Influência do efeito de extremidade de atuadores eletromagnéticos lineares nas indutâncias

Este trabalho demonstra que o efeito de extremidade existente em atuadores eletromagnéticos lineares pode ter influência significativa nas indutâncias próprias, mútuas e síncronas, com valores dependentes da posição que podem ser utilizados para monitoração da posição axial da armadura. O estudo é aplicado a um atuador eletromagnético linear tubular de ímãs permanentes com duplo arranjo de quase-Halbach e bobina móvel, que foi concebido para fins de uso em sistemas de suspensão eletromagnética ativa e semi-ativa. A partir da revisão de literatura apresentada, classificou-se o efeito de extremidade de máquinas lineares síncronas de ímãs permanentes quanto aos tipos, causas, consequências e técnicas de mitigação (caso seja necessário). Adicionalmente, os tipos de controle sem sensores são exemplificados a fim de se identificar maneiras possíveis de adequar algum ao atuador em estudo. São apresentados casos de trabalhos na literatura que utilizam o controle sem sensores em máquinas que possuem indutâncias com comportamento semelhante. Em termos de análise, a distribuição do fluxo magnético no atuador é estudada e um modelo semianalítico é elaborado para calcular o valor das indutâncias com base nos dados de fluxo magnético obtido por simulação numérica. Logo, modelos numéricos completos e parametrizados do atuador são elaborados para simulação transiente e magnetostática e a partir destes as indutâncias são obtidas. As indutâncias também são medidas experimentalmente e na análise dos resultados as incertezas de medição são calculadas e um projeto de experimento é apresentado. Os resultados dos modelos semianalítico e numérico apresentam boa concordância com os resultados experimentais. Por fim, a adequação do atuador para futura aplicação de controle sem sensores é discutida tendo como base a variação de indutâncias devido ao efeito de extremida.This work demonstrates that the end effect in linear electromagnetic actuators can have a significant influence on the self-, mutual and synchronous inductances, with positiondependent values that can be used to measure the axial position of the armature. The study is applied to a linear synchronous electromagnetic actuator with two arrangements of quasi- Halbach permanent magnets and moving coil, which was designed for use in active and semiactive electromagnetic suspension systems. Based on the literature review presented, the end effect of permanent magnet synchronous linear machines was classified with regard to: types, causes, consequences and mitigation techniques (if necessary). In addition, the types of sensorless control methods are exemplified in order to identify a possible method to be applied to the actuator under study. It was found in the literature that sensorless control was applied to machines that have inductances with similar behavior. In terms of analysis, the distribution of the magnetic flux in the actuator is studied and a semi-analytical model was developed to calculate the value of the inductances based on the data of magnetic flux obtained through numerical simulation. Thus, the complete parametrized numerical models of the actuator were built for transient and magnetostatic simulation, and from these the inductances were obtained. The inductances are also measured experimentally, and in the analysis of the results the measurement uncertainties are calculated and a design of experiments is presented. The results of the semi-analytical and numerical models show good agreement with the experimental results. Finally, the suitability of the actuator for future application of sensorless control is discussed based on the variation of inductances due to the end effect

Modelagem e controle de um atuador eletromagnético linear tubular para aplicação em suspensão ativa

