ES2241642T3 - Mejoras introducidas en relacion con el control de electroimanes. - Google Patents

Abstract

Un aparato de soporte que tiene una pluralidad de accionadores (13) electromagnéticos de soporte dispuestos en una matriz y acoplados a un montaje (10) de una carga para soportar la carga mediante levitación electromagnética, en el que cada accionador de soporte comprende un controlador (23) de corriente que puede ser hecho funcionar para producir una corriente (25) variable, un electroimán (21) conectado para recibir la corriente variable y para generar un campo magnético en función de la corriente variable, un armazón (26) de soporte separado del electroimán por un entrehierro (27) operacional y soportado por el campo magnético, medios de control dispuestos para detectar una fuerza generada por el electroimán y para hacer funcionar el controlador de corriente en función de variaciones de la fuerza generada, y estando dispuestos dichos medios de control para hacer variar la corriente variable del electroimán de forma que la fuerza generada sea sustancialmente igual a un valor (D) de demanda de fuerza dado permitiendo a la vez que varíe el entrehierro, caracterizado por al menos unos medios (17) perceptores montados en dicho montaje, y que están dispuestos para generar una señal que indica el movimiento de dicho montaje, y un controlador (40) global dispuesto operativamente para recibir la señal de movimiento de cada uno de dichos medios perceptores para generar dicho valor de demanda de fuerza dado en respuesta a, al menos, un modo de cuerpo rígido de dicho montaje.

Description

Mejoras introducidas en relación con el control de electroimanes.

La presente invención se refiere a montajes para el soporte de cargas sobre estructuras de soporte y más particularmente se refiere a montajes para el soporte de máquinas en buques.

Se han utilizado tradicionalmente muelles pasivos o soportes de caucho para sustentar máquinas en buques y para minimizar la transmisión de ruido de la maquinaria hasta el casco de dichos buques. Existe un compromiso de diseño básico entre impedir el movimiento de la maquinaria con relación al casco y el aislamiento de las vibraciones. Muelles más rígidos contienen mejor los movimientos de la maquinaria pero empeoran el comportamiento del aislamiento y viceversa. Además, la fuerza transmitida al casco sólo depende del desplazamiento local desde la posición de equilibrio de los muelles y la frecuencia de vibración.

Mejoras sustanciales de los montajes de máquinas en buques se han hecho posibles mediante el uso de montajes de soporte por levitación electromagnética y mediante la adición de control electrónico a dichos montajes electromagnéticos, a los que nos referiremos en adelante como "accionadores de soporte".

La presente invención se refiere específicamente a accionadores de soporte y métodos para acoplar espacialmente electroimanes para que sustenten armazones de forma que el movimiento de, bien el electroimán, o bien el armazón de soporte, no cambie sustancialmente la fuerza que actúa entre el electroimán y el armazón de soporte. Además, la invención se refiere a un aparato de soporte que comprende una pluralidad de accionadores de soporte.

Actualmente, es posible acoplar magnéticamente un armazón de soporte para cargas vibratorias a una estructura de referencia que se encuentra por encima de ella utilizando un electroimán montado en el de referencia. Cuando se excita el electroimán con una corriente fija adecuada éste produce un campo magnético que ejerce una fuerza de atracción sobre el armazón de soporte, de forma que atrae el armazón hacia arriba en dirección al electroimán cuando el armazón de soporte se sitúa dentro del campo magnético. A la fuerza de atracción se opone la fuerza de la gravedad que actúa sobre la carga. Se debe entender que existe físicamente un entrehierro entre el armazón de soporte y el electroimán, y que las vibraciones de la carga montada en el armazón de soporte provocarán físicamente variaciones del entrehierro al vibrar.

Un electroimán puede ser considerado como un dispositivo de dos entradas y una salida. La salida sería la fuerza de atracción ejercida por el campo magnético sobre el armazón de soporte. La fuerza de atracción depende de las entradas, de las cuales la primera sería una corriente que se utiliza para excitar el electroimán y la segunda dependería de la magnitud del entrehierro. Por ejemplo, la fuerza de atracción ejercida sobre el armazón de soporte aumenta al situar el armazón de soporte más cerca del electroimán, es decir, al reducirse la magnitud del entrehierro, y disminuye al situar el armazón más lejos del electroimán, es decir, al aumentar la magnitud del entrehierro. La fuerza de atracción ejercida por un electroimán sobre un armazón de soporte es análoga a un muelle fuerte negativo.

Sin embargo, cuando se utiliza el mismo accionador electromagnético para sostener una estructura que está separada con respecto a una referencia y para inhibir o amortiguar resonancias en la estructura provocadas por el efecto de vibraciones de la estructura, se deben introducir fuerzas adicionales entre el armazón de soporte y el electroimán. La generación de estas fuerzas adicionales compromete inevitablemente el aislamiento de la vibración entre el armazón de soporte y el electroimán.

