Badanie wpływu procesu rozmagnesowywania na pętlę histerezy obrotowego hamulca magnetoreologicznego

Transkrypt

1 Badaie wpływu procesu rozmagesowywaia a pętlę histerezy obrotowego hamulca magetoreologiczego Adrzej Milecki*, Paweł Bachma**, Marci Chciuk** *Politechika Pozańska, **Uiwersytet Zieloogórski Streszczeie: W artykule zaprezetowao podstawowe własości oraz wiadomości teoretycze dotyczące ich magesowaia i rozmagesowywaia. W drugiej części przedstawioo badaia dotyczące zależości jakości procesu rozmagesowywaia hamulca magetoreologiczego od parametrów sygałów rozmagesowujących. Końcowa część artykułu zawiera wioski dotyczące optymalych wartości częstotliwości sygałów służących do rozmagesowywaia hamulców. Słowa kluczowe: obrotowy hamulec magetoreologiczy, urządzeia dotykowe, ferromagetyki, histereza magetycza, rozmagesowywaie 1. Wprowadzeie Histereza występuje w wielu procesach i zjawiskach fizyczych. W obwodach magetyczych jest zwykle szkodliwa, bowiem powoduje iejedozaczość oraz jest przyczyą pamięci obwodu. Właśie ze względu a występowaie histerezy magetyczej i spowodowaej ią ieliiowej pracy hamulca magetoreologiczego, iemożliwe jest zachowaie stałych parametrów i waruków jego pracy. W przypadku gdy hamulec taki zamotoway jest w dżojstiku typu haptic [1, 2, 3, 4, 5], to brak powtarzalości mometu hamującego powoduje geerowaie różych sił oporu dla tych samych wartości apięcia hamulca, co z kolei skutkuje różym odczuwaiem siły oporu przez operatora. Aby hamulec pracował tak jak układ liiowy, w którym daej wartości apięcia odpowiada ściśle określoy momet obrotowy, koiecze jest stosowaie złożoych algorytmów kompesacji histerezy (liearyzacji). W przypadku zmiejszeia apięcia zasilającego cewki hamulca do zera (atężeie prądu rówe zero) w obwodzie występuje pozostałość magetycza (amagesowaie), która jest źródłem szkodliwego mometu oporu ruchu. Koiecze jest wtedy rozmagesowaie obwodu magetyczego hamulca. Jedak proces rozmagesowaia, polegający zwykle a podawaiu apięcia siusoidalego o malejącej amplitudzie wymaga czasu, a jego skróceie jest istotym problemem. 2. Właściwości i zastosowaie W wielu urządzeiach elektryczych istieje potrzeba skocetrowaia i skierowaia pola magetyczego w ograiczoej przestrzei. Możliwość taką stwarzają specjalie ukształtowae ferromagetyki, zazwyczaj o określoych i regularych kształtach przekrojów poprzeczych. Liie wektora idukcji magetyczej przebiegają główie w ich wętrzu, są do siebie rówoległe i mają zbliżoą długość. Skostruowae dla osiągięcia takiego celu elemety azywamy magetowodami. Magetowody są zazwyczaj ieodłączą częścią takich urządzeń, jak trasformatory, prądice, siliki elektrycze, elektromagesy oraz omawiae w tym artykule hamulce magetoreologicze. W celu dokładego rozpozaia problematyki związaej ze zjawiskiem histerezy ależy zapozać się z kwestiami związaymi z materiałami magetyczymi, ich strukturą, i pozać zagadieia teoretycze związae z ich magesowaiem i rozmagesowywaiem. W zastosowaiach techiczych zaczeie mają dwie grupy, tzw. miękkie i twarde. Materiały magetycze miękkie charakteryzują się wąską pętlą histerezy, atomiast pętla histerezy materiałów twardych jest szeroka (rys. 1). Rys. 1. Pętla histerezy materiału magetyczego twardego i miękkiego [6] Fig. 1. Hysteresis loop of hard ad soft magetic material Klasyczymi urządzeiami, w których istieje potrzeba stosowaia materiałów magetyczych miękkich, są trasformatory oraz siliki i prądice. Materiały magetycze twarde są stosowae tam, gdzie ie dokouje się przemagesowań i jest wymagae skumulowaie dużej eergii magetyczej. Zazwyczaj jest pożądae, by idukcja szczątkowa była w tym przypadku