LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA LUT ENERGIA SÄHKÖTEKNIIKAN OSASTO Magneettilaakerisäädön toteutus dspace+fpga ympäristössä Pekko Jaatinen 2.12.2012
SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO 4 2 AKTIIVIMAGNEETTILAAKERIT 4 2.1 Toimintaperiaate 4 2.2 Aktiivimagneettilaakeroinnin hyödyt 6 2.3 Esimerkit 6 3 PROJEKTI 7 4 JÄRJESTELMÄ 7 4.1 Järjestelmän kuvaus 7 4.2 dspace 9 4.3 FPGA 9 4.4 Servo-ohjain 10 4.5 Paikkasensoriohjain 10 5 VAATIMUSMÄÄRITTELY 11 5.1 Tavoitteet 11 5.2 Kuvaus 11 6 TOIMINNALLINEN MÄÄRITTELY 12 6.1 Systeemin käynnistys 12 6.2 AMB systeemin identifiointi 13 6.3 Kalibrointi 15 7 TEKNINEN MÄÄRITTELY 17 7.1 Käytännön toteutus dspace-ympäristössä 17 8 TEKNINEN TOTEUTUS 18 8.1 Paikkatiedon lukeminen FPGA:n avulla 18 8.2 Debuggaus 19 9 YHTEENVETO 20 LÄHTEET 22
AMB DSP FRF VHDL Active magnetic bearing Digital signal prosessor Frequency response function Very high speed integrate circuit hardware description language
1 JOHDANTO Työssä tutustutaan aktiivimagneettilaakerijärjestelmän rakenteeseen ja toimintaan, sekä suunnitellaan käyttöliittymän rakennetta. Käyttöliittymään keskitytään tärkeimpien toiminnalliset ominaisuuksien rakenteeseen. Käytännöntoteutus esitellään Simulink/dSpace-ympäristössä. Lopuksi käsitellään paikkatiedon lukeamista FPGApiirin avulla. 2 AKTIIVIMAGNEETTILAAKERIT 2.1 Toimintaperiaate Aktiivimagneettilaakerien toiminta perustuu sähkömagneettien tuottamaan magneettikenttään, jonka avulla roottori saadaan leijumaan ilmassa. Kuva 1 esittää yksinkertaisen toimintamallin yhden vapausasteen tilanteessa. Paikkasensori mittaa roottorin siirtymää halutusta paikasta. Kontrolleri laskee paikkasensorilta saadun tiedon perusteella ohjaussignaalin vahvistimelle, joka vahvistaa sen ohjausvirraksi. Virta muodostaa sähkömagneetissa magneettikentän, joka pyrkii pitämään roottorin halutussa asemassa. (Schweitzer and Maslen,2009). Kuva 1. Yksinkertainen malli laakerin toiminnasta (Schweitzer and Maslen, 2009). 4
Käytännön sovelluksissa käytetään yleensä kuvan 2 mukaista radiaalilaakeria. Laakeri koostuu kahdesta sähkömagneetti parista, joita ohjataan differentiaalisesti. Kuva 2. Radiaalilaakerin toimintaperiaate (Lösch, 2002). Tyypillisessä aktiivimagneettilaakerisysteemissä roottoria kannattelee kaksi radiaalilaakeria ja yksi aksiaalilaakeri. Näiden avulla roottoria voidaan ohjata viiden eri vapausasteen suuntaan. Turvalaakerit estävät vahinkojen aiheutumisen roottorille, jos jostain syystä magneettilaakerointi pettää. 5
Kuva 3. Tyypillinen aktiivimagneettilaakereilla kannatetun roottorin rakenne (Jastrzebski, 2009). 2.2 Aktiivimagneettilaakeroinnin hyödyt Roottorin pyörimisnopeutta ei rajoita fyysisien laakerien ominaisuudet, joten voidaan roottoria voidaan pyörittää suurilla nopeuksilla. Rajoittava tekijä on roottorin materiaalin vahvuus. Järjestelmä ei tarvitse voitelua, joten sitä voidaan käyttää vaativissa ympäristöissä esimerkiksi tyhjiö, puhdastilat, kaasun käsittely, syövyttävät nesteet ja korkeat lämpötilat (Schweitzer and Maslen, 2009). 2.3 Esimerkit Käyttökohteina ovat erilaiset turbokäytöt, työstökoneet, tyhjiö sekä lääketieteelliset sovellukset. Esimerkkinä turbokäytöistä Man Diesel & Turbo:n valmistama Mopicokompressori järjestelmä kaasuputkille. Kompressori pystyy tuottamaan 150 baarin paineen. Kaasu kulkee kompressorin läpi, joka samalla jäähdyttää moottoria ja magneettilaakereita(man Turbo & Diesel). 6
