ZASTOSOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNEGO SILNIKA LINIOWEGO DO REDUKCJI DRGAŃ MECHANICZNYCH

Transkrypt

1 JANUSZ KOWAL, JAROSŁAW KONIECZNY, PAWEŁ ORKISZ ZASTOSOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNEGO SILNIKA LINIOWEGO DO REDUKCJI DRGAŃ MECHANICZNYCH ELEKTROMAGNETIC LINEAR MOTOR APPLIED IN A VIBRATION REDUCTION SYSTEM Strescenie Astract W artyule opisano adania laoratoryjne tłuia drgań udowanego na aie eletrodynaicnego silnia liniowego prądu stałego. Badania te wiąane yły diałanie silnia pełniącego następujące funcje: tłuia wisotycnego, eleentu wyonawcego w uładie odysiwania energii, eleentu wyonawcego w atywny uładie reducji drgań. Podcas testów laoratoryjnych wynacono charaterystyi uożliwiające ocenę prydatności aproponowanego silnia liniowego do reducji drgań echanicnych. Słowa lucowe: atywne ułady reducji drgań, eletroagnetycne silnii liniowe, sterowanie, regeneracja energii The paper presents laoratory research of viration daper operate on the asic of the electroagnetic linear otor. Laoratory research was related with linear DC otor fulfilling functions: viscose daper, actuator in energy regeneration syste, actuator in active viration control syste. During laoratory tests static and dynaics characteristics was deterined which proposed linear DC otor ae possile to evaluation in relation to echanical viration reduction. Keywords: active viration control syste, electroagnetic linear DC otor, control syste, energy regeneration Prof. dr ha. inż. Janus Kowal, dr inż. Jarosław Koniecny, gr inż. Paweł Oris, Katedra Autoatyi i Procesów, Wydiał Inżynierii Mechanicnej i Rootyi, Aadeia Górnico-Hutnica w Kraowie.

2 5. Wstęp W ostatnich latach ożna aoserwować duże ainteresowanie nauowców tłuiai sterowanyi. W uładach reducji drgań najcęściej stosuje się wisotycne tłuii hydraulicne lu hydro-pneuatycne. Tłuii te ają wiele właściwości, tóre predestynują je do wyorystania w uładach wiroiolacji, scególnie w uładach awieseń pojadów. Podstawową aletą tłuiów hydraulicnych są ałe wyiary w stosunu do generowanych sił. Główną ich wadą jest duża ależność współcynnia tłuienia wisotycnego od teperatury ciecy roocej. Pry pracy dławieniowej iana tej teperatury jest nieuniniona. W nowocesnych rowiąaniach aortyatorów gaowo-olejowych stosuje się specjalne ułady opensujące wpływ iany teperatury cynnia roocego na właściwości tłuiące. Bardo interesującą propoycję w 4 r. predstawiła fira Bose. Wyproduowała ona eletroagnetycne awiesenie do saochodu osoowego. W rowiąaniu ty jao eleent wyonawcy astosowano ctery eletroagnetycne silnii liniowe uiescone w iejscu lasycnych olun awiesenia. Silnii te udowane są agnesów stałych ora owiniętych woół rdenia cewe. Prąd prepływający pre cewi powoduje presuwanie się rdenia, a co a ty idie ożliwość generowania siły, tórej ierune i wartość ależą od natężenia prądu. Tego typu eleenty wyonawce wyorystuje się również jao tłuii o diałaniu identycny ja tłuii wisotycne. Wówcas ruch rdenia wględe cewe powoduje induowanie się prądu, a pre ontrolowanie wartości tego prądu np. dięi astosowaniu iennej reystancji wprowada się dodatową siłę tłuiącą. Wartość tej siły ożna nastawiać pre ianę reystancji. Dużą aletą tego rowiąania jest syość diałania eleentów eletroagnetycnych, a astosowanie liniowego silnia eletroagnetycnego prądu stałego powala na uninięcie proleów wiąanych e ianai teperatury. a Rys.. Eletroagnetycny silni liniowy: a scheat ideowy, astosowany w pracy silni Fig.. Electroagnetic linear DC otor: a scheatic diagra, linear otor applied in wor Zaproponowane pre autorów rowiąanie tłuia drgań udowanego na aie eletrodynaicnego silnia liniowego prądu stałego uożliwia dodatowo aianę energii inetycnej na eletrycną i groadenie jej w celu późniejsego wyorystania. Prace w ty ierunu prowadone są od lat, a ostały apocątowane pre grupę nauowców

3 53 Institute of Industrial Science, University of Toyo, pod ierownictwe Yoshihiro Sudy []. Na rysunu a predstawiono scheatycnie ideę diałania eletroagnetycnego liniowego silnia prądu stałego, a na rysunu fotografię astosowanego w pracy eleentu.. Model ateatycny uładu reducji drgań Z preprowadonej analiy istniejących rowiąań awieseń pojadów wynia, że najcęściej stosowany wariante jest awiesenie nieależne olunowe. Pryjęty do dalsych adań uład odwierciedla ćwiartę awiesenia pojadu i stanowi poioy odel uładu reducji drgań o dwóch stopniach swoody predstawiony na rys.. Eleenty pasywne uładu predstawione w taeli dorano ta, ay cęstotliwości drgań własnych występujące w adany odelu odpowiadały cęstotliwościo drgań własnych awiesenia pojadu osoowego []. Równania ruchu opisujące odel pionowy w oolicach położenia równowagi są analogicne do pryjętych równań odelu poioego. Predstawione równania ruchu dla aprojetowanego uładu poddano deopoycji odalnej, wprowadając ienne stanu w postaci [3, 5]. W ońcowy reultacie otryano odel w prestreni stanu 3, 4. Równania ruchu f f w w Pryjęto następujące ienne stanu dt f w x x x x 4 3 Rys.. Scheat pryjętego uładu reducji drgań Fig.. Scheatic diagra of viration isolation syste

4 54 Taela Porównanie wartości eleentów pasywnych odelu laoratoryjnego i odelu recywistego Model recywisty Opis Model pryjęty na stanowisu 38 g asa niewiroiolowana g,5 g 5 asa wiroiolowana g 7 Ns tłuienie występujące w oponie saochodowej Ns Ns współcynni tłuienia aortyatora Ns 8 N współcynni sprężystości opony N 8,36 N współcynni sprężystości awiesenia N,5 Równanie stanu i równanie wyjść Bu Ax x, Du Cx y 3 gdie. w f u Wynacone aciere A B C D 4 Oawiany uład aodelowano w paiecie MATLAB Siulin. Pryjując olejno jao wetor sterowania [ ] T f u i [ ], T w u wynacono charaterystyi aplitudowo-cęstotliwościowe predstawione na rys. 3.

5 55 Rys. 3. Charaterystyi aplitudowo-cęstotliwościowe odelowanego uładu reducji drgań Fig. 3. Frequencies response characteristics received viration reduce syste 3. Badania laoratoryjne Uwględniając waruni wytryałościowe onstrucji i waruni epieceństwa, aprojetowano stanowiso a poocą prograu SolidWors. Wido wyonanego stanowisa predstawiono na rys. 4a. a wudni drgań eleent atywny 3 i 4 pretwornii preiescenia 5 wóe prowadący 6 eleenty pierwsego stopnia swoody 7 eleenty drugiego stopnia swoody 8 raa płytą ocującą viration exciter actuator 3 and 4 displaceent transducer 5 guiding truc 6 unsprung ass 7 sprung ass 8 ase frae Rys. 4. Stanowiso adawce: a projet stanowisa, realiacja fiycna Fig. 4. Test stand: a design, physical realiation

