Compensación de zona muerta y variación de carga en el control de velocidad de motores de corriente directa

Abstract

RESUMEN: La implantación de sistemas automáticos para la manufactura es actualmente, por las ventajas que estos ofrecen en cuanto a repetibilidad, calidad y eficiencia, una de las tareas con más demanda industrial. Entre estos, los servosistemas impulsados por máquinas eléctricas brindan para un gran número de aplicaciones, el más avanzado y preciso control de movimiento disponible en el mercado. El presente trabajo forma parte del esfuerzo que se realiza en CICATA-IPN por sentar las bases para el desarrollo de tecnología propia en materia de control de movimiento basado en motores de corriente directa. El sistema experimental desarrollado en esta tesis para el control de movimiento de motores de corriente directa, fue motivado por necesidades del centro de investigación para el control de velocidad, la compensación de fenómenos de zona muerta y desviaciones por variaciones de carga en motores. El motor principal utilizado para el desarrollo del sistema, fue de imán permanente con escobillas, utilizando un encoder incremental en cuadratura como elemento de retroalimentación. El algoritmo base es un controlador PI sintonizado para un desempeño óptimo. Experimentalmente se encontró que la zona muerta no es simétrica, depende de la carga referida al eje del motor, de su aceleración y la frecuencia del PWM utilizada para modular la señal de control. Inicialmente, mediante la función signo, se sumó a la señal de control el voltaje requerido para evitar la zona muerta y al volver a sintonizar el controlador de acuerdo a la señal de referencia deseada, se logró una compensación ante perturbaciones de par constantes. Aunque este método logró minimizar su efecto en el seguimiento de una señal de referencia sinusoidal, no de manera completa. Sintonizando el controlador PI mediante un “set-point-gain-scheduling” basado en el modelo electromecánico, se logró responder de forma más rápida a variaciones de carga aunque el sobre-impulso alcanzó en algunos experimentos valores de hasta el 50%. Para eliminar el exceso en el sobre-impulso y lograr una respuesta acorde con lo simulado, se agregó al sistema de control una estructura “anti-wind-up” para evitar los efectos causados por la saturación en el servo-amplificador, logrando sobre-impulsos cercanos al 0%. El sistema desarrollado permite, la identificación fuera de línea de los parámetros de la función de transferencia para controlar la velocidad de motores, corregir efectos de zona muerta y, eliminar el sobre impulso que se genera cuando un sistema de control trata de compensar variaciones de carga

ABSTRACT: At present, motion control of devices used for the automatic product manufacturing is one of the most demanded tasks in industry, due to advantages in repeatability, efficiency and quality that are obtained after the implementation of control systems. Servo-systems driven by electrical machines offer great number of applications, and most advanced and precise motion control available industrially. The present work is part of the effort that is under progress in CICATA-IPN Querétaro research center, to expand fundamentals for the development of own technology in motion control of direct current motors. Experimental setup developed in this thesis, for motion control with direct current motors, was motivated for specific needs in research center related to speed control, dead zone compensation and load disturbances in motors. Main motor utilized in this work, was a brushed permanent magnet direct current motor with an incremental quadrature encoder as feedback element. Base algorithm is a PI controller tuned for an optimal performance. Experimentally, it was found that dead zone is not symmetrical, depending on load referred to motor axis, its acceleration and PWM frequency used to modulate control signal. By means of sign function, required voltage to overcome static friction is added to the control signal in order to avoid dead zone and when tuning the controller according to desired reference signal, a better compensation is obtained when the system is subject to step torque disturbances. Therefore, although the used method to compensate the dead zone diminishes its effect in the follow-up of a sinusoidal reference signal, was not eliminated completely. Tuning a PI controller by means of a Set-point-gain-scheduling approach based on the electromechanical model, it was managed to respond faster to load variations although over shoot reached in some experiments went to values up to 50%. To eliminate the excess in over shoot and to obtain a behavior accorded with simulation data, an “anti-wind-up” structure was added in control system loop to avoid effects caused by servo-amplifier saturation, obtaining over shots close to 0%. Developed system allows, off-line identification of transfer function parameters to control motor speed, correct effects of dead zone and, eliminate over shoot that is generated when a control system attempts to compensate load variations.