W y d z i a ł I n ż y n i e r i i M e c h a n i c z n e j i R o b o t y k i K at e d r a A u t o m at y z a c j i P r o c e s ó w
R o z p r awa D o k t o r s k a
Tłumiki magnetoreologiczne z odzyskiem energii:
modelowanie, badania laboratoryjne, sterowanie
Energy harvesting – magnetorheological dampers:
modeling, laboratory testing, control
mgr inż. Marcin WęgrzynowskiPromotor: prof. dr hab. inż. Bogdan Sapiński
SPIS TREŚCI 3
Spis treści
0.1. Streszczenie ... 4
0.2. Abstract ... 5
0.3. Wykaz ważniejszych oznaczeń... 6
1. Wstęp ... 8
1.1. Przegląd literatury i analiza stanu badań ... 8
1.2. Teza i cele pracy ... 14
2. Budowa, zasada działania, charakterystyki ... 16
2.1. Tłumik liniowy... 17
2.2. Tłumik obrotowy ... 24
2.3. Elektromechaniczny przetwornik liniowy ... 32
2.4. Elektromechaniczny przetwornik obrotowy... 39
2.5. Tłumik liniowy z odzyskiem energii... 44
2.6. Tłumik obrotowy z odzyskiem energii ... 51
3. Modelowanie, identyfikacja, walidacja ... 58
3.1. Model cewki sterującej... 58
3.2. Tłumik liniowy... 60
3.3. Tłumik obrotowy ... 64
3.4. Elektromechaniczny przetwornik liniowy ... 71
3.5. Elektromechaniczny przetwornik obrotowy... 75
4. Układ kondycjonowania i sterowania ... 79
5. Sterowanie drganiami przy użyciu tłumika liniowego z odzyskiem energii ... 88
5.1. Modelowanie ... 90
5.2. Algorytmy sterowania ... 92
5.3. Symulacje komputerowe ... 97
5.4. Badania laboratoryjne ... 107
6. Sterowanie położeniem przy użyciu tłumika obrotowego z odzyskiem energii 128 6.1. Modelowanie ... 130 6.2. Algorytmy sterowania ... 132 6.3. Symulacje komputerowe ... 134 6.4. Badania laboratoryjne ... 138 7. Podsumowanie ... 148 Literatura... 152 Załączniki... 164
Rozprawa dotyczy liniowych oraz obrotowych tłumików magnetoreologicznych (MR) z odzy-skiem energii. Praca obejmuje modelowanie, badania laboratoryjnie oraz implementację tłumików w semiaktywnych układach sterowania drganiami. Cechą charakterystyczną tych układów jest brak konieczności zasilania z zewnętrznych źródeł energii. Energia odzyskiwana przez przetwornik elektromechaniczny zintegrowany z tłumikiem MR jest zamieniana na energię elektryczną i wyko-rzystywana do jego zasilania. Działanie liniowego tłumika MR z odzyskiem energii sprawdzono w semiaktywnym układzie tłumienia drgań, natomiast obrotowy tłumik MR sprawdzono w semiak-tywnym układzie pozycjonowania. Dla obu tłumików przeprowadzono symulacje komputerowe, na podstawie których dobrano algorytmy sterujące pracą tłumików. Przedstawiono również budowę oraz omówiono zasadę działania układu kondycjonowania i sterowania z wykorzystaniem odzy-skanej energii. W przypadku liniowego tłumika MR, oprócz funkcji samozasilania, zbadano także wykorzystanie przetwornika elektromechanicznego jako źródła informacji o prędkości względnej. Wykorzystanie tłumika MR z odzyskiem energii w miejsce typowego tłumika MR pozwala na uproszczenie semiaktywnych układów sterowania oraz zmniejsza zapotrzebowanie na energię z zewnętrznego źródła.
