Buletinul AGIR nr. 3/2011 ● iulie-septembrie 98

SISTEM PENTRU COMPENSAREA VIBRAŢIILOR PRIN SUSPENSII ACTIVE

Ing. Dumitru STRAMBEANU INCDIE ICPE-CA

Ing. Iuliu Romeo POPOVICI INCDIE ICPE-CA

Ing. Daniel LIPCINSKI INCDIE ICPE-CA

Ing. drd. Silviu Octavian MEDIANU INCDIE ICPE-CA

Mircea IGNAT

INCDIE ICPE-CA George ZARNESCU

INCDIE ICPE-CA

Alina DUMITRU INCDIE ICPE-CA

Jana PINTEA INCDIE ICPE-CA

Cristinel Ioan ILIE

INCDIE ICPE-CA Ionel CHIRITA

INCDIE ICPE-CA REZUMAT. Lucrarea prezintă un sistem de compensare a vibraţiilor prin suspensii active, utilizând un lanţ electronic de măsura, control si execuţie, un sistem mecanic pentru susţinerea sarcinii util, senzori si actuatori piezoceramici. Se prezintă arhitectura electronica a lanţului electronic cu principalele componente si rolul lor, precum si o analiza a schemelor de control si comanda existente cu avantaje si dezavantaje. Cuvine cheie: vibraţie, lanţ electronic, schemă de control şi comandă. ABSTRACT. This paper presents a vibration compensation system with active suspension, using an electronic chain to measure, control and execution, a mechanical system to support the payload, piezoceramic sensors and actuators. Electronic architecture is presented with the main components of the electronic chain and their role, and an analysis of existing command and control schemes with advantages and disadvantages. Key properly: vibration, electronic chain, command and control scheme.

1. INTRODUCERE

Sistemul care face obiectul acestei lucrări reprezintă un sistem de compensare a vibraţiilor prin suspensii active, utilizând un lanţ electronic de măsura, control si execuţie, un sistem mecanic pentru susţinerea sarcinii util, senzori si actuatori piezoceramici.

Se subliniază ca un sistem de control activ reprezintă un grup de componente electrice, electronice, mecanice astfel asamblate încât să se poată regla energia (perturba-ţia externă) la intrarea sistemului, pentru a obţine la ieşire o mărime electric dorită pentru izolarea forţei externe .

Sistemul propus este de complexitate şi precizie mare şi are la bază o structură de masă de laborator în

care este încastrată o masă mecanică de control de precizie cu cinematica pe două axe xy, echipată cu traductoare de vibraţii care să măsoare semnalul perturbator şi actuatori piezoelectrici care să genereze o vibraţie în antifază (defazată cu 180°) pentru anularea semnalului perturbator .

Elementul de monitorizare şi comandă în cadrul sistemului îl constituie blocul de unitate centrală şi achiziţie de date înzestrat cu un calculator şi un program software specializat.

Se prezintă arhitectura electronică a lanţului elec-tronic cu principalele componente şi rolul lor, precum şi o analiză a schemelor de control şi comandă existente, cu avantaje şi dezavantaje.

SISTEM PENTRU COMPENSAREA VIBRAŢIILOR PRIN SUSPENSII ACTIVE

Buletinul AGIR nr. 3/2011 ● iulie-septembrie 99

2, METODE DE COMPENSARE ŞI REGLARE

În figura 1 se prezintă conceptul de izolator „stâlp / pilon în repaus“, care constă dintr-o masă intermediară montată pe podea prin intermediul unor traductoare piezoelectrice, senzorul de mişcare, componentele buclei de reglaj, componentele pasive şi sarcina.

Fig. 1. Schema concept izolator.

Teoretic, orice sistem de compensare activă conţine trei elemente de bază (vezi fig. 2): blocul G este numit „proces“ şi reprezintă comportamentul sistemului meca-nic (electronic, hidraulic, termic) înainte de a se aplica orice buclă de reacţie şi reprezintă o funcţie de transfer care este raportul ieşirii şi intrării blocului, exprimată ca o funcţie de frecvenţă, locul H este numit compensator pentru compensarea vibraţiei şi ,,Sum“ este numit sumator cu intrări de semnale cu semn + sau – [1].

În schema prezentată în figura 2, funcţia de transfer în bucla închisă pentru sistem este dată de ecuaţia:

Ieşire

Intrare 1

G

GH

Fig. 2. Schema de control.

Metode principale de compensare a vibraţiilor: – pasivă: este cea mai simplă, bazată pe elemente ab-

sorbante şi compensatoare de vibraţii la frecvenţe de peste 1 kHz;

– activă: bazată pe generarea unui semnal defazat cu 180° faţă de semnalul util, la frecvenţe sub 1 kHz ;

– semiactivă: metoda combinată a celei active şi pasive [3].

3. STRUCTURA GENERALĂ A SISTEMULUI

Echipamentul a fost conceput modularizat, în figura 3 fiind prezentată schiţa cu schema bloc şi principalele mo-dule şi conexiuni aferente ale sistemului de control activ.

traductor piezoceramic IN

traductor de forta

traductor piezoceramic OUT

preamplificator de semnal

generator de semnal

modul conditionare semnal

Unitatea centrala: sistem de calcul, modul de achizitie, soft de analiza si control.

modul regulator

Bloc senzori

Fig. 3. Schema bloc a sistemului de compensare active a vibraţiilor.

Părţile componente ale sistemului şi rolul lor: a) blocul senzorilor: asigură preluarea şi furnizarea

datelor primare, corelarea mărimilor de vibraţie citite şi induse;

b) modulul de condiţionare: asigură conversia varia-ţiilor de sarcină provenite de la traductoare în mărimi exprimate în curent / tensiune, amplifică, filtrează şi prelucrează semnalul de intrare;

c) modulul regulator: prelucrează şi transmite infor-maţia în timp real pe bucla de control activ al vibraţiei;

d) generatorul de semnal: are rolul de a furniza un semnal proporţional cu nivelul semnalului măsurat, dar ale cărui componente spectrale sunt defazate astfel încât să genereze vibraţii de control în antifază cu cele măsurate;

e) preamplificatorul de semnal: asigură interfaţa intre generatorul de semnal şi traductorul piezoceramic (OUT), amplifică semnalul pe bucla de ieşire .

f) traductorul piezoceramic (OUT): generează vibraţii mecanice proporţionale cu cele măsurate de lanţul de mă-surare;

g) unitatea centrală conduce întregul proces de moni-torizare şi comandă, având următoarele funcţiuni:

– iniţializează datele de identificare ale obiectivului controlat şi condiţiile de executare a examinării;

– asigură interpretarea semnalelor captate de la tra-ductoare, prelucrează şi achiziţionează datele cu ajutorul unui program software specializat;

– stocarea şi gestionarea informaţiei în baza de date; istoric al evenimentelor măsurate.

EDUCAŢIE. CERCETARE. PROGRES TEHNOLOGIC

Buletinul AIR nr. 3/2011 ● iulie-septembrie 100

4. PASTILE PIEZOCERAMICE

Elementele active folosite sunt realizate prin tehno-logia clasică de obţinere a pulberilor piezoceramice pornind de la oxizi. Compoziţiile aparţin sistemului titanat - zirconat de plumb cu substituţii Nb5+, după o formulă de tipul Pb1-x (Zr0,52Ti0,48)1-y NbyO3 cu y în domeniul (0,010,025) şi x un coeficient legat de va-canţele de Pb [1]. Raportul Zr/Ti = 0,52/0,48 s-a păstrat constant, deoarece corespunde limitei morfotro-pice în care sistemul prezintă proprietăţi piezoelectrice maxime. Cercetările au demonstrat ca utilizarea Nb5+ ca donor produce orientarea pereţilor de domeniu, inhibând creşterea granulelor şi ajutând la creşterea densităţii ceramicii PZT.

Pe epruvetele cu dimensiuni = 10 mm şi h = 1 mm s-a măsurat capacitatea în funcţie de temperatură, pentru aflarea temperaturii Curie şi valorile pentru toate compoziţiile au fost mai mari de 400 C (vezi fig. 4).

0 100 200 300 400 500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

PZT-Nb1 PZT-Nb2 PZT-Nb3 PZT-Nb4 PZT-Nb5

Ca

pac

itate

a [p

F]

Temperatura [oC]

Fig. 4. Variaţia capacităţii cu temperatura.

Frecvenţele de rezonanţă şi antirezonanţă s-au măsu-rat cu analizorul de impedanţă 4294A tip Agilent prin metoda impedanţei. Rezultatele obţinute sunt prezentate în figura 5.

Factorul de cuplaj kp a fost calculat pe baza frec-venţei de rezonanţă şi antirezonanţă după formula:

kp2

(1 – kp2) = 2,51(fa – fr) / fr

şi valorile obţinute sunt prezentate în tabelul 1. Valorile câmpului coercitiv Ec sunt dependente de

cantitatea de dopant introdusă în compoziţie şi sunt prezentate în figura 6. Se constată că polarizaţia şi câmpul coercitiv depind atât de concentraţia de Nb adă-ugată în compoziţie cât şi de apariţia vacanţelor în structură [8].

100000 200000 300000 400000 5000000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000 PZTN-1 PZTN-2 PZTN-3 PZTN-4 PZTN-5

Imp

eda

nta

[oh

mi]

Frecventa [Hz]

Fig. 5. Variaţia impedanţei cu frecvenţa.

Tabelul 1

Valorile parametrilor piezoelectrici pentru PZTN 1-5

Compoziţii fr [kHz] fa [kHz] kp PZTN1 249 251 0,14 PZTN2 241 244 0,32 PZTN3 233 239 0,25 PZTN4 241 244 0,18 PZTN5 246 251 0,22

-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000-6

-4

-2

0

2

4

6

PZT Nb1 PZT Nb2 PZT Nb3 PZT Nb4 PZT Nb5

Po

lari

zatie

[C

/cm

2 ]

Tensiune [V] 

Fig. 6. Curbele de histerezis.

