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Design, Modeling, Simulation and Implementation of a Magnetic Levitation System (Maglev) with one degree of freedom
Diseño, Modelamiento, Simulación e Implementación de un Sistema de Levitación Magnética (Maglev) con un Grado de Libertad
Registro en:
10.18272/aci.v4i2.109
Autor
Herrera, Bernard
Guevara, Marcos
Institución
Resumen
In the present work, a magnetic levitation system (maglev) with one degree of freedom (vertical) is designed, simulated and implemented physically. A simplified linear model is first obtained which describes the system. From this model, linear controllers are designed using traditional control methods. The effectiveness of these controllers to stabilize the system and their performance parameters are tested by simulation. The proposed models are also validated experimentally. Regarding implementation, an electromagnet is used, whose current flow is controlled to levitate a disk in which a permanent magnet is inserted. The current control is performed using the PWM (Pulse Width Modulation) technique. An infrared optical position sensor and a current sensor are constructed to measure these variables in the system. The control algorithms are implemented in a microcontroller optimized for signal processing (dsPIC). Due to the digital implementation of the controllers, the influence of sampling and processing times on the performance and stability of the system is discussed. Stabilization of the disc for small variations around an equilibrium point within the range of 3 to 8 cm from the magnet is achieved. Finally, the considerations necessary to achieve dynamic control within the range (for variable positions) including non-linear control strategies are discussed. En el presente trabajo se diseña, simula e implementa físicamente un sistema de levitación magnéica (maglev) con un grado de libertad (vertical). Se deduce teóricamente un modelo simplificado lineal que modela al sistema, a partir del cual se diseñan controladores lineales mediante métodos tradicionales de control. Se prueba la efectividad para estabilizar al sistema y los parámetros de desempeño de dichos controladores mediante simulación. Los modelos propuestos además se validan experimentalmente. En cuanto a la implementación, se utiliza un electroimán, cuya corriente se controla para levitar un disco en el cual se inserta un imán permanente. El control de la corriente se realiza mediante la técnica PWM (Pulse Width Modulation). Se implementa un sensor óptico infrarrojo de posición y un sensor de corriente para medir dichas variables en el sistema. Los algoritmos de control se implementan en un microcontrolador optimizado para instrucciones de procesamiento de señales dsPIC. Debido a la implementación digital de los controladores se discute ampliamente la influencia del tiempo de muestreo y de procesamiento sobre el desempeño y estabilidad del sistema. Se logra estabilización del disco para pequeñas variaciones alrededor de un punto de equilibrio dentro del rango de 3 a 8 cm desde el electroimán. Finalmente, se discuten las consideraciones necesarias para lograr un control dinámico dentro del rango (para posiciones variables) incluyendo estrategias de control no lineal.