فصل اول
ظهور یاتاقان های مغناطیسی
یاتاقان مغناطیسی که شافت را به جای تماس مکانیکی با نیروی مغناطیسی به حالت تعلیق در می آورند، چند دهه است که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. یاتاقان های مغناطیسی مزایای فراوانی ، از جمله توانایی کار در سرعت های بالا و قابلیت عملکرد بدون روغن کاری در محیط خلاء را به استفاده کنندگان عرضه می کنند. این یاتاقان ها بدون اصطکاک کار می کنند، فرسایش کمی دارند، در حین دوران ارتعاشات بسیار کمتری نسبت به بقیه یاتاقان ها ایجاد می کنند، می توانند مکان شافت را به دقت کنترل کنند، نیروهای خارجی وارد بر شافت را اندازه بگیرند و حتی شرایط کاری ماشین را تصویر کنند.

امروزه رشد تکنولوژی ، به ویژه در کنترل و پردازش دیجیتال، یاتاقان های مغناطیسی را به سوی طراحی نیرومندتر و به صرفه تر نسبت به گذشته هدایت کرده است. یاتاقان های امروزی برای محدودهِی گسترده ای از کاربردها، از تجهیزات نیمه هادی گرفته تا میکرو توربین ها و کمپرسورهای سرد سازی و پمپهای خلاء، مناسب هستند.

اساس کار یاتاقان های مغناطیسی
در سیستم یاتاقان مغناطیسی، محورها به وسیله ی نیروی الکترومغناطیسی حاصل از اعمال جریان الکتریکی به مواد فرومغناطیس یاتاقان ها، به صورت معلق نگه داشته می شوند. این سیستم شامل سه بخش اصلی است: محرک های یاتاقان، سنسورهای موقعیت، کنترل کننده و الگوریتم کنترل. دستگاه های معمولی شامل دو یاتاقان شعاعی مغناطیسی و یک یاتاقان مغناطیسی کف گرد می باشند. این یاتاقان ها، شافت را در راستای پنج محور کنترل می کنند؛ دو محور مربوط به هر یاتاقان شعاعی است و محور پنجم در طول شافت قرار دارد. یاتاقان های

مغناطیسی دارای اجزای ثابت و متحرک هستند که به ترتیب استاتور و روتور نامیده می شوند. استاتور یاتاقان های مغناطیسی شعاعی، به استاتور موتورهای الکتریکی شباهت دارد.
استاتور یاتاقان های شعاعی لایه لایه است، به این صورت که قطبهای مغناطیسی آن از لایه های نازک فلزی تشکیل شده است که بر روی هم قرار می گیرند و حلقه های سیم به دور قطب ها پیچیده می شوند.

جریان الکتریکی کنترل شده که از سیم پیچها می گذرد، یک نیروی جاذب روی روتور فرو مغناطیس ایجاد می کند و روتور را در فاصله ی هوایی به صورت معلق نگه می دارد. فاصله ی هوایی معمولاً حدود ۰/۵ میلی متر در نظر گرفته می شود و در برخی کاربرد های خاص می تواند به بزرگی ۲ میلی متر هم طراحی شود. روتور روی شافتی قرار می گیرد که در فاصله ی هوایی است و لزومی ندارد که در مرکز قرار گیرد. این خاصیت از لحاظ کاربردی مفید است زیرا می توان فرسودگی شافت و همچنین ارزش های آن را جبران کرد، مانند ماشین های سنگ زنی که در طول کارکرد فرسوده می شوند.

یک یاتاقان مغناطیسی کف گرد خرکت محوری را کنترل می کند. روتور یاتاقان کف گرد، یک دیسک توپر آهنی است که به شافت متصل شده و در یک فاصله مشخص از استاتور، در یک طرف یا هر دو طرف شافت، قرار می گیرد. در حین کار، نیروی الکترومغناطیسی تولید شده به وسیله ی استاتور؛ روی روتور عمل کرده و حرکت محوری را کنترل می کنند. یاتاقان های مغناطیسی، همچنین شامل یاتاقان های کمکی هستند. کار اصلی این یاتاقان ها نگه داشتن شافت هنگام خاموش بودن دستگاه است. این یاتاقان ها اجزای دستگاه را در هنگام قطع برق یا خرابی محافظت می کنند. رینگ داخل یاتاقان های کمکی، از فاصله ی هوایی یاتاقان های مغناطیسی کوچکتر است تا از آسیب دیدگی شافت در هنگام ارتعاش جلوگیری کند.

سیستم های کنترل
سیستم کنترلی، جریان یاتاقان ها را تنظیم می کند و در نتیجه نیروی یاتاقان ها را سامان می بخشد. حین فعالیت، سنسورهای تعیین موقعیت طولی و شعاعی، داده های حرکت و مکان شافت را به منترل کننده می فرستند.
این کنترل کننده موقعیت مطلوب و واقعی شافت را مقایسه کرده و نیروی لازم برای نگه داشتن شافت در موقعیت فعلی را محاسبه می کند و در صورت نیاز به

تقویت کننده، دستور تنظیم جریان، جهت کاهش یا افزایش شار مغتاطیسی را می دهد .
بخشهای اصلی سیستم کنترل DSP ( پردازش سیگنال های دیجیتال )، منبع تغذیه و تقویت کننده ها هستند. به طور کلی هرچه دستگاه بزرگتر باشد، به تقویت کننده های بزرگتری نیاز دارد.
اندازه ی کنترل کننده نیز به دینامیک بار مورد نیاز بستگی دارد که عموماً در دستگاههای سنگین تر، بزرگتر است.
شافت می تواند از طریق الگوریتم های تک ورودی – تک خروجی (SISO) و یا چند ورودی – چند خروجی (MIMO) برای سرعتهای بالا و کاربردهای مورد نیاز، کنترل شود. کنترل کننده توسط سیگنال هاییی با فرکانس ۱۰ کیلو هرتز، موقعیت دقیق شافت را اندازه گرفته و تحلیل می کند و سپس دستور مناسب را صادر می نماید. به این ترتیب قابلیت کنترل دقیق یا تاقان هایی با حداکثر سرعت ۱۰۰/۰۰۰ دور در دقیقه فراهم می شود.

ی این است که کنترل کننده، خود عمل نمایش شرایط کاری دستگاه را انجام می دهد. نرم افزارهایی مانندMBS ، اطلاعات جرئی بسیاری، در مورد سلامت دستگاه مهیا کرده و برنامه ی نگهداری و مراقبت را بهینه می کنند.

این نرم افزار، ابزارهایی دارد که می تواند پارامترهای ورودی را همساز کرده و تفاوت آنها را قبل از شروع دستگاه بررسی کند. ابزارهای تصویری آن ، یک نمایش دهنده موقعیت جریانها و نیروها به صورت لحظه ایو یک سیستم هشدار که کلیه متغیرهای سیستم را قبل و بعد از یک اتفاق غیر عادی در کنترل می گیرد، هستند. این ابزارها مشاهده ی اطلاعات سیستم در شکلهای مختلف جهت همسازی ورودی ها و مشخصات دستگاه را امکان پذیر می سازد.