5. ACTUATOR /TRADUCTOR PIEZOCERAMIC

În figura 7 este prezentată structura unui actuator coloană cu elementele piezo, piesele de contact, conexiunile electrice precum şi caracteristica d = f(U) pentru un actuator proiectat cu un anumit număr de pastile, unde la 300 V, se obţine o deplasare maxima de 20 μm.

SISTEM PENTRU COMPENSAREA VIBRAŢIILOR PRIN SUSPENSII ACTIVE

Buletinul AGIR nr. 3/2011 ● iulie-septembrie 101

deplasare [μm]

0

5

10

13

1820

1715

14

3

00

5

10

15

20

25

50 100 150 200 250 300 250 200 150 100 50

U [V]

dep

lasa

re [μ

m]

deplasare [μm]

Fig. 7. Structura microelectromecanică a unui actuator tip coloană şi caracteristica de deplasare d in functie de tensiunea de alimentare U:

ep – disc piezoceramic; ec – contact disc, cs - conexiune cu microtresă flexibilă, cg – conexiune cu tresă generală.

6. MESE DE PRECIZIE

Pentru a sprijini elastic sistemele mobile, realizând totodată şi o mărire a sensibilităţii şi stabilităţii siste-melor, se folosesc pe scară largă sprijinirile cu elemente elastice a căror deplasare, foarte mică (0,1…3 mm) se bazează pe deformaţia elementului elastic. La aceste lagăre, elementele de lucru sunt firele sau benzile elas-tice care se fixează cu un capăt la partea mobilă, iar cu celalalt capăt la partea fixă a sistemului.

Exista două metode de bază pentru a proiecta un sistem de poziţionare multiaxă: metoda cinematicii seriale şi cea a cinematicii paralele.

Cinematica serială este uşor de proiectat şi de construit şi poate funcţiona cu un controller simplu. Desigur are un număr de dezavantaje comparat cu performanţa şi eleganţa metodei paralele. În sistemele multiaxă cu cinematică seri-ală, fiecare actuator este atribuit unui grad de libertate. Daca are integrat şi senzorul de poziţie, acesta este de

asemenea alocat unui sistem de deplasare (actuator) şi măsoară doar mişcarea dată de acest actuator în acea direcţie de mişcare. Toate mişcările nedorite în celelalte 5 grade de libertate nu sunt văzute şi – evident – nu sunt corectate în bucla servo, rezultând erori cumulative.

În sistemele multiaxă cu cinematică paralelă, toate actuatoarele acţionează direct asupra aceleaşi platforme de mişcare. Doar cu aceasta metoda putem obţine aceeaşi frecventţă de rezonanţă şi comportament dinamic pentru axele x şi y. Este de asemenea uşor de implementat metrologia paralelă în sistemele cu cinematică paralelă. Senzorii metrologizaţi paralel măsoară toate mişcările în direcţia măsurată, nu doar de la un actuator, abaterile de la toate actuatoarele putând fi compensate în timp real (rezultând un control active al traiectoriei).

În figurile 8 şi 9 sunt prezentate tipurile de mese cu cinematică serială şi cu elemente elastice.

Fig. 8. Masa XY cu cinematicăa serială.

Fig. 9. Masă cu elemente elastice: 1 – actuator piezoelectric; 2 – masă cu elemente elastice.

ep 

cg

cs 

ec 

EDUCAŢIE. CERCETARE. PROGRES TEHNOLOGIC

Buletinul AIR nr. 3/2011 ● iulie-septembrie 102

7. EXPERIMENTĂRI

În figurile 10 şi 11 se prezintă experimentările cu masa cu cinematică serială.

Fig. 10. Răspunsul în frecvenţă în banda de 5-150 Hz (albastru –semnal perturbator, galben – semnal final).

Fig. 11. Experimentări pe masa XY în condiţii de laborator: (roşu – semnal perturbator, alb – semnal antifază, verde – semnal final).

Odată cu creşterea frecvenţei, în banda de 150-1000 Hz s-a observat o atenuare mai mică cu 10-15% din semnalul perturbator, în principal datorită elemen-telor de fixare a actuatoarelor .

Sistemul a fost realizat în cadrul programului NUCLEU la INCDIE ICPE CA şi se adresează labora-toarelor de cercetare unde se desfăşoară măsurători de înaltă precizie .

BIBLIOGRAFIE

[1] http://www.techmfg.com/techbkgd/intro.htm [2] M.N. Cirstea, A. Dinu, J.G. Khor, M. McCormick Newnes,

Neural and Fuzzy Logic Control of Drives and Power Systems. [3] Nader Jalili, A Comparative Study and Analysis of Semi-

Active Vibration-Control Systems. [4] Eric H. Anderson, Elite-3 Active Vibration Isolation Work-

station. CSA Engineering. [5] S. Boyd, Feedback control systems: static analysis, EE102. [6] Design and development of vibration system for active vibra-

tion control . [7] John Doyle, Bruce Francis, Allen Tannenbaum, Feedback

Control Theory, Macmillan Publishing Co., 1990. [8] A.M. Moisin, A.I. Dumitru , E. Andronescu, C.Ghitulica,

Studies on PZT–Nb Modified Piezoceramic Materials, Journal of Optoelectronic and advanced Materials vol8, no2 (2006) 553-554;