Speed control for a DC motor based on double feedback control circuit by using PID controller and PWM

Abstract

Bağımsız olarak uyarılmış DC motorlar birçok değişken hızlı tahrikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Motorun açık devrede çalıştırılması endüstriyel ve otomasyon uygulamalarında yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle, sürücünün herhangi bir değişen sistem parametresi altında sabit hızla çalıştırılması gerektiği durumlarda, kapalı devre kontrolü gereklidir. DC Motorun hız kontrolü genellikle karmaşık devreler ve düşük güvenilirlik gibi bazı dezavantaja sahip olan analog yöntemler kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bu tez çalışmasında, DC motor ile Arduino UNO vasıtasıyla darbe genişlik modülasyonu (PWM) ve PID kontrolörü kullanan çift geri besleme kontrol devresine sahip uyarlanabilir hızlı DC tahrik sistemlerinin dijital kontrolü araştırılmaktadır. Bu tip Arduino Kiti, yüksek hızda çalıştırma kapasitesi, düşük maliyet ve gerçek zamanlı çalışmayı mümkün kılan yüksek esneklik gibi pek çok avantaja sahiptir. Motorun kapalı devre kontrolü, temel olarak iki geri besleme döngüsünden oluşan MATLAB, Simulink kullanılarak tasarlanmıştır. Bu tezde, dış tork, DC besleme, endüktans, düzenleyici dönüştürücü kondansatöründeki bozunum göz önünde bulundurularak PID kontrolör uygulanmıştır, bu faktörler literatürde bu tezden önce değerlendirilmemiştir. Bunun yanında, önerilen ayarlanabilir hız sistemlerinin donanım tasarımı ve yazılım programlaması da tez içerisinde ele alınmıştır. Elde edilen pratik sonuçlar, önerilen dijital hız kontrol sisteminin (0.04 saniye)den daha az olmak üzere hızlı cevap verdiğini ve istendik hızdan (%0.05) daha az küçük bir oranda sapma gösterdiğini ortaya koymuştur.Anahtar Kelimeler: DC motor, çift geri beslemeli kapalı devre kontrolü, darbe genişlik modülasyonu (PWM), DC-DC düzenleyici güç dönüştürücüsü, PID kontrolör.

A separately excited DC motors are widely used in many variable speed drives. Open-loop operation of the motor is unsatisfactory in the industrial and automation applications. Therefore, if the drive requires constant-speed operation under any changing in system parameters, the closed-loop control is necessary. The speed control of the DC Motor was usually implemented using analog methods, which have some disadvantage such as complex circuits and low reliability. The digital control of the adjustable speed DC drive systems that employ the double feedback control circuit using PID controller and pulse width modulation (PWM) by means of Arduino UNO with DC motor is studied in this thesis. This type of Arduino Kit has many advantages such as high-speed operation capacity, low cost and high flexibility that makes it possible to work with real time. The closed-loop control of the motor has also been designed using MATLAB, Simulink which basically consists of two feedback loops. In this thesis, we have implemented PID controller by considering the disturbance in external torque, DC supply, inductance and capacitor of buck converter which were not considered in literature until this work. Moreover, the hardware design and software programming of the proposed adjustable speed systems are also discussed. The practical results show that the proposed digital speed control system has fast response less than (0.04 Sec) and small overshoot less than (0.05%) of the desired speed. Keywords: DC motor, double feedback close loop control, pulse width modulation (PWM), DC-DC buck power converter, PID controller.