On the Analysis and Control of a Linear Synchronous Servomotor with a Flexible Load

Industry's growing need for higher productivity is placing new demands on mechanisms connected with electrical motors, because these can easily lead to vibration problems due to fast dynamics. Furthermore, the nonlinear effects caused by a motor frequently reduce servo stability, which diminishes the controller's ability to predict and maintain speed. Hence, the flexibility of a mechanism and its control has become an important area of research. The basic approach in control system engineering is to assume that the mechanism connected to a motor is rigid, so that vibrations in the tool mechanism, reel, gripper or any apparatus connected to the motor are not taken into account. This might reduce the ability of the machine system to carry out its assignment and shorten the lifetime of the equipment. Nonetheless, it is usually more important to know how the mechanism, or in other words the load on the motor, behaves. A nonlinear load control method for a permanent magnet linear synchronous motor is developed and implemented in the thesis. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired velocity reference as fast as possible and without awkward oscillations. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm with its stability ensured by the Lyapunov stability theorem. As a reference controller for the backstepping method, a hybrid neural controller is introduced in which the linear motor itself is controlled by a conventional PI velocity controller and the vibration of the associated flexible mechanism is suppressed from an outer control loop using a compensation signal from a multilayer perceptron network. To avoid the local minimum problem entailed in neural networks, the initial weights are searched for offline by means of a differential evolution algorithm. The states of a mechanical system for controllers are estimated using the Kalman filter. The theoretical results obtained from the control design are validated with the lumped mass model for a mechanism. Generalization of the mechanism allows the methods derived here to be widely implemented in machine automation. The control algorithms are first designed in a specially introduced nonlinear simulation model and then implemented in the physical linear motor using a DSP (Digital Signal Processor) application. The measurements prove that both controllers are capable of suppressing vibration, but that the backstepping method is superior to others due to its accuracy of response and stability properties.

Desenvolvimento e avaliação de uma servoválvula de baixo custo para a aplicação de insumos líquidos

The present work aimed the development of a low cost servo-valve that answers to an electronic control signal, for variable rates liquid inputs application. A literature research to define which valve type should be used was made. A mechanically activated proportional valve with an electronically controlled servo-engine was designed and evaluated. Since developed the servo-valve, the system was submited to a number of tests .The evaluation of its behavior was obtained in terms of repeatability, hystheresis and linearity. The test was accomplished in a bench, specially developed for this aim. As a result, were obtained three curves of opening percentage as function of flow rate, describing three opening and closing increments in two different work pressures. The servo-valve presented a good repeatability, reasonable hysteresis and a typically quadratic curve. This one maintained the low cost target. These results were very satisfied because the non-linearity and the hysteresis could be easily corrected by software.

Projeto, desenvolvimento e implementação de um robô nadador de inspiração biológica

A elaboração deste trabalho surge no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, pertencente ao Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e Computadores, ramo de Automação e Sistemas, do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP). Este trabalho enquadra-se no âmbito da robótica de inspiração biológica no meio aquático. Pretendeu-se com este trabalho desenvolver e implementar um robô nadador de inspiração biológica. Inicialmente foi realizado um estudo acerca da locomoção dos peixes, para perceber a sua forma de se movimentar. Foi ainda efetuado um estudo acerca dos robôs nadadores existentes, de forma a verificar a sua constituição e formas de locomoção. Numa fase inicial foi desenvolvido um protótipo e, de seguida, procedeu-se à implementação do robô de uma forma sequencial. Implementou-se a estrutura do robô, com o objetivo de se assemelhar o mais possível com um peixe biológico. Foram utilizados servomotores para a locomoção do robô. Para que o robô possua a capacidade de se movimentar numa determinada direção recorreu-se à utilização de uma bússola digital. Posteriormente introduziu-se um emissor/recetor de radiofrequência (RF) para ligar/desligar o robô. Numa fase final procederam-se aos testes da locomoção do robô. Nos ensaios realizados verificou-se que o robô conseguiu nadar com estabilidade e com sentido de direção.

