sistem pentru compensarea vibraţiilor prin suspensii active - Agir

98
SISTEM PENTRU COMPENSAREA VIBRAŢIILOR
PRIN SUSPENSII ACTIVE
Ing. Dumitru STRAMBEANU
INCDIE ICPE-CA
Ing. Daniel LIPCINSKI
INCDIE ICPE-CA
Mircea IGNAT
INCDIE ICPE-CA
Alina DUMITRU
INCDIE ICPE-CA
Cristinel Ioan ILIE
INCDIE ICPE-CA
Ing. Iuliu Romeo POPOVICI
INCDIE ICPE-CA
Ing. drd. Silviu Octavian MEDIANU
INCDIE ICPE-CA
George ZARNESCU
INCDIE ICPE-CA
Jana PINTEA
INCDIE ICPE-CA
Ionel CHIRITA
INCDIE ICPE-CA
REZUMAT. Lucrarea prezintă un sistem de compensare a vibraţiilor prin suspensii active, utilizând un lanţ electronic de măsura,
control si execuţie, un sistem mecanic pentru susţinerea sarcinii util, senzori si actuatori piezoceramici. Se prezintă arhitectura
electronica a lanţului electronic cu principalele componente si rolul lor, precum si o analiza a schemelor de control si comanda
existente cu avantaje si dezavantaje.
Cuvine cheie: vibraţie, lanţ electronic, schemă de control şi comandă.
ABSTRACT. This paper presents a vibration compensation system with active suspension, using an electronic chain to measure,
control and execution, a mechanical system to support the payload, piezoceramic sensors and actuators. Electronic architecture is
presented with the main components of the electronic chain and their role, and an analysis of existing command and control
schemes with advantages and disadvantages.
Key properly: vibration, electronic chain, command and control scheme.
1. INTRODUCERE
Sistemul care face obiectul acestei lucrări reprezintă
un sistem de compensare a vibraţiilor prin suspensii
active, utilizând un lanţ electronic de măsura, control si
execuţie, un sistem mecanic pentru susţinerea sarcinii
util, senzori si actuatori piezoceramici.
Se subliniază ca un sistem de control activ reprezintă
un grup de componente electrice, electronice, mecanice
astfel asamblate încât să se poată regla energia (perturbaţia
externă) la intrarea sistemului, pentru a obţine la ieşire
o mărime electric dorită pentru izolarea forţei externe .
Sistemul propus este de complexitate şi precizie
mare şi are la bază o structură de masă de laborator în
care este încastrată o masă mecanică de control de
precizie cu cinematica pe două axe xy, echipată cu
traductoare de vibraţii care să măsoare semnalul
perturbator şi actuatori piezoelectrici care să genereze o
vibraţie în antifază (defazată cu 180°) pentru anularea
semnalului perturbator .
Elementul de monitorizare şi comandă în cadrul
sistemului îl constituie blocul de unitate centrală şi
achiziţie de date înzestrat cu un calculator şi un
program software specializat.
Se prezintă arhitectura electronică a lanţului electronic
cu principalele componente şi rolul lor, precum şi
o analiză a schemelor de control şi comandă existente,
cu avantaje şi dezavantaje.
Buletinul AGIR nr. 3/2011 ● iulie-septembrie

SISTEM PENTRU COMPENSAREA VIBRAŢIILOR PRIN SUSPENSII ACTIVE
2, METODE DE COMPENSARE
ŞI REGLARE
În figura 1 se prezintă conceptul de izolator „stâlp /
pilon în repaus“, care constă dintr-o masă intermediară
montată pe podea prin intermediul unor traductoare
piezoelectrice, senzorul de mişcare, componentele buclei
de reglaj, componentele pasive şi sarcina.
Fig. 1. Schema concept izolator.