3 PROJEKTI Projektin tarkoituksena on toteuttaa suurnopeuspuhallin, joka kykenee toimimaan korkeissa lämpöolosuhteissa (~300 C). Projekti on toteutetaan yhteistyössä Saimaan ammattikorkeakoulun kanssa. Saimia:n vastuualueena on ollut moottorin ja magneettilaakerien mekaaninen suunnittelu ja käytännön toteutus. Yliopisto on toteuttanut sähkö- ja säätötekniset järjestelmät. 4 JÄRJESTELMÄ 4.1 Järjestelmän kuvaus Aktiivimagneettilaakerijärjestelmä koostuu useista eri komponenteista, jotka on liitetty toisiinsa kuvan 4 mukaisesti. Järjestelmän ytimenä toimi dspace, joka suorittaa reaaliaikaisesti Simulink- ohjelmistolla muodostettua säätömallia. DSpace lähettää FPGA-piirille virtaohjeen, jonka perusteella se ohjaa haluttuja servo-ohjaimia. Servoohjaimet syöttävät virtaa sähkömagneeteille, joiden muodostamien magneettikenttien avulla roottori saadaan leijumaan. Roottorin asento saadaan selville pyörrevirta-anturien avulla, joiden mittausten perusteella säätäjä pystyy pitämään roottorin halutussa asennossa. 7
Kuva 4. Järjestelmän lohkokaavio. Kuva 5. Aktiivimagneettilaakerisysteemi sähkökonelaboratoriossa. 8
4.2 dspace DSpace-järjestelmä koostuu prosessorikortista ja liitäntäkorteista (kuva 6). Prosessorikortti DS1005 sisältää 800 MHz PowerPC-prosessorin. Digitaalisen tiedonsiirtoon dspace:ssa on kaksi kappaletta DS4003 digitaalista I/O-korttia. Analogisen tiedon vastaanottamiseen järjestelmässä on neljä kappaletta DS2001 ADCkorttia. Tiedonsiirto tietokoneen ja dspace:n väillä tapahtuu valokuitua pitkin. ControlDesk-ohjelmalla voidaan muodostaa käyttöliittymä suoritettavalle Simulinkmallille. Kuva 6. Kuvassa näkyy dspace:n räkkikotelo, jossa sijaitsevat prossori- ja liitäntäkortit. 4.3 FPGA FPGA- ohjausalustana käytetään Lappeenrannan teknillisen yliopiston elektroniikan suunnittelukeskuksen tekemää DSP-FPGA-alustaa (Kuva 7). Alusta koostuu Virtex-4 FPGA- piiristä sekä TMS320C6727 ja TMS320F2806 digitaalisista signaaliprosessoreista. Tällä hetkellä käytössä on ainoastaan Virtex-4 FPGA- piiri, jota käytetään servo-ohjainten ohjaamiseen (Salli, 2009). 9
Kuva 7. DSP-FPGA-alustan lohkokaavio (Salli, 2009). 4.4 Servo-ohjain Järjestelmä sisältää viisi kappaletta servo-ohjainkortteja. Jokaisessa kortissa on kaksi kappaletta Advanced Motion Controls:n valmistamia 10A8 PWM servo-ohjaimia. Ohjaimen ulostulojännite on 20-80V ja se kykenee syöttämään jatkuvaa virtaa 6A. Kytkentätaajuus on 33kHz (AMC). 4.5 Paikkasensoriohjain Paikkasensoreina käytetään SKF:n valmistamia CMSS 65 pyörrevirta-antureita. Kyseiset anturit tarvitsevat toimiakseen SKF CMSS 665 ohjaimet. Järjestelmä sisältää kaksi paikkasensoriohjainkorttia joissa on paikat kahdeksalle ohjainyksikölle. Tällä hetkellä 7 yksikköä on käytössä. 10
