Modeling and PID-control design for bearingless high speed motor drive

Abstract

The demand for higher rotational speeds and the more and more challenging work environments have pushed magnetic bearings and bearingless machines to be an extensive multidisciplinary field of research. Magnetic bearings are used to support ferromagnetic objects using magnetic levitation in a way that there is no mechanical contact between the rotating part and the magnetic bearing. The contactless principle makes magnetic bearings useful in applications like turbomolecular pumps and high speed motors. In bearingless machines, the function of a magnetic bearing is integrated into an electric motor to create a bearingless unit that generates both the forces needed for magnetic levitation as well as the torque. In this study, a simulation model for a magnetic bearing system with four degrees of freedom (4-DOF) is created and a PID-based position controller is implemented. The model is used to illustrate the position control in a bearingless machine. A controller solution is proposed and later simulated. Finally, the control system is tested on the actual prototype machine. The simulation model shared similar behavior when compared to the prototype machine, thus concluding the validity of the model. Based on the experimental results, the proposed controller worked adequately gaining a stable lift-up and having moderate responses to slight displacements. A minor oscillation was found that requires further study.

Vaatimukset suuremmista pyörimisnopeuksista ja yhä haastavammat käyttöympäristöt ovat tehneet magneettilaakereista ja bearingless-koneista laajan monitieteellisen tutkimuskohteen. Magneettilaakereita käytetään leijuttamaan ferromagneettisia kappaleita magneettikentillä ilman laakerin ja kappaleen välistä fyysistä kontaktia. Kosketukseton toimintaperiaate tekee bearingless-koneista käyttökelpoisia sovelluksissa kuten turbomolekulaariset pumput sekä suurnopeusmoottorit. Bearingless-koneissa magneettilaakerin toiminta on integroitu sähkömoottoriin, jolloin moottori tuottaa väännön lisäksi myös leijutukseen tarvittavat magneettiset voimat. Tässä työssä luodaan simulaatiomalli neljän vapausasteen magneettilaakerisysteemille, jolle suunnitellaan paikkasäätö käyttäen PID-säädintä. Tätä mallia ja säädintä voidaan hyödyntää testilaitteena toimivassa bearingless-koneessa. Säädinratkaisu esitetään ja simuloidaan. Lopuksi suunniteltu säätöjärjestelmä testataan prototyyppikoneella. Simulaatiomalli vastasi käyttäytymiseltään prototyyppilaitetta vahvistaen mallin oikeellisuuden. Mittausten avulla todettiin simulointimallin oikeellisuus. Tuloksien perusteella ehdotettu säädin toimi riittävän hyvin saaden stabiilin nousun sekä kohtalaiset vasteet pienille siirtymille. Löydettiin pieni oskillaatio, joka vaatii syvällisempää tarkastelua.