DC-moottorin kääntymiskulman 2DOF-PID-säätö

Abstract

DC (Direct Current) -moottoreita käytetään laajasti eri teollisuuden aloilla niiden korkean hyötysuhteen sekä nopean käynnistymisen ja tarkan nopeuden säädön takia. Yleisimmät sovellukset DC-moottorille ovat nopeuden ja paikan seuranta. Tässä työssä suunniteltiin DC-moottorin akselin kuorman kääntymiskulman 2DOF-PID (Two-degrees-of-freedom-Proportional-Integral-Derivative) -säädin, joka toteutti annetut vaatimusmäärittelyt. Suunniteltua säädintä verrattiin moottorin valmistajan PD-säätimeen, jossa ongelmana oli häiriön jälkeinen pysyvä säätövirhe sekä ainoastaan yksi suunnitteluvapausaste. 2DOF-rakenne tarjoaa yhden vapausasteen lisää verrattuna valmistajan säätimeen, mikä mahdollisti järjestelmän asetusarvovasteen sekä häiriövasteen suunnittelun vaatimusmäärittelyjen mukaisesti. Suunniteltua säädintä tarkasteltiin stabiiliusvarojen ja herkkyysfunktioiden avulla, sekä vertailtiin piirin asetusarvo- sekä häiriövastetta verrokkisäätimen vasteisiin. Vertailu tehtiin asetusarvon asettumisajan ja prosentuaalisen ylityksen kriteerien avulla sekä häiriön vaimenemisen näkökulmasta regulointitehtävässä. Lopuksi säätimen derivointihaaraan toteutettiin 2. kertaluokan alipäästösuodin, jotta mittauskohinaa saatiin vaimennettua. Säädin viritettiin napojen asettelumenetelmällä, joka viimeisteltiin simulaatiokokeilla. Säädettävän moottorin malli muodostettiin moottorin ohjausjännitteestä moottorin akselin kääntymiskulmaan. Suunnittelussa huomioitiin myös fyysisen moottorin rajoitukset, kuten moottorin jänniteraja ±15 V sekä mahdollisesta kulumisesta aiheutuvat muutokset esimerkiksi massoihin. Työn tuloksena saatiin vaatimusmäärittelyt toteuttava suorituskykyinen säädin, joka suoriutui asetusarvotehtävästä hyvin ja kykeni palautumaan häiriöstä pysyvää säätövirhettä jättämättä. Säätimen suunnittelussa keskityttiin asetusarvovasteeseen, koska moottorin ohjausjännite oli rajoitettu. Lisäksi säätimen derivointihaaraan toteutettu 2. kertaluokan alipäästösuodin vaimensi suuritaajuista mittauskohinaa tehokkaasti. Säätimen suorituskykyä simuloitiin myös muuttamalla moottorin akselin hitausmomenttia, mistä säädin suoriutui hyvin.