Controlo de posição angular de uma máquina eléctrica de relutância comutada 8/6

Dissertação para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica - Energia pela Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa

Desenvolvimento de um robô com pernas inspirado no Alfaiate

A elaboração deste trabalho surge no âmbito da unidade curricular de Tese/Dissertação, integrada no Mestrado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O trabalho enquadra-se no âmbito da robótica de inspiração biológica, mais concretamente no desenvolvimento de um robô que apresente caraterísticas de locomoção similares ao inseto Alfaiate, modificando para este efeito um robô hexápode já existente. Inicialmente efetuou-se um estudo sobre a biologia do Alfaiate e dos vários tipos de padrões de locomoção adotados pelos animais. De seguida foi realizado um estudo sobre alguns robôs já existentes inspirados neste inseto. Após a realização desta fase de estudo, foram implementadas modificações ao robô hexápode, de forma a este conseguir apoiar-se e movimentar-se sobre a superfície da água. Para tal foram utilizados apoios em esferovite para as pernas, servomotores para a atuação e um sensor de IRPD para orientar o robô na sua trajetória. Em termos de controlo da estabilidade do corpo utilizou-se um giroscópio para permitir ao robô manter o seu corpo horizontal durante a locomoção em águas agitadas. Este trabalho termina com a realização de testes a diferentes padrões de locomoção, de forma a validar o que apresenta a melhor resposta em termos de velocidade.

Controlo da velocidade e posição de um tapete rolante

A utilização eficiente da energia é essencial para a competitividade económica de um país. Sendo a intensidade energética de Portugal elevada, onde a utilização de motores elétricos, absorve cerca de metade da energia elétrica consumida na indústria, a utilização de conversores eletrónicos de potência permite obter economias de energia. Nesta tese pretende-se controlar a velocidade e o posicionamento de um tapete rolante através da utilização de um conversor eletrónico de potência. Na fundamentação teórica são referidos os conceitos de variação da tensão e frequência, controle escalar e vetorial, modelação por largura de pulso (PWM) assim como a retificação e ondulação da tensão de um variador de velocidades. Na parte prática será utilizado um servo motor, controlado por um variador eletrónico de velocidades, para efetuar o referido projeto. É ainda objeto desta tese o estudo dos parâmetros fundamentais assim como a pesquisa dos parâmetros a utilizar para o desempenho pretendido.

Automatização do sistema de alinhamento utilizado na calibração de hidrómetros pelo método de Cuckow

A evolução científica e tecnológica que se fez sentir nas últimas décadas criou novos desafios relacionados com uma crescente complexidade dos processos de calibração, bem como a exigência e o rigor dos métodos utilizados. A presente dissertação foi realizada no âmbito de um estágio curricular no Laboratório de Propriedades dos Líquidos do Departamento de Metrologia do Instituto Português da Qualidade (IPQ). A temática do estudo resulta da procura continuada, por parte desta entidade, pelo aperfeiçoamento das metodologias de calibração. Devido à ampla utilização, em diferentes áreas da indústria e serviços, de hidrómetros, a calibração destes tornou-se uma atividade de relevo no Departamento de Metrologia do IPQ. O foco da presente dissertação prendeu-se com a melhoria do processo de calibração de hidrómetros, segundo o método de Cuckow, mais especificamente, com a necessidade de diminuir a componente da incerteza proveniente do operador no alinhamento do traço da escala a calibrar com a superfície do líquido de referência no método de calibração de hidrómetros por pesagem hidrostática. Com este objetivo, foi desenvolvido e validado um automatismo, constituído por uma câmara, um servomotor e um software de controlo. O objetivo principal do trabalho foi alcançado com a implementação do automatismo, permitindo uma redução, na ordem de duas a quatro vezes, da incerteza final do método de calibração de hidrómetros. Durante o desenvolvimento do trabalho, surgiram objetivos paralelos ao projeto inicial, nomeadamente, a validação da folha de cálculo utilizada no IPQ para calibração de hidrómetros, assim como um estudo referente á validação da medição manual da divisão de escala dos hidrómetros. O referido sistema de automatização encontra-se implementado e plenamente integrado nas atividades correntes do laboratório.