SPIS TREŚCI 5
Abstract
The doctoral thesis concerns linear and rotary magnetorheological (MR) dampers with energy harvesting. The thesis inlcudes: modelling, laboratory research and implementation of the dampers in semi-active control systems. One characteristic of such systems is no need to use any external energy source. The energy recovered by an electromechanical transducer, which is integrated with the MR damper, is transformed into electrical energy and used to power the MR damper. The functioning of the linear MR damper with energy harvesting was tested on a semi-active vibration reduction structure, whereas the rotary MR damper was used as the basis of a semi-active positioning system. Computer simulations were carried out for both applications and on their basis the control algorithms for the dampers were chosen. Moreover, the dissertation presents the structure and discusses the principle of operation of the conditioning system and the control system powered by the recovered energy. In the case of the linear damper with energy harvesting, in addition to its self-supply function, an electromechanical transducer was tested as a source of information on the relative velocity of motion. The application of an MR damper for energy recovery, in place of a traditional MR damper, allows to simplify the construction of semi-active control systems and reduces their request for energy from external sources.
Przedmiotem badań były liniowe i obrotowe tłumiki MR z odzyskiem energii (zasilane energią odzyskiwaną z drgań). Rozprawa obejmuje zagadnienia modelowania, badań laboratoryjnych tłumików i dedykowanych im przetworników oraz sterowania tymi tłumikami w semiaktywnych układach tłumienia drgań. Wyniki badań prowadzą do następujących wniosków.
Liniowy tłumik MR:
– charakterystyki siła-przemieszczenie oraz siła-prędkość są symetryczne względem początku przyjętego układu współrzędnych (w tłumiku nie występuje akumulator powietrzny),
– siła wytwarzana przez tłumik rośnie ze wzrostem natężenia prądu w cewce sterującej.
Liniowy przetwornik elektromechaniczny:
– siła elektromotoryczna indukowana w cewkach elektromechanicznego przetwornika energii jest proporcjonalna do prędkości,
– jest możliwe wykorzystanie jednej cewki przetwornika do zasilania, drugiej jako czujnika prędkości,
– siła zaczepowa, występująca w przetworniku, zmienia się wraz ze zmianą położenia magnesów.
Liniowy tłumik MR z odzyskiem energii:
– wraz ze wzrostem prędkości tłoka następuje wzrost siły wytwarzanej przez tłumik,
– przy pracy przetwornika w trybie jałowym, można zaobserwować zwiększenie ilości energii rozpraszanej w jednym cyklu ruchu w porównaniu do tłumika MR pracującego w trybie pasywnym (przy braku prądu w cewce sterującej).
149
Semiaktywny układ tłumienia drgań:
– liniowy przetwornik elektromechaniczny może być wykorzystywany do zasilania tłumika MR (w badanym zakresie prędkości),
– tłumik z odzyskiem energii zastosowany w układzie tłumienia drgań w miejsce tłumika MR powoduje zmniejszenie wartości współczynnika przenoszenia drgań z 3,58 do 2,24 (przetwornik pracuje w trybie jałowym) oraz nieznaczne przesunięcie szczytu rezonansowego w kierunku niższych częstotliwości (efekt występowania siły zaczepowej);
– połączenie cewki przetwornika z cewką tłumika MR powoduje zmniejszenie wartości współczynnika przenoszenia drgań w otoczeniu częstotliwości rezonansowej z 2,24 dla NE do 1,27 dla DE B i 1,2 dla DG B oraz zwiększenie wartości współczynnika dla wyższych niż rezonansowa wartości częstotliwości (w odniesieniu do pasywnej pracy tłumika),
– zastosowanie algorytmów do sterowania tłumikiem powoduje zmniejszenie warto-ści współczynnika przenoszenia drgań w otoczeniu częstotliwowarto-ści rezonansowej w porównaniu do przypadku, gdy tłumik nie jest zasilany,
– układy semiaktywne w otoczeniu częstotliwości rezonansowej wykazują nieznaczne pogorszenie skuteczności tłumienia drgań w odniesieniu do przypadku zasilania tłumika z przetwornika przy użyciu mostka Graetza;
– wykorzystanie przetwornika do zasilania tłumika oraz jako czujnika prędkości przy zastosowaniu algorytmów sterowania oraz układów kondycjonowania pozwala na zmniejszenie wartości współczynnika przenoszenia drgań ze szczególnym uwzględ-nieniem częstotliwości o wartościach bliskich częstotliwości rezonansowej (z 2,24 dla układu nie zasilanego do 1,2),
– wykorzystanie przetwornika jako czujnika prędkości umożliwia wyeliminowanie dwóch zewnętrznych czujników pomiarowych, które stanowią elementy pętli sprzężenia zwrotnego w klasycznych układach semiaktywnych, wpływa to na zmniejszenie zapotrzebowania układu tłumienia drgań na energię,
– mikroprocesorowy układ zarządzania energią umożliwia skutecznie sterowanie tłu-mikiem, jednakże energia wytwarzana przez przetwornik jest niewystarczająca, aby zasilać jednocześnie elektroniczne układy sterujące.