Teoretic, orice sistem de compensare activă conţine
trei elemente de bază (vezi fig. 2): blocul G este numit
„proces“ şi reprezintă comportamentul sistemului mecanic
(electronic, hidraulic, termic) înainte de a se aplica
orice buclă de reacţie şi reprezintă o funcţie de transfer
care este raportul ieşirii şi intrării blocului, exprimată ca
o funcţie de frecvenţă, locul H este numit compensator
pentru compensarea vibraţiei şi ,,Sum“ este numit
sumator cu intrări de semnale cu semn + sau – [1].
În schema prezentată în figura 2, funcţia de transfer
în bucla închisă pentru sistem este dată de ecuaţia:
Ieşire G
Intrare 1
GH
Fig. 2. Schema de control.
Metode principale de compensare a vibraţiilor:
– pasivă: este cea mai simplă, bazată pe elemente absorbante
şi compensatoare de vibraţii la frecvenţe de peste
1 kHz;
– activă: bazată pe generarea unui semnal defazat cu
180° faţă de semnalul util, la frecvenţe sub 1 kHz ;
– semiactivă: metoda combinată a celei active şi
pasive [3].
3. STRUCTURA GENERALĂ A SISTEMULUI
Echipamentul a fost conceput modularizat, în figura 3
fiind prezentată schiţa cu schema bloc şi principalele module
şi conexiuni aferente ale sistemului de control activ.
traductor
piezoceramic
IN
traductor de
forta
traductor
piezoceramic
OUT
Bloc senzori
preamplificator
de semnal
modul
conditionare
semnal
modul regulator
generator de
semnal
Unitatea centrala: sistem de
calcul, modul de achizitie,
soft de analiza si control.
Fig. 3. Schema bloc a sistemului de compensare active a vibraţiilor.
Părţile componente ale sistemului şi rolul lor:
a) blocul senzorilor: asigură preluarea şi furnizarea
datelor primare, corelarea mărimilor de vibraţie citite şi
induse;
b) modulul de condiţionare: asigură conversia variaţiilor
de sarcină provenite de la traductoare în mărimi
exprimate în curent / tensiune, amplifică, filtrează şi
prelucrează semnalul de intrare;
c) modulul regulator: prelucrează şi transmite informaţia
în timp real pe bucla de control activ al vibraţiei;
d) generatorul de semnal: are rolul de a furniza un
semnal proporţional cu nivelul semnalului măsurat, dar
ale cărui componente spectrale sunt defazate astfel încât să
genereze vibraţii de control în antifază cu cele măsurate;
e) preamplificatorul de semnal: asigură interfaţa intre
generatorul de semnal şi traductorul piezoceramic (OUT),
amplifică semnalul pe bucla de ieşire .
f) traductorul piezoceramic (OUT): generează vibraţii
mecanice proporţionale cu cele măsurate de lanţul de măsurare;
g) unitatea centrală conduce întregul proces de monitorizare
şi comandă, având următoarele funcţiuni:
– iniţializează datele de identificare ale obiectivului
controlat şi condiţiile de executare a examinării;
– asigură interpretarea semnalelor captate de la traductoare,
prelucrează şi achiziţionează datele cu ajutorul
unui program software specializat;
– stocarea şi gestionarea informaţiei în baza de date;
istoric al evenimentelor măsurate.
Buletinul AGIR nr. 3/2011 ● iulie-septembrie 99

4. PASTILE PIEZOCERAMICE
Elementele active folosite sunt realizate prin tehnologia
clasică de obţinere a pulberilor piezoceramice
pornind de la oxizi. Compoziţiile aparţin sistemului
titanat - zirconat de plumb cu substituţii Nb 5+ , după o
formulă de tipul Pb1-x (Zr0,52Ti0,48)1-y NbyO3 cu y în
domeniul (0,010,025) şi x un coeficient legat de vacanţele
de Pb [1]. Raportul Zr/Ti = 0,52/0,48 s-a
păstrat constant, deoarece corespunde limitei morfotropice
în care sistemul prezintă proprietăţi piezoelectrice
maxime. Cercetările au demonstrat ca utilizarea Nb 5+
ca donor produce orientarea pereţilor de domeniu,
inhibând creşterea granulelor şi ajutând la creşterea
densităţii ceramicii PZT.
Pe epruvetele cu dimensiuni = 10 mm şi h = 1 mm
s-a măsurat capacitatea în funcţie de temperatură,
pentru aflarea temperaturii Curie şi valorile pentru
toate compoziţiile au fost mai mari de 400 C (vezi
fig. 4).
Capacitatea [pF]
100
8000
7500
7000
6500
6000
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
PZT-Nb1
PZT-Nb2
PZT-Nb3
PZT-Nb4
PZT-Nb5
0 100 200 300 400 500
Temperatura [ o C]
Fig. 4. Variaţia capacităţii cu temperatura.
Frecvenţele de rezonanţă şi antirezonanţă s-au măsurat
cu analizorul de impedanţă 4294A tip Agilent prin
metoda impedanţei. Rezultatele obţinute sunt prezentate
în figura 5.
Factorul de cuplaj kp a fost calculat pe baza frecvenţei
de rezonanţă şi antirezonanţă după formula:
kp 2 (1 – kp 2 ) = 2,51(fa – fr) / fr
şi valorile obţinute sunt prezentate în tabelul 1.
Valorile câmpului coercitiv Ec sunt dependente de
cantitatea de dopant introdusă în compoziţie şi sunt
prezentate în figura 6. Se constată că polarizaţia şi
câmpul coercitiv depind atât de concentraţia de Nb adăugată
în compoziţie cât şi de apariţia vacanţelor în
structură [8].
EDUCAŢIE. CERCETARE. PROGRES TEHNOLOGIC
Impedanta [ohmi]
Polarizatie [C/cm 2 ]
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
PZTN-1
PZTN-2
PZTN-3
PZTN-4
PZTN-5
100000 200000 300000 400000 500000
Frecventa [Hz]
Fig. 5. Variaţia impedanţei cu frecvenţa.
Tabelul 1
Valorile parametrilor piezoelectrici pentru PZTN 1-5
6
4
2
0
-2
-4
-6
Compoziţii fr [kHz] f a [kHz] kp
PZTN1 249 251 0,14
PZTN2 241 244 0,32
PZTN3 233 239 0,25
PZTN4 241 244 0,18
PZTN5 246 251 0,22
PZT Nb1
PZT Nb2
PZT Nb3
PZT Nb4
PZT Nb5
-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000
Tensiune [V]
Fig. 6. Curbele de histerezis.
5. ACTUATOR /TRADUCTOR
PIEZOCERAMIC
În figura 7 este prezentată structura unui actuator
coloană cu elementele piezo, piesele de contact,
conexiunile electrice precum şi caracteristica d = f(U)
pentru un actuator proiectat cu un anumit număr de
pastile, unde la 300 V, se obţine o deplasare maxima de
20 μm.
Buletinul AIR nr. 3/2011 ● iulie-septembrie

deplasare [μm]
25
20
15
10
5
0
ec
10
13
SISTEM PENTRU COMPENSAREA VIBRAŢIILOR PRIN SUSPENSII ACTIVE
18
deplasare [μm]
5
3
0
0
50 100 150 200 250 300 250 200 150 100 50
U [V]
20
17
15
14
deplasare [μm]
Fig. 7. Structura microelectromecanică a unui actuator tip coloană şi
caracteristica de deplasare d in functie de tensiunea de alimentare U:
ep – disc piezoceramic; ec – contact disc, cs - conexiune cu
microtresă flexibilă, cg – conexiune cu tresă generală.
6. MESE DE PRECIZIE
Pentru a sprijini elastic sistemele mobile, realizând
totodată şi o mărire a sensibilităţii şi stabilităţii sistemelor,
se folosesc pe scară largă sprijinirile cu elemente
elastice a căror deplasare, foarte mică (0,1…3 mm) se
bazează pe deformaţia elementului elastic. La aceste
lagăre, elementele de lucru sunt firele sau benzile elastice
care se fixează cu un capăt la partea mobilă, iar cu
celalalt capăt la partea fixă a sistemului.
