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Position Acquisition and Control for Linear Direct Drives with Passive Vehicles

Mihalachi, Marius Alexandru :
Position Acquisition and Control for Linear Direct Drives with Passive Vehicles.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Position Acquisition and Control for Linear Direct Drives with Passive Vehicles
Language: English
Abstract:

For combined processing and transportation of materials in industrial production lines, a long primary, linear synchronous drive with passive, lightweight vehicles, is being designed and experimentally tested. This thesis concentrates on position acquisition and motion control of the proposed system. In order to allow a high degree of independency in the movement of the vehicles,the stator (primary) of the linear machine is divided into many segments. Each segment of the track is fed by a dedicated power stack, and control information is exchanged between all power stacks and all vehicle controllers via an Inverter Bus. A number of processing stations are spread along the track of the linear drive, being connected by transport sections. Inside the processing stations, high quality speed and position control of the vehicles is required. For this, precise and fast position measurement is necessary, so position sensors must be used. The passive vehicles impose additional challenges for the position acquisition system, as neither energy nor information must be transmitted to the moving parts. The evaluation of two position acquisition systems, which comply with this requirement, is presented in this thesis. The first system is based on a high-resolution optical encoder. For this application, the scale of the optical sensor is mounted at the vehicle and several active read-heads are installed along the track, such that at each position the scale covers at least one readhead. When the scale is passing from one read-head to the next one, the position information from both read-heads must be evaluated simultaneously and synchronised, so that a continuous position signal will result for the entire measuring length. The second position acquisition system uses a comparatively lower resolution capacitive sensor, and is intended as a simpler and cost effective alternative to the optical system. The principle of operation of a capacitive sensor is first analysed, and a model is determined. Then, based on this model, two methods of extracting the position information are presented: one uses instantaneous (sampling-based) demodulation, while the other is based on phase measurement. In the transport sections of the linear drive the requirements concerning the accuracy and dynamic of the position measurement are less demanding than in the processing stations. In this sections sensorless control, based on the evaluation of the electromotive force (EMF) is implemented. The distinctive parameters of the different stator segments are taken into consideration. Due to mechanical constraints, there are gaps in the winding arrangement between consecutive segments of the machine, which means that the EMF vectors of two consecutive segments can have an arbitrary phase difference, providing additional challenges, especially for the sensorless control. At the transition between processing stations and transport sections, a synchronisation procedure between the measured position and the estimated one is described and experimentally evaluated.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ein Langstator- Linearsynchronantrieb mit leichten, passiven Fahrzeugen, welcher sowohl für die Bearbeitung als auch für den Transport von Materialien in industriellen Produktionsanlagen dienen kann, wird entworfen und experimentell geprüft. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Positionserfassung und Bewegungssteuerung des vorgeschlagenen Systems. Um eine hohe Unabhängigkeit der Bewegung mehrerer Fahrzeuge zu ermöglichen, wird der Ständer (Primärteil) der Linearmaschine in zahlreiche Speiseabschnitte (Segmente) unterteilt. Jedes Segment wird von einem zugeordneten Wechselrichter gespeist. Die Kontrollinformation wird zwischen allen Wechselrichter und allen Fahrzeugkontroller durch einen Wechselrichterbus ausgetauscht. Mehrere Bearbeitungsstationen werden entlang des Fahrwegs verteilt und durch Transportabschnitte verbunden. Innerhalb der Bearbeitungsstationen ist eine hochgenaue Geschwindigkeits- und Positionsregelung der Fahrzeuge erforderlich. Eine präzise und schnelle Positionsmessung ist dazu unerlässlich, weshalb Positionssensoren eingesetzt werden müssen. Passive Fahrzeuge stellen zusätzliche Herausforderungen für das Positionserfassungssystem dar, da weder Energie noch Informationen an die beweglichen Teile übertragen werden können. Die Auswertung zweier Positionserfassungssysteme, die die o.g. Anforderungen erfüllen, wird in dieser Arbeit dargestellt. Das erste System basiert auf einem optischen Encoder mit hoher Auflösung. Für die gegebene Anwendung wird die Maßverkörperung des Sensors am Fahrzeug angebracht und mehrere aktive Abtastköpfe entlang der Fahrbahn montiert, so dass in allen Positionen die Maßverkörperung mindestens einen Abtastkopf überdeckt. Beim Übergang der Maßverkörperung von einem Abtastkopf auf den nächsten müssen die Signale von beiden Abtastköpfe gleichzeitig abgetastet und synchronisiert werden, damit ein kontinuierliches Positionssignal über die gesamte Messlänge erzeugt wird. Das zweite Positionserfassungssystem verwendet einen kapazitiven Sensor mit einer relativ niedrigeren Auflösung, welches eine einfachere und kostengünstigere Alternative zu dem optischen System darstellt. Die Arbeitsweise des kapazitiven Sensors wurde zunächst analysiert und ein Model ermittelt. Basierend auf diesem Model werden zwei Auswertungsmethoden dargestellt: eine verwendet unverzügliche (abtastungsbasierte) Demodulation und die andere basiert auf Phasenmessung. Innerhalb der Transportabschnitte des Linearantriebs sind die Anforderungen an Genauigkeit und Dynamik der Positionserfassung weniger anspruchsvoll als innerhalb der Bearbeitungsstationen. In diesen Abschnitten wird sensorlose Regelung implementiert, basierend auf der Auswertung der Elektromotorischen Kraft (EMK). Die unterschiedlichen Parameter aller Statorsegmente werden dabei berücksichtigt. Aufgrund mechanischer Beschränkungen sind Lücken in den Ständerwindungen zwischen aufeinanderfolgenden Speiseabschnitten vorhanden. Dies bedeutet, dass die EMK-Vektoren zweier aufeinanderfolgender Statorsegmente einen beliebigen Phasenunterschied haben können, wodurch sich insbesondere für die sensorlose Regelung zusätzliche Herausforderungen ergeben. Beim Übergang zwischen Bearbeitungsstationen und Transportabschnitten wird ein Synchronisierungsverfahren, zwischen der gemessenen und beobachteten Position, dargestellt und experimentell ausgewertet.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Leistungselektronik und Antriebsregelung
Date Deposited: 10 Mar 2011 10:10
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24853
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Mutschler, Prof. Dr.- P.
Refereed: 23 November 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2485
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