<p>This master thesis covers the development of an automatic tuning process for the existing speed controller for drive systems. The drive systems are resonant two-mass systems where a motor is used to drive a load connected by a shaft. The developed method relies heavily on system identification and the construction of a complete mechanical model of the process. With this approach, the common problem with poor load speed control that derives from measuring only the motor speed can be addressed and solved for a majority of such processes.</p><p>The automatic tuning method has along with general test functions been implemented in a complete tool for automatic tuning, testing and performance evaluation and reporting for drive systems.</p>

This master thesis covers the development of an automatic tuning process for the existing speed controller for drive systems. The drive systems are resonant two-mass systems where a motor is used to drive a load connected by a shaft. The developed method relies heavily on system identification and the construction of a complete mechanical model of the process. With this approach, the common problem with poor load speed control that derives from measuring only the motor speed can be addressed and solved for a majority of such processes. The automatic tuning method has along with general test functions been implemented in a complete tool for automatic tuning, testing and performance evaluation and reporting for drive systems.

I dagens samhälle har det blivit mer och mer populärt med miljövänliga lösningar. Inom detta område har fordonsindustrin utmärkt sig de senaste åren genom utvecklandet av eldrivna bilar. Därför börjar även företagen som utvecklar tunga maskiner bli intresserade av att börja utveckla mer miljövänliga produkter.   Syftet med arbetet som vi utfört i samarbete med Dynapac Compaction Equipment AB i Karlskrona har varit att utveckla ett koncept till en lösning av ett miljövänligt drivsystem för deras minsta tandemvält. Det är tänkt att motsvara den vardagliga prestationen av det dieseldrivna systemet, utan att bli för dyrt, samt undvika att använda specialbeställda produkter.

Examensarbetet var en utvärdering av en synkron trefas permanentmagnetmotor med utvändig rotor. Den är tänkt att ingå i ett batterimatat drivsystem för hjälputrustning på segelbåtar. Målen var att kartlägga prestandan i standardutförande samt att hitta de svaga punkterna i konstruktionen. Förslag på hur motorutförandet kan optimeras ska också läggas fram.   Tester och mätningar gjordes i en testuppkoppling med växelriktare, motor och axelkopplad generator. Detta för att kunna få fram fler mätvärden på motorn. Generatorn fick varvtalskortslutning när belastningsströmmen kom upp i 106,1 A och testerna fick avslutas. Koppartråden i lindningarna blev för varm och ytskiktet smälte. Testerna visar att motorn klarar av strömmar upp till 92,1 A och har då en verkningsgrad på 70 %. Det var lindningens strömtålighet tillsammans med effektförlusterna som var den begränsande faktorn i motorkonstruktionen.   Forcerad kylning i form av vattenkyld stator eller att öka lindningstrådens strömtålighet genom att t.ex. en större kabelarea är alternativ för att få till en bättre verkningsgrad och motorprestanda. Ser man till externa lösningar skulle luftkylning med fläkt kunna adderas. / The project was to evaluate a synchronous three-phase permanent magnet motor with brushless outrunner. It is supposed to be a part of an electric drive system for equipment onboard sailing boats. The goal was to investigate the performance of the motor and find the construction weaknesses and to come up with suggestions how to optimize the performance of the motor.   Tests and measurements were made with a test setup that consisted of inverter, motor and a generator connected to the shaft. The generator stator winding had a short circuit when the load current reached 106,1 A and the tests therefore had to end. The copper wire used in the windings temperature became to high and the isolation of the wire melted.  The tests showed that the motor could handle up to 92,1 A with an efficiency of 70%. It was how much current the winding could withstand together with the power losses that was the limiting factor of the motor construction.   Forced cooling with water cooled stator or improving the winding wires ability to handle higher currents by increasing the cable area are both alternatives to get a better efficiency and motor performance.

