POLITECHNIKA ŚLĄSKA

w Gliwicach CKI - Rybnik

sem. VII Gr. Wieczorowa

LABORATORIUM z MECHATRONIKI

TEMAT: WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI SILNIKA PRĄDU STAŁEGO NAPĘDZAJĄCEGO AKTUATOR GŁOWIC DYSKÓW TWARDYCH

Sekcja:

Torbus Waldemar

Cofalik Piotr

Seruga Łukasz

1. CEL ĆWICZENIA I WSTĘP TEORETYCZNY.

W ćwiczeniu tym przedstawiono pomiary dla wyznaczenia charakterystyki statycznej silnika I= f(F) - siła ciągu cewki, przy pięciu różnych położeniach kątowych cewki silnika, w celu weryfikacji modelu matematycznego silnika prądu stałego, tzw. silnika VCM, napędzającego aktuator głowic dysku twardego.

W analizie dynamiki aktuatorów głowic dysków twardych używane są uproszczone modele matematyczne silników VCM (Voice Coil Motor - łukowe silniki prądu stałego wzbudzone od magnesów trwałych). Podstawowym założeniem upraszczającym jest przyjęcie równomiernego rozkładu pola magnetycznego w szczelinie silnika z pominięciem zjawisk skrajnych, co jest poprawne przy małych zakresach kątowych ruchu cewki silnika. W przypadku dużych zakresów kątowych ruchu cewki silnika przyjęcie stałej wartości indukcji w szczelinie prowadzi do znacznych błędów w modelowaniu stanów dynamicznych aktuatorów głowic. Przy dużych zakresach kątowych ruchu, silnik wytwarza różne wartości momentu napędowego (najmniejsze w położeniach skrajnych, a największe w położeniach środkowych).

Silnik VCM w istocie swojego działania wykorzystuje zjawisko powstawania siły oddziaływującej na przewodnik z prądem umiesz­czony w polu magnetycznym. Zakładając jednorodne pole magnetyczne (pochodzące od magnesu trwałego) pomiędzy dolnym i górnym jarzmem stojana, prostopadle skierowane do płaszczyzny wyznaczonej przez cewkę silnika VCM, siłę tą można obliczyć ze wzoru:

gdzie N- liczba zwoi cewki, l- czynna długość boku cewki, B- indukcja w szczelinie, i(t)- prąd cewki.

Ponieważ ruch cewki odbywa się po łuku na promieniu r, to moment działający na cewkę wynosi:

gdzie: K_t - oznacza stałą momentową silnika VCM.

Napięcie indukowane w cewce na skutek jej ruchu w jednorodnym polu magnetycznym, można obliczyć ze wzoru:

gdzie: Ω_VCM - prędkość kątowa.

Jak widać, stałe K_t i K_e są sobie równe. Równanie równowagi napięciowej obwodu twornika silnika VCM przyjmuje postać:

gdzie: u(t) - napięcie zasilające, R - rezystancja cewki, L - indukcyjność własna cewki.

Zakładając jeden stopień swobody ruchu układu aktuatora głowic, dużą sztywność konstrukcji nośnej cewki silnika VCM oraz E-bloku, równania ruchu przyjmują postać:

(6)

gdzie: ϑ_VCM - przemieszczenie kątowe,
- indukcyjność własna, rezystancja oraz liczba zwojów cewki silnika,
- wewnętrzny promień magnesu oraz długość cewki w polu magnesu trwałego,
- przemieszczenie i prędkość kątowa cewki,
- napięcie, prąd oraz rozkład indukcji w szczelinie powietrznej silnika (w płaszczyźnie cewki).

2. Polowy i OBWODOWY Model SILNIKA VCM.

Konstrukcja silnika VCM jest relatywnie prosta. Cewka wirnika silnika VCM umieszczona jest w polu magnesów trwałych segmentowych (obecnie coraz rzadziej stosowanych) lub jednolitych, w taki sposób że każdy bok cewki porusza się w polu magnetycznym skierowanym w przeciwnych kierunkach. Na rysunku przedstawiono wygląd przykładowego magnetowodu silnika VCM, składającego się z jarzma górnego i dolnego - (1), magnesów segmentowych - (2) (pomiędzy którymi porusza się cewka wirnika silnika VCM - w płaszczyźnie rysunku), dwóch kolumn (3) zamykających obwód magnetyczny.

