Analysis of Control Performance of a Reluctance Magnetic Lead Screw
Author
Falcon, Eric
Term
4. term
Education
Publication year
2020
Submitted on
2020-06-03
Pages
93
Abstract
Dette speciale undersøger, hvordan man modellerer, analyserer og designer regulatorer til en magnetisk gevindspindel lineær aktuator. En permanentmagnetmotor driver en magnetisk møtrik, som overfører kraft til den lineært bevægelige del (translatoren) via magnetisk kobling. Formålet er at forstå, hvordan systemet bedst kan styres, og hvor høj ydeevne maskinen potentielt kan opnå. I rapportens første del gennemgås den magnetiske gevindspindel og relevant tidligere arbejde. Der opbygges både lineære (forenklede) og ikke-lineære (mere detaljerede) modeller af motoren og den mekaniske del. Modellerne afprøves i simulering i forhold til forventet adfærd, og systemet analyseres med lineære metoder, samtidig med at ændringer i adfærden på tværs af de ikke-lineære arbejdsområder undersøges. I rapportens anden del udvikles en overordnet reguleringsarkitektur tilpasset den forventede hardware. Der designes lineære strømregulatorer samt tre metoder til positionsstyring: (1) en kaskaderet lineær slip-regulator (slip er den relative bevægelse i den magnetiske kobling), (2) en kaskaderet regulator der beregner den nødvendige strøm for at opnå en ønsket kraft, og (3) en traditionel LQR (Linear Quadratic Regulator) med feedforward-kompensering af diskontinuerlig friktion i systemet. Da systemet ikke har en positionssensor, undersøges hvilke sensormuligheder der er nødvendige for effektiv styring, samt metoder til at estimere translatorens tilstand uden sensorfeedback. De udviklede regulatorer blev ikke implementeret på det fysiske system inden for projektets rammer, så evalueringen bygger på simuleringer. På trods af dette viser de simulerede resultater, at de foreslåede styringsmetoder kan opnå høj ydeevne i mange scenarier, og arbejdet peger på flere muligheder for fremtidige praktiske afprøvninger.
This thesis models, analyzes, and designs controllers for a magnetic lead screw linear actuator. A permanent magnet motor drives a magnetically coupled nut that applies force to the moving linear part (the translator). The goal is to understand how best to control the system and how much performance the machine can deliver. The first part reviews the magnetic lead screw concept and related prior work, then builds both linear (simplified) and nonlinear (more detailed) models of the motor and mechanical system. These models are tested in simulation against expected behavior, and classical linear analysis is used to study stability and dynamics, including how the system changes across nonlinear operating regions. The second part develops a control architecture tailored to the intended hardware. It designs linear current controllers and three position-control strategies: (1) a cascaded linear slip controller (slip is the relative motion in the magnetic coupling), (2) a cascaded controller that computes the current needed to produce a desired force, and (3) a standard LQR (Linear Quadratic Regulator) with feedforward compensation for discontinuous friction in the system. Because there is no position sensor, the thesis examines which sensing capabilities would enable effective control and explores sensorless state-estimation methods to infer the translator’s motion. The controllers were not implemented on the physical system within the project, so evaluation relies on simulations. Even so, the simulated results indicate that the proposed control approaches can achieve high performance in many scenarios, and the work outlines directions for future experimental validation.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents