Факторные модели оптимальных коэффициентов пропорционально-интегрального регулятора на основе имитационного моделирования системы векторного управления гибридного шагового двигателя

Павел Александрович Санников; Павел Валерьевич Лекомцев

doi:10.22213/2410-9304-2022-4-90-97

Авторы

П. А. Санников ИжГТУ имени М. Т. Калашникова
П. В. Лекомцев ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2022-4-90-97

Ключевые слова:

гибридный шаговый двигатель, векторное управление, обратная связь, ПИ-регулятор, моделирование

Аннотация

В статье рассмотрено моделирование системы управления электроприводом на основе гибридного шагового двигателя (ГШД) с обратной связью. Реализована модель системы управления ГШД 34HS5435C-02B2, основанная на алгоритме векторного управления. Пропускная способность контура тока составила 1370 Гц, контура скорости - 350 Гц. Применение процедуры оптимизации при определении коэффициентов регуляторов позволило существенно улучшить характеристики динамической системы по сравнению с классическими методами расчета. Критерием оптимизации являлось время переходного процесса и величина перерегулирования при ступенчатом воздействии, а также нулевая статическая ошибка регулирования. Методом регрессионного анализа получены факторные модели оптимальных коэффициентов пропорционально-интегральных (ПИ) регуляторов в контуре скорости для рассматриваемого двигателя при разных моментах сопротивления нагрузки (TL) и моментах инерции, приведенных к валу двигателя (J). Анализ полученных зависимостей показал, что на пропорциональный коэффициент (Kp) наибольшее влияние оказывает момент нагрузки TL , на интегральный (Ki) - момент инерции J. Наибольшее значение KP = 3,049 выявлено при TL = 10 Нм , J = 15 Jm , наименьшее значение KP = 0,03 при TL = 0 Нм , J = Jm , в то время как наибольшее значение KI = 1036 выявлено при TL = 10 Нм , J = 7,5 Jm, а наименьшее KI=0,12 при TL = 0 Нм , J = Jm(Jm - момент инерции вала двигателя). Полученные зависимости можно применять в адаптивных системах управления гибридного шагового двигателя 34HS5435C-02B2, отвечающих требованиям максимальной точности и быстродействия.

Биографии авторов

П. А. Санников, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

магистрант

П. В. Лекомцев, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова

кандидат технических наук, доцент, кафедра «Мехатронные системы»

Библиографические ссылки

Lin O, Schagin A., Naung Y, Kyaw Z., Khaing Z., Modelling and control of an open-loop stepper motor in Matlab/Simulink, IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). 2017, pp. 869-872. doi:10.1109/EIConRus. 2017.7910693.

Санников П. А., Лекомцев П. В. Предпосылки к разработке системы управления шаговым электроприводом с обратной связью // Выставка инноваций - 2021 (весенняя сессия) : сборник материалов XXXI Республиканской выставки-сессии студенческих инновационных проектов и XL Научно-технической конференции молодежи АО «ИЭМЗ «Купол», Ижевск, 23 марта 2021 года. Ижевск : Изд-во УИР ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, 2021. С. 142-146.

Normanyo E., Agyare O. R., Rashid R. A., Matlab Implementation of Position Control of a Hybrid Stepper Motor Using Fuzzy Logic Controller, IEEE AFRICON Conference : Powering Africa Sustainable Energy for All Agenda: The Role of ICT and Engineering, Accra, 2019. P. 9134047, DOI 10.1109/ AFRICON46755.2019.9134047.

Takebayashi T., Cho D., Gokhale D., Tomov P., Stepping motor control system and method for controlling a stepping motor using closed and open loop controls, August 19 2007. US Patent App. 11/206,943.

Kim W., Yang C., Chung C. Design and implementation of simple field-oriented control for permanent magnet stepper motors without DQ transformation, IEEE Trans. Magnet., Vol. 47, No. 10, pp. 4231-4234, 2011.

Lekomtsev P. V. Discrete model of hybrid stepper motor by optimal state space control, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Sevastopol, 2020, P. 052022. DOI 10.1088/1757-899X/971/5/052022.

Lequin O., Gevers M., Mossberg M., Bosmans E., Triest L., Iterative feedback tuning of PID parameters: Comparison with classical tuning rules, Control Eng. Pract., Vol. 11, pp. 1023-1033, 2003.

Panda S. K., Lim J. M. S., Bash P. K., Lock K. S., Gain scheduled PI speed controller for PMSM drive, IEEE Industrial Electronics Society International Conference (IECON 97), pp. 925-930, New Orleans, LA, 9-14 November 1997.

Zaky M.S, Ismaeil E.M, Khater M.M. Gain scheduling adaptive proportional-integral controller for a field-oriented control of hybrid stepper motor drives. Electric Power Compon Syst. 2012; 40(7):777-791.

Kellermann, H., Hildinger, P., Brandenburg, G., and Heinzl, J., Field oriented position control of hybrid stepper motor control, Proc. EPE Conf., Vol. 3, pp. 908-913, September 1995.

Ruilope R.P., Modelling and Control of Stepper Motors for High Accuracy Positioning Systems Used in Radioactive Environments, Oct 2014.

Goryachev, O., Stepochkin V., Synthesis of an algorithm for controlling an electric servo drive with a hybrid stepper motor. Journal of Physics: Conference Series, 11 Moscow, 2021. P. 012017. DOI 10.1088/1742-6596/1958/1/012017.

Kien L., Hung H., Jae J., An Advanced Closed-Loop Control to Improve the Performance of Hybrid Stepper Motors. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016. doi: 10.1109/TPEL.2016.2623341.

Сидняев Н. И. Теория планирования эксперимента и анализ статистических данных. М. : Юрайт, 2012. 400 с.

Longchamp R., Commande Numrique De Systmes Dynamiques - Cours D’automatique, PPUR Presses polytechniques, 2006.

Hossen M. B., Ghosh B. C. Performance Analysis of a PMBLDC Motor Drive based on ANFIS Controller and PI Controller, 2019 International Conference on Electrical, Computer and Communication Engineering (ECCE), 2019, pp. 1-6, doi: 10.1109/ ECACE.2019.8679434.

Firmansyah R. and Irmawanto R.Comparison Study of PI Controller Tuning Method to Regulate the DC Motor Speed, 2021 3rd International Conference on Research and Academic Community Services (ICRACOS), 2021, pp. 93-97, doi: 10.1109/ ICRACOS53680.2021.9702007.