Today, Alstom has several types of High-Voltage sections (HV), which are adapted for every new type of train. Some are very similar in size and components and others are more different. The purpose of this master's thesis was to come up with a way to split this HV box into smaller modules and assemble them using frame- and fastener concepts to simplify the manufacturing and assembly of the HV section. The work consisted of concept generation in parallel or both the frames and fasteners, then evaluating them through matrices using different priorities and parameters. The detail-construction used supported simulations and discussions with Alstom to come up with the final product while incorporating the existing demands of lifespan, durability, and IP-rating. The result was two different fastening concepts between modules which were named “Twist Lock” and “Corner Cut”. They are both using a frame design that utilized adaptable plates that differentiated depending on the intended purpose of the module and its placement in the configuration. The majority of the frame is standardized for all modules while smaller gland plates with different electrical connections are placed depending on the internal components. The fasteners were chosen for ease of assembly according to set strength requirements. “Corner Cut” uses the corners on the exterior of the frame to assemble using bolts and nuts. The “Twist Lock” concept is fastened through the interior and the frame was adjusted so that assembly does not interfere with the internal components. If one of the concept is chosen to be used, Alstom will be able to offer eight different configurations, instead of the two configurations that they have today. To proceed, the attachment must be tested practically based on the set strength requirements. / Idag har Alstom flera typer av högspännings-sektioner (HV) som är anpassade för varje ny tågtyp. Vissa av dem är mycket lika i storlek och komponenter och andra skiljer sig mer åt. Syftet med detta examensarbete var att hitta ett sätt att dela upp denna HV-låda i mindre moduler och montera dem med hjälp av ram- och infästningskoncept för att förenkla tillverkningen och monteringen av HV-sektionen. Arbetet bestod av konceptgenerering parallellt för både ramarna och infästningen, sedan utvärdera dessa genom matriser med olika prioriteringar och parametrar. Detaljkonstruktionen använde stödjande simuleringar och diskussioner med Alstom för att komma fram till den slutliga produkten samtidigt som de befintliga kraven på livslängd, hållbarhet och IP-klassning integrerades. Arbetet resulterade i två olika infästningskoncept mellan modulerna som namngavs “Twist Lock” och “Corner Cut”. De använder båda en ramdesign som utnyttjar anpassningsbara plattor som skiljer sig beroende på modulens syfte och placering i tänkt konfiguration. Majoriteten av ramen är standardiserad för alla moduler medan mindre skruvplattor med elektriska anslutningar placeras beroende på de interna komponenterna. Fästena valdes för att vara enkla att montera utefter satta hållfasthetskrav. ”Corner Cut” använder hörnen på utsidan av ramen och modulerna monteras med hjälp av bultar och muttrar. ”Twist Lock” fästs i stället på insidan och ramen justeras så att montaget inte stör de interna komponenterna. Väljer man att gå över till ett av infästningskoncepten så kan man erbjuda åtta konfigurationer av systemet, i stället för dagens två konfigurationer. För att gå vidare så måste infästningarna testas i produktion utifrån de satta hållfasthetskraven.

Over eight decades of research into total artificial hearts (TAHs) has significantly contributed  to saving end-stage heart failure patients. However, at the current stage of development TAHs have several limitations, one of them being their bulkiness. Hence this thesis, with the goal to evaluate the right pump of the TAH developed by Scandinavian Real Heart and propose a compact right drive system without consuming significantly more power than the initial system. In order to do this, the requirements for the right drive systems are evaluated and defined. These requirements are then used to develop a methodology, including a MatLab simulation, for examining and selecting motors for the drive unit of the TAH. Subsequently, the methodology and the simulation are used to identify and assess over 200 motors, as well as select 3 motors for real-world experimental analysis. The suggested motors and the initial motor are then tested in a mock circulatory loop to investigate the performance characteristics and power consumption of the motors. This is done to select the final motor for the right drive unit, as well as verify and validate the created simulation. Based on careful analysis of the mathematical models used in the simulation and presented experimental data, the simulation was accepted to be verified. However, the support for validation of the simulation was lacking, as conflicting outcome for some cases were observed between the simulation and experimental data. Furthermore, given the empirical evidence, a brushless dc motor for the right drive unit and its implementation was proposed. The proposed motor has 11% reduction in size, 20% reduction in power consumption and 34% reduction in weight compared to the initial motor. Therefore, a drive unit with the suggested motor can have a significant impact on the right pump, and potentially even the left pump. Furthermore, the utilisation of