6 56 Badania laoratoryjne preprowadono na specjalnie do tego celu udowany stanowisu doświadcalny predstawiony na rys. 4. W sład stanowisa wchodą: eleenty wyonawce: silni liniowy LA3-43-A rys. 4 pracujący w roli generatora drgań, silni liniowy LA5-4-A rys. 4 pełniący funcję eleentu wyonawcego, eleenty poiarowe: audowane w stanowisu cujnii preiescenia i siły, espoły poiarowo-sterujące: oduł poiarowy NI cdaq-97 pracujący w owodie poiarowy, arta poiarowa NI-6 aontowana w oputere sterujący, espół wacniacy ocy i owód asilania. 4. Try tłuienia wisotycnego W pierwsy etapie adań laoratoryjnych eletroagnetycnego silnia liniowego w owód cewi silnia włącono reystancję R d i arejestrowano preieg siły w funcji prędości wysuwu rdenia rys. 5. Stałą prędość wysuwu realiowano a poocą wudnia drgań pracującego w anięty uładie regulacji. Zastosowany regulator uożliwił odworowanie piłostałtnej funcji wyusenia. Zarejestrowane preiegi siły i preiescenia powalają epośrednio wynacyć współcynni tłuienia wisotycnego, ędący funcją reystancji wewnętrnej owodu silnia. Zależność ta jest opisana funcją nieliniową, a jej preieg predstawiono na rys. 6. Rys. 5. Wyres ależności siły w funcji prędości dla wyranych reystancji włąconych seregowo w owód silnia Fig. 5. Restoring force characteristics in function of velocity for chosen resistance connected in circuit of otor Rys. 6. Wyres współcynnia tłuienia wisotycnego w funcji reystancji Fig. 6. Viscous daping coefficient in function of resistance W olejny etapie wynacono energię roprosoną pre silni pracujący w tryie tłuia wisotycnego. W ty celu tłui poddano wyuseniu sygnałe sinusoidalny. Rejestrowano siłę reacji ora preiescenie wględne tłuia. Badania wyonano pry równych aplitudach i cęstotliwościach sygnału preiescenia wględnego tłuia. Na rysunu 7a predstawiono siłę reacji silnia eletroagnetycnego w funcji preiescenia pry ociążeniu reystancją dodatową R d,ω. Pole powierchni figury predstawionej na rys. 7a jest iarą energii roprasanej pre tłui. Energia ta ależy arówno od aplitudy, ja i cęstotliwości preiescenia cewi wględe rdenia ag-

7 57 netycnego. Zależność siły reacji tłuia w funcji preiescenia dla wyranych reystancji owodu predstawiono na rys. 7. Zależność energii roprasanej pre tłui pry sinusoidalny sygnale wyusający predstawiono a poocą woru Et F d dx A ωπ 5 gdie: F d wartość siły reacji tłuia, x preiescenie, współcynni tłuienia, A aplituda drgań preiescenia cewi wględe rdenia, ω pulsacja drgań. a Rys. 7. Wyres ależności siły w funcji preiescenia silni LA3-43-A: a dla reystancji dodatowej, Ω i iennej aplitudy preiescenia, rowartego owodu cewi i iennej cęstotliwości Fig. 7. The graph of force dependence in function of oveent LA3-43-A otor: a for additional resistance, Ω and various aplitude of displaceent, for open circuit and various frequencies Na rysunu 8 apreentowano ilość energii roprosonej w jedny cylu pre liniowy silni eletroagnetycny w funcji cęstotliwości i reystancji. Rys. 8. Wyres ależności energii roprasanej pre tłui w funcji reystancji ociążenia i cęstotliwości sinusoidalnego sygnału preiescenia Fig. 8. The relations of the energy dissipated y the daper in the function of terination resistance and displaceent frequency

8 58 5. Try atywnego uładu reducji drgań W drugi etapie silni adano pod ąte astosowania go w atywny uładie reducji drgań. Dostarcając energię ewnętrnego źródła asilania, identyfiowano ależność siły wygenerowanej pre silni w funcji napięcia sterującego [6]. Fragent arejestrowanych preiegów casowych predstawiono na rys. 9. Na podstawie arejestrowanych preiegów casowych wynacono odel ARMAX. Zależność tę opisano równanie A q F t B q U ster t C q e t A q,748q,836q B q 3,998q,9q C q,q,548q 6 Rys. 9. Porównanie preiegów casowych siły wygenerowanej pre odel laoratoryjny i odel silnia pochodący identyfiacji Fig. 9. Coparison of tie curves of generated force y the laoratory odel and the odel of the otor otained fro the identification Model ten posłużył do opisu diałania silnia w roli eleentu atywnego i po uwględnieniu estrapolatora erowego rędu ZOH uożliwił preprowadenie syulacji w prograie MATLAB Siulin. 6. Badania syulacyjne uładu reducji drgań regeneracją energii Do groadenia energii uładu aproponowano dwa rowiąania onstrucyjne ładoware. Pierwse, aujące na popularnych ogniwach NIMH, diałające na asadie sewencyjnej iany ilości dołącanych ogniw. Drugie rowiąanie astało oparte na aie prełącanego ondensatora, ładowanego prąde induowany w owodie silnia eletroagnetycnego i roładowywanego w owodie preysłowego auulatora CSB