– charakterystyki moment przemieszczenie kątowe oraz moment oporowy-prędkość kątowa są symetryczne względem zera,
– charakterystyki tłumika wykazują występowanie pętli histerezy na wykresie zależności momentu oporowego od natężenia prądu w przypadku zwiększania oraz zmniejszania jego wartości przy stałej w czasie wartości prędkości kątowej,
– wraz ze wzrostem natężenia prądu w cewce sterującej wzrasta wartość momentu oporowego,
– przy wymuszeniach harmonicznych o stałej amplitudzie, wraz ze wzrostem często-tliwości wymuszenia, wartość energii rozpraszanej przez tłumik zmniejsza się (przy stałej w czasie wartości natężenia prądu w cewce sterującej).
Obrotowy przetwornik elektromechaniczny:
– siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu przetwornika elektromechanicznego rośnie wraz ze wzrostem prędkości kątowej,
– moment oporowy wytwarzany przez przetwornika jest proporcjonalny do natężenia prądu w jego cewce.
Obrotowy tłumik MR z odzyskiem energii:
– przy bezpośrednim połączenie cewek tłumika i przetwornika wartość momentu wy-twarzanego przez tłumik rośnie wraz ze wzrostem natężenia prądu w cewce sterującej (co jest związane z wartością prędkości kątowej),
– największy przyrost momentu wraz ze wzrostem wartości chwilowej prędkości kątowej obrotowego tłumika MR z odzyskiem energii zaobserwowano w przypadku, gdy między cewkami tłumika i przetwornika umieszczono układ kondycjonowania w postaci mostka Graetza.
Semiaktywny układ pozycjonowania:
– zastosowanie obrotowego tłumika MR z odzyskiem energii pracującego w trybie pasywnym (gdy przetwornik pracuje na biegu jałowym) w układzie pozycjonowania wpływa na zmniejszenie przeregulowania oraz na skrócenie czasu oscylacji obiektu wokół pozycji zadanej,
– najmniejszą wartość przeregulowania oraz najkrótszy czas zaniku drgań obiektu (wśród przypadków, w których wartość prądu w cewce nie jest sterowana) zaobserwo-wano dla układu, w którym między cewką przetwornika a cewką tłumika znajduje się mostek Graetza,
151 – zastosowanie algorytmów sterowania tłumikiem MR z odzyskiem energii pracującym w semiaktywnym układzie regulacji pozycji wpłynęło na zmniejszenie wartości czasu zaniku drgań oraz wartości przeregulowania (w odniesieniu do pracy układu przy braku zasilania tłumika),
– elektromechaniczny przetwornik energii o ruchu obrotowym może być wykorzysty-wany do zasilania obrotowego tłumika MR pracującego w semiaktywnym układzie sterowania (w badanym zakresie prędkości).
Z powyższych wniosków wynika, że możliwe jest zbudowanie linowych i obrotowych tłumików MR z odzyskiem energii, które zastosowane w semiaktywnych układach sterowa-nia drgasterowa-niami pozwalają na poprawę własności dynamicznych rozważanych struktur.
Kierunki dalszych badań
W kolejnym etapach badań planuje się:
- sprawdzenie działania semiaktywnych układów sterowania drganiami dla innych topologii układów kondycjonowania,
- sprawdzenie możliwości pracy układu sterowania energią pobraną z „magazynu energii” uzupełnianego za pomocą energii odzyskiwanej z drgań,
- sprawdzenie przetwornika obrotowego jako czujnika prędkości,
- określenie możliwości zastosowania tłumika obrotowego w semiaktywnym układzie redukcji drgań skrętnych,
- sprawdzenie działania liniowego tłumika w modelu fizycznym układu zawieszenia pojazdu.