możliwie duża. Materiały magetycze twarde zajdują zastosowaia jako magesy trwałe, między iymi przy budowie silików i prądic, szczególie małych mocy. Główymi cechami, jakie ależy wziąć pod uwagę projektując magetowód urządzeń takich jak hamulce magetoreologicze, są: maksymala wartość idukcji w ferromagetyku oraz magetyzm szczątkowy. Zaleca się, aby maksymala wartość idukcji była jak ajwiększa. Skutkuje to miejszą liczbą zwojów lub miejszym prądem wymagaym do osiągięcia tego samego atężeia pola magetyczego 2/2012 Pomiary Automatyka Robotyka 499

2 Rys. 2. Przebieg magesowaia ferromagetyka: a) przy arastaiu prądu, b) po zmiaie kieruku prądu, c) przy prądzie siusoidalym o dwóch różych amplitudach [6] Fig. 2. Course of magetizatio ferromagetic material: a) the progressio of curret, b) after chagig the curret directio, c) for a siusoidal curret at two differet amplitudes w hamulcu. Magetyzm szczątkowy powiie przy tym być jak ajmiejszy, co elimiowałoby koieczość rozmagesowywaia. Właściwości te sprawiają, że idealym materiałem do kostrukcji magetowodu hamulców magetoreologiczych są ferromagetyki miękkie. 3. Charakterystyka B = f(h) Przyjmując jako parametr wartość względej przeikalości magetyczej µ r, środowiska, materiały ie-ferromagetycze dzielimy a dwie grupy: diamagetyki, dla których µ r 1, - paramagetyki, dla których µ r ³ 1. Graicza wartość µ r = 1 charakteryzuje właściwości magety cze próżi fizyczej. Dla większości paramagetyków przeikalość względa jest zbliżoa do jedości. Szczególą grupę staowią ferromagetyki, których przeikalość µ r jest dużo większa od jedości. Zróżicowaie wartości µ r ma kosekwe cje dla zachowaia się tych materiałów w zewętrzym polu magetyczym. Porówując wartość idukcji magetyczej B w przestrzei wypełioej środowiskiem o określoej przeikalości magetyczej z idukcją próżi fizyczej B 0, otrzymao: w diamagetykach B/B 0 1, w paramagetykach B/B 0 ³ 1, w ferromagetykach B/B 0 >> 1. Właściwości w zaczym stopiu zależą od wartości zewętrzego pola magetyczego, przy czym są to materiały magetyczie ieliiowe. Jest to spowodowae wewętrzą strukturą tych materiałów, której istotą jest istieie mikroobszarów o sta łym amagesowaiu tzw. dome. W zewętrzym polu magetyczym astępuje proces przemieszczaia się tych dome w taki sposób, by kieruek amagesowaia domey pokrywał się z kierukiem tego pola. Właściwości magetycze materiału moża prześledzić, aali zując tzw. krzywą magesowaia, opisującą zależość idukcji magetyczej B od wymuszoego z zewątrz pola magetyczego o a tężeiu H. Przy założeiu, że w chwili rozpoczęcia procesu wymuszaia pola w ferromagetyku ie był o amagesoway, charakterystyka B(H), azywaa krzywą pierwszego magesowaia, będzie rozpoczyała się w początku układu współrzędych i przebiegała dalej tak, jak to pokazao a rys. 2a. Ze wzrostem atężeia pola wzrasta też idukcja, przy czym w przedziale zmia atężeia pola od zera do H 1 krzywa jest wklęsła i odwracala. Ozacza to, że przy tej wartości pola zewętrzego ie astąpiło trwałe przemieszczeie poszczególych dome. W przedziale od H 1 do H 2, krzywa magesowaia jest w przybliżeiu prostą. Przy dokładych pomiarach moża jedak stwierdzić, że w rzeczywistości jest to krzywa schodkowa (jej kształt w powiększeiu jest pokazay w kółku a rys. 2a). Wyika to ze skokowych przesuięć graic dome. Zjawisku temu, azywaemu zjawiskiem Barkhausea, towarzyszy trzask, słyszaly p. w przyłożoym do obiektu czułym mikrofoie. Dla atężeń większych od H 2 stałym przyrostom H odpowiadają coraz miejsze przyrosty idukcji B. Rozpoczya się zjawisko azywae asycaiem ferromagetyka, któremu odpowiada obróceie wektorów magetyzacji wszystkich dome do pozycji