5 VAATIMUSMÄÄRITTELY 5.1 Tavoitteet Suunnitella käyttöliittymä joka sisältää automatisoituja ohjaus-,testaus- sekä tiedonkeruutoimintoja, jotka helpottavat tutkimuksen tekemistä. Selkeä ja informatiivinen käyttöliittymä antaa paremman kuvan järjestelmän toiminnasta, jota voidaan hyödyntää esimerkiksi näytettäessä järjestelmän toimintaa opiskelijoille tai muille vieraille. 5.2 Kuvaus Käyttäjä pystyy käyttöliittymän avulla käynnistämään ja sammuttamaan järjestelmän. Käynnissä olevalle järjestelmälle voidaan suorittaa identifiointi taajuusvastefunktion avulla. Voidaan suorittaa kalibrointi ja diagnostiikka toimintoja, joista tallennettava tieto on luettavissa jälkeenpäin. Kuva 8. Käyttöliittymän toimintoja. 11
6 TOIMINNALLINEN MÄÄRITTELY 6.1 Systeemin käynnistys Systeemi käynnistetään painikkeesta, jonka jälkeen testataan systeemin käyttökunto. Jos havaitaan jokin vika tehdään vikailmoitus ja lopetetaan systeemin käyttö. Käynnistysparametrit valitaan manuaalisesti tai tiedostosta. Parametrit sisältävät muun muassa taajuusmuuttajan nopeusohjeen. Ohjelma tutkii löytyykö aikaisemmin tallennettuja kalibrointitietoja. Jos tietoja ei löydy suoritetaan kalibrointi. Kalibroinnin voi suorittaa halutessaan uudestaan. Kun roottori leijuu voidaan käynnistää moottori tai sammuttaa järjestelmä. Käynnistäminen tapahtuu nappia painamalla jolloin lähetetään käsky taajuusmuuttajalle, joka aloittaa pyörittämään moottoria. Jos roottori tippuu turvalaakerien varaan pysäytetään roottorin pyörittäminen ja tehdään vikailmoitus sekä ajetaan järjestelmä alas. Kuva 9. Systeemin käynnistyksen ja sammutuksen tilakone. 12
6.2 AMB systeemin identifiointi Käytettäessä mallipohjaista säätöä vaaditaan vakaaseen toimintaa tarkka systeemimalli. Kaikkia dynaamisia ominaisuuksia on hyvin vaikea analyyttisesti mallintaa, joten mallin muodostamiseen käytetään kokeellista identifiointia taajuusvastefunktion avulla (Hynynen, 2011). 6.2.1 Taajuusvastefunktio Taajuusvastefunktiota (FRF) käytetään värähtely- ja moodianalyysiin. Moodianalyysillä selvitetään mitattavan rakenteen dynaamiset ominaisuudet eli ominaistaajuudet, värähtelymuodot ja muotojen vaimennussuhteet. Taajuusvastefunktiomalli muodostetaan yksinkertaisesti syöttämällä systeemin sisääntuloon herätesignaali ja mittaamalla systeemin ulostulo. Mitattujen sisään ja ulostulojen perusteella voidaan muodostaa systeemin malli (Suuronen 2011). 6.2.2 Identifiointi monitaajuusherätteellä Monitaajuinen herätesignaali sisältää useita sinisignaaleja ja sitä kutsutaan multisineherätteeksi. Monitaajuisen herätteen etuna on lyhyempi mittausaika verrattuna askelherätteeseen. Herätesignaalin taajuudet ja amplitudit pyritään valitsemaan siten, että systeemin muodostamat harmoniset signaalit eivät vääristä tulosta (Hynynen, 2011). Systeemin identifiointi tapahtuu syöttämällä herätesignaali kontrollivirran sekaan ja mittaamalla roottorin paikan muutos (Kuva 10). Mitattujen sisään- ja ulostulojen perusteella muodostetaan systeemin malli. 13
Kuva 10. Herätesignaalin syöttäminen systeemiin. Identifiointia voidaan käyttää myös käytönaikaiseen kunnonvalvontaan. Tällä voidaan havaita esimerkiksi roottorin rakenteellinen vika. Tämän perusteella voidaan tehdä tarvittavat kunnossapito toimenpiteet ennen kuin vika ilmenee käytännössä. 6.2.3 Identifioin toteutuksen kuvaus Identifiointi käynnistetään painikkeesta, jonka jälkeen valitaan parametrit tiedostosta tai määritellään manuaalisesti. Manuaalisesti valittaessa määritellään haluttu taajuusalue, jonka jälkeen ohjelma laskee herätesignaaleille sopivat amplitudien arvot. Kuva 11. Identifioinnin suorittaminen monitaajuusherätteellä. 14
