Simulační model a identifikace voice coil servopohonu

Simulační model a identifikace voice coil servopohonu Tomáš Hladovec Prezentace diplomové práce 2.9.2014 1 / 48

Obsah Úvod Seznámení s voice coil motorem 1 Úvod Seznámení s voice coil motorem Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech 2 Oživení voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu 3 Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu 4 Simulační modely voice coil servopohonu Simulační modely motoru Modely pohonu řízené na úrovni proudu Modely servopohonu 5 Závěr 6 Otázky 2.9.2014 2 / 48

Seznámení s voice coil motorem voice coil motor - Úvod Seznámení s voice coil motorem 2.9.2014 3 / 48

Úvod Seznámení s voice coil motorem Seznámení s voice coil motorem voice coil motor - lineární stejnosměrný motor s permanentními magnety 2.9.2014 4 / 48

Úvod Seznámení s voice coil motorem Seznámení s voice coil motorem voice coil motor - lineární stejnosměrný motor s permanentními magnety x 0 Ux N Sm p reakční hmota cívka permanentní magnet F F z lineární vedení dorazy (tlumiče) 2.9.2014 4 / 48

Úvod Seznámení s voice coil motorem Vzorce popisující chování voice coil motoru Rovnice popisující elektromagnetickou sílu: F = NBlI = C e (x) I 2.9.2014 5 / 48

Úvod Seznámení s voice coil motorem Vzorce popisující chování voice coil motoru Rovnice popisující elektromagnetickou sílu: F = NBlI = C e (x) I Rovnice popisující proud v motoru: RI + L di dt = U C e (x) dx dt 2.9.2014 5 / 48

Úvod Seznámení s voice coil motorem Vzorce popisující chování voice coil motoru Rovnice popisující elektromagnetickou sílu: F = NBlI = C e (x) I Rovnice popisující proud v motoru: RI + L di dt = U C e (x) dx dt Pohybová rovnice motoru: m p d 2 x dt 2 + F p = F F z 2.9.2014 5 / 48

Obsah Úvod Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech 1 Úvod Seznámení s voice coil motorem Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech 2 Oživení voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu 3 Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu 4 Simulační modely voice coil servopohonu Simulační modely motoru Modely pohonu řízené na úrovni proudu Modely servopohonu 5 Závěr 6 Otázky 2.9.2014 6 / 48

Magnetická indukce B Úvod Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech Demagnetizační křivky pro permanentní magnety Intenzita magnetického pole H 2.9.2014 7 / 48

Úvod Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech a) b) ocelové pouzdro cívka axiálně c) orientovaný diskový magnet 2.9.2014 8 / 48

Obsah Oživení voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu 1 Úvod Seznámení s voice coil motorem Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech 2 Oživení voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu 3 Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu 4 Simulační modely voice coil servopohonu Simulační modely motoru Modely pohonu řízené na úrovni proudu Modely servopohonu 5 Závěr 6 Otázky 2.9.2014 9 / 48

Oživení voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu lineární vedení od firmy Schneeberger typ R2-60 dorazy (tlumiče) cívka s magnetickým jádrem od firmy Akribis Systems konkrátně typ VCA AVM-40-20 inkrementální enkodér LIK41-P32-WZ 2.9.2014 10 / 48

Oživení voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu Digitální servoměnič Cello 50/60 od firmy Ellmo 2.9.2014 11 / 48