En un accionador de soporte conocido, se aplica al electroimán un control por realimentación de elevada ganancia a partir de un sensor de flujo magnético, en un intento de convertir el muelle fuerte negativo en un muelle débil negativo, de forma que se pueda aplicar un control más preciso de la fuerza de atracción del electroimán. Sin embargo, la realimentación de elevada ganancia no se puede mantener durante un rango infinito de frecuencias de vibración de carga y en la práctica la ganancia de la realimentación cae hasta cero al aumentar la frecuencia. Este efecto, algunas veces llamado "caída", provoca un cambio en la fase y el muelle débil negativo tiende entonces a comportarse más como un amortiguador negativo dentro de este rango de frecuencias de "caída". Esto, a su vez, convierte la energía en variaciones del entrehierro que pueden fácilmente excitar cualquier resonancia estructural en este rango de frecuencias de "caída" y generar resonancias indeseadas en la estructura soportada.

Las desventajas de arriba han sido superadas en otro sistema conocido en el que un sensor de distancia o proxímetro se dispone para detectar variaciones del entrehierro para anticipar variaciones en la densidad de flujo de campo magnético. La salida del proxímetro se usa para proporcionar una señal de control anticipativo a un controlador de corriente que proporciona una corriente variable al electroimán. Un control por realimentación mediante un sensor de flujo, que mide las variaciones reales de la densidad de flujo, también puede ser utilizado para controlar el controlador de corriente para refinar la señal proporcionada por la disposición de control ancipativo.

Mediante la determinación de la función de transferencia correcta para el controlador de corriente, el control anticipativo cambia radicalmente las características del electroimán, haciendo que se comporte como un muelle débil positivo con desplazamientos de fase asociados al aumento de frecuencia, provocando así que el electroimán se comporte como un amortiguador positivo. El camino de realimentación anticipativa puede tener un ancho de banda muy amplio, más ancho que el proporcionado por un control por realimentación simple, pero la precisión del control es dependiente de la precisión de la medida del entrehierro utilizado para determinar la función de transferencia.

El control por realimentación de elevada ganancia proporcionado por el sensor de flujo modifica además las características del electroimán haciendo que se comporte como un muelle positivo aún más débil. Por tanto, cuando el control por realimentación del sensor de flujo "cae" al aumentar la frecuencia, los desplazamientos de fase asociados provocados por el control anticipativo del sensor de distancia generan una amortiguación positiva en el electroimán que extrae energía de todas las variaciones del entrehierro en el rango de frecuencias de "caída". Por tanto, cualquier resonancia estructural en el rango de frecuencias de "caída" será amortiguada y no generará más resonancias en el armazón de soporte.

Sin embargo, aunque la detección de la densidad de flujo generada por un electroimán ha sido utilizada con éxito para medir cambios en la fuerza para pequeñas variaciones del entrehierro, falla en la medida de cambios de fuerza debidos a mayores variaciones del entrehierro. El inventor se ha dado cuenta de que esto es una consecuencia del cambio de forma del campo magnético, así como de su corriente, con grandes variaciones del entrehierro, de manera que la medida de las variaciones de la densidad del flujo ya no refleja el cambio real en la fuerza.

Además, el control de la resonancia estructural producida por una carga vibratoria entre un electroimán y un armazón de soporte ha requerido hasta ahora la generación de fuerzas adicionales entre el electroimán y el armazón de soporte. Sin embargo, la generación de dichas fuerzas tiene la desventaja de comprometer el aislamiento de la vibración entre el armazón de soporte y el electroimán.

US-A-5,387,851 muestra un control en bucle cerrado que utiliza filtros de frecuencia para controlar la anchura de un entrehierro en un sistema de levitación electromagnética. El objetivo es mantener el flujo magnético, y por tanto la fuerza de levitación, constante. Sin embargo, son deseables nuevas mejoras con relación al movimiento que se puede producir de la masa que está siendo soportada.

Es un objetivo de la presente invención eliminar o mitigar las desventajas asociadas con los accionadores de soporte conocidos descritos arriba.

La presente invención proporciona un aparato de soporte que tiene una pluralidad de accionadores de soporte electromagnéticos dispuestos en una matriz y acoplados a un montaje de una carga para soportar la carga mediante levitación magnética, en el que cada accionador de soporte comprende un controlador de corriente que se puede hacer funcionar para producir una corriente variable, un electroimán conectado para recibir la corriente variable y para generar un campo magnético dependiente de la corriente variable, un armazón de soporte separado del electroimán por un entrehierro operacional y soportado por el campo magnético, unos medios de control dispuestos para detectar la fuerza generada por el electroimán y para hacer funcionar el controlador de corriente en función de variaciones de la fuerza generada, y estando dichos medios de control dispuestos para hacer variar la corriente variable en el electroimán de forma que la fuerza generada sea sustancialmente igual a un valor de demanda de fuerza dado permitiendo a la vez que varíe el entrehierro, caracterizado porque al menos unos medios perceptores están montados en dicho montaje, y están dispuestos para generar una señal que indique el movimiento de dicho montaje, y un controlador global dispuesto operativamente para recibir la señal de movimiento de cada uno de dichos medios perceptores para generar dicho valor de demanda de fuerza dado en respuesta a al menos un modo de cuerpo rígido de dicho montaje.

De acuerdo con la invención, la fuerza generada por un electroimán puede ser medida directamente y modificada para que sea sustancialmente igual a un valor de demanda de fuerza dado. La fuerza generada es independiente del entrehierro operacional entre el electroimán y su armazón de soporte asociado. Este aislamiento de la vibración se mantiene, ya que no hay cambios en la fuerza generada por el accionador de soporte como consecuencia de la resonancia del armazón de soporte. Se entenderá que el armazón de soporte tenga normalmente montado al mismo una carga que vibrará y puede provocar resonancia, y que la resonancia del armazón de soporte es una respuesta a la resonancia de la carga vibratoria a la cual está unido. En el contexto de esta especificación, el valor de demanda de fuerza es aquel valor determinado por un sistema global diferente para controlar selectivamente un modo particular de un cuerpo rígido de una estructura soportada por uno o más de los accionadores de soporte. Cada accionador de soporte permite el control de la fuerza generada por un electroimán sobre mayores rangos de frecuencia y sobre mayores variaciones de la amplitud del entrehierro de lo que es posible utilizando un control por realimentación simple a partir de un sensor de flujo magnético o utilizando una combinación de control anticipativo a partir de un sensor de distancia y un control por realimentación a partir de un sensor de flujo. Además, cada accionador de soporte no genera fuerzas adicionales entre el electroimán y el armazón de soporte.

Los primeros medios de control pueden comprender un medidor de deformación dispuesto para detectar la fuerza generada por el electroimán. Los primeros medios de control también pueden estar dispuestos para generar una primera señal de control dependiente de la fuerza, y la primera señal de control puede estar preparada para hacer funcionar el controlador de corriente. Los primeros medios de control puede ser dispuestos en un camino de realimentación desde el medidor de deformación al controlador de corriente. El medidor de deformación puede disponerse entre el armazón de soporte y una posición de montaje para el armazón de soporte. El medidor de deformación puede ser una célula de carga.

Preferiblemente, se pueden disponer unos segundos medios de control para detectar variaciones del entrehierro operacional y para hacer funcionar el controlador de corriente en función de variaciones del entrehierro operacional para anticiparse a variaciones de fuerza, pudiendo disponerse también los segundos medios de control para hacer variar la corriente que pasa por el electroimán, gracias a lo cual la fuerza se mantiene sustancialmente constante permitiendo a la vez que varíe el entrehierro operacional. Los segundos medios de control pueden comprender un sensor de distancia dispuesto para detectar variaciones del entrehierro operacional. Los segundos medios de control también se pueden disponer para generar una segunda señal de control en función de variaciones del entrehierro operacional, y la segunda señal de control también se puede disponer para hacer funcionar el controlador de corriente. Los segundos medios de control se pueden disponer en un camino directo desde el sensor de distancia hasta el controlador de corriente. El funcionamiento del controlador de corriente se puede determinar mediante una función de transferencia de una relación entre el valor de demanda de fuerza dado, la segunda señal de control y la corriente variable aplicada al electroimán, y el controlador de corriente se dispone para producir la corriente variable en función de la función de transferencia.

El accionador de soporte se puede disponer para aislar las fuerzas de vibración entre una carga soportada por el electroimán y una estructura de soporte a la que está montado el armazón de soporte o, alternativamente, el accionador de soporte puede disponerse para aislar fuerzas de vibración entre una carga soportada por la estructura de soporte y una estructura de soporte a la cual está montado el electroimán.

Las estructuras que soportan el armazón de soporte y el electroimán pueden ser mecánica y elásticamente interconectadas, por ejemplo, mediante uno o más muelles mecánicos. En este caso el medidor de deformación o célula de carga se dispone para medir la fuerza neta generada por los muelles y el electroimán. Estos muelles ayudan a soportar parte de la carga y reducen el tamaño del electroimán requerido.

La carga se monta preferiblemente en una estructura de sujeción y los accionadores de soporte se disponen en una matriz entre la estructura de sujeción y una estructura de soporte para soportar la estructura de sujeción.

El controlador global se dispone operacionalmente para recibir la señal de datos de cada acelerómetro y la segunda señal de control de cada sensor de distancia y para generar los valores de demanda de fuerza dados en respuesta a al menos un modo de cuerpo rígido de la estructura de sujeción. El controlador global puede comprender una función modal de descomposición matricial dispuesta para identificar al menos un modo de cuerpo rígido de la estructura de sujeción a partir de la señal de datos y de la señal de control y una función modal matricial inversa para generar un valor de demanda de fuerza dado para cada accionador en función del modo de cuerpo rígido identificado.

Una vez más la estructura que soporta cada accionador de soporte puede ser mecánicamente y elásticamente interconectada a la estructura de sujeción, por ejemplo mediante uno o más mueles mecánicos, para ayudar a sostener parte de la carga y reducir el tamaño del electroimán requerido.

Según un segundo aspecto de la invención, un método para acoplar espacialmente un armazón de soporte con respecto a un electroimán, que comprende

generar un valor de demanda de fuerza que corresponda a un modo deseado de cuerpo rígido de una estructura soportada por el campo magnético producido por la interacción entre el armazón y el electroimán,

aplicar una corriente al electroimán para generar un campo magnético dependiente de la corriente y disponer el campo magnético para soportar el armazón de soporte con un entrehierro operacional entre ellos,

controlar dicha corriente en función de dicho valor de demanda de fuerza, y

controlar el entrehierro operacional entre el armazón de soporte y el electroimán mediante la detección de la fuerza generada por el electroimán y la variación de la corriente en función de la fuerza, generando así una fuerza que sea sustancialmente igual al valor de demanda de fuerza y permitiendo a la vez que varíe el entrehierro operacional.

