DC-moottorin joustavarakenteisen akselin estimaattoripohjainen integroiva tilasäätö

Abstract

Joustavarakenteiset akselit DC-moottoreissa aiheuttavat vääntymistä varren päiden välillä sekä värähtelyä kuormassa. Näiden ilmiöiden huomioimatta jättäminen voi aiheuttaa virhettä varren kuorman puoleisessa kulmassa. Monissa teknisissä sovelluksissa, kuten robotiikassa ja työstökoneissa, edellytetään kuitenkin tarkkaa ja värähtelemätöntä säätöä laadukkaan lopputuloksen aikaansaamiseksi.

Joustavarakenteista akselia mallinnetaan kaksoismassasysteeminä, jossa massat on yhdistetty toisiinsa torsiojousella. Työssä mallin fysikaalisista yhtälöistä johdetaan lineaarinen, aikainvariantti tilamalliesitys. Mallissa on neljä tilamuuttujaa, yksi sisäänmeno ja yksi ulostulo. Tilaesityksen perusteella suunnitellaan tilatakaisinkytketty säädin napojen asettelumenetelmällä. Tilatakaisinkytkentä vaatii tiedon systeemin kaikista tiloista, joten sitä varten suunnitellaan täyden tilan tilaestimaattori. Estimaattoripohjaiseen tilatakaisinkytkentään lisätään integroiva säätöelementti kuorman kulman loppuvirheen korjaamiseksi, koska moottoriin kohdistuu ulkoinen askelmainen kuormitushäiriö. Loppuvirhettä mallinnetaan työssä askelmaisena häiriösignaalina, joka vaikuttaa kuorman kulmaan.

Säätimen toimivuutta arvioidaan simulointien avulla sekä servotehtävässä että regulointitehtävässä. Integroivan säädön tarpeellisuus osoitetaan simuloimalla pelkällä tilatakaisinkytkennällä säädetyn systeemin ulostuloon jäävä pysyvä loppuvirhe. Lopullisen säätimen suorituskykyä testataan lisäksi erisuuruisilla häiriösignaaleilla. Säätimen osat erillään todetaan simulointitulosten perusteella toimiviksi, mutta tuloksiltaan heikommiksi kuin koko integroiva estimaattoripohjainen tilasäädin.