Obsah Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu 1 Úvod Seznámení s voice coil motorem Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech 2 Oživení voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu 3 Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu 4 Simulační modely voice coil servopohonu Simulační modely motoru Modely pohonu řízené na úrovni proudu Modely servopohonu 5 Závěr 6 Otázky 2.9.2014 12 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Identifikace parametrů voice coil servopohonu Hmotnost reakční hmoty: m p = 440 ± 1 g. 2.9.2014 13 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Identifikace parametrů voice coil servopohonu Hmotnost reakční hmoty: m p = 440 ± 1 g. Poloha dorazů: x dor1 = 8.5 mm, xdor2 = 9 mm. 2.9.2014 13 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Identifikace parametrů voice coil servopohonu Hmotnost reakční hmoty: m p = 440 ± 1 g. Poloha dorazů: x dor1 = 8.5 mm, xdor2 = 9 mm. Parametry cívky (indukčnost L a odpor R): 2.9.2014 13 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Identifikace parametrů voice coil servopohonu Hmotnost reakční hmoty: m p = 440 ± 1 g. Poloha dorazů: x dor1 = 8.5 mm, xdor2 = 9 mm. Parametry cívky (indukčnost L a odpor R): hodnoty udávané výrobcem L vyr = 6.22 mh a R vyr = 11 Ω 2.9.2014 13 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Identifikace parametrů voice coil servopohonu Hmotnost reakční hmoty: m p = 440 ± 1 g. Poloha dorazů: x dor1 = 8.5 mm, xdor2 = 9 mm. Parametry cívky (indukčnost L a odpor R): hodnoty udávané výrobcem L vyr = 6.22 mh a R vyr = 11 Ω pomocí LCR metru 2.9.2014 13 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Identifikace parametrů voice coil servopohonu Hmotnost reakční hmoty: m p = 440 ± 1 g. Poloha dorazů: x dor1 = 8.5 mm, xdor2 = 9 mm. Parametry cívky (indukčnost L a odpor R): hodnoty udávané výrobcem L vyr = 6.22 mh a R vyr = 11 Ω pomocí LCR metru experiment 1 - skoková změna napětí na cívce, zaznamenáván proud a poloha 2.9.2014 13 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Identifikace parametrů voice coil servopohonu Hmotnost reakční hmoty: m p = 440 ± 1 g. Poloha dorazů: x dor1 = 8.5 mm, xdor2 = 9 mm. Parametry cívky (indukčnost L a odpor R): hodnoty udávané výrobcem L vyr = 6.22 mh a R vyr = 11 Ω pomocí LCR metru experiment 1 - skoková změna napětí na cívce, zaznamenáván proud a poloha pomocí Ohmovy metody 2.9.2014 13 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Identifikace parametrů voice coil servopohonu Hmotnost reakční hmoty: m p = 440 ± 1 g. Poloha dorazů: x dor1 = 8.5 mm, xdor2 = 9 mm. Parametry cívky (indukčnost L a odpor R): hodnoty udávané výrobcem L vyr = 6.22 mh a R vyr = 11 Ω pomocí LCR metru experiment 1 - skoková změna napětí na cívce, zaznamenáván proud a poloha pomocí Ohmovy metody experiment 2 - buzení cívky střídavým napětím o známé frekvenci, zaznamenáván proud 2.9.2014 13 / 48

Odpor R [Ω] Identifikace parametrů voice coil servopohonu Odpor cívky R Parametry voice coil servopohonu data z LCR metru data z experimentu 1 statick odpor z experimentu 1 data z experimentu 2 0 frekvence f [Hz] 2.9.2014 14 / 48

Indukčnost L [H] Identifikace parametrů voice coil servopohonu Indukčnost cívky L Parametry voice coil servopohonu data z LCR metru data z experimentu 1 data z experimentu 2 frekvence f [Hz] 2.9.2014 15 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Identifikace parametrů voice coil servopohonu Hmotnost reakční hmoty: m p = 440 ± 1 g. Poloha dorazů: x dor1 = 8.5 mm, xdor2 = 9 mm. Parametry cívky: indukčnost L a odpor R. Voice coil konstanta C e : z rovnice popisující elektromagnetickou sílu: F = NBlI = C e (x) I z rovnice pro indukované napětí v pohybující se cívce: U i = C e (x) ẋ 2.9.2014 16 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Voice coil konstanta C e Závislost C e (x) voice coil (silová) konstanta proložená závislost C e,f voice coil (napětová ) konstanta proložená závislost C e,u zarážky (tlumiče) Ce [N/A] x [mm] 2.9.2014 17 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Identifikace parametrů voice coil servopohonu Hmotnost reakční hmoty: m p = 440 ± 1 g. Poloha dorazů: x dor1 = 8.5 mm, xdor2 = 9 mm. Parametry cívky: indukčnost L a odpor R. Voice coil konstanta C e (x). Třecí síla F p v lineárním vedení 2.9.2014 18 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Třecí síla F p v lineárním vedení Parametry voice coil servopohonu naměřené hodnoty F p proložená křivka dle rovnice (3.13) Fp [N] ẋ [m/s] 2.9.2014 19 / 48

Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu Identifikace parametrů voice coil servopohonu Hmotnost reakční hmoty: m p = 440 ± 1 g. Poloha dorazů: x dor1 = 8.5 mm, xdor2 = 9 mm. Parametry cívky: indukčnost L a odpor R. Voice coil konstanta C e (x). Třecí síla v lineárním vedení F p = C p ẋ + b sign(ẋ) C p =3.9 Ns m 1 b=0.7 N 2.9.2014 20 / 48

Obsah Simulační modely voice coil servopohonu Simulační modely motoru 1 Úvod Seznámení s voice coil motorem Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech 2 Oživení voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu 3 Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu 4 Simulační modely voice coil servopohonu Simulační modely motoru Modely pohonu řízené na úrovni proudu Modely servopohonu 5 Závěr 6 Otázky 2.9.2014 21 / 48

Simulační modely voice coil servopohonu Simulační modely motoru Simulační model s PWM a C e (x) (model 4) napájecí napětí H-můstku 24 řidící napětí U škálování saturace (±1) H-můstek VB napětí PWM F z síla F z + 1 Ls + R x proud I C e(x) voice coil konstanta + + rychlost v 1 1 m ps s x poloha x + + C p rychlost v konstanta tlumení b indukované napětí U r is Coulombovo tření rychlost v C e(x) poloha x voice coil konstanta 2.9.2014 22 / 48

Obsah Simulační modely voice coil servopohonu Modely pohonu řízené na úrovni proudu 1 Úvod Seznámení s voice coil motorem Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech 2 Oživení voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu 3 Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu 4 Simulační modely voice coil servopohonu Simulační modely motoru Modely pohonu řízené na úrovni proudu Modely servopohonu 5 Závěr 6 Otázky 2.9.2014 23 / 48

Simulační modely voice coil servopohonu Modely pohonu řízené na úrovni proudu Simulační model s PWM a C e (x) (model 4) ZOH x zad. proud + napájecí napětí H-můstku PI 24 regulátor převzorkování na frekvenci regulátoru škálování saturace ZOH převzorkování střední hodnota H-můstek VB napětí PWM + 1 Ls + R x proud I Fz Ce(x) síla Fz voice coil konstanta + + + + Cp rychlost v 1 1 mps s rychlost v konstanta tlumení x poloha x b indukované napětí U r is Coulombovo tření rychlost v Ce(x) poloha x voice coil konstanta 2.9.2014 24 / 48

poloha x [m] Simulační modely voice coil servopohonu Modely pohonu řízené na úrovni proudu Ověření přesnosti modelů pohonu při řízení na úrovni proudu změřený průběh průběh ze simulačního modelu 2 průběh ze simulačního modelu 3 průběh ze simulačního modelu 4 chyba modelu 2 chyba modelu 3 chyba modelu 4 čas t [s] ča 2.9.2014 25 / 48

chyba [m] Simulační modely voice coil servopohonu Modely pohonu řízené na úrovni proudu Ověření přesnosti modelů pohonu při řízení na úrovni proudu ý průběh ze simulačního modelu 2 ze simulačního modelu 3 ze simulačního modelu 4 chyba modelu 2 chyba modelu 3 chyba modelu 4 [s] čas t [s] 2.9.2014 26 / 48

Obsah Simulační modely voice coil servopohonu Modely servopohonu 1 Úvod Seznámení s voice coil motorem Magnetické pole a magnety ve voice coil motorech 2 Oživení voice coil servopohonu Popis jednotlivých částí voice coil servopohonu 3 Identifikace parametrů voice coil servopohonu Parametry voice coil servopohonu 4 Simulační modely voice coil servopohonu Simulační modely motoru Modely pohonu řízené na úrovni proudu Modely servopohonu 5 Závěr 6 Otázky 2.9.2014 27 / 48

Simulační modely voice coil servopohonu Modely servopohonu Simulační model s PWM a C e (x) (model 4) převzorkování ZOH převzorkování ZOH zad. poloha + du dt rychlostní feedforward P regulátor f1 + + ZOH saturace (±vmax) ZOH převzorkování x + PI regulátor saturace (±Imax) ZOH + napájecí napětí H-můstku 24 převzorkování ZOH PI škálování saturace regulátor převzorkování (±1) střední hodnota H-můstek VB napětí PWM + 1 Ls + R x proud I Fz Ce(x) síla Fz voice coil konstanta + + + + Cp rychlost v 1 mps rychlost v konstanta tlumení 1 s x poloha x b indukované napětí U r is Coulombovo tření rychlost v Ce(x) poloha x voice coil konstanta 2.9.2014 28 / 48