سیستم ابزار تطابق پذیر AVC یک ابزار مهم دیگر است. AVC نیروهای لازم برای از بین بردن ارتعاشات را از دو راه حساب می کند یک راه این است که به شافت اجازه می دهد که حول کحور هندسی اش بگردد، از این رو به طور دقیق جابجایی شافت را کنترل می کند و انحراف ناشی از نامیزان بودن شافت را از بین می برد. این کاربرد در دقت های بالا مانند ماشین های ابزار، مفید است. راه دیگر این است که شافت را حول محور گذرنده از مرکز جرم می گرداند تا ارتعاشات منتقل شده به بدنه یا محفظه را تا ۰۱/۰ میلی متر کاهش دهد. این طرح در پمپهای توربومولکولی و تجهیزات نیمه هادی بسیار ارزشمند است.

AVC می تواند ضریب اطمینان را بالا ببرد و فاصله ی زمانی سرویس کردن دستگاه را کاهش دهد. این ساختار تطبیقی ، ارتعاشات را کاهش می دهد. حتی زمانی که موتور در طول زمان کهنه و کثیف می شود با زا بین بردن پردازش اغتشاشات، می تواند محدوده ی عملکرد دستگاه را گسترش بخشد.

ملاحظات طراحی
هدف نهایی از طراحی یاتاقان های مغناطیسی، چرخش بدون تماس و مطمئن در کل محدوده ی سرعت دستگاه است. کاهش اندازه سیستم های کنترل دیجیتال، یعنی راه حل با صرفه تر ، و طراحی یاتاقان های مغناطیسی فشرده به معنی تولید دستگاه های کوچکتر و قوی تر است.
سرعت، بار و محیط کاری سه غامل اصلی در توسعه ی سیستم یاتاقان های مغناطیسی هستند. استحکام مکانیکی شافت غالباً عامل محدود کننده ی سرعت است.

ظرفیت استاتیکی ( نیروی بیشینه ای که یاتاقان های مغناطیسی برای نگه داشتن شافت تولید می کنند ) تابعی از متغیرهایی مثل جریان تقویت کننده، مساحت قطبهای مغناطیسی، تعداد حلقه های سیم پیچ و ابعاد فاصله های هوایی است. یک قاعده ی سر انگشتی خوب این است که این مقدار را برابر ۷۵ نیوتن بگیریم.

ظرفیت دینامیکی ( محدوده ای که نیروی اعمالی یاتاقان های مغناطیسی تغییر می کند) فقط با یک متغیر یعنی ولتلژ تقویت کننده مشخص می شود.
به عنوان مثال فرض کنید یاتاقان مغناطیسی ۱۵۰ نیوتنی به سیستم کنترلی با ولتاژ ۴۰ ولت و جریان ۲ آمپر متصل است. رفتن به محدوده ی ۲۰۰ نیوتنی با افزایش تعداد حلقه های سیم پیچ ها و مساحت قطب های مغناطیسی، به معنی افزایش ظرفیت استاتیکی است. اگر کنترل کننده ثابت بماند در حال تاثیری روی بار ظرفیت دینامیکی نخواهد داشت (فقط ظرفیت استاتیکی تغییر می

کند) و توانایی کنترل نامیزانی ها و سایر نیروهای دینامیکی ثابت می ماند. برعکس، تعویض یاتاقان مغناطیسی ۱۵۰ نیوتنی مورد نظر با یک یاتاقان ۱۵۰ نیوتنی دیگر با سیستم کنترلی ۵۰ ولتی ۳ آمپری، ظرفیت دینامیکی سیستم را افزایش می دهد، اما تاثیری روی ظرفیت استاتیکی ندارد.

کاربردهای مختلف
طراحی منحصر به فرد و قابلیت های گسترده ی بلبرینگ های مغناطیسی، موجب کاربردهای مختلف آنها، به عنوان مثال در ساختن لایه های فابریک نیمه هادی ها و به ویژه در ساختن لایه های نازک سیلیکون، می شود بلبرینگ های مغناطیسی در این گونه کاربردها که به ارتعاش و لرزش بسیار حساسند، می توانند موجب افزایش پایداری شوند.

از آنجا که بلبرینگ های مغناطیسی فاصله ی هوایی دارند، برای کارهای خاص بیولوژیکی استفاده می شوند. سلول های خونی و سایر مایعات می توانند از این فاصله ی هوایی بدون هیچ گونه خسارتی عبور کنند.
کمپرسورهای سردسازی، نمونه ی دیگری از کاربردهای مهم بلبرینگ های مغناطیسی هستند. بلبرینگ های مغناطیسی می توانند در سرعت های بالا که کورد نیاز مبرد های جدید است، کار کنند و بر خلاف بلبرینگ های معمولی که با روغن خنک می شوند، هیچ تاثیری از جهت ایجاد آلودگی روی مبرد ندارند. بلبرینگ های مغناطیسی همچنین می توانند به طور دقیق عایق بندی شوند و لذا برای فرایندهایی که با سیالات مخرب سرو کار دارند، قابل توجه هستند.

مزیت بلبرینگ های مغناطیسی
بلبرینگ ها ی مغناطیسی بدون هیچ گونه تماسی کار می کنند. این منجر به خصوصیات ویژه ای می شود که گستره ی کاربرد این بلبرینگ ها را وسعت می بخشد. برای کاربردهایی که دارای یکی از خصوصیات زیر هستند، عموماً بلبرینگ های مغناطیسی سودمند هستند.
عدم نیاز به روغن کاری: سیستم های روغن کاری برای بقیه ی انواع یاتاقان ها ، گران قیمت، غیر قابل اطمینان و غیر ایمن هستند. روان کننده ها برای محیط زیست خطر آفرین هستند و دور ریختن آنها هم معضل دیگری است. در صورتی که هیچ کدام از این موارد برای یاتاقان های مغناطیسی مطرح نیست.

ایمنی: این بلبرینگ ها از لحاظ ایمنی قابل مقایسه با موتورهای الکتریکی هستند و معقول است که انتظار داشته باشیم عمری حدود ۱۵ تا ۲۰ سال داشته باشند. سیستم کنترلی آنها هم یک عمر پایدار نسبی پنج ساله داردکه قابل مقایسه با عمر اجزای الکتریکی معمولی است.
کاربرد در خلاء: محیط های با خلاء زیاد برای خنک کننده ها ، محیط های ناسازگاری برای فعالیت هستند.

بسیاری از سیستم ها در خلاءهای بالا (torr16 -10 )به شدت به آلودگی خنک کننده های با شرایط متغیر، حساس هستند.
ارتعاش کم: بلبرینگ های مغناطیسی برای کاربردهایی که به ارتعاشات دستگاه حساس هستند، بسیار مناب هستند.
اندازه گیری نیرو: کنترل کننده می تواند مقدار و جهت نیروی بلبرینگ ها را با اندازه گیری جریان و موقعیت آن اندازه بگیرد که این خصوصیت بسیار ویژه ای برای طراحان است. این نیروها با دقت پنج درصد قابل اندازه گیری هستند.
کنترل موقعیت محور: چون سنسورها موق

عیت شافت را نمایش می دهند، سیستم کنترلی می تواند موقعیت آن را بر حسب اطلاعاتی که از سنسورها می گیرد، تغییر دهد. به عنوان مثال، سیستم کنترلی می تواند با جبران سازی موقعیت طولی، شافت را طی کار تثبیت کند.
دقت: کنترل دقیق می تواند، جابجایی شافت را در اثر نامیزانی ها از بین ببرد، که این کار با استفاده از سیستم کنترلی تطبیقی (Adaptive) انجام می شود. جابجایی شافت در همان سرعت می تواند تا حدود یک میلی متر کاهش پیدا کند که برای ماشن های ابزار برش، بسیار قابل توجه است.
عملیات غوطه وری: بلبرینگ های مغناطیسی می توانند به طور مستقیم داخل سیال کار کنند و نیاز به آب بندی ندارند که این مورد ، هزینه دستگاه را کاهش می دهد.
کاهش مصرف انرژی: بلبرینگ های مغناطیسی، نیروی اصطکاک را کاهش داده و بازده دستگاه را افزایش می دهند. عدم نیاز به سیستم خنک کاری هزینه های مربوط به پمپ ها و فن های سرد کننده را کاهش می دهد.

نمایش شرایط کاری: بلبرینگ های مغتاطیسی قابلیت نمایش شرایط کارکرد را دارند که این ، نیاز به وسایلی نظیر سنسورهای ارتعاشی و یا شتاب سنج ها را از بین می برد. علاوه بر آن از طریق سیستم کنترلی بلبرینگ های مغناطیسی، به طور مستقیم شافت و سیال کاری قابل مشاهده است.
کنترل فاز: امروزه پردازشگرهای دیجیتالی کارهای بیشتری غیر از کنترل بلبرینگ های مغناطیسی انجام می دهند و باعث افزایش مزیت بلبرینگ های مغناطیسی نسبت به بلبرینگ های ساده می شوند که از جمله ی آنها می توان کنترل فاز را نام برد.
طرح هماهنگی شافت با سیگنال های خارجی ، عملیات تطابق شافت را (فاز) تا ۰۵/۰ مقدار مرجعش در سرعت هایی حدود ۳۶۰۰۰ دور در دقیقه موقعیت دهی می کند. کنترل فاز در عملیاتی مثل جداسازی نوترون کاربرد دارد.
آلودگی ( آلایندگی ): فرایندهایی که به آلودگی های بسیار کم نیز حساسند از یاتاقان های مغناطیسی که دارای قطعات و میله هایی از جنس فولاد ضد زنگ، هستند سود می جویند با ظهور ورقه های بسیار نازک نیمه هادی ۳۰۰ میلی متری و یا ابزارهای با اندازه حدود ۰٫۲۵mm ، حذف آلودگی های کوچک امری ضروری به نظر می رسد.

فاصله هوایی: بعضی کاربرد ها از عملکرد بدون تماس استفاده می کنند. به عنوان مثال در بیوتکنولوژی، پمپهای قلب یا مخلوط کننده ها ، از عدم ایجاد بین سطوح تماس برای جلوگیری از وارد کردن آسیب به سلول ها، استفاده می کنند. در نساجی، تارها و نخ ها می توانند از فاصله ی هوایی رد شوند. فاصله ی هوایی می تواند تا ۲ mm باشد.
سرعتهای بالا: سرعت توسط مقاومت مکانیکی شافت محدود می شود. سرعت خطی ( محیطی ) در یاتاقان های شعاعی در حدود DN *1063.5 ( قطر mm * rmp ) می باشد. هنگامی ارزش این خصوصیت را بیشتر در می یابیم که می فهمیم روغن کاری در این شرایط بسیار مشکل است.

فصل دوم
اصول و مبانی یاتاقان های مغناطیسی
در این فصل با اصول و مبنای کار یاتاقان های مغناطیسی آشنا می شویم.
این فصل شامل بخشهای زیر می باشد:
۱- یاتاقان های مغناطیسی: تعریف ابتدایی از یاتاقان های مغناطیسی
۲- اجزاء یاتاقان مغناطیسی و عملکرد هریک: معرفی اجزا یاتاقان مغناطیسی و بیان نقش هر یک در سیستم
۳- یاتاقان ها و سنسورها: تشریح یاتاقان های مغناطیسی و نحوه استفاده از سنسورها در آنها
۴- سیستم کنترل: تشریح سیستم کنترل یاتاقان های مغناطیسی
۵- الگوریتم کنترل: تشریح الگوریتم کنترل یاتاقان های مغناطیسی

۱- یاتاقان های مغناطیسی:
یاتاقان های مغناطیسی با ترکیب سه تکنولوژی متفاوت ایجاد می شوند:
۱- یاتاقان ها و سنسورها که سخت افزار الکتریکی- مکانیکی هستند و به وسیله ی آنها سیگنال های ورودی جمع آوری شده و نیروهای وارد بر سیستم تحمل می شود.

۲- سیستم کنترل که تامین کننده توان مورد نیاز و نیز کنترل الکترونیکی برای بررسی شرایط سیگنالها می باشد. محاسبه نیروهای جبران کننده و فرستادن فرکانسهای لازم به تقویت کننده ها برای کنترل هر محور از وظایف و قابلیت های این بخش می باشد.
۳- الگوریتمهای کنترل که نقش نرم افزار را در یاتاقانهای مغناطیسی با سیستم کنترل دیجیتالی را ایفا می کنند. پردازش سیگنالهای ورودی پس از تعیین شرایط آنها و محاسبه سیگنالهای دستوری ارسالی به تقویت کننده ها، از وظایف عمده این بخش است.

۲- اجزا یاتاقان مغناطیسی و عملکرد هر یک :
یاتاقان های مغناطیسی با اعمال جریان الکتریکی به بخش های ثابت و متحرک ( به ترتیب استاتور و روتور ) باعث معلق شدن محور بوسیله نیروهای جاذبه آهنرباهای الکتریکی می شوند. این مسئله باعث ایجاد یک مسیر شار مغناطیسی می شود که هر دو قسمت استاتور و روتور و فاصله هوایی جداکننده آنها را در بر می گیرد.
این فاصله هوایی همان عاملی است که باعث عملکرد بدون تماس یاتاقان های مغناطیسی می شود. هنگامی که فاصله هوایی بین این دو قسمت کاهش می یابد، نیروی جاذبه افزایش می یابد. بنابراین آهنرباهای الکتریکی ذاتاً ناپایدارند. پس به یک سیستم کنترلی نیازمندیم تا بتواند جریان اعمالی به سیم پیچ ها را تنظیم کرده و پایداری نیرو ها را تامین کند و در نتیجه موقعیت روتور را تثبیت نماید.

فرایند کنترل با تعیین و اندازه گیری موقعیت روتور توسط سنسورهای موقعیت آغاز می گردد. سیگنالهای تولید شده این سنسور توسط کنترل الکترونیکی دریافت شده و با موقعیت مطلوب روتور که در ابتدای راه اندازی ماشین به آن داده می شود، مقایسه می گردد.
وجود هرگونه اختلاف بین این دو سیگنال باعث آغاز عملیات محاسبه نیروی لازم برای باز گرداندن شافت به موقعیت مطلوب آن می شود.
نتایج این محاسبات به صورت دستوری به تقویت کننده هایی که به استاتور یاتاقان مغناطیسی متصل اند فرستاده می شود. جریان افزایش یافته و سبب افزایش شار می شود. افزایش شار مغناطیسی، افزایش بین نیروی استاتور و روتور را به دنبال دارد که در نهایت به حرکت روتور به سمت استاتور در امتداد محور مورد کنترل می انجامد.

