Comparison of Real Time DC Motor Position-Speed and Position-Speed-Torque Cascade PID Controller Performances

Year 2021, Volume: 21 Issue: 4, 985 - 995, 31.08.2021

Hüseyin Koç Burak Safa Berzener , Tuğçe Yaren , Selçuk Kizir

https://doi.org/10.35414/akufemubid.867826

Abstract

Industrial servo applications generally have a multi-loop control structure that has the position, velocity, and current loops. Since all states of the system can be observed in the cascade structure, there is no change in the system response under dynamic loads affecting the system. The cascade control method, which is an alternative to the classical control system, increases the performance of the control system especially in the presence of unpredictable disturbances. In this study, first the position-speed control of the DC motor, then the position, speed, and torque control of the DC motor are designed by using cascade PID controller and implemented in real-time. The designed controllers were implemented by using Matlab-Simulink based Waijung block set and STM32F4 development kit. In real time application, the results obtained from the system for different reference inputs are presented graphically and the controller performance has been analyzed. The performance of the designed controller is clearly shown by the system output following all reference inputs successfully.

Keywords

DC Motor, Real Time Control, Cascade Control, STM32F4 Kit, Waijung Block Set

Gerçek Zamanlı DC Motor Konum-Hız ve Konum-Hız-Tork Kaskad PID Denetleyici Performanslarının Karşılaştırılması

Abstract

Endüstriyel servo uygulamaları genellikle çok döngülü kontrol yapısına sahiptir. Konum, hız ve akım döngüleri iç içe olacak şekilde bir kontrol yapısı oluşturulur. Oluşturulan yapıda, sistemin tüm durumları gözlenebildiği için sisteme etki eden dinamik yükler altında sistem yanıtında değişiklik olmaz. Klasik kontrol sisteminin bir alternatifi olan kaskad kontrol yöntemi, özellikle öngörülmeyen bozucuların varlığında kontrol siteminin performansını artırmaktadır. Bu çalışmada, DC motorun önce konum-hız kontrolü, daha sonra konum, hız ve tork kontrolü kaskad PID denetleyicisi tasarlanarak, gerçek zamanlı olarak uygulanmıştır. Uygulanan bu kontrol yöntemi Matlab-Simulink tabanlı Waijung blok set ile STM32F4 uygulama geliştirme kiti kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Gerçek zamanlı uygulamada, farklı referans girişler için sistemden elde edilen sonuçlar grafiksel olarak sunulmuş ve kontrolcü performansı analiz edilmiştir. Sistem çıkışının tüm referans girişleri başarılı bir şekilde takip etmesi ile tasarlanan kontrolcünün performansı net bir şekilde ortaya çıkarılmıştır.

Keywords

DC Motor, Gerçek Zamanlı Kontrol, Kaskad Kontrol, STM32F4 Kiti, Waijung Blok Set

References

• Bacac, N., Slukic, V., Puskaric, M., Stih, B., Kamenar, E., Zelenika, S., 2014. Comparison of Different DC Motor Positioning Control Algorithms. In Proceedings of the 37th International Convention on Information and Communication Technology, Electronics and Microelectronics (MIPRO), 1654–59.
• Bhavina, R., Jamliya, N. and Vashıshtha, K., 2013. Cascade Control Of DC Motor with Advance Controller. International Journal of Industrial Electronics and Electrical Engineering, 1:1, 18–20.
• Bingül, Z. ve Küçük, S., 2017. Robot Dinamiği ve Kontrolü, Umuttepe Yayınları, 10-25.
• Gross, H., 1983. Electrical Feed Drives for Machine Tools, Wiley, 40-69.
• Gücin, T. N., Biberoglu, M., Fincan, B. and Gülbahçe, M. O., 2015. Tuning Cascade PI(D) Controllers in PMDC Motor Drives: A Performance Comparison for Different Types of Tuning Methods. In Proceedings of the 9th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ELECO), 1061–66.
• Karadeniz, M., İskender, İ. ve Yüncü, S., 2014. Doğru Akım Motor Hızının Uyarlamalı Kutup Yerleştirme Denetimi. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., 19:3, 327–34.
• Kelekçi, E., Yaren, T. and Kizir, S., 2019. Model Based PID Controller Design of a DC Motor Using Black Box System Identification. In Proceedings of the 10th International Conference on Image Processing, Wavelet and Applications (IWW2019), 166–175.
• Kizir, S., Yaren, T. and Kelekçi, E., 2019. Matlab Simulink Destekli Gerçek Zamanlı Kontrol: Teori ve Mühendislik Uygulamaları, Seçkin Yayıncılık, 188-189.
• Patel, L. S. and Dave, K. C., 2011. Cascade Control Technique for DC Motor Speed Control. In Proceedings of the International Conference on Science and Engineering (ICSE 2011), 599-603.
• Robet, P. P. and Gautier, M., 2014. Cascaded Loops Control of DC Motor Driven Joint Including an Acceleration Loop. IFAC Proceedings, 47:3, 7227–7232.
• Kumar, P., 2013. Cascaded PID Controller Design for Heating Furnace Temperature Control. IOSR Journal of Electronics and Communication Engineering, 5:3, 76–83.
• Zhuang, M., 1994. Optimum Cascade PID Controller Design for SISO Systems. In Proceedings of the International Conference on Control’94, 606–611.
• 1)https://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?exa%20mple=MotorPosition&section=SimulinkModeling, (15.12.2021).