Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica
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Estado del Arte para el Proyecto de Grado Hernán Alberto Rojas Chitiva, Estudiante Ing en Control Control
Resumen— En este documento se presenta una aproximación de las aplicaciones existentes en el mundo referentes a Magnetic Bearing o Rodamientos Magnéticos, incluyendo estudios y pruebas en laboratorio, de tal manera se pueda hacer un acercamiento de este tipo de tecnología al contexto de nuestro país. Términos Índice —Levitación Magnética, Rodamiento Magnético, Control Difuso, Control PID, modelo Matemático.
I. INTRODUCCION A tecnología del mundo de hoy avanza a pasos agigantados en todos los campos de la ciencia, debido a los constantes cambios de nuestro planeta, y nuestra vida misma; uno de los temas científicos que en estos últimos años a tomado mayor estudio y auge en aplicaciones es la levitación magnética, debido a que con ella se puede reducir y en otros casos eliminar la fricción entre elementos, donde no se necesita tener ningún tipo de lubricación de dispositivos mecánicos y no existe el ruido[1], llevando como meta final hacer dispositivos más eficientes y limpios para el medio ambiente; con este fin se han hecho muchos estudios en varias partes del mundo y puntualmente para este caso acerca de rodamientos magnéticos y como controlarlos para que estos sean utilizados en aplicaciones de alta velocidad de mucha eficiencia.
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II. MARCO REFERENCIAL Haciendo una búsqueda juiciosa de aplicaciones de laboratorio e implementaciones de rodamientos magnéticos y algunos solamente con levitación magnética sencilla se encontraron los siguientes: La mayoría de las aplicaciones encontradas encontradas sobre desarrollos de levitación magnética son estudios en la mayoría de los casos de sistemas sencillos de control para levitación de una esfera con uno o dos grados de libertad [2], [3], [4], [5]; donde se encuentran los diferentes modelos matemáticos del sistema utilizados y también la variantes de controles implementadas [6], [7]. Estas aplicaciones son una aproximación básicas del principio de funcionamiento de la levitación magnética, pero como este proyecto intenta generar aparte de la levitación, una rotación se necesita otro tipo de experiencias y controles para lograrlo [8][3][9], que se presentan a continuación. A. Control Difuso para un sistema de Sustentación Magnética
Los AMB (Soporte Magnético Activo) son inherentemente inestables y es necesario usar un lazo de control para
estabilizarlos, esto puede ser alcanzado sensando la posición del rotor y usando los controles para controlar la corriente de los electroimanes[10]. Una de las referencias reporta la implementación de un PD para estabilizar un MBC500 (Sistema de Soporte Magnético). Hay 2 modos de resonancia que pueden amenazar con la estabilidad del sistema, para esto son usados 2 filtros en relación con el compensador para asegurar la estabilidad. Los señores Habib y Inayat-Hussain[1] usaron un sistema de soporte magnético en el que la salida de un controlador Difuso fue usado para sintonizar la ganancia de un controlador PD. En este documento se muestra la implementación y diseño para estabilizar el MBC500 sin el uso de filtros o controles PD, el rendimiento del FLC ha sido comprobado vía simulación dinámica usando el modelo de identificación identificación del MBC500, y finalmente hicieron el algoritmo en código C e implementaron en un DSP en tiempo real[1]. B. Linealización por Realimentación Realimentación de un soporte magnético activo con Control de Voltaje
En este documento se presenta un control linealizado para un sistema de sustentación magnética activa para un grado de libertad. El control es deducido de un modelo electromagnético usando relaciones analíticas y datos experimentales, el control es implementado sobre un aparejo de prueba. Para garantizar el alto rendimiento de la planta el controlador fue diseñado con u-synthesis, un problema común asociado con el control por voltaje fue la variación de resistencia de la bobina pero fue manejada con éxito al implementar la retroalimentación linealizada con una incertidumbre estructurada[11]. La mayoría de las veces es usada para aproximar la relación no lineal la fuerza, la corriente y la longitud de espacio de aire; una desventaja de esta aproximación es que el modelo lineal es aproximado para un solo punto punto de operación, operación, y la validación validación de este modelo disminuye como la perturbación de un sistema físico. En este documento consideran esta linealización para reducir la no linealidad del Active Magnetic Bearing (AMB) para la planta lineal y además es válido para todos los puntos de operación y sustituible por el diseño del control lineal[11]. El control es previamente colocado al AMB, así como una corriente de control típicamente empleada. Una preocupación asociada con la aplicación de voltaje al control AMB AMB es la variación de la resistencia eléctrica causada por el cambio de temperatura de la bobina[11], un método para abordar este problema es presentado como una estructura que aumenta la incertidumbre de la planta linealizada, se utiliza un sensor tipo desplazamiento de corriente de Foucault (Bentley 7200 sensor de proximidad) quien provee la medida de distancia, otro
Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica sensor utilizado es el LEM LA 50-P sensor que mide la corriente de la Bobina, y por ultimo una tarjeta con un dSPACE DS1004 con 16 bit de conversor para la ejecución del algoritmo[11]. C. Análisis de Fuerza para soporte Híbrido Radial Magnético Parcial por Imán Permanente