همه عملیاتی که در بالا ذکر شد، هزاران بار در ثانیه تکرار می شود و باعث کنترل دقیق ماشین های دوار در سرعت هایی بیش از ۱۰۰۰۰۰ rmp می شوند.
۳- یاتاقان ها و سنسورها:
برای انجام حمایت از محور در بیش از یک جهت ، قطب های مغناطیسی برروی محیط یاتاقان شعاعی آرایش می یابند. شکل زیر را ببینید.

ساختار یاتاقان شعاعی بسیار شبیه موتور الکتریکی است و از تجمع ورقه های فولادی تشکیل شده است سیم پیچ ها به دور آنها پیچیده می شوند. از ورقه های فولادی در روتور تیز برای کاهش جریان های گردابه ای استفاده می شود. این جریانها خود عاملی برای اعمال یک نیروی کششی بر روی روتور و ایجاد حرارت در برخی نقاط می شوند.

سنسورها نیز بر روی محیط استاتور آرایش می یابند و معمولاً در داخل یک حلقه یا یک لوله اخنصاصی و در مجاورت قطب های استاتور قرار می گیرند. سنسورهای القایی که مورد استفاده قرار می گیرند، اندوکتانس فاصله هوایی بین سنسور و روتور را اندازه می گیرند. در راستای هر محور دو اندازه گیری انجام می شود و موقعیت مرکز روتور نیز به وسیله یک مدار پل محاسبه می شود.
به یک ماشین معمولی در جهتهای شعاعی و محوری نیرو وارد می شود. معمولاً از یک جهت یابی ۵ محوری در یاتاقان های مغناطیسی استفاده می شود که شامل دو یاتاقان شعاعی ( که هر یک دو محور دارند ) و یک یاتاقان کف گرد ( با یک محور ) می شود.
یاتاقان کف گرد یک مسیر شار بین روتور دیسکی شکل و دو استاتور در دو طرف آن ایجاد می کند شکل یک یاتاقان کف گرد که بر رو.ی محور موازی شده است در زیر آمده است:

۴- سیستم کنترل
سیستم کنترل از سه بخش زیر تشکیل شده است:
۱- پردازشگر سیگنالهای دیجیتال (DSP)
2- تقویت کننده ها
۳- منبع تغذیه
مدارات دیگری نیز وجود دارند که وظیفه اصلاح سیگنال های دریافت شده از سنسورهای موقعیت و نیز تبدیل خروجی های پردازشگر سیگنال به ورودی هایی برای تقویت کننده ها را بر عهده دارند.
بنابر این این امکان برای کاربر ماشین ایجاد می شود که بتواند اطلاعاتی را در مورد موقعیت مطلوب روتور وارد کرده و منطقی را تعریف کند که موقعیت روتور با شرایط کاری مختلف ماشین هماهنگ شود ( منظور از شرایط کاری مختلف ماشین، راه اندازی ، گرم کردن، حالت خاموش و … است )

سیستم های کنترل یاتاقان های مغناطیسی می توانند از دو نوع آنالوگ و دیجیتال باشند.
سیستم های کنترل آنالوگ بیش از ۳۰ سال است که در یاتاقان های مغناطیسی مورد استفاده قرار می گیرند. اما به سرعت در حال واگذاری جای خود به سیستم های کنترل دیجیتال هستند.
سیستم های کنترل دیجیتال از پیشرفت های عظیم علم پردازش سیگنال دیجیتال در یک دهه اخیر بهره مند می باشند و انواع گسترده تری از الگوریتمهای کنترل را قابل استفاده می سازند و در نتیجه اهداف بزرگتر و بیشتری را در دسترسی ما قرار می دهند.
زیر مجموعه های کنترل دیجیتال یاتاقان های مغناطیسی عبارتند از : پردازش سیگنا

ل موقعیت، پردازش سیگنال دیجیتال، ارتباطات و محاورات D/A منبع تغذیه و تقویت کننده ها.
سیستم های کنترل کوچک که برای پمپهای توربو مولکولی مناسب اند به اندازه یک جعبه کفش می باشند و قادر به تامین توانی معادل ۲۵w برای سیستم یاتاقان می باشند.
سیستم های کنترل بزرگتر که قابلیت تولید توانهایی بیش از ۱۰kw را دارند، در توربوماشینهای بزرگتر مانند پمپها، توربینها و کمپرسورهای گریز از مرکز بکار می روند و طوری طراحی می شوند که با چهارچوب استاندارد صنعت الکترونیک همخوانی داشته باشند.

۵- الگوریتم کنترل
برای هر گروه خاص از یاتاقان ها یک طرح کنترلی لازم است که در آن ، رفتار جرم معلق و دوار در محدوده عملکرد سیستم ( سرعت، شتاب، نیروهای دینامیکی و… ) مورد محاسبه و پیش بینی قرار می گیرد. این خصوصیات در تحلیل دینامیکی محور بیان می گردند. اطلاعات به دست آمده سبب دستیابی به یک تابع انتقال برای سیستم کنترل می شود که دستیابی به پایداری سیستم در محدوده عملکرد را امکان پذیر می سازد. این تابع انتقال در سیستم های کنترل آنالوگ تحت عنوان مدار کنترلی سخت افزاری وجود دارد و بایستی برای هر هدف و کاربرد خاص بطور جداگانه ای طراحی و ساخته شود. انعطاف و تحمل این سیستم نسبت به تغییرات سیستم اصلی، محدود است و ایجاد هرگونه تغییر و تبدیل، سخت و هزینه بر می باشد.

سیستم های کنترل دیجیتالی این امکان را به تابع انتقال می دهند که در یک نرم افزار برنامه ریزی شود که این نرم افزار می تواند به سادگی و با هزینه کم، تغییر یابد.همچنین کنترل دیجیتال به ما اجازه می دهد که از طرح های کنترلی مدار باز نیز استفاده کنیم. این طرح کنترلی، از سیگنالهای خارجی متغیر استفاده می کنند که مانند سیگنالهای مرجع و سیگنالهای سنسوری هستند که در سیستم های مدار بسته استفاده می شوند.

فصل سوم
مزایا و محدودیت ها
یاتاقان های مغناطیسی معمولاًدر جاهایی مورد استفاده قرار می گیرند که دارای توانایی های برتری نسبت به انواع دیگر یاتاقان ها می باشند. این توانایی ها تابعی از عوامل زیر می باشند:
۱- قابلیت اعتماد بالا
۲- پاکیزگی
۳- کاربرد در سرعتهای بالا
۴- کنترل موقعیت و ارتعاشات
۵- شرایط خاص و ویژه
۶- طراحی، ارتقاء و آزمایش دستگاهها
۷- عیب یابی ماشین/ ماشینهای هوشمند

۱- قابلیت اعتماد بالا:
با استفاده از یاتاقان های مغناطیسی هیچگونه تماسی بین اجزاء ثابت و دوار وجود ندارد و این بدان معناست که هیچگونه فرسایشی اتفاق نم افتد. در اغلب موارد، خطا ناشی از مشکلات الکترونیکی کنترل و تغذیه و یا وجود اشکال در سیم پیچی های الکتریکی، می باشد.
این اجزاء نیز دارای عمر بسیار بیشتری نسبت به یاتاقان های معمولی هستند. یاتاقان های مغناطیسی تنها گروه یاتاقانها هستند که به همراه یاتاقان های پشتیبان بکار گرفته می شوند. علاوه بر این، این یاتاقان ها داراییک سیستم داخلی محافظت در برابر اضافه بار هستند. یاتاقان های مغناطیسی می توانند واحد کنترل پردازش سیگنال را در مواقع وجود اضافه بار فوراً از کار بیاندازند.

