Estimate and control speed of a DC motor using different power circuits

• Autorzy: Antar Rakan Khalil , Saleh Asef A , Yahia Thaker T.

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2023.03.48

Warianty tytułu

PL

Oszacowanie i kontrola prędkość silnika prądu stałego przy użyciu różnych obwodów mocy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this work, sensorless control speed/torque of a separately-excited DC motor (SDCM ) utilizing transfer function characteristics is used with two suggested power drive systems. The first system is a PWM DC/DC converter that only operates in a forward motoring mode. The second proposed power system is a three-phase bridge controlled-rectifier to control the speed of a SDCM. The transfer function of a SDCM is built for estimating speed/torque during steady-state and dynamic operation by sensing terminal voltage and armature current as inputs. The speed is estimated to overcome sensor speed problems. Artificial neural network and/or PI controller is trained to get the required magnitude of firing angle or duty cycle to trig thyristors or tranasistor to control the speed of the SDCM at the wanted values. Therefor based on transfer function characteristics, speed and torque are estimated using direct output current and voltage of the converter circuit. The both proposed circuits and controllers are built and modeled in Matlab program. The systems are simulated under different speed and torque conditions in steady state and transient cases. The modeling results explain the efficiency of the designed controller system. The two systems has quick dynamic responding and suitanble coincidence among the refference, estimated and actual values.

PL

W niniejszej pracy zastosowano bezczujnikowe sterowanie prędkością/momentem obrotowym silnika prądu stałego z obcym wzbudzeniem (SDCM ) wykorzystujące charakterystykę funkcji przenoszenia z dwoma sugerowanymi układami napędowymi. Pierwszy system to przetwornica PWM DC/DC, która działa tylko w trybie jazdy do przodu. Drugim proponowanym systemem zasilania jest trójfazowy prostownik sterowany mostkiem do sterowania prędkością SDCM. Funkcja przenoszenia SDCM została stworzona do szacowania prędkości/momentu obrotowego podczas pracy w stanie ustalonym i dynamicznym poprzez wykrywanie napięcia na zaciskach i prądu twornika jako danych wejściowych. Szacuje się, że prędkość pozwala przezwyciężyć problemy z szybkością czujnika. Sztuczna sieć neuronowa i/lub kontroler PI są szkolone, aby uzyskać wymaganą wielkość kąta zapłonu lub cyklu pracy, aby wyzwolić tyrystory lub tranzystory w celu kontrolowania prędkości SDCM przy żądanych wartościach. W związku z tym na podstawie charakterystyk funkcji przenoszenia prędkość i moment obrotowy są szacowane na podstawie stałego prądu wyjściowego i napięcia obwodu przekształtnika. Oba proponowane układy i sterowniki zostały zbudowane i zamodelowane w programie Matlab. Systemy są symulowane w różnych warunkach prędkości i momentu obrotowego w stanach ustalonych i przejściowych. Wyniki modelowania wyjaśniają efektywność zaprojektowanego układu regulatora. Oba systemy charakteryzują się szybkim dynamicznym reagowaniem i odpowiednią koincydencją między wartościami odniesienia, wartościami szacunkowymi i rzeczywistymi.

Słowa kluczowe

EN

sensorless speed; DC motor; three phase controlled rectifier; dc chopper; transfer function

PL

bezczujnikowa prędkość; moment obrotowy; silnik prądu stałego; prostownik sterowany trójfazowy; chopper prądu stałego; funkcja przenoszenia

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 99, nr 3
• Strony: 271--276
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Antar Rakan Khalil

• Northern technical university, University of Mosul

• https://orcid.org/0000-0001-8203-8579

autor

Saleh Asef A

• Northern Technical University

• https://orcid.org/0000-0002-5235-2767

autor

Yahia Thaker T.

