Sterowane łożysko magnetyczne

dr inż. Adam Piłat,

Katedra Automatyki AGH

Bezkontaktowe sterowane łożyska magnetyczne pozwalają na zwiększenie wydajności i rozszerzenie funkcjonalności urządzeń, a programowa zmiana parametrów pracy takiego systemu umożliwia realizację zaawansowanych zadań automatyki.

Sterowane (aktywne) łożyska magnetyczne (SŁM, AŁM) są urządzeniami mechatronicznymi, łączącymi w sobie zagadnienia mechaniki, elektroniki, informatyki i automatyki. Ich działanie wykorzystuje zjawisko magnetycznej lewitacji, polegające na bezkontaktowym unoszeniu się obiektu w polu magnetycznym. Systemy magnetycznej lewitacji mają wiele ciekawych cech wyróżniających je spośród standardowych rozwiązań, np. brak tarcia, brak medium smarującego, możliwość pracy w dowolnym środowisku, które to sprawiają, że możliwości ich zastosowania i wykorzystania są coraz szersze.

Konstrukcje nowoczesnych maszyn wirnikowych o indywidualnych wymaganiach eksploatacyjnych mogą być wyposażane w systemy aktywnego łożyskowania. Zastosowanie takiego systemu pozwala na:

• zwiększenie sprawności urządzenia ze względu na eliminację tarcia, a zatem i strat związanych z kontaktem mechanicznym elementów,
• eliminację medium smarującego oraz związanych z nim elementów uszczelniających,
• realizację zamkniętej konstrukcji urządzenia,
• pracę urządzenia przy wysokich prędkościach obrotowych,
• pracę w szerokim zakresie temperatur,
• pracę w różnych środowiskach (np. próżnia).

Należy podkreślić, że sterowane łożyska magnetyczne spełniają kryteria stawiane urządzeniom współczesnej techniki: niezawodność, bezobsługowość, pełną diagnostykę działania oraz niskie koszty eksploatacji. Zastosowane w nich układy sterowania odgrywają decydującą rolę w działaniu systemu wirującego, bowiem decydują o jego własnościach dynamicznych.

Porównanie łożysk klasycznych i magnetycznych

Prowadzone badania naukowe nad sterowanymi łożyskami magnetycznymi wskazują, że ich praktyczne zastosowanie jest możliwe, a korzyści z tego płynące są niewspółmierne w stosunku do łożysk klasycznych.

Eliminacja uciążliwości występujących w łożyskach klasycznych oraz aktywne oddziaływanie układu sterowania sprawiają, że aktywne łożyska magnetyczne stanowią rozwiązanie konkurencyjne.

Idea działania

W SŁM oraz innych systemach z rodziny systemów magnetycznej lewitacji Źródłem oddziaływań na lewitujący obiekt są oddziaływania dynamiczne sił magnetycznych pochodzących od elektromagnesów zwanych siłownikami elektromagnetycznymi. Rozróżnia się łożyska magnetyczne osiowe (oddziaływania równoległe do osi wirnika) i promieniowe (oddziaływania prostopadłe do osi wirnika). W wybranych konfiguracjach i zastosowaniach w oddziaływaniach znaczącą rolę może odgrywać siła grawitacji. Podstawowa zasada działania polega na stabilizacji położenia obiektu w jednakowej odległości od obu siłowników. Rozstaw siłowników oraz rozmiar wirnika determinują w osi oddziaływań obszar dopuszczalny przemieszczeń wirnika, charakteryzowany przez luz łożyskowy.

Zapewnienie w każdym z siłowników odpowiedniej wartości napięcia i natężenia prądu skutkuje wytworzeniem sił elektromagnetycznych oddziałujących na obiekt. W wyniku właściwego sterowania oddziaływaniami możliwe jest uzyskanie przemieszczenia obiektu pomiędzy siłownikami.

Tak skonstruowany system jest strukturalnie niestabilny i wymaga zastosowania układu sterowania celem stabilizacji położenia obiektu. Wytworzona siła elektromagnetyczna cechuje się silną nieliniowością zależną od natężenia prądu i odległości obiektu od powierzchni siłownika elektromagnetycznego.

Zadania systemu sterowania

W zależności od złożoności i funkcjonalności urządzenia system sterowania może wykonywać różne zadania. Mogą być one realizowane dzięki akwizycji danych z systemów pomiarowych oraz modyfikacji sygnałów sterujących przesyłanych do elementów wykonawczych. Jednym z najważniejszych jest stabilizacja położenia wirnika w przestrzeni łożyskowej. Dokonywanie identyfikacji parametrów fizycznych, dynamicznych, zakłóceń zewnętrznych realizują procedury diagnostyczne sterownika. Pozyskane informacje mogą służyć modyfikacji sterowania w celu zapewnienia stałych niezmiennych parametrów pracy urządzenia, a także w sytuacjach awaryjnych, do wykonania określonej procedury. Wielopoziomowa architektura systemu sterowania umożliwia diagnostykę pracy całego urządzenia oraz zmianę konfiguracji sterownika według potrzeb. Ze względu na programową obsługę sterowanych łożysk magnetycznych możliwe jest zaprogramowanie odpowiednich parametrów dynamicznych pracy urządzenia niezmiennych lub zadawanych dla poszczególnych cyklów pracy. Własności dynamiczne pracy urządzenia mogą zostać zachowane podczas zmiany prędkości obrotowej wirnika dzięki zastosowaniu sterowania adaptacyjnego.

Stosowane technologie

Aktywne łożysko magnetyczne powinno być starannie zaprojektowane do określonego rozwiązania. Żądane parametry pracy urządzenia implikują konfigurację elektromechaniczną łożyska magnetycznego oraz algorytmu sterowania.