En este documento se hace un estudio del principio de operación del sistema hibrido usando el método de matrices para analizar la fuerza electromagnética[3], también se tiene una características de acoplamiento del cojinete magnético. De acuerdo con el principio de producción de fuerza electromagnética y sustentación está dividido en pasiva y activa[10], en el sistema hibrido el campo magnético es producido por la corriente activa para reemplazar el imán permanente. Está compuesto por un rotor, estator, bobina de control, imán permanente y sensor de desplazamiento, en las figuras muestran la disposición de las bobinas de control para producir la fuerza tanto en X como en Y, el rotor es un material ferro magnético del cual dan las especificaciones químicas de composición[12]. El sensor diferencial de corrientes de Foucault de tipo desplazamiento que es usado se instala dentro del sistema hibrido y dentro de los estatores, el control de error causado por las variaciones de posición entre las fuerza electromagnética y el desplazamiento detectado este punto es reducido, lo cual es de mucha ayuda para el sistema de control[12]. Hacen una descripción de la parte física del sistema indicando donde ubican las bobinas a controlar los sensores, el rotor y el sentido de los campos, con el diseño de la planta se genera un circuito equivalente magnético donde hallan las fuerzas de atracción del rotor[12]. La ecuación del rotor en posición central es expresada por una matriz Jacobina, finalmente muestran unas graficas de comportamiento del sistema cuando el rotor no se encuentra en el centro evaluando las fuerzas electromagnéticas y el control de corriente. D. Modelado y Diseño de Imán Permanente Influyendo soporte Radial-axial Magnético según Teoría de Circuito Ampliada
Implementación de una sustentación magnética con 3 grados de libertad, integra un soporte axial, todo el tamaño de la estructura es reducido como también el bajo consumo. El modelo matemático del sistema es difícil de construir debido a la complicada geometría de la estructura, generalmente se utiliza la teoría de circuitos magnéticos clásica, se analiza la permeabilidad de fuga a fondo al considerar la estructura de la geometría y la distribución de flujo del entre hierro[13]. La analogía entre los circuitos eléctricos y magnéticos de los circuitos se ha utilizado para ayudar en el diseño de cojinete magnético. Sin embargo en la planta existe una cantidad de flujo que se pierde (fugas) en el espacio de aire, se utilizaron coeficientes empíricos para compensar estos supuestos, se hace un estudio de las permeancias radiales y axiales de los entrehierros del rotor, estator, además de la permeabilidad de fuga, también hacen un estudio de la permeabilidad interna del imán permanente, sólo la resistencia del imán permanente se
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considera y la reluctancia del rotor no es tomada en cuenta. El efecto de Foucault[10] es tampoco es tenido en cuenta, en esta sección para finalizar evalúan el circuito magnético equivalente para la bobina de control. El diseño del hibrido HMB utilizan un imán N33SH con unas propiedades especificas que son nombradas, basados en el modelo matemático el sistema puede ser diseñado para proporcionar la máxima fuerza magnética de atracción y de lo no-carga de densidad de flujo axial y la del espacio radial del aire[13], se hace un análisis de FEM del sistema generando un modelo en 3D construido por Maxwell 3D y 3D electromagnetic Field analysis, por medio de los cuales generan graficas de comportamiento[13], de igual manera modifican el desplazamiento de la zona de equilibrio a otros valores cercanos, con estas graficas y experimento demuestran que la fuerza y la corriente tienen características lineales con la excepción de fondo como la perdida de baja potencia, concluyen que la simulación es conforme con el análisis teórico. III. CONCLUSIONES Para terminar se tiene que decir que todas estas experiencias se llevaron a cabo por investigadores y miembros de IEEE llevadas a feliz término, la idea con este proyecto es lograr esos resultados con un dispositivo fabricado “ artesanalmente” con tecnología y conocimiento de nuestro país, además de ponernos a la vanguardia de los adelantos científicos del mundo.
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IV. REFERENCIAS J. Shi, W.S. Lee, and P. Vrettaki, “Fuzzy Logic Control of a Magnetic Bearing System,” 2008. Paúl Javier Campos Hernández, “Construccion y Control de un Levitador Magnetico,” Aug. 2008. J. Ollervides, V. Santibánez, and A. Camarillo, “Controlador PID en Modo Fuerza Aplicado en un Sistema de Suspensi´on Magn´etica, como Caso de Estudio.” Giovanni Francisco Manotas Rodríguez, “Levitador Magnético: Un prototipo experimental para la Enseñanza y la Investigación en el Area del Control Automático.” Enrique Ramírez Barrientos and J. Eladio Flores Mena, “Modelo de un Sistema Dinámico de Levitación Simple no Lineal,” Sep. 2002. Quiñones Reyes P, Benítez Pérez H, Cárdenas Flores F, and Garcia Nocetti F, “Control Difuso en Red para un Levitador Magnético como Caso de Estudio,” 2006. U. Espinosa, A. Aceves , A. Vega, and C. Carbajal, “Sistema de Levitación Magnética Controlado con lógica Difusa y Control Clasico.” JOSÉ MANUEL ANDRADE DA SILVA, PEDRO ANTONIO TEPPA GARRÁN, and JOSÉ JESÚS FERRER SUÁREZ, “Control de sistemas No Lineales de Datos muestreados a través de un enfoque de Ganancia programada Difusa por Modo deslizante,” Apr. 2005.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Facultad Tecnológica [9] Alvaro Esneider Jara and J. R. Arévalo, “Levitación Magnética de un Anillo (Anillo de Thompson),” 2003. [10] Bernardo García Olmedo, Fundamentos de Electromagnetismo, 2005. [11] J.D. Lindlau and C.R. Knospe, “Feedback Linearization of an Active Magnetic Bearing With Voltage Control,” Jan. 2002. [12] Z. Ming, L. Yuhang, S. Jixiu, and W. Fengxiang, “Force Analysis for Hybrid Radial Magnetic Bearing Biased b y Permanent Magnet.” [13] L. Huang, G. Zhao, H. Nian, and Y. He, “Modeling and Design of Permanent Magnet Biased Radial-Axial Magnetic Bearing by Extended Circuit Theory,” Oct. 2007.
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