Hüseyin ÜVET, Kadir ERKAN, Hasan Fatih ERTUĞRUL

4-kutuplu karma elektromıknatısın 3 serbestlik derecesinde manyetik yastıklama kontrolü

Bu çalışmada, 4-kutuplu karma elektromıknatısın doğrusal motorla birleştirilmesi ile elde edilen esnek taşıma sisteminin, manyetik yastıklama kuvvet ve moment karakteristikleri 3 boyutlu sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Ortaya çıkan sonuçlar dikkate alınarak sistemin 3 eksende hareket dinamiğine karşılık gelen doğrusal sistem modeli türetilmiştir. Karma elektromıknatıs yapısı gereği doğrusal olmayan bir karakteristiğe sahiptir ve kontrol edilebilirlik noktasında kararsızlık göstermektedir. Sistemin kontrolünü sağlamak amacıyla her bir eksen için gerilimle uyartım durumu dikkate alınarak durum geri beslemeli integral denetleyicileri kutup atama yöntemi kullanılarak tasarlanmıştır. Denetleyici kutupları katsayılar diyagramı yöntemi (Kanonik polinom yöntemi) kullanılarak belirlenmiştir. Manyetik yastıklama sistemi sadece hava aralıklarını ölçen algılayıcılar içermektedir. Sisteme ilişkin diğer durumların ölçülebilmesi amacıyla her bir eksen takımı için durum ve bozucu girişi kestirimini gerçekleştiren bozucu giriş gözlemcileri tasarlanmış ve kontrol çevrimine entegre edilmiştir. Gözlemlenen bozucu giriş değerleri uygun dönüştürme kazancı ile çarpılarak kontrol yoluna ileri beslenmiş böylece sistemin gürbüz kontrolü sağlanmıştır. Deneysel sonuçlar önerilen kontrol yaklaşımlarının etkinliğini başarılı bir biçimde göstermiştir

Magnetic levitation control of a three degrees of freedom 4-pole hybrid electromagnet

In this study, flexible transportation system which is obtained by combining linear motor and 4-pole type yoke hybrid electromagnet is analyzed using 3D Finite Element Method (FEM) in order to achieve magnetic levitation force and torque characteristic. Linear system model is derived corresponding to 3-axis motion dynamic of the system by considering the analysis results. The hybrid electromagnet inherently has a non-linear characteristic and from the point view of controllability, it is unstable. In order to control the system, state feedback integral controller is designed using the pole assignment method by considering the state of the excitation voltage for each axis. Controller poles are determined using coefficient diagram method (Canonical polynomial method).Magnetic levitation system includes sensors that measure only the air gap. In order to estimate other states of the system, the disturbance observer is designed to obtain states and disturbance input for each axis and is estimated and integrated into the control loop. The estimated disturbance value is factored by the appropriate conversion gain and added to the input signal of the plant, so that the robust control system is achieved. Experimental results have shown effectiveness of the proposed control algorithms.

PDF

___

Sinha P. K., Electromagnetic Suspension: Dynamics and Control, Peter Peregrinus, Ltd., London, U. K., 1987.
Boldea I., Linear Electric Machines, Drives, and Maglevs Handbook, CRC Press, 2013.
Morishita M., Azukizawa T., Kanda, S., Tamura N., ve Yokoyama T., A new Maglev system for magnetically levitated carrier system, IEEE Trans. Veh. Technol., 38 (4), 230-236, 1989.
4.Yakushi Y., Koseki T. ve SoneS., 3 degree-of-freedom zero power magnetic levitation control by a 4-pole type electromagnet, International Power Electronics Conference, Tokyo-Japonya, 2136-2141, 3-7 Nisan, 2000.
5.LiuJ., Koseki T., Robust Control of a 4-Pole Electromagnet in Semi-Zero-Power Levitation Scheme with a Disturbance Observer, The Transactions of I.E.E. Japan, 122(1), 7-15, 2002.
6.Erkan K., Okur B., Koseki T., YigitF., Experimental evaluation of zero-power levitation control by transfer function approach for a 4-pole hybrid electromagnet, 2011 IEEE International Conference on Mechatronics, İstanbul-Türkiye, 23-28, Nisan, 2011.
7.Liu J., Koseki T., Inui S., OhiraY., The 2-Dimensional LSM Drive Experiments with 4-Pole 3 Degree-of-Freedom Maglev Control Electromagnet, IEEJ Technical Meeting on Linear Drives, Tokyo-Japonya, October 2002.
8.Makino Y., Kovudhikulrungsri L. ve KosekiT., 6 Degrees of Freedom Control through Three Electromagnets and Three Linear Induction Motors., Symp. on Power Electronics, Electrical Drives, Automation & Motion, PaperNo.50, Capri-İtalya, Haziran 2004.
9.Makino Y., Erkan K., KosekiT., Six Degrees of Freedom Control through Three Hybrid Electromagnets and Three Linear Motors for Two Dimensional Conveyance System, The 16th Symposium on Electromagnetics and Dynamics, Japonya, Haziran, 2004.
10.Ertuğrul H.F., OkurB., Erkan K., ÜvetH., An Evaluation of Zero Power Controlled Maglev Systems or Flexible Conveyance, International Advanced Technologies Symposium, İstanbul-Türkiye, 30 Ekim-01 Kasım, 2013.
11.Kim C. H., Kim K. J., YuJ. S. ve Cho H. W., Dynamic performanceevaluation of 5-DOF magnetic levitation and guidance device by using equivalent magnetic circuit model, IEEE Trans. on Mag., 49 (7), 4156-4159, 2013.
12.Oner Y, Öztürk M., The Magnetic Analysis and Design of New Type Axial Flux Switched Reluctance Motor, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 30 (3), 461-474, 2015.
13.Ertuğrul H. F., Okur B., Erkan K., ÜvetH., 3D Electromagnetic Simulation Of A 4-Pole Type Yoke Hybrid Electromagnet , International Symposium on Electromagnetic Field, in Mechatronics, Electrical and Electronic Engineering, Ohrid-Makedonya, 12-14 Eylül, 2013.
14.Cho H. W., Kim C. H., Kim J. M. ve HanH. S., Analysis on the Levitation Force Characteristics of Longitudinal Flux Type Levitation Magnet using Equivalent Magnetic Circuit Model, The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers., 60(12), 2236-2245, 2011.
15.BarieW.,ChiassonJ., Linear and Nonlinear state-space controllers for magnetic levitation, Int. J. Syst. Sci., 27 (11), 1153-1163, 1996.
16.ManabeS."Coefficient diagram method", 14th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace, Seul, Kore, 199-210, 24-28 Ağustos, 1998.
17.Ogata K., Modern Control Engineering, Prentice Hall, 2009.