Modelowanie zjawisk fizycznych (głównie elektromagnetycznych, mechanicznych), występujących w urządzeniu zawierającym SŁM, pozwala na szczegółową analizę systemu wraz z projektowanym układem sterowania.

Wykorzystanie własności materiałowych oraz cech konstrukcyjnych łożyska pozwala przeprowadzić analizę pracy systemu ze sprzężeniem zwrotnym na etapie symulacji, a wyniki prowadzonych badań mogą być wykorzystane do zmiany konstrukcji systemu. Zastosowanie zintegrowanego środowiska projektowania i analizy danych umożliwia opracowanie optymalnej konstrukcji i algorytmu sterowania aktywnego łożyska magnetycznego.

W Katedrze Automatyki został zaprojektowany i wykonany konfigurowalny system do badania łożysk magnetycznych, zawierający sterowane łożysko magnetyczne. Głównymi elementami omawianego systemu są:

• mikrokomputer 32-bitowy, stanowiący centralną jednostkę realizującą zadania programowe,
• programowalne układy analogowe i cyfrowe do realizacji zadań sterowania bezpośredniego i przetwarzania sygnałów,
• system równoległej akwizycji danych, zaprojektowany i zrealizowany na potrzeby monitorowania i sterowania systemami wielowymiarowymi,
• elementy elektroniczne wykonawcze, służące do formowania sygnałów pomiarowych pochodzących od poszczególnych czujników, oraz końcówki mocy zasilające siłowniki elektromagnetyczne,
• interfejs użytkownika, wykorzystujący wyświetlacz ciekłokrystaliczny do bezpośredniej wizualizacji pracy urządzenia.

W wyniku prowadzonej identyfikacji parametrów opracowany model nieliniowy systemu stanowi podstawę syntezy i analizy regulatorów, opracowywania algorytmów diagnostycznych i procedur testowych. Ich różne konfiguracje są badane eksperymentalnie i obecnie stanowią bazę wiedzy do zastosowania w dowolnych sterowanych łożyskach magnetycznych.

Rozruch urządzenia zawierającego SŁM wymaga wstępnej fazy związanej z uniesieniem i rozmieszczeniem obiektu w przestrzeniach łożyskowych. Stabilizacja położenia wirnika w przestrzeni łożyskowej stanowi typowe zadanie układu sterowania. Przedstawiony wykres ilustruje przemieszczenie i lewitację wirnika w przestrzeni łożyskowej o luzie promieniowym wynoszącym 400 mikrometrów. Za pomocą bezkontaktowych czujników odległości monitorowane jest położenie wirnika w przestrzeni łożyskowej. Pozostałe sygnały pomiarowe indukcji pola magnetycznego, napięcia zasilania i natężenia prądu w cewkach oraz temperatury są również wykorzystywane przez układ sterowania do realizacji zadań sterowania. Wykorzystanie redundancji w systemie sterowania ma na celu zabezpieczenie działania urządzenia w razie wystąpienia sytuacji awaryjnej. Zastosowanie technologii układów programowalnych analogowych i cyfrowych pozwala na opracowanie różnych wariantów sterowania oraz sprawia, że system ma otwartą architekturę i może spełniać żądane wymagania dotyczące jego działania.

Wizualizacja pracy systemu jest możliwa dzięki zastosowaniu oprogramowania typu SCADA przeznaczonego do kontroli i akwizycji danych. Wartości sygnałów sterujących i pomiarowych zapisywane są w procesowej bazie danych, a następnie wyświetlane w postaci animacji i trendów na panelach operatorskich

Oprogramowanie monitorujące stanowi element systemu diagnostycznego urządzenia. Ze względu na fakt, że coraz częściej urządzenia przemysłowe dołączane są do sieci Ethernet, system sterowania i monitorowania pracy łożysk magnetycznych został doposażony w zautomatyzowane procedury programowe, umożliwiające dynamiczne tworzenie stron internetowych. Wykorzystują one grafikę wektorową do ilustracji pracy urządzenia w postaci animacji i wykresów. Dodatkowym zastosowaniem tego oprogramowania jest możliwość analizy pracy urządzenia na podstawie zgromadzonych danych pomiarowych. Własność ta może być szczególnie przydatna w przypadku analizy sytuacji awaryjnych urządzenia.

Czy już czas na zastosowania?

Ze względu na omawiane zalety i możliwości sterowanych łożysk magnetycznych, odpowiedź na to pytanie jest twierdząca. W zależności od zastosowania możliwe jest doposażenie urządzenia w dodatkowe elementy pomiarowe, sterujące i oprogramowanie wizualizujące.

W pełni wyposażone sterowane łożysko magnetyczne może być z powodzeniem stosowane we wszelkiego rodzaju aparaturze, wymagającej niezawodności pracy i ciągłej diagnostyki.

Doskonalenie tej technologii, poszukiwanie optymalnych rozwiązań sprzętowych i programowych pozwala stwierdzić, że sterowane łożyska magnetyczne znajdą zastosowanie w wielu urządzeniach wymagających higieny pracy i wysokiej precyzji.

Trwają nieustanne prace i badania nad uproszczeniem konstrukcji całego systemu i zapewnieniem niezbędnej, lecz efektywnej minimalnej konfiguracji sprzętowo – programowej.

Zapraszamy do odwiedzenia strony internetowej AGH (www.MagLev. agh.edu.pl) poświęconej systemom wykorzystującym zjawisko magnetycznej lewitacji, a w szczególności sterowanym łożyskom magnetycznym.