Dynamic control of magnetically levitated systems using robotic actuation

Abstract

Magnetically levitated planar motor systems are a relatively new technology whose operation is typically highly isolated during runtime due to safety and system constraints. As a result, manually repositioning or guiding shuttles while the system remains operational is difficult, despite such functionality being useful for tasks such as testing, recovery procedures, and position teaching. This thesis addresses the problem of enabling online lead-through operation of a magnetically levitated shuttle without relying on direct communication or predefined motion trajectories.

The plant is treated as a black-box system due to the limited accessibility of its internal dynamics and the complexity of the contact interface. To address this, system identification is performed through experimental step-response testing, allowing an approximate characterization of the system behavior. Based on these results, a force-based outer-loop control architecture is implemented, where measured interaction forces are mapped to motion commands via standard and extended PID-type controllers.

The signals available for measurement from the system include the shuttle's absolute position within the reference frame of the levitation table, its current velocity inferred from motion, the applied forces, and the torque acting on the shuttle. The shuttle can be controlled in two distinct ways. The first consists of motion commands, in which the shuttle is given either a relative or absolute target position and executes a predefined motion profile, such as a linear or arc-shaped trajectory, to reach that position. The second method consists of cyclic position control, where the shuttle position is updated continuously during operation. As cyclic control provides greater flexibility for controller implementation—since the commanded position can be updated during every cycle of the table’s internal control loop—it is the approach used in these experiments.

Several control architectures are designed and evaluated, including P, PD, PI, PID, and variants incorporating velocity feedback. The controllers are assessed through a structured two-phase procedure consisting of trajectory following and disturbance response under constrained contact conditions.

Overall, the comparative evaluation identifies the PD and PID controllers as the most effective solutions for the given system. The PD controller provides strong damping and reduced oscillatory behavior without introducing integral-induced overshoot, while the PID controller achieves the most consistent steady-state tracking performance at the cost of increased overshoot. These two controllers therefore represent the most favorable trade-offs between stability, responsiveness, and contact reliability in a force-based, communication-less master–slave synchronization system.

Magneettisesti levitoidut tasomoottorit ovat verrattain uutta teknologiaa, joiden käyttö on toiminnan aikana tyypillisesti eristettyä turvallisuus- ja järjestelmärajoitteiden vuoksi. Tämän seurauksena sukkuloiden manuaalinen liikuttaminen järjestelmän ollessa käynnissä on vaikeaa, vaikka tällainen toiminnallisuus olisi hyödyllistä esimerkiksi testauksessa, palautusmenettelyissä sekä paikkojen opettamisessa. Tässä kandidaatintyössä käsitellään tätä ongelmaa mahdollistamalla magneettisesti levitoitujen sukkuloiden käsiohjaus ilman tarvetta järjestelmien väliselle suoralle tiedonsiirrolle tai määritellyille liikeradoille.

Laitosta käsitellään mustan laatikon järjestelmänä sen sisäisen dynamiikan rajallisen saavutettavuuden sekä kontaktirajapinnan monimutkaisuuden vuoksi. Tämän ratkaisemiseksi järjestelmän identifiointi toteutetaan kokeellisella askelvasteanalyysillä, jonka avulla järjestelmän käyttäytymistä voidaan approksimoida. Saatujen tulosten perusteella toteutetaan voimapohjainen ulkoisen säätösilmukan ohjausarkkitehtuuri, jossa mitatut vuorovaikutusvoimat muunnetaan liikekomennoiksi tavanomaisten ja laajennettujen PID-tyyppisten säätimien avulla.

Järjestelmästä saatavilla olevia mittasignaaleja ovat sukkulan absoluuttinen sijainti magneettilevitaatiopöydän koordinaatistossa, sen liikkeestä johdettu hetkellinen nopeus, siihen kohdistuvat voimat sekä sukkulaan vaikuttava vääntömomentti. Sukkulaa voidaan ohjata kahdella eri tavalla. Ensimmäinen tapa perustuu liikekomentoihin, joissa sukkulalle annetaan joko suhteellinen tai absoluuttinen kohdesijainti, jonka jälkeen sukkula suorittaa ennalta määritellyn liikeprofiilin, kuten suoran tai kaarevan liikeradan, saavuttaakseen kyseisen sijainnin. Toinen menetelmä perustuu sykliseen paikkasäätöön, jossa sukkulan sijaintia päivitetään jatkuvasti käytön aikana. Koska syklinen ohjaus tarjoaa enemmän joustavuutta säätimen toteutukseen — sillä kohdesijainnnin arvo voidaan päivittää pöydän sisäisen ohjaussilmukan jokaisella syklillä — käytetään tätä menetelmää tässä työssä suoritetuissa kokeissa.

Useita säädinarkkitehtuureja suunnitellaan ja arvioidaan, mukaan lukien P-, PD-, PI- ja PID-säätimet sekä nopeustakaisinkytkentää hyödyntävät variaatiot. Säätimien suorituskykyä arvioidaan rakenteistetulla kaksivaiheisella menetelmällä, joka koostuu radanseurannasta sekä häiriövasteen tarkastelusta rajoitettujen kosketusolosuhteiden alaisena.

Kokonaisuudessaan vertaileva arviointi tunnistaa PD- ja PID-säätimet tehokkaimmiksi ratkaisuiksi järjestelmälle. PD-säädin tarjoaa hyvän vaimennuksen ja vähäisen oskilloivan käyttäytymisen ilman integraaliosan aiheuttamaa yliammuntaa, kun taas PID-säädin tuottaa parhaan steady-state-seurannan suuremman yliammunnan kustannuksella. Näin ollen nämä säätimet edustavat parhaita kompromisseja vakauden, vasteen ja kontaktin luotettavuuden välillä.