یاتاقان های مغناطیسی باعث ایجاد قابلیت اعتماد بالا و فواصل تعمیرات طولانی می شوند. و این برای کاربرد های حساس به زمان مانند تولید نیمه هادی ها ، پمپهای خلاء و تجهیزات متراکم سازی بکار رفته در خطوط لوله گاز طبیعی، بسیار مفید است.

۲- پاکیزگی:
در یک سیستم یاتاقان مغناطیسی، تولید ذرات ریز ناشی از خوردگی و سائیدگی و نیز نیاز به روغنکاری، حذف شده اند. بنابراین در فرایندهای پاکیزه، امکان آلودگی بوسیله روغن، گریس و ذرات جامد وجود ندارد.
یاتاقان های مغناطیسی یک راه حل خشک، پاکیزه و اقتصادی برای موارد زیر محسوب می شوند: تولید تجهیزات نیمه هادی، پمپهای خلاء، کمپرسورهای گاز و هوا و بسیاری از توربوماشینهایی که لازم است در سیال فرایند ( حتی تحت فشار ) فرو روند ( غرق شوند ).

۳- کاربرد در سرعتهای بالا:
این مسئله که روتور در هوا و بدون تماس با استاتور می چرخد، بدان معناست که نیروی کششی مزاحم وارد شده به روتور به حداقل می رسد. این مسئله به یاتاقان های مغناطیسی این امکان را می دهد در سرعت های فوق العاده بالا نیز بکار گرفته شوند. در این شرایط تنها محدودیت موجود ، مقاومت تسلیم ماده تشکیل دهنده روتور است.

در شرکت Revolve یاتاقان های مغناطیسی با سرعتهای سطحی ۲۵۰m/s یا ۴٫۵million.DN طراحی شده اند که در آن DN عبارتست از قطر بر حسب میلی متر ضرب در دور بر حسب rpm. برای دستیابی به سرعتی معادل یک چهارم این سرعتدر یاتاقان های معمولی ، به یک سیستم روغنکاری بسیار پیچیده نیاز است. هیچ یک از انواع یاتاقان ها از این حیث قابل مقایسه با یاتاقان های مغناطیسی نیستند. یاتاقان های مغناطیسی توانایی استفاده در سرعتهای بسیار بالا مانند اسپندل ماشین های ابزار و توربو کمپرسورها را دارند.

۴- کنترل موقعیت و ارتعاشات:
یاتاقان های مغناطیسی از الگوریتمهای پبشرفته برای تاثیر گذاشتن بر حرکت محور استفاده می کنند. در نتیجه دارای توانایی ذاتی در کنترل دقیق موقعیت محور تا حد میکرون و حذف ارتعاشات به روش مجازی می باشند.

یاتاقانهای مغناطیسی راه حل ساده ای را برای مشکلات زیر در اختیار ما قرار می دهند:
• ارتعاشات اجزاء دوار در اثر نامیزانی: کنترل ارتعاشات نامیزانی در بسیاری از کاربردها مهم است مخصوصاً در توربوماشینها ، اسپندل ماشینهای ابزار و پمپهای خلاء
• انتقال ارتعاشات از اجزاء متحرک به اجزا ثابت که از این طریق به سایر اجزاء نیز منتقل می شود. این موضوع در کاربردهای حساس به ارتعاش مانند تجهیزات تولید نیمه هادی ها و ابزارهای تحلیلی، بسیار مهم است.
• کنترل دقیق محل روتور بدون توجه به اختلالات ( پارازیتهای ) خارجی
این خصوصیت در اسپندل ماشینهای ابزار با سرعتهای بالا ، بسیار مهم است.
• تعیین محل روتور بر مبنای برخی متغیرهای خارجی. این خاصیت در ابزارهای فرایند و اسپندل های ماشین های ابزاربا سرعت های بالا کاربرد دارد.
• کنترل فرکانسهای تشدید سازه ای از روتور یا تگیه گاههای الاستیک که در توربوماشینها و موتورهای با سرعتهای بالا اهمیت زیادی دارد.

۵- شرایط خاص:
دما: یاتاقان های مغنازیسی قادر به کار در دامنه وسیعی از دما هستند. شرکت Revolve برای کاربردهاییدر دمای -۲۵۶c تا ۲۲۰c نیز یاتاقان تولید کرده است یعنی شرایطی که یاتاقان های سنتی نمی توانند در آن کار کنند.
سیالات خورنده: یاتاقان های مغناطیسی را می توان با قرار دادن در اجزاء دوار و ثابت در قوطی های خاص، در محیط های خورنده نیز مورد اتفاده قرار داد.
فشار: یاتاقان های مغناطیسی بطور مجازی نسبت به فشار ، غیر حساس هستند. این یاتاقان ها را می توان بدون نیاز به آب بندی در شرایط غوطه ور ( غرق ) در سیال فرایند و تحت فشار بکار برد ( مانند یاتاقان های معمولی ). این یاتاقان ها همچنین می توانند در خلاء نیز بکار گرفته شوند که در این حالت حتی عملکرد موثرتری نیز خواهند داشت زیرا در این حالت اثر اصطکاکی هوا وجود ندارد.

۶- طراحی، ارتقاء و آزمایش دستگاهها:

از یاتاقان های مغناطیسی به عنوان محرک (exciter) می توان استفاده کرد که در این حالت نیروی یاتاقان برای ارتعاشات تحریک عمدی تنظیم می شود. نیروی تحریک، بدون ایجاد تماس، به روتور وارد می شود و می توان آن را به طور دقیق اندازه گیری کرد.
این خصوصیت ، یاتاقان های مغناطیسی را به ابزاری ارزشمند در طراحی، ارتقاء و آزمایش دستگاهها، تبدیل می کند ( همانگونه که در تحقیقات خصوصیات دینامیکی روتور مطرح می شود).

۷- عیب یابی ماشین / ماشینهای هوشمند:

 

برای انجام کامل وظایف، یک یاتاقان مغاطیسی بایستی موقعیت روتور، ارتعتشات روتور و بار یاتاقان را تشخیص داده و تعیین کند. این اطلاعات که در واحد کنترل الکترونیکی مورد پردازش قرار می گیرند، می توانند به عنوان ورودیOEM و یا کاربر نهایی مورد استفاده قرار گیرند و بدین طریق همیشه اطلاعاتی ثابت درباره شرایط کاری ماشین وجود دارد. این مسئله به کاربر اجازه یافتن خطاهای ابتدایی و نگهداری از مجموعه طرح را داده و عملکرد بهینه سیستم را به دنبال دارد.

محدودیتهای یاتاقان های مغناطیسی:
۱- یاتاقان های بزرگتر: یاتاقان های مغناطیسی دارای یک ظرفیت بار مخصوص می باشند ( حداکثر بار بر واحد سطح ) که از سیستم های یاتاقان های دیگر کمتر است. این مسئله باعث می شود که یاتاقان های مغناطیسی از لحاظ فیزیکی بزرگتر از یاتاقان های مشابه باشند.
۲- پیچیدگی بیشتر: پیچیدگی بیشتر یاتاقان های مغناطیسی معمولاً بدین معناست که هزینه اولیه این یاتاقان ها بیشتر از تکنولوژی های دیگر است. البته هزینه یاتاقان های مغناطیسی در طول سیکل کاری، غالباً کمتر از یاتاقان های قدیمی و معمولی است.

