KÉT FORGÓRÉSZES REZGÉSKELTŐ ESZKÖZ

Átírás

1 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM MŰSZAKI MECHANIKAI TANSZÉK PhD Tézisfüzet KÉT FORGÓRÉSZES REZGÉSKELTŐ ESZKÖZ Szerző: MIKLÓS Ákos Témavezető Dr. SZABÓ Zsolt Budapest, január

2

3 1 Bevezetés Az információszerzés és -átadás az emberiség egyik alapvető szükséglete. A környezetből érkező ingereket az érzékszerveinken keresztül érzékeljük, amelyek közül információközlésre elsődlegesen a látást és a hallást használjuk fel. Ez a kiemelt szerep azt a hátrányos következményt vonja maga után, hogy ezek az érzékelési csatornák gyakran túlterheltté válnak. Gondoljunk csak egy gépkocsi vezetőjére, akinek a mellett, hogy a forgalmat figyeli, közlekedési táblák és a műszerfal számos visszajelzését is fel kell dolgoznia. Nem csoda, ha a számos baleset következményeként a mobiltelefon használatát a gépkocsiban kihangosító berendezés használatához kötötték, és még ez sem mindig jelent megfelelő tehermentesítést a vezetőknek. Még fokozottabban jelentkezik ez a túlterheltség bonyolult szerkezetek kezelése kapcsán (pl. katonai járművek, repülőgépek vezetőinél, pilótáinál). A látás és hallás tehermentesítésére kézenfekvő megoldásként kínálkozott a tapintás használata, amikor az 1990-es években a mobiltelefonok rohamosan kezdtek teret hódítani. Az rezgő jelzés funkció gyakorlatilag minden mobiltelefonban megtalálható már, és ennek hatására más személyes mobil eszközökben is gyakran alkalmazzák, hiszen a mellett, hogy egy viszonylag tehermentes csatornát használ az információközlésre, nem szükséges, hogy a figyelem az adott eszközre irányuljon, illetve ritka az olyan környezeti zavarás, ami mellett nem tűnik fel a bőrre átadott rezgés. A tapintás hátránya, hogy az átvihető információ sűrűsége kisebb, mint a hallás vagy látás esetén. Ezért is alkalmazzák ezt a megoldást jellemzően figyelmeztető jelzésre, ha a zajos vagy kényes körülmények miatt nem célszerű hangjelzés használata. A kapcsolódó szakirodalom arra enged következtetni, hogy az aránylag kisebb információsűrűség ellenére a tapintás jóval kifinomultabb annál, hogy pusztán csak a mechanikai rezgés tényét közöljük rajta keresztül. A tapintás alkalmas arra, hogy a mechanikai rezgések legfontosabb jellemzőit, a frekvenciát és az amplitúdót függetlenül is érzékeljük vele. A napjainkban elterjedten használt kiegyensúlyozatlan forgórészes (ERM) gerjesztők azonban alkalmatlanok a rezgés frekvenciájának és amplitúdójának független beállítására, mivel a kialakuló rezgések amplitúdója a frekvenciától függően a rezonanciagörbe által egyértelműen adott. Ennek a problémának a kiküszöbölésére született meg a két forgórészes rezgéskeltő eszköz megoldása, amelyben két kiegyensúlyozatlan forgórészt hajtunk meg elektromotorokkal függetlenül, és a forgórészek egymáshoz képesti fázisszöge segítségével állítjuk be a gerjesztett rezgés amplitúdóját.

4 2 A javasolt megoldás azon túl, hogy lehetővé teszi a rezgés frekvenciájának és amplitúdójának független beállítását, rendelkezik az egy forgórészes ERM rezgéskeltők egyszerű kialakításával. Célkitűzések PhD kutatásom célja a fent bemutatott két forgórészes rezgéskeltő eszköz koncepciójának megvizsgálása és az eszköz megvalósítása volt. Ahhoz, hogy lássam, hogy a megoldás megvalósítható-e, a berendezéshez egy alkalmas modellt kellett létrehozni, és ezt a mechanika analitikus- és ahol erre nem volt mód numerikus módszereivel meg kellett vizsgálni. A vizsgálatok alapján látható volt, hogy a megfelelő működés érdekében zárt láncú szabályozás alkalmazása szükséges a berendezéshez. A kutatásom során ennek a lehetőségét, illetve egy megvalósítását is megvizsgáltam. Alkalmazott módszerek A rezgéskeltő eszköz kifejlesztéséhez elengedhetetlen az emberi tapintás mechanizmusának alapos ismerete. Az ide vonatkozó információkat a rendelkezésre álló irodalom kutatásával gyűjtöttem, következtetéseimet erre alapoztam. A berendezés működésének leírásához egy mechanikai modellt hoztam létre, mely az 1. ábrán látható. 1. ábra: A két forgórészes rezgéskeltő eszköz mechanikai modellje. A modell egy négy szabadsági fokú, síkmozgást feltételező dinamikai rendszer, mely tartalmaz jelentős egyszerűsítéseket, melyek helyességét azonban a későbbi eredmények alátámasztottak. A rendszer mozgásegyenletének felírása és dimenziótlanítása után azt találtam,