La invención será ahora descrita, sólo a modo de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

La Figura 1 ilustra en general el aparato de la presente invención;

La Figura 2 ilustra un accionador de soporte según la presente invención;

La Figura 3 ilustra un accionador de soporte alternativo al mostrado en la Figura 2;

La Figura 4 ilustra esquemáticamente el control global de una pluralidad de accionadores de soporte según la presente invención;

La Figura 5 ilustra esquemáticamente un accionador de soporte alternativo al mostrado en las Figuras 2 y 3; y

La Figura 6 ilustra esquemáticamente un sistema de generación de demanda de fuerza de control global para un sistema de accionadores de soporte de un barco.

Con referencia a la Figura 1, un aparato de soporte comprende una estructura 10 de sujeción hecha de una pluralidad de miembros flexibles entrecruzados 11 y 12, estando dispuesta la estructura 10 de sujeción para soportar una carga, que no se ilustra. La estructura 10 de sujeción también tiene montada a la misma una pluralidad de accionadores 13 de soporte que comprenden un armazón 14 de soporte separado de un electroimán 15 dispuesto para generar un campo magnético, que no se ilustra, para mantener el armazón 14 de soporte separado del electroimán 15 para definir un entrehierro 16 operacional entre ellos.

Se entenderá que al utilizar accionadores 13 de soporte, se pueden usar estructuras 10 de sujeción para llevar una carga vibratoria, que no se ilustra, como maquinaria. De acuerdo con esto, la estructura 10 de sujeción puede ser flexible ya que cualquier resonancia transferida desde la carga es completamente ignorada por los accionadores 13 de soporte si se controlan correctamente.

Si la estructura 10 de sujeción fuese completamente rígida, no habría resonancia en absoluto y el control global sería simple. Sin embargo, se puede predecir que la estructura 10 de sujeción resuene si se excitan las frecuencias de resonancia de la estructura 10 de sujeción.

El inventor se ha dado cuenta de que para conseguir un control colectivo o global de todos los accionadores 13 de soporte, cada accionador 13 de soporte se debe hacer para que genere una fuerza que no varíe con variaciones del entrehierro 6 operacional, provocadas por la resonancia generada por la carga. La fuerza depende de un valor de demanda de fuerza dado dictado por un controlador global (que no se ilustra) y la fuerza sólo debería cambiar cuando el controlador global dicte que una demanda de fuerza dada debería cambiar. De acuerdo con esto, las fuerzas generadas por todos los accionadores 13 de soporte se pueden alterar variando la demanda de fuerza dada para cada accionador 13 de soporte, de forma que se devuelva a la estructura 10 de sujeción a una posición dada, original o deseada.

El inventor también se ha dado cuenta de que al apoyar la estructura 10 de sujeción sobre sus modos de cuerpo rígido, es decir los movimientos medios de la estructura 10 de sujeción, los modos de cuerpo rígido no pueden ser excitados por ninguna distribución de fuerzas que tenga un momento lineal neto nulo o un momento angular neto nulo. Como todos los modos de flexión de la estructura 10 de sujeción, es decir resonancias que actúan sobre la estructura 10 de sujeción, tienen momentos netos lineal y angular nulos, no afectarán el control de modo de cuerpo rígido de la estructura 10 de sujeción y no deberían producir fuerzas de demanda globales adicionales en una posición de montaje (que no se ilustra) en la cual se monta el electroimán 15.

Como los modos de excitación de cuerpo rígido de la estructura 10 de sujeción son ortogonales respecto de sus modos de excitación estructurales es posible que el controlador elimine mediante un filtro los modos de cuerpo rígido y simplemente ignore cualquier modo estructural que se excite.

La Figura 2 ilustra el principio básico de funcionamiento de la presente invención, en el que un accionador 20 de soporte comprende un electroimán 21 conectado operacionalmente a una corriente 22 de entrada, a través de un controlador 23 de corriente, y está dispuesto para generar un campo 24 magnético que tiene tenga una corriente variable según una corriente 25 variable suministrada por el controlador 23 de corriente. La corriente del campo 24 magnético es controlada para asegurar que el electroimán 21 esté separado de un armazón 26 de soporte dispuesto para soportar una carga, que no se ilustra, por un entrehierro 27 operacional.

Esto se consigue conectando operacionalmente una célula 28 de carga entre el armazón 26 de soporte y una posición 29 de montaje para el armazón 26 de soporte. Una demanda D de fuerza global, suministrada por un controlador global, que no se ilustra, es suministrada al controlador 23 de corriente para determinar la fuerza dada necesaria que debe ser producida por el accionador 20 de soporte, de manera que cuando el accionador 20 de soporte esté en funcionamiento junto con una pluralidad de otros accionadores 20 de soporte, la fuerza de demanda D dada actúe para controlar los movimientos de cuerpo rígido. El control global de una pluralidad de accionadores 20 de soporte utilizando un controlador global se explica más abajo haciendo referencia a la
Figura 4.