Automatização do sistema de alinhamento utilizado na calibração de hidrómetros pelo método de Cuckow

A evolução científica e tecnológica que se fez sentir nas últimas décadas criou novos desafios relacionados com uma crescente complexidade dos processos de calibração, bem como a exigência e o rigor dos métodos utilizados. A presente dissertação foi realizada no âmbito de um estágio curricular no Laboratório de Propriedades dos Líquidos do Departamento de Metrologia do Instituto Português da Qualidade(IPQ). A temática do estudo resulta da procura continuada, por parte desta entidade, pelo aperfeiçoamento das metodologias de calibração. Devido à ampla utilização, em diferentes áreas da indústria e serviços, de hidrómetros, a calibração destes tornou-se uma atividade de relevo no Departamento de Metrologia do IPQ. O foco da presente dissertação prendeu-se com a melhoria do processo de calibração de hidrómetros, segundo o método de Cuckow, mais especificamente, com a necessidade de diminuir a componente da incerteza proveniente do operador no alinhamento do traço da escala a calibrar com a superfície do líquido de referência no método de calibração de hidrómetros por pesagem hidrostática. Com este objetivo, foi desenvolvido e validado um automatismo, constituído por uma câmara, um servomotor e um software de controlo. O objetivo principal do trabalho foi alcançado com a implementação do automatismo, permitindo uma redução, na ordem de duas a quatro vezes, da incerteza final do método de calibração de hidrómetros. Durante o desenvolvimento do trabalho, surgiram objetivos paralelos ao projeto inicial, nomeadamente, a validação da folha de cálculo utilizada no IPQ para calibração de hidrómetros, assim como um estudo referente á validação da medição manual da divisão de escala dos hidrómetros. O referido sistema de automatização encontra-se implementado e plenamente integrado nas atividades correntes do laboratório.

Análisis de prestaciones de sistemas de comunicaciones inalámbricas en aplicaciones de robótica: sistema software

Una característica importante de la robótica es la comunicación entre sistema base y robot que puede establecerse de forma remota. Ello representa la base del proyecto que se describe a continuación, el cual se descompone de dos partes, una por cada miembro del proyecto: sistema software y sistema hardware. En el sistema software analizaremos las diferentes tecnologías inalámbricas (características, funcionamiento, seguridad, etc.), se realizará una comparativa de los diferentes módulos de comunicación y finalmente decidiremos aquellos que nos interesa para la implementación en Radiofrecuencia (RF) y Bluetooth. En este sistema también estudiaremos la interfaz gráfica que se utilizará, así como los programas creados en este entorno para realizar las implementaciones. En el sistema hardware trataremos de realizar el control de dos periféricos de forma independiente, un servomotor y un sonar, que nos servirán como ejemplo para analizar una posible comunicación entre varios robots y un PC. Por lo tanto, en este apartado analizaremos a fondo los diferentes componentes que harán posible tanto la comunicación, vía RF y Bluetooth, como el control de los diferentes dispositivos.

Análisis de prestaciones de sistemas de comunicaciones inalámbricas en aplicaciones de robótica: sistema hardware

Una característica importante de la robótica es la comunicación entre sistema base y robot que puede establecerse de forma remota. Ello representa la base del proyecto que se describe a continuación, el cual se descompone de dos partes, una por cada miembro del proyecto: Sistema software y sistema hardware. En el sistema software analizaremos las diferentes tecnologías inalámbricas (características, funcionamiento, seguridad, etc.), se realizará una comparativa de los diferentes módulos de comunicación y finalmente decidiremos aquellos que nos interesa para la implementación en Radiofrecuencia (RF) y Bluetooth. En este sistema también estudiaremos la interfaz gráfica que se utilizará, así como los programas creados en este entorno para realizar las implementaciones. En el sistema hardware trataremos de realizar el control de dos periféricos de forma independiente, un servomotor y un sonar, que nos servirán como ejemplo para analizar una posible comunicación entre varios robots y un PC. Por lo tanto, en este apartado analizaremos a fondo los diferentes componentes que harán posible tanto la comunicación, vía RF y Bluetooth, como el control de los diferentes dispositivos.

Rehabilitació i control d'un manipulador industrial

El grup de visió per computadora de la Universitat de Girona, disposava d’un manipulador lineal com a sistema de posicionament, per poder inspeccionar mitjançant visió artificial, la superfície de diverses peces. El control es realitzava a partir d’un PLC, controlant la posició de la plataforma de posicionament a partir d’un servomotor, un servocontrolador i una targeta d’entrada i sortida de polsos. Es pretén la recuperació d’aquest sistema de posicionament lineal a partir de la recopilació de la informació inicial. El nou ús serà enfocat al posicionament i a la classificació de diversos elements. D’aquesta forma es podrà estudiar el funcionament d’un servomotor governat per un servodriver i una targeta d’entrada i sortida de polsos i s’utilitzarà com a element didàctic per a la universitat. Es complementarà la documentació disponible i s’elaborarà informació tècnica

