Optimized control of a linear synchronous motor for a high speed positionning axis
Commande optimisée d'un actionneur linéaire synchrone pour un axe de positionnement rapide
Résumé
Linear Motors have become leading component in the field of the high-speed machine tools. Nowadays, the Permanent Magnet Linear Synchronous Motor (PMLSM) is the main component permitting to obtain higher performances than its rotary counterpart. However, to use these components in an optimal manner, it is necessary to take into account the specificities of these linear motors. Indeed, electric and magnetic phenomena, such as the non-sinusoidal electromotive forces, saturated inductances and detent forces, generate in the linear motor, the ripple forces that are disturbing for the mechanical part. Indeed, the goal of this study is to improve, in a first part, the modelling of these linear motors. Analytical methods and the finite-element method are used to show the impact of these phenomena on the electromagnetic force. Then, in a second part, we define the optimal control structures by taking into account the previously obtained models. The formalism of the Causal Ordering Graph (COG), developed at the L2EP laboratory, help to represent and to define in a systematic way the control design. Thus, the inversion principles of the COG are detailed to design the structure of feedback control and of non-feedback control. The industrial control structure is analyzed and new control structures are proposed in order to optimize the thrust of a LMD10-050 linear motor of ETEL company.
Les moteurs linéaires sont devenus des composants incontournables dans le domaine de la conception des machines de production. L'actionneur synchrone à aimants permanents (PMLSM) constitue le principal composant et permet aujourd'hui d'obtenir des performances nettement supérieures à celles de son homologue rotatif accouplé à un système de transformation de mouvement. Cependant, pour utiliser ces constituants de façon optimale, il est nécessaire de prendre en compte dans la commande les spécificités de ce type d'actionneur. En effet, des phénomènes électriques et magnétiques, tels que les forces électromotrices non-sinusoïdales, la saturation des inductances et les forces de détente, génèrent des forces ondulantes perturbatrices pour la partie mécanique. L'objectif de cette étude est donc, dans un premier temps, d'améliorer la modélisation de ces moteurs linéaires en vue de leur commande. Des méthodes analytiques et éléments-finis sont utilisées pour quantifier l'importance de ces phénomènes sur la force de poussée. Puis, dans une deuxième partie, nous définissons les structures de commande optimales permettant de prendre en compte les phénomènes retenus. Le formalisme du Graphe Informationnel Causal (GIC), développé par le laboratoire L2EP, est utilisé pour représenter et définir de façon systématique les structures de commande retenues. Les méthodologies d'inversion du GIC sont détaillées pour permettre la définition des structures de commande en Boucles Fermées et Non-Fermées. Les structures classiques de commande industrielles sont analysées et de nouvelles structures de commande sont proposées pour la commande en force d'un moteur linéaire LMD10-050 de la société ETEL.
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