Tasarım ve uygulama: Yabancı uyartımlı doğru akım makineleri için analog ve sayısal denetleyici sistemleri

Abstract

Bu çalışmada, yabancı uyartımlı doğru akım motorları için oransal+tümleyici (PI) türü bir denetleyici sistemin tasarımı ve uygulanmasından bahsedilmektedir. Tasarım önce sürekli zamanda (s-düzleminde) yapıldıktan sonra sayısal tanım alanına (z-düzlemi) taşınacaktır. Her iki tanım alanında da kararlılık analizi yapılmaktadır. Tasarım süreci iki bölümden oluşmaktadır. Öncelikle alan alt sistemi kontrolü için PI türü bir denetleyici tasarlanmaktadır. Bu denetleyicinin doğrusal olmayan motor modelinin doğrusal gibi davranmasını sağlayacak düzeyde hızlı olması gerekmektedir. Bu sağlandıktan sonra ikinci adımda yine PI türü bir hız denetleyicisi tasarlanmaktadır. Her iki adımda da doğrusal denetleme teknikleri kullanılmaktadır. Kabul edilebilir düzeyde bir performans için değişik kazanç kombinasyonları denenmektedir. Tüm bu işlemler sürekli zamanda tamamlandıktan sonra sayısal alana geçebilmek için ayrık zamana dönüştürülecek ve kararlılıkları incelenecektir. Kapalı döngünün performansı benzetimlerle test edilmektedir. Benzetimler hem doğrusal alanda hem de motorun doğrusal olmayan tam modeli kullanılarak yapılacak olup tüm benzetimler ve hesaplamalar MATLAB ortamında yapılmaktadır. Anahtar Kelimeler: Doğrusal olmayan doğru akım motor modeli, alan denetleyicisi tasarımı, motor hızı denetleyicisi, PI denetleyicisi, PI ayarlaması, analog doğru akım motoru denetleyicisi, sayısal doğru akım motoru denetleyicisiIn this thesis, we will perform a design and implementation of a closed loop PI control system for a separately excited direct current motor. The design is first implemented in the continuous time domain (or s-plane) and then it is converted into digital domain (z-plane) The stability of the closed loop is analyzed in both domains including different values of the sampling time. The design procedure is separated into two parts. First of all, a field current PI controller is established. This controller should be sufficiently fast so that the nonlinear motor model can behave linearly. The second part involves the control of motor speed using again a PI controller. Here linear techniques will be applied, assuming that we have a constant field current set of field current control. The tuning of the proportional and integral (PI) controller gains will be tuned for the two different controllers and we evaluate different gains combinations to obtain a closed loop response of the overall system to achieve an acceptable level of performance. Upon finishing the continuous time designs, we implement the digital equivalents by transforming the controllers and plant into the digital domain. The performance of the closed loop is assessed by numerical simulations. The simulation is performed in linear and nonlinear domains. Nonlinear simulation involves, both field current and speed controllers working together on the actual nonlinear model of the DC motor. MATLAB is the simulation and computation environment. Keyword: Nonlinear model for a DC motor, Field current controller design, Motor speed controller design, PI controller, PI tuning, Analog DC motor controller, Digital DC motor controller.