La célula 28 de carga se dispone para producir una primera señal 30 de control que representa variaciones de la fuerza generada por el campo 24 magnético que actúa sobre una carga montada en la posición 29 de montaje, y mediante la realimentación de la primera señal 30 de control, a lo largo de un camino 31 de control de realimentación al controlador 23 de corriente, para controlar la corriente 25 variable.

El funcionamiento del controlador 23 de corriente es determinado por el camino 31 de control de realimentación de elevada ganancia que busca hacer la primera señal 30 de control sustancialmente igual a la demanda D de fuerza dada mediante la variación de la corriente 25 variable aplicada al electroimán 21 para generar el campo 24 magnético.

Si el armazón 26 de soporte está conectado a una carga vibratoria, que no se ilustra, a través de una posición 29 de montaje, se moverá con respecto al electroimán 21 y si la corriente 25 aplicada al electroimán 21 permaneciese constante, entonces la fuerza ejercida por el electroimán 21 variaría. Sin embargo, la célula 28 de carga detecta variaciones de la fuerza y la primera señal 30 de control se genera en función de la magnitud de las variaciones de la fuerza. La primera señal 30 de control y la demanda D de fuerza dada controlan la corriente 22 de entrada que se usa para generar la corriente 25 variable que, a su vez, hace que varíe la corriente del campo 24 magnético generado por el electroimán 21, compensando así variaciones de la fuerza que actúa sobre el armazón 26 de soporte. De esta forma, la fuerza generada por el electroimán 21 será sustancialmente igual a una demanda D de fuerza dada mediante la apropiada variación de la corriente 25 variable y la fuerza generada será independiente de cualquier variación del entrehierro 27 operacional.

Al aumentar la frecuencia acercándose al límite del camino 31 de control por realimentación, la ganancia de la señal 30 de control cae y el desplazamiento de fase asociado a lo largo del camino 31 de control por realimentación cambia progresivamente desde -180º hasta -90º y eventualmente se hace 0º. Mientras cambia el desplazamiento de fase, se produce un efecto de amortiguación negativa por parte del accionador 20 de soporte, que se hace máximo a la frecuencia que corresponde a la posición de fase de -90º. El efecto de la amortiguación negativa es que puede excitar cualquier resonancia cerca de la frecuencia correspondiente a la posición de fase de -90º. Cualquier resonancia que esté cerca de esta posición de -90º recibirá energía inyectada por la amortiguación negativa. Si esta amortiguación negativa excede la amortiguación positiva natural, que extrae energía, asociada a este modo, entonces se verá excitada- una situación indeseada.

De la Figura 3, en la que se han usado números de referencia parecidos para designar enteros similares a los ilustrados en la Figura 2, el control del electroimán 21 puede mejorarse aún más utilizando un sensor 32 de distancia para hacer funcionar también el controlador 23 de corriente para hacer variar la corriente 25 variable. El sensor 32 de distancia se dispone para medir variaciones del entrehierro 27 operacional y para producir una segunda señal 33 de control correspondiente a cualquier variación. La segunda señal 33 de control es alimentada hacia delante, a lo largo de un camino 34 de control directo al controlador 23 de corriente que calcula a partir de la segunda señal 33 de control una anticipación de las variaciones de la fuerza generada por el electroimán 21. La anticipación de las variaciones de la fuerza permite al controlador 23 de corriente hacer variar la corriente 25 variable de forma que se inhiba la amortiguación negativa en el rango de frecuencias de caída al descender la ganancia de la primera señal 30 de control por realimentación con la frecuencia.

En esta realización, el funcionamiento del controlador 23 de corriente es determinado mediante una función de transferencia de la relación observada entre el valor de demanda de fuerza dado D, la segunda señal 33 de control y la corriente 25 variable aplicada al electroimán para generar el campo 24 magnético, de forma que el electroimán 21 proporcione una fuerza igual al valor de demanda de fuerza dado D independientemente de variaciones del entrehierro.

Mediante la determinación de la correcta función de transferencia del controlador 23 de corriente, el camino 34 de control directo puede ser predispuesto de forma que se modifiquen radicalmente las características del electroimán 21, de forma que el electroimán 21 se comportará como un muelle débil positivo con desplazamientos de fase asociados con el aumento de la frecuencia. Esto provocará que el electroimán 21 se comporte como un amortiguador positivo. El camino 34 de control directo puede tener un ancho de banda muy amplio en comparación con un control por realimentación simple, pero la precisión del control es dependiente de la precisión de las medidas usadas para determinar la función de transferencia y del conocimiento de las características del accionador 20 de soporte.

Cuando se usa una señal 30 de control por realimentación junto con una señal 33 de control anticipativo, al caer la ganancia de la señal 30 de control por realimentación, se inhibe la amortiguación y por tanto no se excita la resonancia con la caída de la frecuencia. La combinación de una señal 30 de control por realimentación con una señal 33 de control anticipativo significa que la señal 33 de control anticipativo sustituirá progresivamente a la señal 30 de control por realimentación con el aumento de frecuencia.

Al control de cada accionador 20 de soporte con, o bien una señal 30 de realimentación de una célula 28 de carga, o bien una señal 30 anticipativa de un sensor 32 de distancia en combinación con una señal 30 de realimentación de una célula 28 de carga, se hará referencia a partir de aquí como control local.

