Commissioning and SISO-based position control of an AMB levitated high speed induction motor
Kähkönen, Tuomas (2022)
Huom!
Sisältö avataan julkiseksi: 20.11.2024
Sisältö avataan julkiseksi: 20.11.2024
Diplomityö
Kähkönen, Tuomas
2022
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022111866216
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022111866216
Tiivistelmä
Active magnetic bearings (AMB) are used as a form of magnetic levitation and suspension in high-speed electrical motors as they provide frictionless rotation and control over natural resonances. In this thesis a commissioning of a high-speed induction machine (IM) and a position control design of magnetically suspended rotor were carried out and validated using a prototype system with 5 degrees of freedom (DOF) in which radial and axial positions are suspended with AMBs. Moreover, the possibility to use a PID-like controller combined with additional filters to achieve stable levitating control for full speed range when gyrosgopic effect is assumed was studied.
The prototype system was commissioned which included the modelling of the rotor and an analysis of its dynamics. Simple commissioning controllers found in literature were simulated and tested but were unstable due to overly simplified model used in the design. Also, an identification and validation of the prototype rotordynamics was carried out by stepped sine excitations. A general overview of the most commonly used AMB position control structures and some key principles for AMB SISO-like control were presented. Guidelines were then constructed based on these principles in the form of figure templates. A decentralized control law was designed using the proposed templates and validated with lift-up and rotation tests in simulation and with the commissioned prototype system. Aktiivisia magneettilaakereita (AMB) käytetään suurnopeussähkömoottoreissa magneettiseen leijuttamiseen sekä vaimennukseen, sillä niillä voidaan toteuttaa kitkaton rotaatio sekä resonanssien hallinta. Tässä diplomityössä tehtiin suurnopeusoikosulkumoottorin käyttöönotto sekä suunniteltiin magneettisesti leijutettavan roottorin paikkasäätö, joka validoitiin käyttöönotetulla viiden vapausasteen prototyypillä, joka on aktiivimagneettilaakeroitu radiaali sekä aksiaali suunnassa. Lisäksi PID-tyyppisen säätimen käyttöä yhdessä muiden suotimien kanssa stabiiliin leijutuksen saavuttamiseksi koko pyörimisalueella tutkittiin, ottaessa huomioon gyroskooppinen ilmiö.
Prototyypin käyttöönottoon sisältyi myös roottorin mallinnus ja dynamiikan analyysi. Kirjallisuudesta löydettyjä yksinkertaisia käyttöönottosäätimiä simuloitiin ja testattiin, mutta niiden todettiin olevan epästabiileja liian yksinkertaisesta mallista johtuen. Lisäksi prototyypin roottoridynamiikan identifiointi ja validointi suoritettiin käyttäen sinisignaali herätteitä. Yleisimmät AMB-paikkasäätömenetelmät sekä muutamia perusperiaatteita AMB:n SISO-kaltaiseen säätöön esiteltiin. Näiden periaatteiden pohjalta muodostettiin säätösuunnittelua tukevia diagrammeja. Hajautettu säätölaki suunniteltiin käyttäen esiteltyjä diagrammeja ja validoitiin nosto- ja pyörityskokeilla simuloimalla ja käyttöönotetulla prototyypillä.
The prototype system was commissioned which included the modelling of the rotor and an analysis of its dynamics. Simple commissioning controllers found in literature were simulated and tested but were unstable due to overly simplified model used in the design. Also, an identification and validation of the prototype rotordynamics was carried out by stepped sine excitations. A general overview of the most commonly used AMB position control structures and some key principles for AMB SISO-like control were presented. Guidelines were then constructed based on these principles in the form of figure templates. A decentralized control law was designed using the proposed templates and validated with lift-up and rotation tests in simulation and with the commissioned prototype system.
Prototyypin käyttöönottoon sisältyi myös roottorin mallinnus ja dynamiikan analyysi. Kirjallisuudesta löydettyjä yksinkertaisia käyttöönottosäätimiä simuloitiin ja testattiin, mutta niiden todettiin olevan epästabiileja liian yksinkertaisesta mallista johtuen. Lisäksi prototyypin roottoridynamiikan identifiointi ja validointi suoritettiin käyttäen sinisignaali herätteitä. Yleisimmät AMB-paikkasäätömenetelmät sekä muutamia perusperiaatteita AMB:n SISO-kaltaiseen säätöön esiteltiin. Näiden periaatteiden pohjalta muodostettiin säätösuunnittelua tukevia diagrammeja. Hajautettu säätölaki suunniteltiin käyttäen esiteltyjä diagrammeja ja validoitiin nosto- ja pyörityskokeilla simuloimalla ja käyttöönotetulla prototyypillä.