the developed simulation can ultimately result in efficient and cost-effective motor selection and provide valuable contribution to the field of drive system development for TAHs. / Över åtta decennier av forskning om totala artificiella hjärtan (TAH) har omfattande bidragit till att rädda patienters liv med kronisk hjärtsvikt. Dessvärre har TAH flera begränsningar i det nuvarande stadiet i utveckling där storleken är ett problem. Därav denna avhandling, med målet att utvärdera den högra pumpen av en TAH utvecklad av Scandinavian Real Heart, för att föreslå ett mer kompakt höger drivsystem utan att det ska förbruka väsentlig mängd mer energi än det ursprungliga systemet. För att åstadkomma detta, har de fysiologiska krav för den högra pumpen analyserats och utifrån den utförda analysen nya krav för drivsystemet har formulerats. Dessa krav har sedan lagt grunden till utveckling av en metodik, inklusive en MatLab-simulering, för att undersöka och välja motorer för drivsystemet av en TAH. Metodiken i samband med simuleringen har använts för att identifiera och bedöma över 200 motorer. Av dessa motorer har tre motorer valts för experimentell utvärdering. I den experimentella utvärderingen, prestandaegenskaper och effektförbrukning av samtliga valda motorer och den ursprungliga motorn har utvärderats i ett konstgjort cirkulationssystem. Syftet med den experimentella utvärderingen är att komma fram till en slutmotor, samt verifiera och validera den utvecklade simuleringen. Baserad på noggrann analys av de använda matematiska modeller i simuleringen och det presenterade experimentella data, ansågs simuleringen vara verifierad. Däremot saknades stöd för validering av simuleringen, på grund av en del motsägande utfall mellan simulering och experimentell data. Därutöver, utifrån den empiriska evidensen föreslogs en borstlös likströmsmotor och dess implementering för det högra drivsystemet. Den föreslagna motorn är 11% mindre i storlek, har 20% lägre effektförbrukning och väger 34% mindre än den ursprungliga motorn. Därför kan en drivenhet med den föreslagna motorn ha en betydande inverkan på den högra pumpen, och potentiellt även den vänstra. Dessutom kan den utvecklade simuleringen användas för att göra urval av motorer för TAH på ett produktivt samt kostnadseffektivt sätt och därmed bidra till framtida utvecklingar av drivenheter för TAH.

This master thesis presents an analogue peak holder circuit design aimed at facilitating the non-invasive inspection of the ageing process in electric drives. The ageing process of electric drives is a crucial aspect that demands accurate monitoring to ensure their long-term performance and reliability. The proposed peak holder circuit is specifically designed to detect fast and narrow-width pulses of ringing current present in the PWM drive current. By capturing and measuring the peak values of these pulses, the circuit provides valuable insights into the ageing characteristics of electric drives. Experimental results demonstrate the remarkable efficiency of the peak holder circuit in accurately detecting and quantifying the peak values of the ringing current pulses. The circuit exhibits a stable output swing within a specified effective input swing range, with low mean-squared error (MSE) values. This signifies a strong linear correlation between the input and output signals, enhancing the reliability of the ageing detection process. The ability of the peak holder circuit to effectively detect and analyze the ageing process of electric drives offers numerous advantages. By focusing on peak detection, which captures the highest values of the ringing current, the circuit provides a more efficient and targeted approach to inspecting the ageing process. This enables engineers and maintenance personnel to gain crucial insights into the degradation and performance of electric drives, allowing for timely interventions and proactive maintenance. / Detta examensarbete presenterar en nyutvecklad kretslösning för toppvärdesdetektering hos elektriska drivsystem, med målet att underlätta ickeinvasiv övervakning av åldrandesprocessen hos eldrivsystem. Åldrandet hos eldrivsystem är en avgörande faktor som kräver noggrann övervakning för att säkerställa deras långsiktiga prestanda och tillförlitlighet. Den föreslagna kretsen för att detektera toppvärden är specifikt utformad för att detektera snabba och kortvariga ringningar i PWM-modulerade strömmar. Genom att mäta toppvärdena ger kretsen värdefull information om åldrandekaraktären hos eldrivsystemen. Experimentella resultat visar på den enastående effektiviteten hos spetsdetekteringskretsen för att noggrant detektera och kvantifiera toppvärdena hos ringningarna i strömmen. Kretsen uppvisar en stabil utsignal inom ett specificerat ingångsintervall, med låga medelkvadratiska felvärden (MSE). Detta indikerar en stark linjär korrelation mellan ingångs- och utgångssignalerna, vilket förbättrar tillförlitligheten hos åldersdetektionsprocessen. Krestsens förmåga att effektivt detektera och analysera åldrandeprocessen hos eldrivsystem erbjuder flera fördelar. Genom att fokusera på toppvärdesdetektering, som fångar de högsta värdena av ringströmmen, ger kretsen ett mer effektivt och riktat tillvägagångssätt för att inspektera åldrandet. Det möjliggör för ingenjörer och underhållspersonal att få viktig information om nedbrytning och prestanda hos eldrivsystem, vilket möjliggör tidiga insatser och proaktivt underhåll.

