4 Kutuplu Karma Elektromıknatısın Modellenmesi Ve Kontrolü

Abstract

Bu tez çalışmasında, 4-kutuplu manyetik yastığın planar doğrusal motorla birleştirilmesi ile elde edilen çok eksende hareket ve taşıma yeteneğine sahip bir sistemin yastıklama modelli çıkartılmış ve kontrol algoritmaları geliştirilmiştir. Bu tezde yapılan çalışmalar TÜBİTAK tarafından desteklenen bir proje kapsamında yapılmaktadır. Projenin 3 yılda tamamlanması öngörülmektedir. Projenin ilk yılında, 4 – kutuplu karma elektromıknatıs ve doğrusal motorlardan oluşan esnek bir taşıma sistemine ilişkin deneysel prototip kurulmuştur. 4 – kutuplu karma elektromıknatıs ile havada yastıklama ve doğrusal motor yapısı ile yatay tahrik mekanizmasının oluşturulması amaçlanmıştır. Sistemin havada yastıklama analitik modeli manyetik eşdeğer devre temelli yöntemle bulunmuştur. Analitik modelin doğruluğunu göstermek için, analitik model sonuçları sonlu elemanlar analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonlu elemanlar analizi ANSYS Maxwell-3D yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca sistemin doğrusallaştırılmış transfer fonksiyonu ve durum uzayı modeli denklemleri çıkartılmıştır. Karma elektromıknatıs yapısı gereği doğrusal olmayan bir karakteristiğe sahiptir ve kontrol edilebilirlik noktasında kararsızlık göstermektedir. Sistemin çalıştırılabilmesi için karma elektromıknatısın çok eksende aktif kontrolü gereklidir. Bu amaçla, karma elektromıknatısın çok eksende kontrolü için, gerilim beslemeli durum ele alınarak sistem dinamiği, dönüşüm matrisleri kullanılarak bağımsız eksen takımlarına ayrılmış ve denetleyici tasarımları her bir eksen takımı için yapılmıştır. Denetleyici tasarımında karma elektromıknatısın doğrusallaştırılmış modeli kullanılarak hava aralığı kontrol (I-PD kontrol, bozucu gözlemci tabanlı durum geri beslemeli kontrol) yapılarıyla çözülürken ve giriş gücü kontrolünü (sıfır güç kontrolü, yarı sıfır güç kontrolü) temel alan iki kontrol algoritması önerilmiş ve deneysel olarak irdelenmiştir. Deneysel ve benzetim sonuçları önerilen kontrol algoritmalarının etkinliği başarılı bir biçimde göstermiştir.

4-pole type yoke hybrid electromagnet is proposed to create a flexible conveyance system. This multi-axis moveable conveyance system consists of combination of the planar linear motor and 4-pole electromagnet. It was aimed that, 4 – pole hybrid electromagnet would provide levitation force against gravity and linear motors would drive the mover horizontally. In this thesis, the analytical expressions of electromagnetic attraction force and rotational torques induced by permanent magnets and coil currents are developed by well-known MEC method. Moreover, the characteristics of attraction force and rotational torques between 4-pole hybrid electromagnet and iron track are investigated by employing three-dimensional finite element analysis. Two analysis results are compared to confirm that analytical model is consistent with finite element model . The hybrid electromagnet inherently has a non-linear characteristic and from the point view of controllability it is unstable. Hence, in order to run such a system, it is required to actively control the hybrid electromagnet in multi axes. In design of the controllers, linearized model of the hybrid electromagnet was used, besides two stabilizing controller algorithms were proposed and experimentally evaluated; namely, gap clearance control (I-PD, State-space integral control with disturbance observer) and power control (zero power control, Semi-zero power control). This thesis studies are part of a project supported by TUBITAK. It is planned to be completed in 3 years. In the first year of the project, an experimental prototype of a flexible conveyance system has been established. Experimental results were obtained out of this prototype.