deals with solutions of BLDC motors (brushless DC motors) control. It analyses microcontrollers and electronic components suitable for BLDC motor controllers under conditions of serial production. It mentions some common problems in practical aplication like dynamic motor braking, synchronization, recuperation and constant revolutions.