۳- نیاز به انرژی الکتریکی: یاتاقان های مغناطیسی برای تغذیه واحد کنترل ، سنسورها و آهنرباهای الکتریکی نیازمند انرژی الکتریکی هستند.

فصل چهارم
یاتاقان های مغناطیسی چگونه کار می کنند
عملکرد یاتاقان های مغناطیسی بر این اصل استوار است که یک آهنربای الکتریکی، مواد فرو مغناطیس را جذب می کند ( شکل زیر ) بنابراین یک روتور فرو مغناطیس می تواند در یک میدان مغناطیس که توسط آهنرباهای الکتریکی استاتور ایجاد می شود، معلق باقی بماند.
از آنجا که استاتور ذاتاً تمایل دارد روتور را آنقدر به خود جذب کند که تماس بین آنها ایجاد شود، بنابراین انجام یک سری عملیات کنترلی برای تعدیل میدان مغناطیسی و قرار دادن روتور در موقعیت مطلوب، لازم به نظر می رسد.
رایج ترین نوع سیستم کنترل شامل یک فیدبک ( بازخورد ) از موقعیت شفت می باشد. سپس این اطلاعات توسط سیستم کنترل برای تعدیل میدان مغناطیسی بوسیله تقویت کننده ها، بکار گرفته می شود. بنابراین موقعیت مطلوب روتور، حتی در شرایطی که شرایط بار (محور) متغیر است نیز قابل دستیابی است.

یک سیستم یاتاقان مغناطیسی Active تشکیل شده است از آهنرباهای الکتریکی محرک، سنسورهای موقعیت، تقویت کننده ها و یک سیستم کنترل. محرکها و سنسورها در درون ماشین قرار می گیرند در حالی که سیستم کنترل و تقویت کننده ها در خارج از ماشین قرار می گیرند.

یاتاقان های شعاعی: Radial Bearings
یک سیستم معمولی دارای دو یاتاقان شعاعی و یک یاتاقان محوری ( کف گرد ) می باشد. هریک از این یاتاقان های شعاعی دارای یک استاتور بوده و یک سیستم حسگر نیز در مجاورت روتور آنها نصب شده است. این روتور خود بر روی محور ماشین سوار شده است.

روتور از تجمع تعدادی ورقه های حلقوی تشکیل شده است که بر روی یک قطعه بوش مانند قرار می گیرند و این مجموعه بر روی محور ماشین جا زده می شود. این ورقه ها برای کاهش تلفات جریان گردابه ای و افزایش قابلیت واکنش یاتاقان ( به شرایط جدید ) بکار گرفته می شوند. استاتور نیز از تجمع تعدادی ورقه های حلقوی تشکیل شده است و دارای تعدادی قطب بر روی قطر داخلی خود می باشد سیمها به دور هریک از قطب ها پیچیده می شوند و بدین ترتیب یاتاقان به ۴ ربع دایره تقسیم می شود. سیم پیچها در هر ربع دایره به صورت سری پیچیده می شوند و این باعث می شودکه هر ربع دایره به یک آهنربای الکتریکی مجزا تبدیل شود.

معمولاً در ماشین های عمودی، ربع دایره ها با زاویه ۴۵ نسبت به خط عمود تنظیم می شوند و هر دو ربع دایره مقابل هم تشکیل یک محور را می دهند. بنابر این یک یاتاقان شعاعی به کمک دو محور تعریف می شود.
مجموعه ای از سنسورها که موقعیت شفت را تعیین می کنند، در فاصله ای هرچه نزدیکتر به یاتاقان نصب می شوند.
یاتاقان های کف گرد: Thrust Bearing
در سیستم های صنعتی، یاتاقان های کف گرد دارای دو استاتور هستند که هر یک در یک طرف روتور دیسکی شکل قرار می گیرند. استاتور را می توان از فولاد سخت ساخت و یا برای ساخت آن از گوه استفاده کرد.

در حالت استفاده از گوه، در بین گوه ها شیارهای شعاعی وجود دارد که داخل آنها با لایه های ورق پر شده است تا واکنش یاتاقان را بهبود بخشند. همچنین استاتور ها دارای یک یا دو شیار جانبی هستند که بر روی سطح آنها ماشین کاری شده است. این شیارها با سیم پیچهایی پر می شوند. با وجود یک استاتور در هر طرف روتور، یاتاقان های کف گرد می توانند نیروهای محوری را در هر دو جهت خنثی کنند.

سیستم کنترل با استفاده از سیگنالهای دریافت شده از سنسورهای موقعیت، می تواند موقعیت میل محور را تعیین کند. این سیگنال با حالت مطلوب مرجع مقایسه می شود و میزان خطای موقعیت میل محور تعیین می شود.
پس از تشخیص دقیق شرایط، سیگنالی به تقویت کننده ها فرستاده می شود که این تقویت کننده ها جریان عبوری از سیم پیچهای یاتاقان را کنترل و تنظیم می کنند.

فصل پنجم
ماهیت سیستم کنترل
سیستم کنترل ما را قادر می سازد تا جریان یاتاقان را با کمک اطلاعات فیدبک حاصل از موقعیت میل محور کنترل کنیم. این سیستم، کنترل مدار بسته یا فیدبک نامیده می شود و برای نگه داشتن میل محور در حالت پایدار، ضروری است.

به بیان دیگر سیستم کنترل، جریان قسمت بالایی یاتاقان را هنگامی که محور بالاتر از مرکز خود قرار دارد کاهش داده و هنگامی که محور زیر مرکز ثقل خود قرار دارد، افزایش می دهد.
معمولاً سیستم کنترل یاتاقان مغناطیسی به صورت تک ورودی – تک خروجی (SISO) اجرا می شود و این بدان معناست که اطلاعات مربوط به شفت که از سنسور خاص وارد می شود، فقط باعث کنترل و تغییر جریان در راستای محور متناظر با آن می شود.
سیستم های کنترل همچنین می توانند از نوع چند ورودی – چند خروجی (MIMO) باشند. هنگامی که به کنترل بهتر و دقیق تر نیاز داشته باشیم از (MIMO) استفاده می شود همچنین در مواقعی که بر روی محور از یک کوپلینگ صلیبی مهم استفاده شده باشد از MIMO استفاده می شود.
اجزاء سیستم کنترل عبارتند از: یک سنسور موقعیت و اجزاء الکترونیک همراه آن، یک کنترلر و تقویت کننده ها. این اجزاء در زیر شرح داده می شوند:
– سنسورها:
سنسور اطلاعات مورد نیاز کنترلر در مورد موقعیت محور را تامین می کند که این اطلاعات به صورت ولتاژ الکتریکی می باشد. معمولاً سنسورها طوری تنظیم می شوند که در هنگامی که محور در موقعیت مطلوب قرار دارد، ولتاژ نول تولید می کنند، هنگامی که محور بالاتر از محل مطلوب است ولتاژ مثبت و هنگامی که پایین تر از محل مطلوب است، ولتاژ منفی تولید می شود.