Se entenderá que la carga vibratoria pueda ser alternativamente conectada al electroimán 21 en vez de al armazón 26 de soporte y la célula 28 de carga se pueda conectar entre el electroimán 21 y una posición 29 de montaje de forma que la carga, que no se ilustra, se conecte al electroimán 21 en vez de al armazón 26 de soporte.

Si se utiliza una matriz de accionadores 20 de soporte, teniendo cada uno de los cuales un control local como el descrito arriba, para soportar una estructura tridimensional, se requiere un control global adicional para modificar el valor de demanda D de fuerza suministrado a cada accionador 20 de soporte para conseguir los valores predeterminados de posición y orientación medios requeridos de la estructura.

De acuerdo con esto, en referencia otra vez a la Figura 1, la estructura 10 de sujeción tiene montado a la misma múltiples acelerómetros 17 que proporcionan una señal de datos, que no se ilustra, que corresponde a los movimientos de la estructura 10 de sujeción a la cual está fijado cada uno. Alternativamente, algunos o todos los acelerómetros 17 pueden ser sustituidos por un sensor que puede detectar, o bien el movimiento o la proximidad de una estructura, en este caso la estructura 10 de sujeción, a la cual está montado y producir una señal de datos que corresponda al movimiento o proximidad, o bien el cambio de movimiento o proximidad de la estructura a la cual está montado. Además, una señal de salida de un sensor de distancia, que no se ilustra, asociada a cada accionador 13 de soporte usado para el control local, también puede ser usada para proporcionar una segunda señal de control al controlador global. Se entenderá que se pueden usar sensores de distancia independientes de los usados en el control local para mantener los controles local y global independientes.

De la Figura 4, en la que se han usado números de referencia parecidos para designar enteros similares a los ilustrados en la Figura 1, un controlador 40 local está situado entre cada acelerómetro 17 y sensor 42 de distancia y cada accionador 13 de soporte. Esto significa que el controlador 40 global también estaría en un camino de realimentación de cada acelerómetro 17 y sensor 42 de distancia, a través del controlador 40 global hasta el accionador 13 de soporte.

En este caso, una matriz de cuatro acelerómetros 17 se ha distribuido alrededor de la estructura 10 de sujeción para calcular tres modos diferentes de cuerpo rígido de la estructura 10 de sujeción para controlar cuatro accionadores 13 de soporte, que también han sido distribuidos a lo largo de la estructura 10 de sujeción y tienen asociados a ellos cuatro sensores 42 de distancia, uno para cada accionador 13 de soporte. Cada acelerómetro 17 produce una señal 41 de datos y cada sensor 42 de distancia produce una segunda señal 43 de control que es recibida por una matriz 44 modal de cuerpo rígido que calcula la amplitud de los modos de cuerpo rígido. Esto es, las medidas del entrehierro 16 operacional y las medidas de los acelerómetros 17 proporcionan un análisis detallado de los movimientos de cada parte de la estructura 10 de sujeción. La amplitud de los modos de cuerpo rígido nos da las desviaciones de la posición y orientación instantáneos de la estructura 10 de sujeción de un valor medio requerido.

La matriz 44 modal de transformación está dispuesta para producir una excitación de salida 45 para cada modo de cuerpo rígido que se va a controlar. En efecto, la matriz 44 modal de transformación elimina espacialmente mediante un filtro en particular los modos de cuerpo rígido de la estructura 10 de sujeción, esto es, una correspondiente a cada excitación de salida 45, y comprende un modelo de las propiedades de la estructura 10 de sujeción. Cada excitación de salida 45 se usa para alimentar un algoritmo 46 de control, uno para cada modo de cuerpo rígido a controlar, en este caso tres modos de cuerpo rígido. Cada algoritmo 46 de control se dispone para generar una demanda de fuerza 47 modal de control que devuelva a la estructura 10 de sujeción a su posición y orientación media requeridas de una forma determinada. Esto podría incluir amortiguar la estructura 10 de sujeción de forma que eventualmente se quede quieta.

Cada demanda de fuerza 47 modal de control es transformada mediante una matriz 48 modal inversa de transformación en los valores de demanda D de fuerza dados, que se usan para controlar cada accionador 13 de soporte. Se entenderá que aunque se usen cuatro acelerómetros 17 y sensores 42 de distancia para proporcionar respectivamente las señales 41 de datos y las segundas señales 42 de control para controlar cuatro accionadores 13 de soporte, el número de acelerómetros 17 o accionadores 13 de soporte, y por tanto los sensores 42 de distancia asociados, se puede modificar dependiendo de la aplicación y que esto, a su vez, afecta al tamaño de la matriz 43 modal de transformación y de la matriz 48 modal inversa de transformación. Además, el número de algoritmos 46 de control variará dependiendo de los modos de cuerpo rígido que se deban detectar y controlar - el número máximo de modos de cuerpo rígido es, por supuesto, seis. Normalmente, se controlarían los seis modos de cuerpo rígido.

