Evaluation of a small brushless direct current motor in an opto-mechanical positioning application

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2019-03-11
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
54
Series
Abstract
This thesis evaluates the applicability of a micro-sized brushless direct current (DC) mo- tor in an opto-mechanical positioning application. Brushless DC motors are electronically commutated motors that use permanent magnets to produce the airgap magnetic field. The motor is powered through an inverter or switching power supply which produces an AC electric current to drive each phase of the motor. Optimal current waveforms are determined by the motor controller based on the desired torque, speed or position requirements. The benefits of a brushless motor over conventional brushed DC motors are a high power to weight ratio, low noise and a long operating life. The purpose of this thesis is to find out the performance potential of such motors and determine methods to achieve it. Firstly, a motor model and an exact motor classification is presented. A literature review is made to discuss state of the art control methods and hardware configurations for dynamic position control. Based on the literature review, a control scheme with field-oriented control based torque control and cascaded PI controlled speed and position loops was selected for further evaluation. Experimental positioning tests were executed for two motors with different power transmission setups. Tests were performed with both, a hardware and software implemented, motor controllers. Results show promising performance. It was shown that the required acceleration is feasible with both, geared and direct drive, transmissions. Field-oriented control was shown as a well performing method to control torque but special caution was needed to implement a reliable position sensing solution in a small size as the control algorithm is intolerant for inaccurate and noisy position data. The conventional PI based position controller was effective in cases with no feedback related harmonics or motor related torque ripple but was not capable in handling ripple caused by a non-ideal system. Quality variances were seen between motors which were originated from mechanical defects and non-idealities in the stator structure. Further research is needed to achieve a better settling performance through filtering undesired feedback harmonics, better tuning and thus minimizing undesired vibrations.

Tämän diplomityön tarkoituksena on arvioida pienikokoisen harjattoman tasavirtamoottorin soveltuvuutta opto-mekaaniseen paikkasäätösovellukseen. Harjattomat tasavirtamoottorit ovat elektronisesti ohjattuja moottoreita, joissa ilmavälin magneettivuo luodaan kestomagneeteilla. Moottorille syötetään virtaa taajuusmuuttajalta, joka muodostaa halutunlaisen vaihtovirran jokaiselle moottorin vaiheelle. Syötettävää virtaa ohjataan moottorinohjaimelta määritettyjen vääntö-, nopeus- ja paikkavaatimusten perusteella. Harjattoman DC-moottorin edut verrattuna perinteiseen harjalliseen DC-moottoriin ovat hyvä teho-painosuhde, hiljainen käyntiääni ja pitkä käyttöikä. Diplomityön tavoitteena on kartoittaa kyseisen moottorityypin suorituskyky paikkasäädössä ja tutkia keinoja saavuttaa haluttu taso. Alan tutkimuksessa ja kirjallisuudessa tunnettuja suorituskykyisiä säätömenetelmiä ja laite- sekä komponenttikokoonpanoja on koostettu kirjallisuuskatsauksessa. Tämän perusteella kokeellisiin testeihin valittiin säätöarkkitehtuuri vektorisäätöön perustuvalla virransäädöllä sekä PI-pohjaisilla nopeus- ja paikkasäätimillä. Kokeellisilla paikoitustesteillä arvioitiin kahden moottorin suorituskykyä erilaisilla voimansiirtovaihtoehdoilla. Testit suoritettiin sekä ohjelmistopohjaisella että sovelluskohtaiseen mikropiiriin toteutetulla laitepohjaisella säätimellä. Tulokset osoittavat että vaaditun kiihtyvyyden saavuttaminen on mahdollista sekä vaihteellisella että suoravetoisella voimansiirrolla. Vektorisäätö osoittautui suorituskykyiseksi virransäätömenetelmäksi, mutta moottorin asentomittauksen luotettava toteutus vaati erityishuomiota, sillä vektorisäätöalgoritmi on herkkä paikkadatan tarkkuudelle. PI-säätimillä toteutettu paikkasäätö osoittautui toimivaksi, mutta herkäksi moottorin epäideaalisuuksille sekä häiriöille takaisinkytkennässä. Moottoreiden välillä havaittiin laatueroja mekaanisissa toleransseissa ja staattorin rakenteessa. Lopullisen asettumisajan saavuttaminen vaatii lisätutkimusta. Erityishuomiota on kiinnitettävä harmonisten komponenttien suodattamiseen sekä systeemin säätöön, jotta ei-toivotut värinät saadaan minimoitua.
Description
Supervisor
Tammi, Kari
Thesis advisor
Melakari, Klaus
Keywords
brushless DC motor, permanent magnet synchronous motor, position control, field-oriented control
Other note
Citation