– کنترلر:
وظیفه کنترلر، دریافت سیگنالهای موقعیت از سنسورهای موقعیت، تحلیل این اطلاعات و فرستادن دستورات لازم به تقویت کننده ها برای تغییر جریان است. کنترلر شامل فیلترهای ضد شکستگی یا فیلترهای افزایش دقت ( anti-aliasing) ، مبدل های آنالوگ به دیجیتال ، پردازشگر سیگنال دیجیتال و مولد مدولاسیون پهنای پالس ( PWM ) میباشد.

ولتاژ ارسالی از سنسور موقعیت از فیلترهای افزایش دقت عبور می کند تا اختلالات فرکانس بالای آن حذف شوند. این اختلالات می توانند باعث ایجاد خطای سیگنال در گزارش موقعیت محور شوند. علاوه بر این از آنجا که کنترلر مرتباً از سیگنالها نمونه برداری می کند، بعضی اطلاعات فرکانس بالا ممکن است به صورت بصورت اطلاعات فرکانس پایین غلط وارد و دریافت شوند.

بنابراین سیگنالها بایستی ابتدا از این فیلتر عبور کنند بعد از آنکه محتویات فرکانس بلال حذف شدند، سیگنالهای موقعیت بوسیله مبدلهای آنالوگ به دیجیتال (A/D ) نمونه برداری می شوند، در این مرحله سیگنال به فرمی در می آید که واحد پردازش سیگنال دیجیتال بتواند آن را پردازش کند.
این اطلاعات دیجیتالی سپس توسط پردازشگر سیگنال دیجیتال از یک فیلتر دیجیتال عبور داده می شوند. این عمل باعث می شود که سیگنال خروجی متناسب با جریان مورد نیاز برای اصلاح موقعیت محور ایجاد شود.

این جریان مورد نیاز با جریان واقعی موجود در یاتاقان مقایسه می شود. این جریان واقعی نیز که توسط سنسورها احساس می شود، فیلتر شده و توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال نمونه برداری می شود. از خطای موجود بین مقادیر جریان مورد نیاز و جریان واقعی، برای تعیین سیگنال PWM برای ارسال به تقویت کننده ها استفاده می شود.
این اطلاعات سپس به مولد مدولاسیون پهنای پالس فرستاده می شود که نتیجه آن ، تولید شکل موج PWM و ارسال آن به تقویت کننده ها می شود. عمل ایجاد جریان کنترلی مورد نیاز بایستی حتماً قبل از نمونه برداری بعدی سیستم از موقعیت محور انجام شود. عمل نمونه برداری و ایجاد جریان با فرکانسی حدود ۱۰KHz تکرار می شوند.

– تقویت کننده ها:
هر محور یاتاقان دارای یک جفت تقویت کننده است که جریان مورد نیاز سیم پیچهای یاتاقان را تامین کرده و باعث ایجاد نیروی جاذبه برای اصلاح موقعیت روتور در راستای آن محور خاص می شود. تقویت کننده ها به بیان ساده تر نوعی سوئیچ ولتاژ بالا هستند که با فرکانس بالا روشن و خاموش می شوند که البته این روشن و خاموش شدن بر اساس دستوراتی که بوسیله سیگنال PWM و از واحد کنترل دریافت می شود، انجام می گیرد.

فصل ششم
سیستم کنترل چکونه کار می کند
یک کنترلر را می توان بوسیله تابع انتقال آن مشخص کرد. تابع انتقال در واقع رابطه ای بین ولتاژ خروجی کنترلر وسیگنال خطا ایجاد می کند و می توان آت را به کمک دو نمودار نمایش داد. گراف اول ارتباط بین بهره خروجی کنترلر و ورودی آن را در یک دامنه فرکانس بیان می دارد و گراف دوم ارتباط بین فاز خروجی و وردی را در یک دامنه فرکانس بیان می کند.

 

یک نمونه از تابع انتقال کنترلر در زیر آمده است.
در یاتاقان های مغناطیسی معمولی از کنترلر های خطی استفاده می شود که این کنترلرها ، تابع انتقالی را تولید می کنند که مستقل از دامنه و بزرگی سیگنال ورودی است.
خروجی یک کنترلر خطی بوسیله یک فاز و یک بهره به ورودی مربوط می شود و فرکانس آن با فرکانس ورودی برابر است. استفاده از کنترلرهای خطی به این دلیل است که این کنترلرها خصوصیات یاتاقان را از اندازه سیگنال اختلال ( آشفتگی ) مستقل می سازند و این ، تحلیل یاتاقان های مغناطیسی را ساده تر می کند.
تابع انتقال کنترلر می تواند به صورت نسبت دو چند جمله ای در فضای S بیان شود:

G(s) = (s + z1)(s + z2)…(s + zm)
(s + p1)(s + p2)…(s + pn)
قطبها (p) و صفرهای(z) تابع تبدیل به آن شکل می دهند.

کنترلر PID :

یک کنترلر PID ساده دارای تابع انتقالی مانند زیر است. توابع انتقال یاتاقانهای مغناطیسی دارای جملات زیاد دیگری نیز هستند اما این تابع ساده را می توان برای شرح رفتار سیستم بکار گرفت:

G(s) = Ki + Kp + kds
S

جملات به ترتیب عبارتند از انتگرال گیر ، تناسب و مشتق گیر که هر یک تاثیر خاصی بر رفتار یاتاقان دارند.
عامل تناسب: عامل تناسب عبارتست از بهره خالص بدون هیچگونه تاثیر بر روی فاز.
بهره و فاز مستقل از فرکانس هستند. عامل تناسب باعث می شود که افزایش جریان متناسب با میزان سیگنال خطا باشد. تاثیر آن در رفتار یاتاقان، مشابه عملکرد یک فنر است. نیرویی که محور را به محل مرکز ثقل آن بر می گرداند متناسب سیگنال خطای موقعیت محور افزایش می یابد.

سیستم یاتاقان با کنترل تناسبی ساده ناپایدار بوده و دارای نوسان می باشد زیرا هیچ مکانیزمی برای اعمال میرایی به سیستم وجود ندارد. میرایی مورد نظر را می توان با یک عامل مشتق گیر ایجاد کرد. عامل مشتق گیر باعث می شود که با افزایش فرکانس، بهره نیز افزایش یابد و نیز باعث افزایش فاز به میزان ۹۰ درجه پیش فاز می شود که این تقدم فاز به میرایی مربوط می شود.
عامل مشتق گیر: کنترل مشتقی نیرویی را متناسب با سرعت محور ( یا مشتق مکان ) ایجاد می کند که باعث جذب انرژی

کنترلری که فقط دارای عوامل مشتق گیر و تناسبی باشدهمیشه دارای یک فاصله ثابت با نقطه تنظیم می باشد. این فاصله ناشی از این حقیقت است که کنترلر های تناسبی و مشتقی، در صورت وجود سیگنال خطا، فقط می تواند یک خروجی غیر صفر تولید کند.
نگامی که شفت در موقعیت مطلوب قرار دارد خروجی کنترلر صفر خواهد بود زیرا خطای اعلام شده توسط سیگنال صفر است. برای حل این مشکل از عامل انتگرال گیر استفاده می شود.
عامل انتگرال گیر: انتگرال گیر خروجی تولید می کند که با نرخی متناسب با اندازه سیگنال خطا در طول زمان افزایش می یابد. بنابراین هرچه سیگنال، مدت زمان بیشتری را در حالت غیر صفر باشد، خروجی انتگرال گیر بزرگتر خواهد بود. اگر سیگنال خطایی دریافت نشود، انتگرال گیر خروجی خود

را ثابت نگه می دارد. برای شرایط حالت پایدار، انتگرال گیر خروجی خود را تا زمانی که سیگنال خطا صفر شود، اقزایش می دهد. در فرکانس های پایین، بهره کنترلر حداکثر و فاز (۹۰-) درجه است. یک کنترلر ساده PID باعث ایجاد دو صفر برای کنترلر می شود. یک صفر سبب می شود که شیب بزرگی، بر روی نمودار تابع انتقال افزایش یابد. و همچنین باعث می شود که فاز دقیقاً ۹۰ درجه افزایش یابد.