Vaihtoehtoisesti parametrit voidaan valita tiedostosta. Parametrien asetuksen jälkeen syötetään herätesignaali systeemiin ja mitataan sisään- sekä ulostulot. Mittausarvot tallennetaan tiedostoon, jonka jälkeen niille voidaan tehdä haluttu jatkokäsittely. 6.3 Kalibrointi Roottorin geometrisen- ja magneettisenkeskipisteen kalibroiminen manuaalisesti on aikaa vievää ja altis virheille. Geometristä keskipistettä tarvitaan massakeskipistekompensaattoriin. Geometrisen keskipisteen määrittäminen tapahtuu syöttämällä virtaa jokaiseen sähkömagneettiin peräjälkeen ja mittaamalla koordinaatit. Lisäksi virtaa ajetaan sähkömagneeteille niin, että saadaan roottorin paikka kunkin sähkömagneetin välistä. Saatujen koodinaattien perusteella voidaan laskea geometrinen keskipiste (Kuva 12). Kuva 12. Geometrisen keskipisteen määrittäminen. 15
Magneettinen keskipiste on optimaalinen toimintapiste roottorin leijuttamiseen. Tämä piste löydetään kun akselien X ja Y offset-arvoista saadaan laskettua nollat. Kuva 13. Magneettisen keskipisteen määrittäminen. Magneettinen keskipiste määritetään syöttämällä eri suuruisia bias-virtoja eri akselien suuntaan ja mittaamalla kontrollivirrat (Kuva 13). Bias- ja kontrollivirtojen, ilmavälin, permeabiliteetin sekä arvioidun vuon kulkureitin avulla voidaan laskea akselien offsetarvot. Jotta löydetään roottorin oikea toimintapiste joudutaan tekemään useita iteraatioita. (Prins, 2007) 16
7 TEKNINEN MÄÄRITTELY 7.1 Käytännön toteutus dspace-ympäristössä Käyttöliittymä voidaan toteuttaa samassa Matlab/Simulink-ympäristössä kuten magneettilaakerien säätömalli. Ohjelmointi toteutetaan Simulink:in eri blokkeja käyttäen. Eräs toteutuksen kannalta hyödyllinen blokki on Embedded MATTLAB Function. Kyseisellä blokilla voidaan tarvittavia Matlab-kielisiä laskutoimituksia lisätä Simulink-ympäristöön ja sitä kautta reaaliaikaprosessorille(quijano, 2002). Simulinkmallin ja dspace:n isään- ja ulostulojen rajapintana toimi dspace:n RTI (Real-time interface) blokkivalikoima(kuva 14). Kuva 14. Esimerkki A/D-muuntimen RTI-blokista. ControlDesk-ohjelman avulla Simulink-mallista muodostetaan c-kielinen koodi, joka käännetään suoritettavaksi tiedostoksi dspace-kortin prossorille. Kyseisellä ohjelmalla voidaan tehdä graafinen käyttöliittymä raahaa ja pudota menetelmällä. 17
Kuva 15. ControlDesk:in graafisen käyttöliittymän rakennuskomponentteja. Kun käyttöliittymän ulkoasu on muodostettu halutun laiseksi voidaan mikä tahansa Simulin-mallin muuttuja linkittää käyttöliittymän toiminnalliseen objektiin. Tällä tavalla voidaan sijoittaa eri mittaustietoja graafisiin mittareihin, jotka helpottavat tiedon lukua. 8 TEKNINEN TOTEUTUS 8.1 Paikkatiedon lukeminen FPGA:n avulla Tällä hetkellä roottorin paikkatieto kulkee sensoriohjaimelta suoraan dspace:n ADCkorttiin. Kortilla muunnetaan analoginen paikkatieto digitaaliseksi. Digitaalinen paikkatieto skaalataan Simulik:in avulla mikrometreiksi. Integraation lisäämiseksi ja dspace:n sisääntulojen vapauttamiseksi muuhun käyttöön voidaan paikkatieto lukea 18