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de procedimentos para modelagem dinâ- mica e controle de um atuador eletromagnético linear tubular para aplicação em sistemas de suspensão ativa. A suspensão ativa é um conceito de suspensão que utiliza um elemento ativo para inserir força no sistema e atenuar as vibrações indesejadas entre duas partes móveis. A modelagem dinâmica do atuador é desenvolvida, os parâmetros da má- quina necessários neste modelo são obtidos, e a descrição é feita no espaço de estados com realimentação linearizante. Um ambiente de cossimulação entre modelo de elementos finitos, parte mecânica e acionamento, é criado para auxiliar na validação do modelo dinâmico. Este modelo também é validado em malha aberta através de ensaios experimentais que permitem avaliar o comportamento dinâmico do atuador quando submetido a diferentes referências de tensão elétrica. Partindo deste modelo, o controle de posição do atuador é desenvolvido para seguimento ou rejeição de sinais periódicos considerando variações harmônicas e componente CC, operando com e sem carga. Para alcançar este objetivo uma estratégia multi-loop é desenvolvida com controladores Proporcional-Integral e Proporcional-Integral-Ressonante, baseada na estratégia de controle por orientação de campo. Os parâmetros de sintonia do controlador são projetados a partir da solução de um problema de otimização com restrições na forma de desigualdades matriciais lineares. Após isso, um aparato experimental que caracteriza uma plataforma de suspensão para representar vibrações e um sistema com massa-mola-amortecedor é modelado e caracterizado em função da sua resposta em frequência para representar perfis normatizados de rodovias e outros sinais periódicos. O atuador eletromagnético linear, inserido neste aparato, forma um sistema de suspensão ativa. O controle do atuador no sistema de suspensão é realizado baseado na estratégia skyhook, alocação de polos e minimização da norma H∞. Os resultados mostram que o atuador linear é capaz de atuar num sistema de suspensão ativa, garantindo seguimento da pista ou melhorando significativamente o conforto dos passageiros através da redução de aceleração na massa suspensa.This work presents the development of procedures for dynamic modeling and control of a linear tubular electromagnetic actuator for application in active suspension systems. Active suspension is a concept of suspension that uses an active element to insert force into the system and reduces undesirable vibrations between two moving parts. The dynamic modeling of the actuator is developed, the machine parameters necessary for this model are obtained, and the state-space description is made using feedback linearization. A co-simulation environment between the finite element model, mechanical part, and drive is created to improve the validation process of the dynamic model. This model is also validated in open-loop through experimental tests that allow the evaluation of the dynamic behavior of the actuator when subjected to different excitation voltages. Based on this model, the actuator position control is developed for tracking or rejecting periodic signals considering harmonic content and DC component, operating with load and no load. To achieve this goal, a multi-loop strategy is developed with Proportional-Integral and Proportional-Integral-Resonant controllers, based on the field-oriented control strategy. The controller tuning parameters are designed from the solution of an optimization problem with constraints in the form of linear matrix inequalities. After that, an experimental apparatus featuring a suspension platform to represent vibrations and a massspring-damper system is modeled and characterized in terms of its frequency response to represent normalized road profiles and other periodic signals. The linear electromagnetic actuator, placed into this apparatus, creates an active suspension system. The actuator control in the suspension system is performed based on the skyhook strategy, pole allocation, and minimization of the H∞ norm. The results show that the linear actuator can operate to ensure tracking of references, or significantly improve passenger comfort by isolating the sprung mass of vibrations

Influência do efeito de extremidade de atuadores eletromagnéticos lineares nas indutâncias

Este trabalho demonstra que o efeito de extremidade existente em atuadores eletromagnéticos lineares pode ter influência significativa nas indutâncias próprias, mútuas e síncronas, com valores dependentes da posição que podem ser utilizados para monitoração da posição axial da armadura. O estudo é aplicado a um atuador eletromagnético linear tubular de ímãs permanentes com duplo arranjo de quase-Halbach e bobina móvel, que foi concebido para fins de uso em sistemas de suspensão eletromagnética ativa e semi-ativa. A partir da revisão de literatura apresentada, classificou-se o efeito de extremidade de máquinas lineares síncronas de ímãs permanentes quanto aos tipos, causas, consequências e técnicas de mitigação (caso seja necessário). Adicionalmente, os tipos de controle sem sensores são exemplificados a fim de se identificar maneiras possíveis de adequar algum ao atuador em estudo. São apresentados casos de trabalhos na literatura que utilizam o controle sem sensores em máquinas que possuem indutâncias com comportamento semelhante. Em termos de análise, a distribuição do fluxo magnético no atuador é estudada e um modelo semianalítico é elaborado para calcular o valor das indutâncias com base nos dados de fluxo magnético obtido por simulação numérica. Logo, modelos numéricos completos e parametrizados do atuador são elaborados para simulação transiente e magnetostática e a partir destes as indutâncias são obtidas. As indutâncias também são medidas experimentalmente e na análise dos resultados as incertezas de medição são calculadas e um projeto de experimento é apresentado. Os resultados dos modelos semianalítico e numérico apresentam boa concordância com os resultados experimentais. Por fim, a adequação do atuador para futura aplicação de controle sem sensores é discutida tendo como base a variação de indutâncias devido ao efeito de extremida.This work demonstrates that the end effect in linear electromagnetic actuators can have a significant influence on the self-, mutual and synchronous inductances, with positiondependent values that can be used to measure the axial position of the armature. The study is applied to a linear synchronous electromagnetic actuator with two arrangements of quasi- Halbach permanent magnets and moving coil, which was designed for use in active and semiactive electromagnetic suspension systems. Based on the literature review presented, the end effect of permanent magnet synchronous linear machines was classified with regard to: types, causes, consequences and mitigation techniques (if necessary). In addition, the types of sensorless control methods are exemplified in order to identify a possible method to be applied to the actuator under study. It was found in the literature that sensorless control was applied to machines that have inductances with similar behavior. In terms of analysis, the distribution of the magnetic flux in the actuator is studied and a semi-analytical model was developed to calculate the value of the inductances based on the data of magnetic flux obtained through numerical simulation. Thus, the complete parametrized numerical models of the actuator were built for transient and magnetostatic simulation, and from these the inductances were obtained. The inductances are also measured experimentally, and in the analysis of the results the measurement uncertainties are calculated and a design of experiments is presented. The results of the semi-analytical and numerical models show good agreement with the experimental results. Finally, the suitability of the actuator for future application of sensorless control is discussed based on the variation of inductances due to the end effect