Fixed-point DSP implementation of nonlinear H(infinity) controller for large gap electromagnetic suspension system

Electromagnetic suspension systems are inherently nonlinear and often face hardware limitation when digitally controlled. The main contributions of this paper are: the design of a nonlinear H(infinity) controller. including dynamic weighting functions, applied to a large gap electromagnetic suspension system and the presentation of a procedure to implement this controller on a fixed-point DSP, through a methodology able to translate a floating-point algorithm into a fixed-point algorithm by using l(infinity) norm minimization due to conversion error. Experimental results are also presented, in which the performance of the nonlinear controller is evaluated specifically in the initial suspension phase. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modelização de um mecanismo de levitação supercondutor para um sistema de volante de inércia comercial

Este trabalho teve como objectivo o estudo de um sistema de levitação magnética com chumaceiras supercondutoras, para utilização numa fonte de alimentação de energia eléctrica ininterrupta, que usa um volante de inércia como sistema de armazenamento de energia. Partindo de um modelo comercial existente, foi modelizada a substituição do sistema de levitação por um sistema com chumaceiras supercondutoras. Foi feito o dimensionamento do magnete permanente e do supercondutor de forma a atingir-se a força de levitação magnética necessária para elevar o rotor da máquina, garantindo simultaneamente a máxima estabilidade do sistema. Os perfis de distribuição do campo magnético no volante de inércia foram modelizados recorrendo ao método dos elementos finitos, através da utilização do software Ansys. O cálculo da força de levitação foi efectuado recorrendo ao software MATHEMATICA.

Controlo por computador de um sistema de levitação magnética

Ao longo deste projecto são efectuados vários passos para a realização de um sistema de levitação magnética controlado por computador. O objectivo deste projecto é a levitação de um objecto de material ferromagnético. Para a sua realização foi essencialmente necessário um electroíman, que exerce a força electromagnética sobre a bola, um circuito de potência para accionar o electroíman, um circuito sensor constituído por um LDR e por fim, o circuito constituído pelo PIC 18F4550. Para a comunicação entre o sistema e o PC foi estabelecida a comunicação série RS232. No que concerne ao controlo do sistema, foi aplicado um controlador PD e um controlador em avanço, ambos projectados directamente no domínio digital, através do método do Lugar de raízes. Posteriormente foi desenvolvida uma interface gráfica em ambiente MATLAB, para comunicação, via RS232, entre o PC e o sistema.

Controlo inteligente de um Sistema de Levitação Magnética

A levitação magnética tem sido um tema bastante investigado sobretudo devido à sua utilização em sistemas ferroviários de transportes. É o método ideal quando existe a necessidade em aplicações de restringir do contacto físico, ou a conveniência, em termos energéticos, de eliminar o atrito. O princípio de funcionamento é simples, um eletroíman cria uma força sobre um objeto ferromagnético que contraria a gravidade. Contudo um sistema de levitação por atração é instável e não linear, o que significa a necessidade de implementar um controlador para satisfazer as características de estabilidade desejadas. Ao longo deste projeto serão descritos os procedimentos teóricos e práticos que foram tomados na criação de um sistema de levitação eletromagnética. Desde a conceção física do sistema, como escolha do sensor, condicionamento de sinal ou construção do eletroíman, até aos procedimentos matemáticos que permitiram a modelação do sistema e criação de controladores. Os controladores clássicos, como o PID ou em avanço de fase, foram projetados através da técnica do Lugar Geométrico de Raízes. No projeto do controlador difuso, pelo contrário não se fez uso da modelação do sistema ou de qualquer relação matemática entre as variáveis. A utilização desta técnica de controlo destacou-se pela usa simplicidade e rapidez de implementação, fornecendo um bom desempenho ao sistema. Na parte final do relatório os resultados obtidos pelos diferentes métodos de controlo são analisados e apresentadas as respetivas conclusões. Estes resultados revelam que para este sistema, relativamente aos outros métodos, o controlador difuso apresenta o melhor desempenho tanto ao nível da resposta transitória, como em regime permanente.

Proposta de Reconversão de linhas Ferroviárias para Linhas de Levitação Magnética Caso de Estudo Brasil

Trabalho realizado para a disciplina de Dissertação, Projeto ou Estágio do Instituto Superior Técnico de Engenharia do Porto, no ano letivo de 2014/2015, com a proposta de Dissertação no âmbito da transição das convencionais vias de ferrovia para as vias de levitação magnética, como parte dos requisitos à obtenção dos ECTS necessários à classificação final. Propõe-se nesta dissertação a aplicação de um sistema de levitação magnética que resulta da evolução dos sistemas existentes. A proposta exposta é uma melhoria que consiste numa possibilidade teórica de o trilho conseguir através do magnetismo, aplicar uma rotação ao veículo necessária em curva e ajustar essa rotação à velocidade a que se desloca. Para que este sistema funcione sugere-se a introdução de mais um campo magnético no trilho, que tem como função rodar o veículo em curva e substituir a sobrelevação ou escala do convencional trilho. Sugere-se que este sistema seja aplicado no território brasileiro em três fases distintas. Ligando numa primeira fase as três maiores cidades, seguido do litoral e por fim o interior do Brasil. A aplicação deste sistema no Brasil pode apresentar ser a solução ideal, em termos de velocidade e conforto, contudo é um sistema que necessita de estudos mais aprofundados.

Cylindrical spinning rotor gauge — A new approach for vacuum measurement

The spinning rotor gauge (SRG) is one of the most interesting vacuum gauges ever made, covering a pressure range of over seven orders of magnitude, with minimal gas interference (no pumping, ionization or heating of the measured gas), and a great stability of less than 1% drift per year. But despite its remarkable properties, apparently the SRG has not been further developed since the eighties, when it gained commercial interest. In this context, this dissertation aims at providing a starting point for a new line of investigation regarding this instrument, focused on the rotor itself. A brief study of different rotor geometries is provided, including a comparison between a cylindrical rotor and a spherical one. A cylindrical spinning rotor gauge (CSRG) is then proposed, based on the original SRG, but requiring a completely new lateral damping system. A prototype was built and tested against a non calibrated reference gauge.

An Efficient Parameterization of Dynamic Neural Networks for Nonlinear System Identification

Dynamic neural networks (DNNs), which are also known as recurrent neural networks, are often used for nonlinear system identification. The main contribution of this letter is the introduction of an efficient parameterization of a class of DNNs. Having to adjust less parameters simplifies the training problem and leads to more parsimonious models. The parameterization is based on approximation theory dealing with the ability of a class of DNNs to approximate finite trajectories of nonautonomous systems. The use of the proposed parameterization is illustrated through a numerical example, using data from a nonlinear model of a magnetic levitation system.

A feasible study of EEG-driven assistive robotic system for stroke rehabilitation

Stroke is a medical emergency and can cause a neurological damage, affecting the motor and sensory systems. Harnessing brain plasticity should make it possible to reconstruct the closed loop between the brain and the body, i.e., association of the generation of the motor command with the somatic sensory feedback might enhance motor recovery. In order to aid reconstruction of this loop with a robotic device it is necessary to assist the paretic side of the body at the right moment to achieve simultaneity between motor command and feedback signal to somatic sensory area in brain. To this end, we propose an integrated EEG-driven assistive robotic system for stroke rehabilitation. Depending on the level of motor recovery, it is important to provide adequate stimulation for upper limb motion. Thus, we propose an assist arm incorporating a Magnetic Levitation Joint that can generate a compliant motion due to its levitation and mechanical redundancy. This paper reports on a feasibility study carried out to verify the validity of the robot sensing and on EEG measurements conducted with healthy volunteers while performing a spontaneous arm flexion/extension movement. A characteristic feature was found in the temporal evolution of EEG signal in the single motion prior to executed motion which can aid in coordinating timing of the robotic arm assistance onset.