• Mosul University

Bibliografia

• [1] Rajnikant Sinha, Prabir Ranjan Kasari, Abanishwar Chakrabarti, Bikram Das and Arindam Das, "Speed Regulation of DC Motor by Buck Converter", International Conference on Power Electronic Drives and Energy Systems for Industrial Growth (PEDES), IEEE 2018.
• [2] Nashwan Sultan, Rakan Khalil ANTAR, Bashar FADHEEL, “A Comparative Control Study of A Separately Excited DC Motor Using Intelligent Controllers”, Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 13, No. 22, pp. 9799-9805, 2018.
• [3] M.M. Sankar and G.Sailaja, “Four Quadrant Chopper Control of DC Motor using AT89S52 Microcontroller”, National Conference on Electrical sciences, page: 161-165, 2012.
• [4] Hameed, W. I. and Mohamad, K. A., “Speed Control of Separately Excited DC Motor using Fuzzy Neural Model Reference Controller”, International Journal of Instrumentationand Control Systems, vol.2, No.4, page: 27-39, October, 2012.
• [5] Hashmia, A. L. and Dakheel, SH. “Speed Control of Separately Exited DC Motor using Artificial Neural Network”, Journal of Engineering and Development, Vol. 16, No.4, pages: 349-362, December 2012.
• [6] R. kushwah, S. Wadhwani, “Speed Control of Separately Excited DC Motor Using Fuzzy Logic Controller”, International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), Vol. 4, Issue 6, pages: 2518-2523, June 2013.
• [7] G. Y. Mustafa, A. T. Ali, E. Bashier and M. F. Elrahman, “ Neuro-Fuzzy Controller Design for a DC Motor Drive”, University of Khartoum Engineering Journal (UofKEJ), Vol. 3, Issue 1, pages:7-11, February 2013.
• [8] Y. I. Al-Mashhadany, “Modeling and simulation of Adaptive Neuro- Fuzzy controller for Chopper-Fed DC Motor Drive”, Applied Power Electronics Colloquium (IAPEC) conference, pages: 110–115, IEEE April 2011.
• [9] P. Cepeda, P. Ponce and A. Molina, “A Novel Speed Control for DC Motors: Sliding Mode Control, Fuzzy Inference System, Neural Networks and Genetic Algorithms”, 11th Mexican International Conference on Artificial Intelligence (MICAI), pages: 116-121, 2012.
• [10] Rakan Khalil Antar, Ahmed A. Allu, Ahmed J. Ali, “Sensorless Speed Control of Separately Excited DC Motor Using Neuro-Fuzzy Controller”, 1st International Conference of Electrical, Communication, Computer, Power and Control Engineering ICECCPCE'13, IEEE2013, pages: 37-41, 2013. Mosul, Iraq.
• [11] Ahmed A. Allu and Rakan Khalil Antar, “Design and Modelingof Speed Sensorless Control of DC Motor Drive System”, AlRafidain Engineering Journal, University of Mosul, College of Engineering, Vol. 22, No. 5, pages: 89-100, 2014.
• [12] Rakan Khalil Antar, Ahmed A. Allu, “Sensorless Speed/Torque Control of DC Machine Using Artificial Neural Network Technique”, Tikrit Journal of Engineering Sciences, Vol.23, No.3, pages: 55-62, 2016.
• [13] Rakan Khalil ANTAR, “Speed/Torque Estimation and Control of a DC Machine in Four Quadrants Operation Modes”, AlNahrain Journal for Engineering Science (NJES), Vol.21, No.2, pp. 238-247, 2018.
• [14] M.Gokulkannan, T.Dinesh, S.Murugesan, M.Naveenprasanth and R.Nagarajan, "Performance Improvement in Separately Excited DC Motor Using PI Controller", International Journal ofEngineering Research & Technology (IJERT), ISSN: 2278-0181, Volume 6, Issue 07, 2018.
• [15] Sarah N. Al-Bargothi, Ghazi M. Qaryouti, Qazem M. Jaber, Speed control of DC motor using conventional and adaptive PID controllers", Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science, vol.16, No.3, pp.1221-1228, 2019.
• [16] R.Nagarajan, M. Gokulkannan, T. Dinesh, S. Murugesan and M. Naveenprasanth, “Performance Improvements of Separately Excited DC Motor Using Fuzzy Logic Control", ISSN: 2454-1907, Vol.6 (Iss.2): February 2019].
• [17] Mohamed Lamine Hamida, Hakim Denoun, Arezki Fekik, and Sundarapandian Vaidyanathan, "Control of separately excited DC motor with series multi-cells chopper using PI - Petri nets controller",https://doi.org/10.1515/nleng-2017-0174; pp. 32–38 , Nonlinear Engineering 2019.
• [18] Anil Gunde, G. Devadasu and M.Vijayasaanthi, "Design of Hybrid Fuzzy-PI Controller for Sensorless Speed Control of Separately Excited DC Motor Drive", International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE), ISSN: 2277-3878, Volume-8 Issue-2S8, August 2019.
• [19] Mohamed Elhaj Ahmed Mohamed and Yanling Guo,"Separately Excited DC Motor Speed Tracking Control Using Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System Based on Genetic Algorithm Particle Swarm Optimization and Fuzzy Auto-Tuning PID", doi:10.1088/1755-1315/300/4/042114 IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science REES2019.
• [20] Oti Stephen Ejiofor, Agada Stephen C., Obe Chinedu, SalihuAhmed and Ogbuefi Uche C., "Dynamics of Speed Control of Dc Motor using Combine Armature and Field Control with Pi Controller", International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), Vol.9 Issue-3, February 2020.
• [21] Diyajeng Luluk Karlina and Katherin Indriawati, " Fault Tolerant Control for Speed Sensorless of DC Motor ", 2020 International Conference on Smart Technology and Applications (ICoSTA) IEEE 10.1109/ICoSTA48221.2020.1570615272.
• [22] Liqaa Saadi Mezher, "Speed Control for Servo DC Motor withDifferent Tuning PID Controller with LABVIEW", Journal of Mechanical Engineering Research and Developments, ISSN: 1024-1752, Vol. 44, No. 1, pp. 294-303, 2021.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).