Wykorzystując symetrię magnetowodu silnika VCM, obliczenia rozkładu indukcji wykonano dla jego ¼ części. Wynikowy rozkład przestrzenny indukcji w szczelinie powietrznej przedstawiono na rysunku.

Rozkład modułu indukcji w szczelinie powietrznej oraz w prawej kolumnie jarzma

Uzyskano w ten sposób rozwinięty 2-wymiarowy obwód magnetyczny silnika VCM (korzystając z jego symetrycznej budowy analizę polową ograniczono do ¼ obwodu magnetycznego), którego implementację w programie FEMLAB® przedstawiono na rysunku.

Siatka dla ¼ obwodu magnetycznego silnika VCM. (1) -jarzmo, (2) - magnes trwały, (3) -powietrze

Rozkłady przestrzenne indukcji - linia ciągła model 3D, linia przerywana model 2D

3.TABELA POMIAROWA I CHARAKTERYSTYKA SILNIKA

W celu zweryfikowania poprawności modelu matematycznego silnika VCM, wykonano pomiary charakterystyk statycznych prąd silnika - siła ciągu cewki, przy pięciu różnych położeniach kątowych cewki silnika. Pomiary siły dokonano po stronie mocowania zawieszenia głowic do E-bloku (potoczna nazwa fragmentu aktuatora głowic dla prądów wynoszących: 100,150,200,250,300,350,400,450.500 mA. Otrzymane rodziny charakterystyk statycznych przedstawiono na rysunku poniżej.

Lp.	I [mA]	F [N] - dla różnych wychyleń [ stopnie]
		0	5	10	15	20	25	30
1	0,1	0,26	0,25	0,27	0,28	0,27	0,37	0,14
2	0,15	0,33	0,32	0,39	0,37	0,35	0,45	0,23
3	0,2	0,54	0,51	0,61	0,5	0,43	0,54	0,33
4	0,25	0,64	0,61	0,72	0,62	0,59	0,63	0,43
5	0,3	0,74	0,71	0,82	0,75	0,71	0,71	0,57
6	0,35	0,85	0,83	0,94	0,86	0,81	0,83	0,72
7	0,4	1	1	1,1	1,02	0,96	1,04	0,9
8	0,45	1,13	1,11	1,25	1,15	1,08	1,13	1,01
9	0,5	1,26	1,24	1,4	1,28	1,21	1,24	1,12

3. PODSUMOWANIE

Obliczone przy pomocy metod polowych charakterystyki statyczne silnika VCM wykazują dobrą zgodność z wynikami pomiarów, szczególnie dla modelu polowego 3-wymiarowego. Istniejące rozbieżności wynikać mogą z braku precyzyjnych informacji o własnościach magnetycznych materiałów konstrukcyjnych silnika (badany egzemplarz silnika pozyskano z uszkodzonego logicznie dysku twardego). Błędy dla skrajnych położeń cewki modelu polowego 3-wymiarowego silnika mieszczą się (wg rys.10.) w granicach 9.7÷12%, natomiast dla modelu 2-wymiarowego oscylują w granicach 16.5%. Za takie rozbieżności może być odpowiedzialna taśma sprężysta, doprowadzająca zasilanie do cewki silnika oraz sygnały do głowic dysku twardego. Aproksymując otrzymane wyniki pomiarowe (dla położenia skrajnego - rys.10) linią prostą (bez ustawienia jej przecięcia w zerze) można oszacować wartość siły sprężystej na ok. 0,18 N. Wartość tej siły powinna być najmniejsza w drugim skrajnym położeniu cewki silnika - czyli w pobliżu wewnętrznej krawędzi talerza. Można się o tym przekonać dokonując aproksymacji najniżej położonej serii wyników prezentowanych na rys.7. Uwzględniając powyższy fakt w analizie wyników można stwierdzić, że dla rozpatrywanej geometrii obwodu magnetycznego silnika VCM, wystarczająco dobre przybliżenie rzeczywistości gwarantuje już model polowy 2-wymiarowy. Wprowadzając uzyskane rozkłady przestrzenne indukcji do modelu obwodowego silnika możliwe jest równie dobre odwzorowanie jego przebiegów dynamicznych.

---