aalto1 untyped-item.component.html
Fail-safe design of an electrically controlled cycloidal propeller
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
60
Series
Abstract
Electrically controlled cycloidal propellers are an alternative propulsion method, which have recently surfaced due to increasing sustainability goals in the maritime industry. Due to their potential for greater efficiency, manoeuvrability, and lower emissions, these systems could represent the next major advancement in marine propulsion. They are, however, still a relatively unexplored concept with limited research available. Reliable operation through sensor fault detection and fault tolerance is essential for many control systems, regardless of the propulsion method used. While these are generally broad and well-researched topics, finding the most effective fault tolerance strategies for a specific application can be challenging, especially in newer concepts like the electrical blade control of cycloidal propellers. This thesis studies fault tolerance strategies for blade encoder failures, which are critical for safe control of the propeller blades. The research in this thesis is focused on different fault mitigation methods specifically addressing the blade control when an encoder signal is not available. The study begins with a literature review into common fault tolerance strategies, followed by proposing fault mitigation methods specific for encoder failure in the blade control of cycloidal propeller systems. The proposed solutions include the use of internal estimator functions within the blade drives, delayed control input strategy based on the adjacent blade control, and a simple damping control with the intention of suppressing erratic blade motions. The feasibility of each of the techniques is then evaluated through hardware-in-the-loop testing. The results show that the built-in estimators are the most efficient method to replace the faulty encoder signal, as it is able to keep the blade in its intended trajectory with a surprisingly high accuracy. In addition, the damping control was found to be highly effective in reducing unwanted blade movements, which made it the more robust and practical option. The final suggestion is to build on these findings through more practical testing and refinement, now that the proposed methods have been integrated as part of the system.
Sähköisesti ohjatut sykloidipotkurit ovat vaihtoehtoinen propulsiomenetelmä, joka on noussut esiin vastauksena merenkulkualan kasvaviin ympäristö- ja kestävän kehityksen tavoitteisiin. Suuremman hyötysuhteen, paremman ohjattavuuden ja pienempien päästöjen ansiosta nämä järjestelmät voivat edustaa seuraavaa merkittävää kehitysaskelta merenkulun propulsiossa. Kyseessä on kuitenkin vielä suhteellisen vähän tutkittu konsepti, josta on tarjolla rajallisesti tutkimustietoa. Luotettava toiminta anturivikojen tunnistuksen ja vikasietoisuuden avulla on välttämätöntä monille ohjausjärjestelmille, riippumatta käytetystä propulsiomenetelmästä. Vaikka nämä ovat yleisesti ottaen laajoja ja hyvin tutkittuja aiheita, tehokkaimpien vikasietoisuusstrategioiden löytäminen tietylle sovellukselle voi olla haastavaa, erityisesti uudemmissa konsepteissa, kuten sykloidipotkurien sähköisessä lapaohjauksessa. Tämä opinnäytetyö tutkii vikasietoisuusstrategioita lavan enkooderin vikatilanteissa, mikä on kriittistä potkurin lapojen tarkan ja turvallisen ohjauksen kannalta. Tämän työn tutkimus keskittyy erilaisiin vianhallintamentelmiin, jotka koskevat erityisesti lapojen ohjausta, kun enkooderisignaalia ei ole saatavilla. Työ alkaa kirjallisuuskatsauksella yleisiin vikasietoisuusstrategioihin, minkä jälkeen esitellään tämän työn ehdotetut ratkaisut, jotka on erityisesti suunnattu sykloidipotkurin lapaohjauksen enkooderivikoihin. Ehdotettuihin ratkaisuihin kuuluvat sisäisten estimaattorifunktioiden käyttö lapojen taajuusmuuttajissa, viivästetty ohjausstrategia viereisen lavan perusteella sekä yksinkertainen vaimennusohjaus, jonka tarkoituksena on hillitä epävakaita lapaliikkeitä. Kunkin menetelmän toteutuskelpoisuutta arvioidaan hardware-in-the-loop-testauksen avulla. Tulokset osoittavat, että sisäänrakennetut estimaattorit ovat tehokkain menetelmä viallisen enkooderisignaalin korvaamiseksi, sillä ne kykenevät pitämään lavan suunnitellulla radallaan yllättävän tarkasti. Lisäksi vaimennusohjaus osoittautui erittäin tehokkaaksi ei-toivottujen lapaliikkeiden vähentämisessä, tehden siitä käytännössä kestävämmän ja toimivamman vaihtoehdon. Lopullinen suositus on jatkaa tutkimusta näiden menetelmien pohjalta käytännön testauksella ja hienosäädöllä, nyt kun ehdotetut ratkaisut on integroitu osaksi järjestelmää.
Description
Supervisor
Baumann, DominikThesis advisor
Pekcan, AliNiemi, Olli