ohjaimelta FPGA-piirin avulla. DSP-FPGA-alustan pohjakortti sisältää kaksi kappaletta kuusi kanavaista LTC2351-14 ADC-piiriä. ADC-piireillä muutetaan paikkatieto digitaaliseksi, joka luetaan FPGA-piirillä ja lähetetään dspace:n digitaalisiin tuloihin. FPGA:lle on valmiiksi kirjoitettu VHDL-kielinen ohjelma paikkatiedon lukemista ja lähettämistä varten. Ongelmana on, että paikkatieto ei saavu selväkielisenä ControlDesk:ille asti. Kuva 16. Tiedonkulku paikka-anturilta dspacelle. 8.2 Debuggaus Vian selvittäminen aloitettiin simuloimalla VHDL-koodia Xilinx ISE-ohjelman ISimsimulaattorilla. Simuloinnissa vertailtiin A/D-muuntimelta saatavaa ja dspace:lle menevää dataa. Kuvia 17 ja 18 vertailemalla voidaan havaita, että bitit ovat päinvastaisessa järjestyksessä. Bittien järjestyksen kääntö tapahtuu helposti, mutta tulee huomata dspace:lle menevän datan kanavissa kaksi ja neljä jakautuvan kolmen eri 32- bittisen ulostulon kesken. Kyseisten kanavien bitit tulee kääntää manuaalisesti oikein päin. 19
Kuva 17. A/D-muuntimen ulostulo. Kuva 18. dspace:lle menevä paikkatieto. Paikkatietoa vastaanottavaa Simulink-mallia testattiin syöttämällä siihen dspce:lta tulevat oikeinpäin käännetyt bittijonot. Malli erottelee 14-bitin paikkatiedot 32-bitin tuloista ja muuntaa ne 16-bitin kokonaisluvuiksi. Muuntamalla syötettyjen kanavien bittijonot kokonaisluvuiksi ja vertaamalla niitä Simulink-mallin ulostuloihin voitiin havaita, että syötetty ja ulostuleva paikkatieto täsmää. 9 YHTEENVETO Työssä käsiteltiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston, sekä Saimaan ammattikorkeakoulun yhteistyössä tekemää aktiivimagneettijärjestelmää. Järjestelmä nopeamman käytettävyyden parantamiseksi esiteltiin käyttöliittymän automaattisia toimintoja suorittavia osia. Tehtäessä käyttöliittymää tulisi kiinnittää huomiota käyttöliittymän selkeään ulkoasuun. 20
Simulink- ja dspace-ympäristö soveltuu kehitysasteella olevan järjestelmän tutkimiseen helppokäyttöisyyden ja nopean muokattavuuden ansiosta. 21
LÄHTEET Schweitzer, G. and Maslen, E.H. 2009, Magnetic Bearings, Theory, Design, and Application to Rotating Machinery, Springer. Lösch, F. 2002, Identification and automated controller design for active magnetic bearing sytems Salli, J. 2009, Rtos framework for real-time control system Suuronen, A. 2011, Moodianalyysilaitteiston kartoitus ja käyttöönottotuulivoimageneraattoreita valmistavassa yrityksessä AMC, http://www.a-m-c.com/download/datasheet/10a8.pdf Luettu: 28.11.2011 ControlDesk, http://www.dspace.de/files/pdf1/dspacetutorial.pdf Luettu: 23.11.2011 Prins, R. 2007, A System identification technique using bias current perturbation for determining the effective rotor origin of active magnetic bearings Hynynen, K. 2011, Broadband excitation in the system identification of active magnetic bearing rotor systems Shapovalov, N. 2011, Methodology for an AMB system commissioning Jastrzebski, R. 2007, Desing and implementation of FPGA-based LQ control of active magnetic bearings Quijano, N. 2002, A tutorial introductio to Control systems development adn implementation with dspace Man Turbo & Diesel, http://mandieselturbo.com/files/news/filesof12079/27-54-10-40_mopico_e.pdf Luettu: 30.11.2011