5 3 hogy a rendszer három paraméter segítségével jellemezhető, és bementként a meghajtó motorokra kapcsolt feszültségek használhatók. A berendezés célja, hogy a gerjesztett rezgések frekvenciája és amplitúdója szabadon megválasztható legyen, ami közvetetten annak felel meg, hogy a forgórészek szögsebességét és a köztük lévő fázisszöget kell egy adott értéken tartani. Ebből a célból megvizsgáltam a rendszer stacionárius mozgásait, amiből kiderült, hogy a motorokra kapcsolt különböző feszültségek mellett is léteznek olyan mozgások, amikor a forgórészek szögsebessége megegyezik, ún. mechanikai szinkronizáció jöhet létre. Hogy valóban szinkronizálódik-e a két forgórész, az a stacionárius mozgások stabilitásából következik, ehhez maghatároztam a rendszer munkapontjainak lineáris stabilitását különböző paraméterértékek mellett. A stabilitásvizsgálatból kiderült, hogy a környezethez kapcsolt eszköz sajátfrekvenciájától függően rezonancia alatt a forgórészek jellemzően azonos fázisban, míg a rezonancia frekvencia felett ellenfázisban, vagy a körüli kb. 90 -os tartományban szinkronizálódnak. Mindez azt is jelenti, hogy a berendezés teljes munkatartományát csak valamilyen szabályozás alkalmazásával lehet kihasználni, hiszen csak így lehet a szabályozás nélkül instabil munkapontokban tartani a rendszert. A kutatásomban megvizsgáltam a PID szabályozó alkalmazhatóságát az egyes munkapontok lineáris stabilitásvizsgálatával szabályozás mellett. Mind a szabályozott, mind pedig a szabályozás nélküli esetre készítettem numerikus szimulációkat, amelyekkel az elméleti eredmények helyessége belátható volt. A berendezéshez készítettem egy prototípust, amely segítségével méréseket végeztem, és bizonyítottam a két forgórészes megoldás megvalósíthatóságát. Tézisek 1. Tézis Kifejlesztettem egy újszerű megoldást menet közben, függetlenül beállítható frekvenciájú és amplitúdójú rezgések generálására. Ennek megvalósításához két, azonos fordulatszámon forgó kiegyensúlyozatlan forgórészt használtam, melyek közötti fázisszöggel adott frekvencia mellett a rezgés amplitúdója beállítható. A frekvencia és a fázisszög megfelelő beállításához szabályozás alkalmazása is célszerű. A megoldás alkalmazható olyan kisméretű heptikus vagy kísérleti berendezésekben, ahol hely hiányában a forgórészek excentricitásának változtatását

6 4 nem lehet bonyolult mechanizmusokkal megoldani, mégis a rezgés paramétereinek pontos beállítása és széles frekvenciatartomány szükséges. A tézishez kapcsolódó publikációk [1], [6], [9] és [11]. 2. Tézis Létrehoztam egy négy szabadsági fokú mechanikai modellt a két forgórészes rezgéskeltő eszközhöz, mellyel kimutattam a mechanikai szinkronizáció és a Sommerfeld-jelenség hatását. A szinkronizálódott, állandósult mozgás lineáris stabilitását megvizsgáltam, és kifejeztem a stacionárius bemeneti feszültség összeget és -különbséget dimenziótlan formában: valamint a rendszer stabilitását numerikusan meghatároztam a frekvenciahányados és a fázisszög függvényében. Ezt stabilitási diagramokon ábrázoltam az eszköz munkatartományában különböző paraméterek mellett. Megállapítottam, hogy általánosan a rezonanciafrekvencia alatt a forgórészek azonos fázisban ( ), míg rezonancia felett ellenfázisban ( ), szinkronizálódnak. Az elméleti eredményeket szimulációkkal és mérésekkel igazoltam. A tézishez kapcsolódó publikációk [2], [3], [4], [7], [8] és [10]. 3. Tézis Meghatároztam az ideális szabályozóval ellátott két forgórészes eszköz lineáris stabilitását analitikus úton a dimenziótlan szabályozó feszültség összegre és -különbségre. Különböző szabályozási paraméterek mellett elkészítettem a rendszer stabilitási diagramjait a működési tartományban, és ezek alapján elkülönítettem a szabályozó paraméterek hatásait a működési tartomány különböző területeire. A frekvencia arányos tagjának hatása gyakorlatilag a rezonancia környékén azonos fázisú mozgás során jelentkező instabil területre korlátozódik, ami a Sommerfeldjelenséggel van kapcsolatban. A fázisszög arányos tagja a mechanikai szinkronizáció hatását csökkenti, vagyis rezonancia alatt az ellenfázisú mozgást, rezonancia felett az azonos fázisú