Exista două metode de bază pentru a proiecta un
sistem de poziţionare multiaxă: metoda cinematicii
seriale şi cea a cinematicii paralele.
Cinematica serială este uşor de proiectat şi de construit
şi poate funcţiona cu un controller simplu. Desigur are un
număr de dezavantaje comparat cu performanţa şi eleganţa
metodei paralele. În sistemele multiaxă cu cinematică serială,
fiecare actuator este atribuit unui grad de libertate.
Daca are integrat şi senzorul de poziţie, acesta este de
ep
cs
cg
asemenea alocat unui sistem de deplasare (actuator) şi
măsoară doar mişcarea dată de acest actuator în acea
direcţie de mişcare. Toate mişcările nedorite în celelalte
5 grade de libertate nu sunt văzute şi – evident – nu sunt
corectate în bucla servo, rezultând erori cumulative.
În sistemele multiaxă cu cinematică paralelă, toate
actuatoarele acţionează direct asupra aceleaşi platforme
de mişcare. Doar cu aceasta metoda putem obţine
aceeaşi frecventţă de rezonanţă şi comportament
dinamic pentru axele x şi y. Este de asemenea uşor de
implementat metrologia paralelă în sistemele cu
cinematică paralelă. Senzorii metrologizaţi paralel
măsoară toate mişcările în direcţia măsurată, nu doar
de la un actuator, abaterile de la toate actuatoarele
putând fi compensate în timp real (rezultând un
control active al traiectoriei).
În figurile 8 şi 9 sunt prezentate tipurile de mese cu
cinematică serială şi cu elemente elastice.
Fig. 8. Masa XY cu cinematicăa serială.
Fig. 9. Masă cu elemente elastice:
1 – actuator piezoelectric; 2 – masă cu elemente elastice.
Buletinul AGIR nr. 3/2011 ● iulie-septembrie 101

7. EXPERIMENTĂRI
În figurile 10 şi 11 se prezintă experimentările cu
masa cu cinematică serială.
Fig. 10. Răspunsul în frecvenţă în banda de 5-150 Hz (albastru –
semnal perturbator, galben – semnal final).
Fig. 11. Experimentări pe masa XY în condiţii de laborator:
(roşu – semnal perturbator, alb – semnal antifază, verde – semnal final).
102
EDUCAŢIE. CERCETARE. PROGRES TEHNOLOGIC
Odată cu creşterea frecvenţei, în banda de 150-
1000 Hz s-a observat o atenuare mai mică cu 10-15%
din semnalul perturbator, în principal datorită elementelor
de fixare a actuatoarelor .
Sistemul a fost realizat în cadrul programului
NUCLEU la INCDIE ICPE CA şi se adresează laboratoarelor
de cercetare unde se desfăşoară măsurători de
înaltă precizie .
BIBLIOGRAFIE
[1] http://www.techmfg.com/techbkgd/intro.htm
[2] M.N. Cirstea, A. Dinu, J.G. Khor, M. McCormick Newnes,
Neural and Fuzzy Logic Control of Drives and Power Systems.
[3] Nader Jalili, A Comparative Study and Analysis of Semi-
Active Vibration-Control Systems.
[4] Eric H. Anderson, Elite-3 Active Vibration Isolation Workstation.
CSA Engineering.
[5] S. Boyd, Feedback control systems: static analysis, EE102.
[6] Design and development of vibration system for active vibration
control .
[7] John Doyle, Bruce Francis, Allen Tannenbaum, Feedback
Control Theory, Macmillan Publishing Co., 1990.
[8] A.M. Moisin, A.I. Dumitru , E. Andronescu, C.Ghitulica,
Studies on PZT–Nb Modified Piezoceramic Materials, Journal
of Optoelectronic and advanced Materials vol8, no2 (2006)
553-554;
Buletinul AIR nr. 3/2011 ● iulie-septembrie