Motor Plano Levitado Magnéticamente
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Author(s):
Alberto Izpizua - Fundación Tekniker
Joseba Arana - Fundación Tekniker
Iñigo Etxaniz - Fundación Tekniker
Industry:
Products:
The Challenge:
Controlar un motor plano con capacidad de posicionamiento en el plano x-y y levitado magnéticamente en los otros 4 grados de libertad, con precisiones de movimiento inferior a ±1 µm y resolución de 156 nm.
The Solution:
Se ha desarrollado el control utilizando programas ejecutados en NI LabVIEW Real-Time y LabVIEW FPGA que procesan y ejecutan el control por medio de una tarjeta de NI PCI-7831R y una NI PCI-6229M ubicadas en un ordenador DELL GX260, utilizado como Target de tiempo real.
"LabVIEW RT y LabVIEW FPGA han permitido el desarrollo de unos algoritmos de control en plataformas hardware de bajo nivel (FPGA) mediante el empleo de un software de alto nivel (LabVIEW). Esto ha permitido que el tiempo dedicado a la implementación del control haya sido menor al que se hubiera empleado con otras plataformas sin que por ello se hayan visto reducidas las prestaciones de la aplicación."
El sistema tratado es un motor plano con capacidad de movimiento en 2 dimensiones y posicionado en el espacio por medio de fuerzas magnéticas., es decir levitado magnéticamente. Este motor se posiciona con una precisión inferior a ±1 µm y una resolución de 156 nm. Las características dinámicas del sistema ascienden a una aceleración de 2g y una velocidad máxima de 80 m/min.
El motor lineal 2D propuesto puede competir con los sistemas actuales utilizados en scanning microscopy, inspección de circuitos integrados y circuitos impresos, y ensamblajes automatizados. La ausencia de componentes mecánicos permite obtener prestaciones como alta rigidez, alta capacidad de carga, ausencia de desgaste, facilidad de operación en diferentes medios, y alta aceleración y velocidad.
Descripción del sistema
El motor plano se puede dividir en tres partes principales: sistema de sensorización, sistema de actuación y sistema de control.Además de estos sistemas, por motivos de seguridad se ha añadido un sistema de seguridad eléctrico, mediante barreras ópticas, y un sistema de seguridad mecánico, formado por dos barreras físicas que impiden el movimiento de la mesa más allá de los límites permitidos.
Sistema de actuación
El sistema de actuación consta de 4 actuadores planos, es decir son capaces de realizar fuerzas en dos direcciones. Los actuadores están compuestos por un conjunto de dos series de bobinas independientes enfrentados a un conjunto de imanes colocados en la forma denominada Hallbach array.
Estos actuadores realizan fuerza en dirección vertical y horizontal (ver figura 1) por medio de la combinación de intensidades que circulan a través de las dos series de bobinados de la que están compuestos cada uno de ellos. Dependiendo de la combinación de intensidades y de la posición relativa de los imanes con respecto a los bobinados se puede realizar la fuerza horizontal y vertical deseada
Mediante estos 4 actuadores podemos realizar 8 fuerzas, 4 verticales, 2 en dirección X y otras dos en dirección Y, que permiten controlar los 4 grado de libertad Z, Ψx y Ψy y Ψz, así como realizar movimientos en X e Y.
Sistema de sensorización
El sistema de sensorización realimenta la posición de la mesa móvil. Esta tarea se realiza a través de dos cabezas lectoras de un encoder grid (encoder que es capaz de leer las dos direcciones del plano), para las posiciones X, Y y Ψz, y 4 sensores de eddy-current que suministran la posición Z, Ψx y Ψy.
El sistema de sensorización tiene otra labor, que consiste en la realimentación de la dirección del campo magnético. Esta información es necesaria para realizar las fuerzas en la dirección deseada. Para llevar a cabo esta tarea se han ubicado 12 sensores de efecto hall entre los bobinados.
Sistema de control
El motor plano se trata de un sistema multivariable en el cual se han desacoplado las direcciones para tratarlas como direcciones independientes y aplicarles criterios de control SISO, que permitan validar el diseño de la mesa y valorar las prestaciones finales del motor. Los lazos de control aplicados consisten en PID para las 4 direcciones a mantener la consigna y lazos en cascada posición-velocidad para los movimientos. Estos lazos obtienen la fuerza a realizar en cada dirección del espacio.
La FPGA y el tiempo real comparten los quehaceres. Se ha optado por esta solución para poder realizar tiempos de ciclo pequeños, al descargar tareas a la FPGA, y no perder la posibilidad de realizar cálculos en coma flotante. Estos cálculos son necesarios, en tanto en cuanto los cálculos a realizar son complejos y difíciles de implementar en coma fija.
En la FPGA tiene las siguientes ocupaciones.
- Captura de la posición vertical y horizontal.
- Captura de señales de funcionamiento.
- Acondicimiento de señales.
- Cálculo de intensidad.
- Comunicación con actuadores.
Por su parte el tiempo real tiene encomendadas las siguientes tareas:
- Captura de señales de efecto hall.
- Acondicionamiento de señales.
- Cálculo de la posición global.
- Algoritmos de control.
- Algoritmos de control.
-Conversión de fuerzas globales a fuerzas locales en los actuadores.
- Algoritmos de control.
-Conversión de fuerzas globales a fuerzas locales en los actuadores.
-Dirección del campo magnético.
- Comunicación con host.
- Supervisión de estados.
El host tiene la misión de servir de interface con el usuario, además de realizar capturas de valores en funcionamiento, que posibilitan el análisis del sistema.
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