9 59 HRW rys.. Proces ładowania i wyładowywania aodelowano w prograie LaVIEW, orystając inforacji udostępnionych pre producenta ogniw energetycnych. Rys.. Uład regeneracji energii oparty na sterowany ondensatore Fig.. The diagra of energy regeneration structure, designed on controlled capacitor W projecie wyonano również oputerowe syulacje wpływu diałania ładowari na pracujący uład ora achowania eleentu wyonawcego w atywny i seiatywny uładie reducji drgań [4]. Sporądenie odeli powoliło pretestować ila wyranych podstawowych regulatorów, a taże wstępnie dorać ich paraetry. Zastosowanie eletroagnetycnych silniów liniowych poawionych histerey i racji rótiego casu reacji niewyagających stosowania uładów predycyjnych nacąco uprasca doór sterowania, lec wyaga wprowadenia ograniceń asyalnego sygnału sterującego. Istotny prolee napotany w tracie syulacji atywnego uładu reducji drgań AURD odysiwanie energii jest aprojetowanie funcji estopniowego prełącania uładów sterowania. Do ipleentacji tej funcji astosowano regulator e sprężeniai od aplitudy i cęstotliwości drgań asy wiroiolowanej. Dodatowo wprowadono ogranicenia aplitudy sygnału sterującego, co powoliło otryać posuiwaną jaość regulacji. Pryładowe preiegi apreentowano na rys.. Rys.. Porównanie preiegów casowych preiesceń asy wiroiolowanej dla uładu pasywnego i atywnego regeneracją energii Fig.. Coparison of tie response curves of the sprung ass displaceent for passive syste and active viration control syste with energy regeneration

10 6 7. Podsuowanie Główny cele udowy stanowisa opisanego w artyule jest realiacja saoasilającego się atywnego uładu drgań echanicnych wyorystującego silnii liniowe prądu stałego agnesai stałyi. W artyule wyaano ożliwości astosowania liniowych silniów eletroagnetycnych jao eleentu wyonawcego pełniącego funcje: sterowanego eleentu roprasającego energię, eleentu odysującego energię ora eleentu atywnego w uładach reducji drgań. Badany eletroagnetycny silni liniowy astosowany w uładie reducji drgań wyauje wiele poytywnych cech, główne nich to: syość reacji, ra histerey, długi cas eawaryjnej pracy w ależności od onstrucji uscelnienia, wysoa sprawność, duża funcjonalność, niewiela podatność na ianę paraetrów otocenia, taich ja teperatura, wilgotność ora ożliwość więsenia tryrotnie siły użytowej w rótich ipulsach. Istotny ogranicenie w astosowaniu tych silniów jest duża asa w stosunu do siły użytowej ora wysoa cena jednostowa. W dalsej pracy nad adany agadnienie postanowiono wyonać fiycną realiację uładu regeneracji energii ora preprowadić adania uładu atywnego regeneracją energii, stosując różne algoryty sterowania. Ostatni etap adań prewiduje ianę odelu uładu poioego na pionowy i próę onstrucji wartego eletroagnetycnego eleentu wyonawcego uożliwiającego preniesienie adań na oiet recywisty. Praca ostała wyonana w wiąu realiacją grantu Atywny regeneracyjny uład reducji drgań wyorystujący eletroagnetycne eleenty wyonawce N5373/98. Literatura [] Suda Y., Naadai S., Naano K., Study on the self-powered active viration control. [] R a j e s h R., Vehicle dynaice and control, Springer 6. [3] Koniecny J., Atywne awiesenie pojadu ogranicony użycie energii, praca dotorsa, Aadeia Górnico-Hutnica, Kraów 6. [4] Goodwin G., Graee S., Salgado M., Control Syste Design, New Jersey, Printice Hall. [5] Sawi T., Analia i syntea wielowyiarowych uładów sterowania, Kraów 984. [6] Soderstro T., Stoica P., Identyfiacja systeów, Warsawa 997.