This master thesis addresses the control of electric propulsion motors in a marine context. The focus lies mainly on the implementation of field oriented control (FOC) in a field programmable gate array (FPGA). The hypothesis is that FPGAs provide performance advantages over microcontroller-based control solutions by enabling parallel processing. Zparq AB, a startup specializing in electric marine propulsion, serves as the industry partner for this project. They develop sustainable alternatives to traditional fossil fuel powered propulsion, and the aim is to develop every included part of their electric propulsion systems inhouse. That makes the development of an FPGA-based motor control solution relevant to their goal. The research question focuses on how multiple marine propulsion motors can be controlled from a single FPGA. To answer this, the study investigates relevant engineering aspects such as reference frame transformations, motor control strategies, pulse width modulation (PWM) methods and technological aspects of modern FPGA architectures. For developing the motor controller, a Digilent Arty Z7-20 FPGA board is used. In the design process, all included functions are written as code in a hardware description language (HDL). This approach aims at maintaining complete insight in all details of the solution. Two variants of conventional FOC are developed; one with position feedback from an encoder and one sensorless. The developed motor controller is tested by controlling a brushless direct current (BLDC) motor, and the results prove the functionality of the encoder-based variant. They also show a latency of less than 15 microseconds and indicate the feasibility of the chosen approach. The modularity of the FPGA is demonstrated by successfully controlling two motors, using two copies of the developed solution in a single FPGA. A discussion on combining FPGA-based controllers with wide bandgap (WBG) semiconductors is also included, where the main discussed advantage is high switching frequency. In conclusion, the results and insights from the project contribute to future development of FPGA-based motor control solutions, both within Zparq and the research field. The insights regarding the specific chosen approach for the FPGA development can also be useful for similar projects. / Detta masterarbete behandlar styrning av elektriska motorer i ett marint kontext. Fokus ligger huvudsakligen på implementeringen av fältorienterad styrning (FOC) i en ifält-programmerbar grindmatris (FPGA). Hypotesen är att FPGAer erbjuder prestandafördelar jämfört med mikrokontroller-baserade styrlösningar, genom att möjliggöra parallella beräkningsprocesser. Zparq AB, ett startup som specialiserar sig på elektriska marina drivsystem, är industripartner för detta projekt. De utvecklar hållbara alternativ till traditionell fossildriven framdrift och målet är att på egen hand utveckla alla ingående delar i deras elektriska drivsystem. Det gör att utvecklingen av en FPGA-baserad lösning för motorstyrning är relevant inom ramen för deras mål. Forskningsfrågan fokuserar på hur ett flertal motorer för marin framdrift kan styras från en enda FPGA. För att svara på detta undersöks relevanta tekniska aspekter såsom koordinattransformationer, motorstyrningsstrategier, metoder för pulsbreddsmodulering (PWM) samt teknologiska aspekter av moderna FPGA-arkitekturer. För utvecklingen av motorstyrningen används ett Digilent Arty Z7-20 FPGA-kort. I designprocessen formuleras alla inkluderade funktioner som kod i ett hårdvarubeskrivande språk (HDL). Detta tillvägagångssätt syftar till att ha god insyn i hela lösningen, ner på detaljnivå. Två varianter av konventionell FOC utvecklas; en med positionsfeedback från vinkelgivare och en sensorlös. Den utvecklade motorstyrningen testas genom att driva en borstlös likströmsmotor (BLDC) och resultaten visar på den vinkelgivarbaserade variantens funktionalitet. De visar även att fördröjningen är under 15 mikrosekunder, samt på genomförbarheten av det valda tillvägagångssättet. Modulariteten i FPGAn demonstreras genom att framgångsrikt styra två motorer med hjälp av två kopior av den utvecklade lösningen i en och samma FPGA. En diskussion kring att kombinera FPGA-baserad styrning och halvledare med brett bandgap (WBG) är också inkluderad, där den huvudsakliga fördelen som diskuteras är hög switchfrekvens.svis bidrar resultaten och insikterna från projektet till framtida utveckling av FPGA-baserade lösningar för motorstyrning, både inom Zparq och övriga forskningsfältet. Insikterna från det specifika valda tillvägagångssättet för FPGA-utvecklingen kan även de vara användbara i liknande projekt.