فرکانس صفرهای PID بوسیله نسبتهای بین بهره های عوامل تناسبی، انتگرال گیر و مشتق گیر تعیین می شود. صفرهای انتگرال گیر بر بهره عامل تناسب تعیین می شود(K1/Kp برحسب rad/sec) . این فرکانس ، بیانگر فرکانسی است که پائین تراز آن کنترلر انتگرال گیر و بالاتر از آن کنترلر مشتق گیر عمل می کند. صفرهای عامل مشتق گیر در فرکانسی قرار می گیرند که با تقسیم عامل بهره تناسب بر بهره عامل مشتق گیر تعیین می شود (kp/kd بر حسب rad/sec) . این صفر در فرکانسی قرار دارد که پائین تر از آن محدوده کنترل تناسبی و بالاتر از آن محدوده کنترل مشتق گیر قرار دارد. به یاد داشته باشید که فاز در محدوده هر یک از این فیلترها ، افزایش می یابد.

فیلتر پائین گذر:
بهره تابع انتقال با افزایش فرکانس به سمت بی نهایت میل می کند مشخص است که ساختن سیستمی واقعی با این مشخصات غیر ممکن است. بنابراین بهره باید به هر حال مقدار محدودی را در دامنه فرکانسهای بالا اختیار کند. این کار با به کار گیری یک فیلتر پائین گذر امکان پذیر است. فرکانس این فیلتر معمولاً بالاتر از کلیه فرکانسهای بالای سیستم تنظیم می شود.
فیلتر پائین گذر علاوه بر کاهش بهره در فرکانسهای بالا ، اثر ناخواسته و نامطلوبی دارد که این اثر کاهش میزان تقدم فاز سیستم است که باعث کاهش میرایی کنترلر در فرکانسهای بالاتر می شود. بنابراین محل قرار گرفتن این فیلتر بسیار حساس و با اهمیت است.

صفرها و قطبهای اضافی:
صفرهای اضافی دقیقاً همان تاثیری را دارند که در مورد صفرهای عوامل مشتق گیر و انتگرال گیر در یک کنترلرPID دارند. قطبها تاثیر معکوس دارند و باعث کاهش شیب شده و فاز را نیز ۹۰ درجه کاهش می دهند. صفرها و قطبهای اضافی بایستی به صورت جفت اضافه شوند تا شیبی که کنترلر فرکانس بالا در آن کار می کند، تغییر نکند.
فیلترهای notch (شیار):
یکی از ابزارهای اضافی که برای تثبیت حالت روتور بکار می رود فیلترهای notch هستند. وسط شیار دارای بهره کمی است برای جلوگیری از تحریک مودهای بالای محور مناسب است. فاز در بالای شیار مثبت است که نشانه میرایی مناسب سیستم است. این حالت برای تقویت میرایی مستقیم در محدوده فرکانسی که به آن نیاز داریم مناسب است. مرکز شیار بر روی یک فرکانس حلقوی شدن و یا درست در زیر این فرکانس قرار داده می شود. کاهش بهره و یا تقدم فاز بیش از حد سیستم هر دو می توانند حرکت محور را در فرکانس حلقوی شدن حذف کنند معمولاً فیلترهای شیار در فرکانسهای بالاتر از بالاترین فرکانس دوران محور مورد استفاده قرار می گیرند.
مجاورت سنسورها:
در یک یاتاقان با سنسورهایی که در وسط آن ( در کنار هم ) قرار گرفته اند، یک کنترلرPID با یک فیلتر پائین گذر تمام آن چیزی است که برای پایدار ساختن حالت روتور به آن نیازمندیم.در شکل و ترکیب اغلب یاتاقان ها ، سنسورها در مجاورت یک سر یاتاقان قرار داده می شوند. این بدان

معناست که برای حالتهای خمیدگی روتور، سنسور نمی تواند دقیقاً حرکتی را که در یاتاقان اتفاق می افتد، تشیص دهد. در مودهای بالاتر حرکتی که در یاتاقان اتفاق می افتد می تواند کاملاً با آنچه سنسور تشخیص می دهد متفاوت باشد. که این مسئله می تواند سبب نوسانات محور و یا حلقوی شدن در فرکانسهای بالا شود

. برای مقابله با این مشکل از کنترلر های کامل و درجه بالاتر استفاده می شود.
استفاده از فیلترهای پائین گذر، فیلترهای notch و صفر و قطبهای اضافی برای پایدار کردن حلقه کنترل می باشد و به این فرایند ، عمل تنظیم یا میزان کردن می گویند.

فصل هفتم
خصوصیات دینامیک روتور
برای درک بهتر تاثیر عواملی مانند محل قرار گیری سنسورها ، بر روی عملکرد سیستم یاتاقان مغناطیسی و کارکرد کلی ماشین، لازم است که خصوصیات دینامیکی روتور برای سیستم مورد آزمایش قرار گیرد.
این کار شامل انجام یک تحلیل در مرحله طراحی و نیز مراحل سوار کردن اجزلء دوار سیستم و یا هر عملی که مربوط به مودهای رفتاری آزاد- آزاد سیستم می باشد، می شود.
هنگامی که این تحلیل به نتایج رضایت بخش می انجامد، یک تحلیل کاملتر انجام می گیرد که تاثیر یاتاقان مغناطیسی و سیستم کنترل را مطرح و معرفی می کند.

فصل هشتم
یاتاقانهای کمکی
در آخر ممکن است به این سوال بر بخوریم که اگر با قطع برق در سیستم مواجه شویم چه اتفاقی می افتد؟
قطبهای استاتورها و سطح خارجی روتورها سطوحی هستند که ماشین کاری دقیق شده اند. برای محافظت از این سطوح ، در حالت قطع برق، از یاتاقان های کمکی علاوه بر منبع تغذیه متناسب استفاده می شود.
سیستم های یاتاقان مغناطیسی که به موتورهای بدون جاروبک مجهزاند، از انرژی دورانی روتور برای تولیذ انرژی مورد نیاز سیستم کنترل استفاده می کنند. هنگامی که برق قطع می شود، سرعت سیستم افت می کند و سپس با یاتاقان های کمکی درگیر می شود. سیستم های دیگر، از یک باتری پشتیبان در مواقع قطع برق استفاده می کنند.

یاتاقانهای کمکی که می توانند از نوع غلتشی معمولی و یا لغزشی باشند دارای لقی معادل ۲/۱ قی یاتاقان مغناطیسی می باشند. در هنگام قطع برق مجموعه اجزاء دوار توسط یاتاقانهای کمکی نگه داشته می شوند. به این یاتاقانها در پاره ای از اوقات یاتاقانهای پشتیبان یا یاتاقانهای نگه دارنده نیز گفته می شود.