rówoległej do pola zewętrzego. W efekcie krzywa magesowaia dąży do idukcji B = B s, azywaej idukcją asyceia i odpowiadającej praktyczie ajwiększej wartości idukcji, jaką moża uzyskać w ferromagetyku. Jeśli po osiągięciu p. puktu A a krzywej pierwszego magesowaia zacziemy zmiejszać wartość atężeia pola, to charakterystyka B(H) będzie przebiegała powyżej tej krzywej i osiągie przy H = 0 wartość B r, azywaą idukcją szczątkową. Idukcja szczątkowa jest miarą trwałego amagesowaia obiektu, który z tą chwilą staje się samoistym magesem. Zmiejszeie amagesowaia do zera wymaga wymuszeia pola skierowaego przeciwie do pola magesującego, p. przez zmiaę kieruku prądu w cewce. Wymuszeie pola o atężeiu rówym H c powoduje, że idukcja magetycza osiąga wartość rówą zeru. Natężeie H c azywamy atężeiem powściągającym lub koercyjym. Jego wartość, obok idukcji szczątkowej, jest parametrem charakteryzującym day materiał magetyczy. Przeprowadzając dalej proces magesowaia przy zmieioym kieruku pola (prądu w cewce), otrzymuje się zmiay idukcji, aż do osiągięcia wartości idukcji asyceia B s. Zmieiając poowie kieruek prądu w cewce, powoduje się Rys. 3. Schemat układu pomiarowego wykoay w programie Simulik Fig. 3. Schematic of measurig system made i Simulik program 500 Pomiary automatyka Robotyka 2/2012

3 5. Badaie pętli histerezy mometu hamującego hamulca MR Rys. 4. Przebiegi apięcia podczas badaia pętli histerezy hamulca MR Fig. 4. Voltage courses durig the research MR brake hysteresis zmiejszeie idukcji kolejo do wartości: B r i zera (przy atężeiu +H c ) (rys. 1b). 4. Rozmagesowywaie Zgodie z charakterystyką B=f(H) oraz tym co apisae jest w rozdziale poprzedim, w celu rozmagesowaia ferromagetyka ależy wymusić w im pole o atężeiu powściągającym (koercyjym) H c powodujące, że idukcja magetycza osiąga wartość rówą zeru. Otrzymaie właśie takiej wartości pola jest trude ze względu a dużą ieliiowość magetowodu. Wymaga też stałego pomiaru atężeia pola w obwodzie. W praktyce stosuje się dwie ie metody rozmagesowywaia. Pierwsza to agrzaie układu do temperatury T > T c, gdzie T c jest tzw. temperaturą Curie, powyżej której wszystkie ferromagetyki stają się paramagetykami o przeikalości względej bliskiej jedości, a po ostygięciu stają się poowie rozmagesowaymi ferromagetykami. Demagetyzacja przez podgrzewaie do temperatury wyższej od temperatury Curie jest w praktyce stosowaa jedyie wówczas, gdy day elemet jest z przyczy techologiczych podgrzeway w kolejej fazie obróbki, p. w celu zahartowaia lub wyżarzaia (dla żelaza temperatura ta wyosi 1043 C) i w zupełości ie adaje się do rozmagesowywaia większości urządzeń (w tym hamulców magetoreologiczych), ze względu a zastosowaie do ich budowy elemetów gumowych oraz tworzyw sztuczych (izolacja przewodów doprowadzających apięcie do cewki). Druga metoda bazuje a rozmagesowującym działaiu przemieego pola magetyczego o malejącej do zera amplitudzie. Z przyczy ekoomiczych ajczęściej stosowae jest rozmagesowywaie właśie według tej metody, przy czym wyróżia się dwie jej odmiay. Pierwsza polega a wykorzystaiu aturalego zmiejszaia się amplitudy idukcji magetyczej przy oddalaiu się, p. od ciekiej cewki, w której płyie prąd siusoidaly o stałej wartości. Drugi sposób polega a wymuszeiu w cewce przepływu prądu przemieego o zmiejszającej się do zera amplitudzie. Przepływ prądu o takiej charakterystyce powoduje cyklicze przemagesowaia elemetu powodując w kolejych cyklach zmiejszaie się idukcji szczątkowej aż do zera i to właśie ta metoda zostaie zastosowaa do rozmagesowywaia hamulców. W związku z tym, że brak jest jedak publikacji, w których zamieszczooby badaia jaka to