This thesis is an effort to investigate the operation and the performanceof modular multilevel converters (M2Cs). Proven to be the most promisingtopology in high-voltage high-power applications, it is necessary to put aneffort in understanding the physical laws that govern the internal dynamicsof such converters, in order to design appropriate control methods. AlthoughM2Cs belong to the well-studied family of voltage-source converters (VSCs),and claim a modular structure, their control is significantly more complicatedcompared to two- or three-level VSCs, due to the fact that a much highernumber of switches and capacitors are needed in such a topology. This thesishighlights the important parameters that should be considered when designingthe control for an M2C, through analyzing its internal dynamics, and alsosuggests ways to control such converters ensuring stable operation withoutcompromising the performance of the converter.Special focus is given on ac motor-drive applications as they are very demandingand challenging for the converter performance. Interactions betweenthe internal dynamics and the dynamics of the driven motor are experimentallyinvestigated. The problem of operating the converter when connectedto a motor standing still is visited, even under the condition that a greatamount of torque and current are requested, in order to provide an idea forthe converter requirements under such conditions. Finally, an optimization ofthe converter operation is suggested in order to avoid overrating the convertercomponents in certain operation areas that this is possible.All analytical investigations presented in this thesis are confirmed by experimentalresults on a laboratory prototype converter, which was developedfor the purposes of this project. Experimental verification proves the validityof the theoretical investigations, as well as the correct performance of thecontrol methods developed during this project on a real, physical converter,hoping that the results of this thesis will be useful for large-scale implementations,in the mega- or even giga-watt power range. / Denna avhandling är ett försök att undersöka drift och egenskaper avmodulära multinivåomvandlare (M2C:er). Eftersom denna topologi anses varaden mest lovande inom högspänings-högeffekt-tillämpningar är, och somett underlag för att kunna formulera lämpliga styrmetoder, är det nödvändigtatt lägga kraft i att försöka förståde fysikaliska lagar som styr den inredynamiken i sådana omvandlare. Även om M2C:erna tillhör den välstuderadefamiljen av spänningsstyva omvandlare (VSC:er), och har en modulärstruktur, är deras reglering avsevärt mer komplicerad jämfört med två- ellertre-nivåomvandlare, eftersom ett mycket större antal switchar och kondensatorerär nödvändiga i en sådan topologi. Denna avhandling sätter fingretpå de parametrar som måste beaktas när man konstruerar regleringen för enM2C, genom att analysera den interna dynamiken, samt att föreslå sätt attstyra sådana omvandlare såatt stabil drift kan säkerställas utan att negativtpåverka prestanda.Ett speciellt fokus läggs på växelströmsmotordrifter eftersom de är särskiltutmanande vad gäller prestanda. Växelverkan mellan den interna dynamikenoch motorns dynamik undersöks experimentellt. Problemet att driva motornvid stillestånd behandlas även i fallet med hög ström och högt moment för atterhålla kunskap om kraven påomvandlaren i sådana fall. Slutligen föreslås enoptimering av omvandlarens drifttillstånd för att undvika överdimensioneringav omvandlarens komponenter i de fall detta är möjligt.Alla analytiska undersökningar som läggs fram i denna avhandling är bekräftadegenom experimentella resultat från en laboratorieomvandlare, somutvecklats inom ramen för detta arbete. Den experimentella verifieringen bevisargiltigheten av alla teoretiska undersökningar. Den visar också på demycket goda prestanda som de utvecklade styrmetoderna har vid drift aven verklig fysisk omvandlare. Förhoppningen är att resultaten från detta arbetekan komma till använding i storskaliga implementerinar i mega- ellergiga-wattklassen. / <p>QC 20141201</p>