Exact Search Directions for Optimization of Linear and Nonlinear Models Based on Generalized Orthonormal Functions

A novel technique for selecting the poles of orthonormal basis functions (OBF) in Volterra models of any order is presented. It is well-known that the usual large number of parameters required to describe the Volterra kernels can be significantly reduced by representing each kernel using an appropriate basis of orthonormal functions. Such a representation results in the so-called OBF Volterra model, which has a Wiener structure consisting of a linear dynamic generated by the orthonormal basis followed by a nonlinear static mapping given by the Volterra polynomial series. Aiming at optimizing the poles that fully parameterize the orthonormal bases, the exact gradients of the outputs of the orthonormal filters with respect to their poles are computed analytically by using a back-propagation-through-time technique. The expressions relative to the Kautz basis and to generalized orthonormal bases of functions (GOBF) are addressed; the ones related to the Laguerre basis follow straightforwardly as a particular case. The main innovation here is that the dynamic nature of the OBF filters is fully considered in the gradient computations. These gradients provide exact search directions for optimizing the poles of a given orthonormal basis. Such search directions can, in turn, be used as part of an optimization procedure to locate the minimum of a cost-function that takes into account the error of estimation of the system output. The Levenberg-Marquardt algorithm is adopted here as the optimization procedure. Unlike previous related work, the proposed approach relies solely on input-output data measured from the system to be modeled, i.e., no information about the Volterra kernels is required. Examples are presented to illustrate the application of this approach to the modeling of dynamic systems, including a real magnetic levitation system with nonlinear oscillatory behavior.

Modelagem de máquina de indução trifásica sem mancais com bobinado dividido

This work presents a model of bearingless induction machine with divided winding. The main goal is to obtain a machine model to use a simpler control system as used in conventional induction machine and to know its behavior. The same strategies used in conventional machines were used to reach the bearingless induction machine model, which has made possible an easier treatment of the involved parameters. The studied machine is adapted from the conventional induction machine, the stator windings were divided and all terminals had been available. This method does not need an auxiliary stator winding for the radial position control which results in a more compact machine. Another issue about this machine is the variation of inductances array also present in result of the rotor displacement. The changeable air-gap produces variation in magnetic flux and in inductances consequently. The conventional machine model can be used for the bearingless machine when the rotor is centered, but in rotor displacement condition this model is not applicable. The bearingless machine has two sets of motor-bearing, both sets with four poles. It was constructed in horizontal position and this increases difficulty in implementation. The used rotor has peculiar characteristics; it is projected according to the stator to yield the greatest torque and force possible. It is important to observe that the current unbalance generated by the position control does not modify the machine characteristics, this only occurs due the radial rotor displacement. The obtained results validate the work; the data reached by a supervisory system corresponds the foreseen results of simulation which verify the model veracity

Dinâmica não linear de sistemas de levitação magnética

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Dinâmica e controle de um sistema Maglev simplificado

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Maglev demonstration, design and development plan /

"August 1994."

AC self-bearing motors with a bridge configured winding

Magnetic levitation bearings eliminate friction, wear and the need for lubrication and so have high speed capability and potential for vibration control. One noteworthy development in the realm of magnetic levitation is the self-bearing or bearingless motor - an electromagnetic machine that supports its own rotor by way of magnetic forces generated by windings on its stator. Accordingly, various winding schemes have been proposed to accomplish the task of force production. This thesis proposes a novel concept of winding based on a bridge connection for polyphase self-bearing rotating electrical machines with the following advantages: • the connection uses a single set of windings and thus power loss is relatively low when compared with self-bearing motors with conventional dual set of windings. • the motor and levitation controls are segregated such that only one motor inverter is required for the normal torque production and levitation forces are produced by using auxiliary power supplies of relatively low current and voltage rating. The usual way of controlling the motor is retained. • there are many variant winding schemes to meet special needs. • independent power supplies for levitation control offer redundancy for fault tolerance. This thesis dwells specifically on the conceptual design and implementation of the proposed single set of windings scheme. The new connection has been verified to exhibit characteristics of a self-bearing motor via coupled-field finite element analysis: results are crosschecked analytically. Power loss and other aspects such as cost, design implementation are compared to support the newly proposed connection as a potential alternative to present designs.