En efecto, el controlador 40 global mide la posición y orientación instantáneas de la estructura 10 de sujeción usando las señales 41 de datos y las segundas señales 43 de control. La combinación de la matriz 44 modal de transformación, los algoritmos 46 y la matriz 48 modal de transformación inversa proporciona un cálculo de los valores de demanda D de fuerza dados para cada accionador 13 de soporte para devolver a la estructura 10 de sujeción a su posición y orientación media predeterminadas a una velocidad predeterminada.

Los movimientos medios de la estructura 10 de sujeción son movimientos de cuerpo rígido. Si la estructura 10 de sujeción fuese excitada a una de sus frecuencias de resonancia, se podrían generar desplazamientos locales de la estructura 10 de sujeción de una amplitud bastante grande. Como esos desplazamientos no modificarán las fuerzas generadas por cada accionador 13 de soporte, debido a que la fuerza se mantiene en un valor de demanda D de fuerza dado gracias a un control local, se puede esperar que dichos desplazamientos modifiquen la posición y orientación medios instantáneos de la estructura 10 de sujeción.

Una ventaja de la presente invención es que los movimientos generados en la estructura 10 de sujeción por la resonancia son ortogonales a los movimientos de cuerpo rígido de la estructura 10 de sujeción. Una consecuencia de esto es que cualquier resonancia de la estructura 10 de sujeción, aunque pueda cambiar cada entrehierro 16 operacional, no cambia los modos de cuerpo rígido de la estructura 10 de sujeción de forma que el controlador 40 global simplemente ignora cualquier resonancia y no se generarán fuerzas adicionales en respuesta a la excitación de ninguna resonancia de la estructura 10 de sujeción. Esto es, todas las resonancias de baja frecuencia de la estructura 10 de sujeción que estén dentro del mismo ancho de banda que el control local son ignoradas.

La construcción de la matriz 44 modal de transformación, de los algoritmos 46 y de la matriz 48 modal de transformación inversa y sus coeficientes dependen de la aplicación y se pueden determinar mediante métodos analíticos o empíricos antes del montaje de los acelerómetros 17 y de los accionadores 13 de soporte o una vez que los acelerómetros 17 y los accionadores 13 de soporte hayan sido montados en la estructura 10 de sujeción.

Se entenderá que se requeriría un mínimo de seis accionadores 13 de soporte para que una estructura 10 de sujeción fuese operacional en tres dimensiones, ya que hay seis modos de cuerpo rígido para controlar.

La Figura 5 muestra una forma de accionador 20 de soporte alternativa respecto a las mostradas en las Figuras 2 y 3 y en la cual se han usado números de referencia parecidos para designar enteros similares. En esta realización la estructura que soporta el electroimán 21 y la estructura que soporta el armazón 26 de soporte están dotadas de rebordes 51 y 52 respectivamente de fijación del muelle. Un par de muelles 50 mecánicos paralelos se extienden entre los rebordes 51 y 52. Los muelles 50 ayudan a sostener parte de la carga (no mostrada) soportada y consecuentemente el electroimán 21 puede ser diseñado con un tamaño reducido en comparación con los usados en las realizaciones mostradas en las Figuras 2 y 3.

La Figura 6 muestra un sistema para generar la señal global de demanda D de fuerza para que la señal D externa global anticipativa de demanda sea alimentada al controlador 23 de corriente de una de las realizaciones del accionador de soporte mostrada en las Figuras 2, 3 y 5. El sistema mostrado es para ser usado en una aplicación de barco donde se deben extraer los modos de cuerpo rígido tanto de la maquinaria del barco como del casco. Los acelerómetros 52 y 53 proporcionan las señales 52' y 53' que dependen de las aceleraciones y desplazamientos del casco y de la maquinaria respectivamente a los generadores de señal 54 y 55 de los modos de cuerpo rígido del casco y de los modos de cuerpo rígido de la maquinaria. La salida del generador 54 de señales del casco se multiplica por la masa apropiada en el circuito 56 y se aplica a una entrada de un amplificador 58 operacional mientras que la salida del generador 55 de señal de la maquinaria es alimentada a través de un circuito 57 de función de rigidez dependiente de la frecuencia a una segunda entrada del amplificador 58 operacional. La salida combinada del amplificador 58 operacional es alimentada a un circuito 59 modal de transformación inversa para generar la señal global de demanda D de fuerza, haciendo así que la maquinaria siga los movimientos del casco. Cuando la señal de demanda D se alimenta a la entrada anticipativa del controlador 23 de corriente de uno de los accionadores de soporte mostrados en las Figuras 2 ó 3 ó 5, se dota al accionador de soporte de una capacidad de posicionamiento constante y se separa este requerimiento del comportamiento de aislamiento a la vibración, que es controlado por el circuito de realimentación hacia los controladores 23 de corriente.

En realizaciones como la mostrada en la Fig. 4, donde existe una pluralidad de accionadores de soporte actuando sobre una estructura de sujeción que sostiene una carga, las fuerzas globales de demanda individuales para cada accionador de soporte se calculan mediante el circuito 59 de transformación inverso.

La característica clave del sistema mostrado en la Fig. 6 es que las resonancias mecánicas de la maquinaria del barco se eliminan mediante un filtro del sistema de observación (acelerómetros o sensores de proximidad) y son ignorados por los muelles de rigidez de cero local representados por los accionadores de soporte. Las únicas fuerzas transmitidas al casco son como resultado de la acción global del muelle en respuesta a desplazamientos de los modos de cuerpo rígido de la maquinaria.