Induction motor versus permanent magnet synchronous motor in motion control applications: a comparative study

High dynamic performance of an electric motor is a fundamental prerequisite in motion control applications, also known as servo drives. Recent developments in the field of microprocessors and power electronics have enabled faster and faster movements with an electric motor. In such a dynamically demanding application, the dimensioning of the motor differs substantially from the industrial motor design, where feasible characteristics of the motor are for example high efficiency, a high power factor, and a low price. In motion control instead, such characteristics as high overloading capability, high-speed operation, high torque density and low inertia are required. The thesis investigates how the dimensioning of a high-performance servomotor differs from the dimensioning of industrial motors. The two most common servomotor types are examined; an induction motor and apermanent magnet synchronous motor. The suitability of these two motor types indynamically demanding servo applications is assessed, and the design aspects that optimize the servo characteristics of the motors are analyzed. Operating characteristics of a high performance motor are studied, and some methods for improvements are suggested. The main focus is on the induction machine, which is frequently compared to the permanent magnet synchronous motor. A 4 kW prototype induction motor was designed and manufactured for the verification of the simulation results in the laboratory conditions. Also a dynamic simulation model for estimating the thermal behaviour of the induction motor in servo applications was constructed. The accuracy of the model was improved by coupling it with the electromagnetic motor model in order to take into account the variations in the motor electromagnetic characteristics due to the temperature rise.

Electric-drive-based control and electric energy regeneration in a hydraulic system

Over the recent years, development in mobile working machines has concentrated on reducing emissions owing to the tightening rules and needs to improve energy utilization and reduce power losses. This study focuses on energy utilization and regeneration in an electro-hydraulic forklift, which is a lifting equipment application. The study starts from the modelling and simulation of a hydraulic forklift. The energy regeneration from the potential energy of the load was studied. Also a flow-based electric motor speed control was suggested in this thesis instead of the throttle control method or the variable displacement pump control. Topics related to further development in the future are discussed. Finally, a summary and conclusions are presented.

Desenvolvimento e avaliação de uma servoválvula de baixo custo para a aplicação de insumos líquidos

O presente trabalho teve o objetivo de desenvolver uma servoválvula de baixo custo, que respondesse a um sinal eletrônico de controle, para a aplicação de insumos líquidos a taxas variáveis. Depois de realizada pesquisa na literatura das opções de válvulas existentes para a dosagem de líquidos a baixas pressões, partiu-se para o desenvolvimento de uma válvula proporcional com acionamento mecânico por intermédio de um servomotor controlado eletronicamente. Uma vez desenvolvida a servoválvula, o sistema foi submetido a um conjunto de testes, realizados em bancada desenvolvida especificamente para esse fim, onde se procurou avaliar seu comportamento em termos de repetitividade, histerese e linearidade. Como resultados, obtiveram-se três curvas de vazão em função do percentual de abertura, descrevendo três incrementos de abertura e fechamento em duas pressões diferentes de trabalho. A servoválvula apresentou boa repetitividade, razoável histerese e curva tipicamente quadrática, bem como manteve a proposta de baixo custo. Esses resultados apresentaram-se bastante satisfatórios, uma vez que a não-linearidade e a histerese podem ser facilmente corrigidas por meio de software.

AVR-pohjainen mobiilirobotti

Kandidaatintyön aineena oli rakentaa autonomisesti pyörillä liikkuva, esteitä väistelevä mobiilirobotti käyttäen Arduino-kehitysympäristöä prototyypin valmistamiseen. Rakensin robotin alusta alkaen itse eli työhön sisältyi robotin mekaniikan kokoaminen, elektroniikan suunnittelu ja rakentaminen sekä toimintaälyn ohjelmointi mikroprosessorille eteenpäin kulkemiseen ja esteiden väistämiseen. Arduinon ytimenä on Atmelin AVR-sarjaan kuuluva ATMega328-mikroprosessori. Robotin ympäristön havainnointi tapahtuu käyttämällä ultraäänisensoria. Robotti oli mielenkiintoinen projekti toteuttaa ja toimi kokonaisuutena katsottuna odotetulla tavalla.