Speed Control of Direct Current Motor with PID and Performance Analysis under Forced Loads

Öz

This article presents the control of a direct current (DC) motor speed under varying forced load conditions. The linear system model of torque variation DC motor is designed using a proportional, integral and derivative (PID) controller. In order to observe the system response of the DC motor under no-load, full-load and forced-load conditions, analysis was performed in a simulation program. In the first step, the Ziegler-Nichols adjustment method, which overcomes the problem of exceeding the actual speed and reference speed in no-load condition and eliminates the steady state error, is used. Next, the parameter values of each controller are determined and then optimized with the Matlab Simulink program. The aim of this study is to keep the motor speed constant in the strains occurring under variable conditions. In this context, a simulation is designed in a program according to the parameters of a selected DA motor to be used in a real application. Analysis results show that the motor speed slows down to approximately 75 rpm (2.5%) in 650 milliseconds under the effect of full load. It has been found that the PID controller is a successful method for controlling the desired motor speed under variable load conditions.

Anahtar Kelimeler

• DC Motor
• PID Controller
• Variable Loads
• Speed Control Implementation

Doğru Akım Motorunun PID ile Hız Kontrolü ve Zorlamalı Yükler Altında Performans Analizi

Öz

Doğru akım motorları, kontrol metodolojilerinin basit olması ile birlikte çok zorlu şartlar altında bile hız-tork performanslarının iyi olmasından dolayı sanayide değişkenlik gösteren çeşitli hız uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Aynı zamanda sanayi uygulamalarının çoğunda basitlikleri ve kullanışlılıkları açısından oransal, integral ve türev (PID) kontrol algoritması da tercih edilmektedir. Bununla birlikte DA motorlarda dizayn edilen bir sistemde kullanılan bir motor sürücüsü ile birlikte hassas hız kontrolü, tork kontrolü gibi özellikler de söz konusudur. Tasarlanan bu sistemin basitliği ile birlikte yüksek güvenilirlik sunması bu kontrol sistem yapısını değişken motor hızını gerektiren uygulamalarda tercih edilebilecek bir konfigürasyon olarak ortaya çıkarmaktadır. Bu makale, değişen zorlanmalı yük koşulları altında bir DA motor hızının kontrolünü sunmaktadır. Tork varyasyonlu doğru akım motorunun lineer sistem modeli PID kontrolörü kullanılarak tasarlanmıştır. DA motorun yüksüz, tam yükte ve zorlamalı yük koşulları altında sistem cevabını gözlemlemek için bir simülasyon programında analizi gerçekleştirilmiştir. Yüksüz durumda gerçek hız ile referans hızın aşma probleminin üstesinden gelen ve kararlı durum hatasını ortadan kaldıran ilk adımda Ziegler-Nichols ayarlama yöntemi kullanılmıştır. Ziegler-Nichols ayarlama yöntemi kullanılarak, her bir denetleyicinin parametre değerleri belirlenmiştir. Daha sonra bu parametreler simülasyon programındaki ayarlama yöntemleri araç kutusu ile optimize edilmiştir. Bu çalışmada amaç değişken koşullarda meydana gelen zorlanmalarda motor hızını sabit tutmaktır. Deneyin simülasyon sonucu, motor yükünden bağımsız olarak bir motorun yaklaşık olarak sabit bir hızda çalıştığını göstermektedir. Bu kapsamda gerçek bir uygulamada kullanılmak üzere seçilmiş bir DA motoruna ait parametrelere göre benzetim ortamı tasarlanmıştır. Analiz sonuçları, motor hızının tam yükün etkisi altında 650 milisaniyede yaklaşık 75 rpm (%2,5) için yavaşladığını göstermektedir. PID kontrolcüsünün, değişken yük koşulları altında arzu edilen motor hızını kontrol etmek için başarılı bir yöntem olduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• DC motor
• PID
• Zorlanma Yükü

Kaynakça

1. Alhanjouri, M. A. (2017). Speed control of DC motor using artificial neural network. Speed Control of DC Motor Using Artificial Neural Network, 7(3).
2. Almatheel, Y. A., & Abdelrahman, A. (2017). Speed control of DC motor using Fuzzy Logic Controller. Proceedings - 2017 International Conference on Communication, Control, Computing and Electronics Engineering, ICCCCEE 2017. https://doi.org/10.1109/ICCCCEE.2017.7867673
3. Angel, M., & Cardozo, T. (2017). DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A PID FUZZY CONTROL FOR THE SPEED OF A DC MOTOR. 12(8), 2655–2660.
4. Åström, K. J., & Hägglund, T. (1995). PID controllers: theory, design, and tuning (Vol. 2). Instrument society of America Research Triangle Park, NC.
5. Chapman, S. (2005). Electric machinery fundamentals. Tata McGraw-Hill Education.
6. Chaudhary, H., Khatoon, S., & Singh, R. (2017). ANFIS based speed control of DC motor. 2nd IEEE International Conference on Innovative Applications of Computational Intelligence on Power, Energy and Controls with Their Impact on Humanity, CIPECH 2016, 63–67. https://doi.org/10.1109/CIPECH.2016.7918738
7. Çinar, S. M., Balci, Z., & Yabanova, İ. (2019). Performing Speed Control of a DC Motor with Auto-Tuning PID. 19, 690–696. https://doi.org/10.35414/akufemubid.593609
8. Dubey, S., & Srivastava, K. (2013). A PID Controlled Real Time Analysis of DC Motor. International Journal of Innovative Research in Computer and Communication Engineering, 1(8), 1965–1973.

9. Kou, B.C. & Golnaraghi, F. (2003). Automatic Control Systems. Englewood cliffs.
10. Gökozan, H. (2020). Elektrikli Araçlarda Kullanılan Motorlar ve Motor Sürücüleri. European Journal of Science and Technology, 19, 105–111. https://doi.org/10.31590/ejosat.699699
11. Kaya, R., & Furat, M. (2020). Three - Channel Cost Function Based Artificial Bee Colony Algorithm for PID Tuning. European Journal of Science and Technology, April, 382–392. https://doi.org/10.31590/ejosat.aracon50
12. Khan, M. R., Khan, A. A., & Ghazali, U. (2015). Speed control of DC motor under varying load using PID controller. International Journal of Engineering (IJE), 9(3), 38–48.
13. Rai, J. N. (2012). Speed Control of Dc Motor Using Fuzzy Logic Technique. IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering, 3(6), 41–48. https://doi.org/10.9790/1676-0364148
14. Sen, P. C. (2007). Principles of electric machines and power electronics. John Wiley & Sons.
15. Suman, S. K., & Giri, V. K. (2016). Speed control of DC motor using optimization techniques based PID Controller. Proceedings of 2nd IEEE International Conference on Engineering and Technology, ICETECH 2016, March, 581–587. https://doi.org/10.1109/ICETECH.2016.7569318
16. Tabak, A. (2020). Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Hız Kontrolünü Gerçekleştirmek İçin PID/PD Kontrolcü Tasarımı ve Performans İncelemesi. European Journal of Science and Technology, 19, 145–155. https://doi.org/10.31590/ejosat.707004
17. Tir, Z., Oued, E., & Oued, E. (2017). Implementation of a Fuzzy Logic Speed Controller For a Permanent Magnet DC Motor Using a Low- Cost Arduino Platform. 29–32.