Claims (13)

1. Un aparato de soporte que tiene una pluralidad de accionadores (13) electromagnéticos de soporte dispuestos en una matriz y acoplados a un montaje (10) de una carga para soportar la carga mediante levitación electromagnética, en el que cada accionador de soporte comprende un controlador (23) de corriente que puede ser hecho funcionar para producir una corriente (25) variable, un electroimán (21) conectado para recibir la corriente variable y para generar un campo magnético en función de la corriente variable, un armazón (26) de soporte separado del electroimán por un entrehierro (27) operacional y soportado por el campo magnético, medios de control dispuestos para detectar una fuerza generada por el electroimán y para hacer funcionar el controlador de corriente en función de variaciones de la fuerza generada, y estando dispuestos dichos medios de control para hacer variar la corriente variable del electroimán de forma que la fuerza generada sea sustancialmente igual a un valor (D) de demanda de fuerza dado permitiendo a la vez que varíe el entrehierro, caracterizado por al menos unos medios (17) perceptores montados en dicho montaje, y que están dispuestos para generar una señal que indica el movimiento de dicho montaje, y un controlador (40) global dispuesto operativamente para recibir la señal de movimiento de cada uno de dichos medios perceptores para generar dicho valor de demanda de fuerza dado en respuesta a, al menos, un modo de cuerpo rígido de dicho montaje.

2. Un aparato de soporte según la reivindicación 1, en el que dichos medios de control constituyen primeros medios de control, y que incluye segundos medios (32-34) de control asociados a cada accionador de soporte y dispuestos para detectar variaciones del entrehierro operacional para anticipar variaciones de fuerza y para generar una segunda señal de control en función de variaciones del entrehierro operacional.

3. Un aparato de soporte según la reivindicación 2, en el que el controlador global comprende una función (44) de matriz modal de descomposición dispuesta para identificar al menos un modo de cuerpo rígido de dicha estructura de montaje a partir de la señal de movimiento y la segunda señal de control y una función (48) de matriz modal inversa para generar un valor de demanda de fuerza dado apropiado para cada accionador individual en función de cada modo de cuerpo rígido identificado.

4. Un aparato de soporte según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, y que además comprende una conexión (50-52) mecánica elástica acoplada a dicho montaje.

5. Un aparato de soporte según la reivindicación 4, y en el que la conexión mecánica elástica comprende al menos un muelle (50) mecánico.

6. Un accionador de soporte, según la reivindicación 1, en el que los medios de control comprenden un medidor de deformación (28) dispuesto para detectar la fuerza generada por el electroimán, estando dispuestos también los medios de control para generar una señal (30) de control en función de la fuerza, y estando dispuesta la señal de control para hacer funcionar el controlador de corriente.

7. Un accionador de soporte según la reivindicación 6, en el que los medios de control están dispuestos en un camino (31) de realimentación desde el medidor de deformación hasta el controlador de corriente.

8. Un accionador de soporte según las reivindicaciones 6 ó 7, en el que el medidor de deformación está dispuesto entre el armazón de soporte y una posición (39) de montaje para el armazón de soporte.

9. Un accionador de soporte según las reivindicaciones 6 a 8, en el que el medidor de deformación es una célula de carga.

10. Un accionador de soporte según la reivindicación 2, en el que los segundos medios de control comprenden un sensor (32) de distancia dispuesto para detectar variaciones del entrehierro operacional, estando dispuestos también los segundos medios de control para generar una segunda señal (33) de control en función de variaciones del entrehierro operacional, y estando la segunda señal de control dispuesta, también, para hacer funcionar el controlador de corriente.

11. Un accionador de soporte según la reivindicación 2, en el que los segundos medios de control están dispuestos en un camino directo (34) desde el sensor de distancia hasta el controlador de corriente.

12. Un método de acoplar espacialmente un armazón de soporte con respecto a un electroimán, que comprende

generar un valor (D) de demanda de fuerza correspondiente a un modo deseado de cuerpo rígido de una estructura soportada por el campo magnético generado por la interacción entre el armazón y el electroimán,

aplicar una corriente (25) al electroimán para generar un campo magnético en función de la corriente y disponer el campo magnético para sostener el armazón de soporte con un entrehierro operacional entre ellos,

controlar dicha corriente en función de dicho valor de demanda de fuerza, y

controlar el entrehierro (27) operacional entre el armazón de soporte y el electroimán detectando la fuerza generada por el electroimán y haciendo variar la corriente en función de la fuerza, generando así una fuerza que sea sustancialmente igual al valor de demanda de fuerza y que permita al mismo tiempo que varíe el entrehierro operacional.

13. Un método según la reivindicación 12, en el que dicho valor (D) de demanda de fuerza se genera percibiendo el movimiento de dicha estructura para proporcionar datos (41) representativos del movimiento, analizando los datos para proporcionar amplitudes (45) de modos de cuerpo rígido, generando a partir de dichas amplitudes al menos una demanda de fuerza (47) de control modal para devolver dicha estructura a una posición deseada, y derivando de dicho valor (D) de demanda de fuerza a partir de dicha fuerza de demanda de control modal.