Fractional order PID controller in velocity control loop of CNC machine feed-drive module with permanent magnet synchronous motor

eng Article in English DOI:

Artur Kobyłkiewicz , Rafał Pajdzik , send Paweł Waszczuk Department of Control Engineering and Robotics, West Pomeranian University of Technology of Szczecin

Download Article

Abstract

A significant number of publications shows that fractional order controllers can improve performance compared with traditional control algorithms. In this paper, fractional order PID velocity controller of the PMSM motor is presented. In the first step, we compared, by means of simulation research work, the fractional order PID with conventional integer order PID, and we prove the correctness of the applied method. In the second part, we have tested the proposed solution in the real-time control system with the PMSM actuator. The open architecture control system based on the industrial computer (for cyclic real-time communication with power electronics, including current controller and commutation functionality, with the use of Ethernet Powerlink communication protocol) and rapid prototyping platform were used for the evaluation of the developed here velocity control algorithms. Presented in the paper experimental results testify to the usefulness of the proposed solution.

Keywords

fractional order calculus, PID controller, PMSM motor, robust control

Regulator PID ułamkowego rzędu w pętli sterowania prędkością modułu posuwowego obrabiarki CNC z napędem PMSM

Streszczenie

W licznych publikacjach wykazano, że regulatory ułamkowego rzędu mogą zwiększyć skuteczność regulacji w porównaniu z tradycyjnymi algorytmami sterowania. W artykule przedstawiono regulator PID ułamkowego rzędu do sterowania prędkością silnika PMSM. W pierwszej części zaprezentowano wyniki symulacji, porównano regulator PID ułamkowego rzędu z konwencjonalnym regulatorem PID całkowitego rzędu i dowiedziono prawidłowość zastosowanej metody. W drugiej części artykułu przedstawiono wyniki testów zaproponowanego rozwiązania, przeprowadzonych w docelowym systemie sterowania silnikiem PMSM. Otwarta architektura systemu sterowania bazująca na komputerze przemysłowym (do cyklicznego komunikowania się z energoelektroniką w czasie rzeczywistym, realizujący regulację prądu i funkcjonalność komunikacyjną z użyciem protokołu komunikacyjnego Ethernet Powerlink) oraz na systemie do szybkiego prototypowania zostały użyte do oceny zaprojektowanego algorytmu regulacji prędkości. Wyniki przedstawione w artykule potwierdzają przydatność zaproponowanego rozwiązania.

Słowa kluczowe

napęd PMSM, rachunek różniczkowy ułamkowego rzędu, regulacja PID, sterowanie odporne

Bibliography

  1. Xue D., Zhao C., Chen Y., Fractional Order PID Control of A DC-Motor with Elastic Shaft: A Case Study, Proceedings of the 2006 American Control Conference Minneapolis, 2006, 3182-3187.
  2. Domek S., Jaroszewski K., Kobyłkiewicz A., Sterowanie niecałkowitego rzędu parą antagonistycznych mięśni pneumatycznych, Modelowanie inżynierskie, 2009.
  3. Krishnan K., Electric Motor Drives: Modeling, Analysis, and Control, Prentice Hall, New Jersey 2001.
  4. Kaczorek T., Wybrane zagadnienia teorii układów niecałkowitego rzędu, Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, Białystok 2009.
  5. Jezierski E., Ostalczyk P., Fractional-order mathematical model of pneumatic muscle drive for robotic applications, [in:] Kozłowski K. (Ed.), Robot Motion and Control 2009, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2009.
  6. Sierociuk D., Estymacja i sterowanie dyskretnych układów dynamicznych, Ph.D. thesis, Warszawa 2007.
  7. Zaborovsky V., Meylanov R., Informational network traffic model based on fractional calculus, Proceeding of the International Conference Info-tech and Info-net, Beijing 2001.
  8. Bernecker + Rainer Industrie-Elektronik GmbH, B&R Automation Studio Target for Simulink.
  9. Kosmol J., Serwonapędy obrabiarek sterowanych numerycznie, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1998.