ma być częstotliwość i jak długo ma trwać rozmagesowywaie, postaowioo wykoać pomiary w celu sprawdzeia, jaka częstotliwość ajefektywiej rozmagesuje hamulec. Na rys. 3 pokazay jest schemat układu pomiarowego wykoay w programie Simulik. Za pomocą wejścia aalogowego karty RT-DAC wprowadzay do układu sygał mometu hamującego hamulca magetoreologiczego, a a wyjście wyprowadzay jest sygał apięcia zasilającego cewkę hamulca. W początkowej fazie pomiarów sprawdzoo, jak wygląda zależość mometu hamującego hamulca od apięcia płyącego przez jego cewkę. Próbę wykoao dla wstępie rozmagesowaego hamulca, zasilając go kolejo rosącym i malejącym apięciem prostokątym. Na rysuku 2 widocze są sygały apięcia elemetu Sigal Builder. Góry przebieg (Sigal 1) odpowiada za włączeie sygału z geeratora i powoduje, że apięcie uzyskiwae a wyjściu jest malejące. Po rozmagesowaiu hamulca w 5 sekudzie zaczya się jego magesowaie i rozmagesowywaie, zgodie z przebiegiem apięcia Sigal 2. Na rys. 5 widocze są przebiegi apięcia i mometu hamulca MR. Na ich podstawie moża wywioskować, że hamulec rozmagesoway, iezasilay geeruje momet hamujący związay z jego oporem, rówy 1,5 Nm. Po amagesowaiu atomiast wzrasta o do około 2,15 Nm. Przebieg histerezy badaego hamulca MR widoczy jest a rys. 6. Rys. 5. Przebiegi apięcia i mometu podczas badaia pętli histerezy hamulca MR Fig. 5. Voltage ad torque courses durig the research MR brake hysteresis Rys. 6. Przebieg histerezy hamulca MR Rys. 6. Hysteresis of MR brake 2/2012 Pomiary automatyka Robotyka 501

4 6. Badaie procesu rozmagesowywaia hamulca MR W astępym etapie sprawdzao, przy jakiej częstotliwości sygału rozmagesowywaie jest ajskutecziejsze. Jako kryterium jakości rozmagesowywaia przyjęto różicę sygału mometu hamującego dla hamulca ieamagesowaego oraz rozmagesowaego badaym sygałem. W celu uzyskaia jedakowych waruków początkowych hamulec ajpierw poddawao rozmagesowaiu, do otrzymaia mometu hamującego rówego około 1,5 Nm. Następie dwukrotie magesowao hamulec sygałem skokowym o wartości 10 V i czasie trwaia 5 s, z tym że podczas opadaia pierwszego impulsu hamulec F=10 Hz a) F=1 Hz b) Rys. 7. Przebiegi apięcia i mometu podczas badaia rozmagesowaia hamulca MR dla częstotliwości 10 Hz Fig. 7. Voltage ad torque courses durig the research MR brake demagetizatio for frequecy 10 Hz Rys. 9. Przebiegi apięcia i mometu podczas badaia rozmagesowaia hamulca MR dla częstotliwości 10 i 1 Hz Fig. 9. Voltage ad torque courses durig the research MR brake demagetizatio for frequecy 10 ad 1 Hz był rozmagesowyway. Podczas drugiego impulsu hamulec ie był rozmagesowyway, w celu uzyskaia przebiegu porówawczego. Opisae powyżej przebiegi dla częstotliwości przebiegu rozmagesowującego 10 Hz pokazae są a rys. 7a. Na rysuku 7b pokazaa jest odpowiedź hamulca a te sygał, w postaci mometu hamującego. Podobe zestawieie 7 a) b) N 1 t g w m s o t p 1 2 Rys. 8. Przebiegi apięcia i mometu podczas badaia rozmagesowaia hamulca MR dla częstotliwości 1 Hz Fig. 8. Voltage ad torque courses durig the research MR brake demagetizatio for frequecy 1 Hz Rys. 10. Zestawieie pomiarów rozmagesowywaia hamulca MR dla różych częstotliwości Rys. 10. Summary of MR Brake demagetizatio measuremets for differet frequecies 502 Pomiary Automatyka Robotyka 2/2012