7 5 mozgást stabilizálja. A fázisszög deriváló tagjának csak a rezonancia környékén fellépő instabil, ellenfázisú mozgás stabilitására van hatása. A frekvencia integráló tagjának legkisebb pozitív értéke mellett a Sommerfeld-jelenséggel kapcsolatos instabil terület megszüntethető. Végül a fázisszög integráló tagjának bármilyen pozitív értéke mellett az ellenfázisú mozgás rezonancia alatt és az azonos fázisú mozgás rezonancia felett stabilizálható, továbbá a rezonancia környékén fellépő instabil, ellenfázisú mozgás tehető stabillá. A tézishez kapcsolódó publikáció [4] és [10]. 4. Tézis Numerikus szimulációk segítségével megvizsgáltam a nem ideális hatásokat, melyek a digitális szabályozásból (mintavételi idő, szabályozó jel diszkrét értékei, lebegőpontos számábrázolás) és a frekvencia- és fázisszög méréséből (nulladrendű tartó, diszkretizáció) származnak, és ezzel bizonyítottam egy valós, szabályozott, két forgórészes eszköz megvalósíthatóságát. A megvalósított prototípus eszközön implementáltam egy PI szabályozót a frekvencia és egy PID szabályozót a fázisszög szabályozására. A szabályozó hatékonyságát kísérletekkel igazoltam különböző frekvenciák esetén, melyek beigazolták, hogy a kifejlesztett eszközzel lehetséges független frekvenciájú és amplitúdójú rezgések generálása. A tézishez kapcsolódó publikációk [2] és [5]. Publikációk Folyóiratcikkek [1] Miklós Á, Szabó Zs. Bőrön keresztüli információátvitel mechanikai rezgések segítségével. Biomechanica Hungarica, 7(1): [2] Miklós Á, Szabó Zs. Simulation and experimental validation of the dynamical model of a dual-rotor vibrotactor. Journal of Sound and Vibration, 334: (IF = 1,857) [3] Miklós Á, Szabó Zs. Vibrator with DC motor driven eccentric rotors. Periodica Polytechnica - Mechanical Engineering, 56(1): [4] Miklós Á, Szabó Zs. Mechanical Synchronization in Dual-Rotor Vibroactuator. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics, 13(1):41 42.

8 6 [5] Kuti J, Galambos P, Miklós Á. Output feedback control of a dualexcenter vibration actuator via qlpv model and TP model transformation. Asian Journal of Control, 17(4):1 11. (IF = 1,411) Konferenciakiadványban megjelent cikkek [6] Miklós Á, Szabó Zs. Advanced haptic feedback with multi-rotor vibrotactors. In The 4th IEEE Conference on Cognitive Infocommunicaitons (CogInfoCom 13): Chapters of the Future Internet Science and Engineering, pp , Budapest, Hungary. [7] Miklós Á, Szabó Zs. Simulation and experimental validation of the dynamics of a dual-rotor vibroactuator. In Dimitrovová Z, editor, Proceedings of the 11th International Conference on Vibration Problems, page 351, Lisbon, Portugal. Egyéb konferenciák [8] Miklós Á, Szabó Zs. DC motorokkal gerjesztett rendszerek jelleggörbéje rezonanciában és szinkronizációja. In Attila B, Edgár B and Sándor S, editors, XI. Magyar Mechanikai Konferencia, p 74, Miskolc Egyetemváros, Hungary. [9] Miklós Á, Szabó Zs, Advanced tactile feedback with dual-rotor vibrotactor. Investigating Dynamics in Engineering and Applied Science (IDEAS 2014), July 3-5, 2014, Budapest [10] Miklós Á, Szabó Zs. Mechanical Synchronisation in Dual-Rotor Vibroactuator. 84th Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics, March 18-22, 2013, Novi Sad, Serbia. Szabadalom [11] Miklós Á, Tóth A, Wohlfart R, Jurák M, Stépán G. Eljárás és rezgéskeltő eszköz mechanikai rezgés generálására. Hungarian patent pending, P (Submitted: ).