poloha [m] poloha [m] Simulační modely voice coil servopohonu Modely servopohonu Ověření přesnosti modelů servopohonu žádaná poloha změřená poloha poloha ze simulačního modelu 2 poloha ze simulačního modelu 3 poloha ze simulačního modelu 4 čas t [s] čas t [s] 2.9.2014 29 / 48

chyba [m] chyba [m] Simulační modely voice coil servopohonu Modely servopohonu Ověření přesnosti modelů servopohonu chyba modelu 2 chyba modelu 3 chyba modelu 4 čas t [s] čas t [s] 2.9.2014 30 / 48

Závěr Děkuji za pozornost 2.9.2014 31 / 48

Otázky Otázka 1 V práci se na straně 11 objevuje část hysterezní smyčky s nesprávným popisem os, schematicky popište některé významné body hysterezní smyčky pro vybrané magnetické materiály. 2.9.2014 32 / 48

Otázky Otázka 1 V práci se na straně 11 objevuje část hysterezní smyčky s nesprávným popisem os, schematicky popište některé významné body hysterezní smyčky pro vybrané magnetické materiály. ˇ 2.9.2014 33 / 48

Magnetická indukce B Otázky Otázka 1 V práci se na straně 11 objevuje část hysterezní smyčky s nesprávným popisem os, schematicky popište některé významné body hysterezní smyčky pro vybrané magnetické materiály. Intenzita magnetického pole H 2.9.2014 34 / 48

Otázka 1 Otázky B B s bod nasycení remanence B r H s H c H c koercivita H s H B r B s 2.9.2014 35 / 48

Otázky Otázka 1 B magneticky měkký materiál H magneticky tvrdý materiál 2.9.2014 36 / 48

Otázky Otázka 3 V textu zřejmě došlo k záměně pojmu elektrická impedance za odpor. Vysvětlete prosím rozdíl a promítněte komentováním výsledek tohoto faktu do některých dílčích výsledků práce. 2.9.2014 37 / 48

Otázky Otázka 3 V textu zřejmě došlo k záměně pojmu elektrická impedance za odpor. Vysvětlete prosím rozdíl a promítněte komentováním výsledek tohoto faktu do některých dílčích výsledků práce. Elektrický odpor je fyzikální veličina charakterizující schopnost elektrických vodičů vést elektrický proud. 2.9.2014 37 / 48

Otázky Otázka 3 V textu zřejmě došlo k záměně pojmu elektrická impedance za odpor. Vysvětlete prosím rozdíl a promítněte komentováním výsledek tohoto faktu do některých dílčích výsledků práce. Elektrický odpor je fyzikální veličina charakterizující schopnost elektrických vodičů vést elektrický proud. značka R 2.9.2014 37 / 48

Otázky Otázka 3 V textu zřejmě došlo k záměně pojmu elektrická impedance za odpor. Vysvětlete prosím rozdíl a promítněte komentováním výsledek tohoto faktu do některých dílčích výsledků práce. Elektrický odpor je fyzikální veličina charakterizující schopnost elektrických vodičů vést elektrický proud. značka R Impedance je veličina popisující zdánlivý odpor součástky a fázový posuv napětí proti proudu při průchodu harmonického střídavého proudu daného kmitočtu. 2.9.2014 37 / 48

Otázky Otázka 3 V textu zřejmě došlo k záměně pojmu elektrická impedance za odpor. Vysvětlete prosím rozdíl a promítněte komentováním výsledek tohoto faktu do některých dílčích výsledků práce. Elektrický odpor je fyzikální veličina charakterizující schopnost elektrických vodičů vést elektrický proud. značka R Impedance je veličina popisující zdánlivý odpor součástky a fázový posuv napětí proti proudu při průchodu harmonického střídavého proudu daného kmitočtu. impedance je komplexní veličina 2.9.2014 37 / 48

Otázky Otázka 3 V textu zřejmě došlo k záměně pojmu elektrická impedance za odpor. Vysvětlete prosím rozdíl a promítněte komentováním výsledek tohoto faktu do některých dílčích výsledků práce. Elektrický odpor je fyzikální veličina charakterizující schopnost elektrických vodičů vést elektrický proud. značka R Impedance je veličina popisující zdánlivý odpor součástky a fázový posuv napětí proti proudu při průchodu harmonického střídavého proudu daného kmitočtu. impedance je komplexní veličina značka Z 2.9.2014 37 / 48

