Modelagem e controle de um atuador eletromagnético linear tubular para aplicação em suspensão ativa

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de procedimentos para modelagem dinâ- mica e controle de um atuador eletromagnético linear tubular para aplicação em sistemas de suspensão ativa. A suspensão ativa é um conceito de suspensão que utiliza um elemento ativo para inserir força no sistema e atenuar as vibrações indesejadas entre duas partes móveis. A modelagem dinâmica do atuador é desenvolvida, os parâmetros da má- quina necessários neste modelo são obtidos, e a descrição é feita no espaço de estados com realimentação linearizante. Um ambiente de cossimulação entre modelo de elementos finitos, parte mecânica e acionamento, é criado para auxiliar na validação do modelo dinâmico. Este modelo também é validado em malha aberta através de ensaios experimentais que permitem avaliar o comportamento dinâmico do atuador quando submetido a diferentes referências de tensão elétrica. Partindo deste modelo, o controle de posição do atuador é desenvolvido para seguimento ou rejeição de sinais periódicos considerando variações harmônicas e componente CC, operando com e sem carga. Para alcançar este objetivo uma estratégia multi-loop é desenvolvida com controladores Proporcional-Integral e Proporcional-Integral-Ressonante, baseada na estratégia de controle por orientação de campo. Os parâmetros de sintonia do controlador são projetados a partir da solução de um problema de otimização com restrições na forma de desigualdades matriciais lineares. Após isso, um aparato experimental que caracteriza uma plataforma de suspensão para representar vibrações e um sistema com massa-mola-amortecedor é modelado e caracterizado em função da sua resposta em frequência para representar perfis normatizados de rodovias e outros sinais periódicos. O atuador eletromagnético linear, inserido neste aparato, forma um sistema de suspensão ativa. O controle do atuador no sistema de suspensão é realizado baseado na estratégia skyhook, alocação de polos e minimização da norma H∞. Os resultados mostram que o atuador linear é capaz de atuar num sistema de suspensão ativa, garantindo seguimento da pista ou melhorando significativamente o conforto dos passageiros através da redução de aceleração na massa suspensa.

This work presents the development of procedures for dynamic modeling and control of a linear tubular electromagnetic actuator for application in active suspension systems. Active suspension is a concept of suspension that uses an active element to insert force into the system and reduces undesirable vibrations between two moving parts. The dynamic modeling of the actuator is developed, the machine parameters necessary for this model are obtained, and the state-space description is made using feedback linearization. A co-simulation environment between the finite element model, mechanical part, and drive is created to improve the validation process of the dynamic model. This model is also validated in open-loop through experimental tests that allow the evaluation of the dynamic behavior of the actuator when subjected to different excitation voltages. Based on this model, the actuator position control is developed for tracking or rejecting periodic signals considering harmonic content and DC component, operating with load and no load. To achieve this goal, a multi-loop strategy is developed with Proportional-Integral and Proportional-Integral-Resonant controllers, based on the field-oriented control strategy. The controller tuning parameters are designed from the solution of an optimization problem with constraints in the form of linear matrix inequalities. After that, an experimental apparatus featuring a suspension platform to represent vibrations and a massspring-damper system is modeled and characterized in terms of its frequency response to represent normalized road profiles and other periodic signals. The linear electromagnetic actuator, placed into this apparatus, creates an active suspension system. The actuator control in the suspension system is performed based on the skyhook strategy, pole allocation, and minimization of the H∞ norm. The results show that the linear actuator can operate to ensure tracking of references, or significantly improve passenger comfort by isolating the sprung mass of vibrations.