5 dla częstotliwości 1 Hz pokazae jest a rys. 8. Na rysuku 9 widać zestawieie sygałów apięcia hamulca i mometu hamującego dla obydwu częstotliwości. W celu sprawdzeia, jaka jest ajbardziej skutecza częstotliwość rozmagesowująca, pomiary zostały wykoae dla częstotliwości 1, 5, 10, 25, 50, 100, 250, 500 i 1000 Hz. Zestawieie pomiarów zostało pokazae a rys Podsumowaie wyików pomiarów. Na podstawie pokazaych powyżej pomiarów widać, że ajskutecziejszą częstotliwością rozmagesowującą jest 1 Hz. Wadą rozmagesowywaia przy pomocy tej częstotliwości jest ajdłuższy czas powrotu mometu hamującego do stau sprzed amagesowaia (około 4 s) oraz wyczuwale przez poruszającego dżojstikiem zmiay mometu w tym czasie. Alteratywą wydaje się być zastosowaie do rozmagesowywaia zaikającego przebiegu o częstotliwości 5 Hz. Efekt rozmagesowywaia jest iemal idetyczy, czas ieco szybszy a większa częstotliwość zmia mometu a wyjściu hamulca dżojstika podczas rozmagesowywaia sprawia, że są oe prawie iewyczuwale (rys. 11). Egieerig, Uiversity of Wollogog, 2006, ro.uow.edu.au/theses/ Milecki, A., Myszkowski A., Chciuk M.: Applicatios of magetorheological brakes i maual cotrol of liftig devices ad maipulators, 11th Iteratioal Coferece o Electrorheological Fluids ad Magetorheological Suspesios, Dresde Rawa H.: Podstawy elektromagetyzmu. Oficya Wyd. Politechiki Warszawskiej, Warszawa Research of impact the demagetizatio process o the magetorheological rotary brake hysteresis loop Abstract: The article presets the basic properties of ferromagetic ad theoretical kowledge of their magetizatio ad demagetizatio. The secod part presets the research accordig to the quality of demagetizatio of magetorheological brake demagetizig sigal parameters. The fial part of the article s coclusios regardig the optimal values of frequecies used for demagetizig the brakes. Keywords: rotary magetorheological brake, haptic devices, ferromagetic, magetic hysteresis, demagetizig Rys. 11. Porówaie mometu podczas badaia rozmagesowaia hamulca MR z przebiegiem bez rozmagesowywaia Fig. 11. Compariso torque courses durig the research MR brake demagetizatio with course without demagetizig Praca aukowa fiasowaa ze środków a aukę w latach jako projekt badawczy pt. Zastosowaie metod sztuczej iteligecji do adzorowaia pracy urządzeń mechatroiczych z apędami elektrohydrauliczymi sterowaymi bezprzewodowo. Bibliografia 1. A J., Kwo D.-S.: Cotrol of Multiple DOF Hybrid Haptic Iterface with Active/Passive Actuators, Iteratioal Coferece o Itelliget Robots ad Systems, Chciuk M., Myszkowski A.: Wykorzystaie trzy-osiowego dżojstika dotykowego z cieczą magetoreologiczą i siłowym sprzężeiem zwrotym do sterowaia ramieia robota, Archiwum Techologii Maszy i Automatyzacji, Pozań Hiterseer P., Steibach E.: A psychophysically motivated compressio approach for 3d haptic data, [w:] Proc. of the IEEE Haptics Symposium, Alexadria, VA, USA, March 2006, Liu B.: Developmet of 2-DOF haptic devices workig with magetorheological fluids, MEg thesis, Faculty of prof. dr hab. iż. Adrzej Milecki Profesor zwyczajy w Istytucie Techologii Mechaiczej, Wydział Budowy Maszy i Zarządzaia Politechiki Pozańskiej. Kierowik Zakładu Urządzeń Mechatroiczych. Specjalość aukowa: budowa i eksploatacja maszy, mechatroika, elektrohydraulika, automatyzacja maszy. adrzej.milecki@put.poza.pl mgr iż. Paweł Bachma Asystet w Istytucie Edukacji Techiczo-Iformatyczej, Wydział Mechaiczy, Uiwersytet Zieloogórski. Zaiteresowaia: mechatroika, sterowaie. Jest stypedystą w ramach Poddziałaia Regioale Strategie Iowacji, Działaia 8.2 Trasfer wiedzy, Priorytetu VIII Regioale Kadry Gospodarki Programu Operacyjego Kapitał Ludzki współfiasowaego ze środków Europejskiego Fuduszu Społeczego Uii Europejskiej i z budżetu państwa. P.Bachma@eti.uz.zgora.pl mgr Marci Chciuk Asystet w Istytucie Edukacji Techiczo-Iformatyczej, Wydział Mechaiczy, Uiwersytet Zieloogórski. Zaiteresowaia: mechatroika, sterowaie. M.Chciuk@eti.uz.zgora.pl 2/2012 Pomiary Automatyka Robotyka 503