DC-moottorin kääntymiskulman tilatakaisinkytketty säätö redusoidulla havaitsijalla
Laaksonen, Olli (2023)
2023
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305225993
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305225993
Tiivistelmä
DC-moottorit (Direct Current) ovat merkittävässä roolissa eri teollisuuden alojen säätösovelluksissa. Kyseisissä teollisuuden sovelluksissa hyödynnetään DC-moottoreiden vahvuuksia, kuten tasavirralle ominaista säädön yksinkertaisempaa toteuttamista vaihtovirtamoottoreihin verrattuna sekä moottorin nopeaa reagointikykyä kiihdyttämisessä, pysähtymisessä ja suunnan pyörimissuunnan vaihdossa. Tässä työssä tutkitaan tilatakaisinkytkettyä säätöä Quanser QUBE - Servo 2 DC-moottorisovellukselle estimoimalla kulmanopeus redusoidulla tilahavaitsijalla ja hyödyntämällä tilasäädön ominaisuuksia servojärjestelmän takaisinkytketyn säädön suunnittelussa.
DC-moottorin säätö toteutetaan estimoimalla kulmanopeus kääntymiskulman laadukkaasta mittauksesta ja ohjausjännitteestä. DC-moottorille johdetaan siirtofunktio ja tilaesitys valmistajan antamien tietojen perusteella. Kyseessä on SISOLTI (Single Input – Single Output Linear Time Invariant) -järjestelmä.
Säätösuunnittelun tavoitteita olivat lyhyt asettumisaika, jolle asetettiin tavoitteeksi 0,25\ sekuntia, 45 asteen vaihevara ja prosentuaalisen ylityksen jääminen alle 10\ %. Säädön suorituskykyä rajoitti moottorin ±15 V ohjausjännite. Tilatakaisinkytkennän ja redusoidun tilahavaitsijan virittämiseen hyödynnettiin napojen asettelumenetelmää sekä varmistettiin järjestelmän ohjattavuus ja havaittavuus. Säätöpiirin suorituskykyä testattiin askelvastekokeilla simuloidussa ympäristössä käyttämällä MATLABin Simulink-ohjelmistoa. Säätöpiirin suhteellista stabiiliutta tutkittiin Nyquist- sekä Bode -diagrammien avulla.
Redusoidulla tilahavaitsijalla varustettu järjestelmä kykeni hyvin vastustamaan ohjausjännitteeseen lisättyä virhettä, ja lisäämällä järjestelmään asetusarvosuodin voitiin vaimentaa askelvasteen ohjauspiikkejä halutulle tasolle. Lisäksi askelvasteen asettumisaikaa pystyttiin lyhentämään asetusarvon alipäästösuotimella. Lopulliseksi askelvasteen asettumisajaksi saatiin T_s\ =\ 0,2\ s, viivevaraksi d_m=0,023\ s, vaihevaraksi \emptyset_m=45,7\ rad/s ja stabiiliusvaraksi s_m=0,7228. Stabiiliusanalyysin ja askelvastekokeiden perusteella rakennettu säädin toteutti sille asetetut tavoitteet, ja tuloksena saatiin simulointiympäristössä hyvin toimiva säädin.
DC-moottorin säätö toteutetaan estimoimalla kulmanopeus kääntymiskulman laadukkaasta mittauksesta ja ohjausjännitteestä. DC-moottorille johdetaan siirtofunktio ja tilaesitys valmistajan antamien tietojen perusteella. Kyseessä on SISOLTI (Single Input – Single Output Linear Time Invariant) -järjestelmä.
Säätösuunnittelun tavoitteita olivat lyhyt asettumisaika, jolle asetettiin tavoitteeksi 0,25\ sekuntia, 45 asteen vaihevara ja prosentuaalisen ylityksen jääminen alle 10\ %. Säädön suorituskykyä rajoitti moottorin ±15 V ohjausjännite. Tilatakaisinkytkennän ja redusoidun tilahavaitsijan virittämiseen hyödynnettiin napojen asettelumenetelmää sekä varmistettiin järjestelmän ohjattavuus ja havaittavuus. Säätöpiirin suorituskykyä testattiin askelvastekokeilla simuloidussa ympäristössä käyttämällä MATLABin Simulink-ohjelmistoa. Säätöpiirin suhteellista stabiiliutta tutkittiin Nyquist- sekä Bode -diagrammien avulla.
Redusoidulla tilahavaitsijalla varustettu järjestelmä kykeni hyvin vastustamaan ohjausjännitteeseen lisättyä virhettä, ja lisäämällä järjestelmään asetusarvosuodin voitiin vaimentaa askelvasteen ohjauspiikkejä halutulle tasolle. Lisäksi askelvasteen asettumisaikaa pystyttiin lyhentämään asetusarvon alipäästösuotimella. Lopulliseksi askelvasteen asettumisajaksi saatiin T_s\ =\ 0,2\ s, viivevaraksi d_m=0,023\ s, vaihevaraksi \emptyset_m=45,7\ rad/s ja stabiiliusvaraksi s_m=0,7228. Stabiiliusanalyysin ja askelvastekokeiden perusteella rakennettu säädin toteutti sille asetetut tavoitteet, ja tuloksena saatiin simulointiympäristössä hyvin toimiva säädin.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8935]