Otázky Otázka 3 V textu zřejmě došlo k záměně pojmu elektrická impedance za odpor. Vysvětlete prosím rozdíl a promítněte komentováním výsledek tohoto faktu do některých dílčích výsledků práce. Elektrický odpor je fyzikální veličina charakterizující schopnost elektrických vodičů vést elektrický proud. značka R Impedance je veličina popisující zdánlivý odpor součástky a fázový posuv napětí proti proudu při průchodu harmonického střídavého proudu daného kmitočtu. impedance je komplexní veličina značka Z pro neideální cívku platí Z = R + jx L = R + j2πfl 2.9.2014 37 / 48

Otázky Otázka 3 Důsledky: 2.9.2014 38 / 48

Otázky Otázka 3 Důsledky: změna tabulky 3.1. na straně 35 2.9.2014 38 / 48

Otázky Otázka 3 Důsledky: změna tabulky 3.1. na straně 35 2.9.2014 38 / 48

Otázky Otázka 3 Důsledky: změna tabulky 3.1. na straně 35 změna obrázku 3.6., 3.7. na straně 40 2.9.2014 38 / 48

Otázky Otázka 3 Důsledky: změna tabulky 3.1. na straně 35 změna obrázku 3.6., 3.7. na straně 40 změna obrázku 3.12. na straně 44 2.9.2014 38 / 48

Odpor R [Ω] Otázky Otázka 3 data z LCR metru data z experimentu 1 statick odpor z experimentu 1 data z experimentu 2 0 frekvence f [Hz] 2.9.2014 39 / 48

Otázky Otázka 3 Důsledky: změna tabulky 3.1. na straně 35 změna obrázku 3.6., 3.7. na straně 40 změna obrázku 3.12. na straně 44 změna odstavce na straně 44: Na obrázcích 3.11 a 3.12 jsou vyneseny hodnoty indukčnosti a odporu v závislosti na frekvenci. Data z jednotlivých měření se přibližně schodují, až na odpory cívky měřené LCR metrem při vyšších frekvencích.to je pravděpodobně způsobené tím, že LCR metr není schopen odfiltrovat vliv indukčnosti cívky při těchto měření. 2.9.2014 40 / 48

Otázky Otázka 2 Na straně 22 a 23 jsou popsány některé pracovní stavy H můstku. Stav pro nízkou úroveň který popisujete, není zcela obvyklý. V textu je správně citován zdroj, ze kterého jste čerpal, přesto prosím vysvětlete uvažovanou strategii funkce H můstku. Unom Unom T1 D1 T3 D3 T1 D1 T3 D3 Rs M Rs M T2 D2 T4 D4 T2 D2 T4 D4 a) Vysoká úroveň b) Nízká úroveň 2.9.2014 41 / 48

Otázky Otázka 2 U nom T 1 D 1 T 3 D 3 R s M T 2 D 2 T 4 D 4 Vysoká úroveň PWM 2.9.2014 42 / 48

Otázky Otázka 2 U nom T 1 D 1 T 3 D 3 R s M T 2 D 2 T 4 D 4 Nízká úroveň PWM-Slow decay 2.9.2014 43 / 48

Otázky Otázka 2 U nom T 1 D 1 T 3 D 3 R s M T 2 D 2 T 4 D 4 Nízká úroveň PWM-Slow decay 2.9.2014 44 / 48

Otázky Otázka 2 U nom T 1 D 1 T 3 D 3 R s M T 2 D 2 T 4 D 4 Vysoká úroveň PWM 2.9.2014 45 / 48

Otázky Otázka 2 U nom T 1 D 1 T 3 D 3 R s M T 2 D 2 T 4 D 4 Nízká úroveň PWM-Fast decay (asynchronous decay) 2.9.2014 46 / 48

Otázky Otázka 2 U nom T 1 D 1 T 3 D 3 R s M T 2 D 2 T 4 D 4 Nízká úroveň PWM-Fast decay (synchronous decay) 2.9.2014 47 / 48

Otázky Otázka 2 U nom T 1 D 1 T 3 D 3 R s M T 2 D 2 T 4 D 4 Nízká úroveň PWM-Locked antiphase 2.9.2014 48 / 48