Identification and Speed Control Design of Resonating Mechanical Systems in Electric Drives

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorHinkkanen, Marko, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering, Finland
dc.contributor.authorSaarakkala, Seppo
dc.contributor.departmentSähkötekniikan ja automaation laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Electrical Engineering and Automationen
dc.contributor.labElectric drivesen
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Electrical Engineeringen
dc.contributor.supervisorLuomi, Jorma, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering, Finland
dc.contributor.supervisorHinkkanen, Marko, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering, Finlanden
dc.date.accessioned2014-09-02T09:00:14Z
dc.date.available2014-09-02T09:00:14Z
dc.date.defence2014-10-03
dc.date.issued2014
dc.description.abstractAc electrical machines supplied with a frequency converter have been increasingly selected for torque actuators in modern motion control applications. These applications often contain several moving or rotating masses connected together with mechanical transmission components. This configuration results in mechanical resonances and, if the speed-feedback loop is delayed, instability can even occur. To overcome the resonance problems, several speed control methods and different tuning approaches have been proposed: They range from the gain decreasing of a simple proportional integral (PI) controller to the use of complex nonlinear controllers. This dissertation provides methods to analytically tune the speed controller of electrical drives. The tuning rules are given for both a rigid single-mass system and a resonating two-mass system. The speed controller is designed to give both the robust regulation performance as well as accurate reference tracking. The controller gains are always parametrized in the parameters of the mechanical system and in some design specifications, which results in the possibility of applying gain scheduling if required. The dissertation demonstrates on an experimental level that an effective and robust classical speed controller can be designed for both the rigid single-mass system as well as the resonating two-mass system. However, the controlled mechanical-system model must be known and the controller must be tuned using the known model. Finding a suitable mechanical model and its parameters may sometimes be problematic. Not all of parameters are always available or else the datasheet values may not be accurate. To overcome the problems of finding the mechanical parameters, this dissertation provides methods to identify the mechanical load and its parameters. The identification can be done both in the open-loop and closed-loop operations and it is based on using discrete-time polynomial models instead of frequency-domain methods. The experiments established that the polynomial-model based, discrete-time method is a better choice, than the frequency-response-based method. This is mainly because of the absence of the time domain to the frequency domain conversion, which adds an additional computational burden and numerical inaccuracy to the identification method. The experiments further demonstrate that the proposed identification method can be successfully applied both in the open-loop and in the closed-loop configurations.en
dc.description.abstractTaajuusmuuttajalla syötetty vaihtosähkömoottori valitaan yhä useammin nykyaikaisten liikkeenohjaussovellusten toimilaitteeksi. Liikkeenohjaussovelluksissa on yleensä useita liikkuvia tai pyöriviä massoja, jotka kytketään toisiinsa käyttäen mekaanisia välityksiä. Mekaanisesti toisiinsa kytketyt massat aiheuttavat järjestelmään resonanssi-ilmiöitä ja jos nopeustakaisinkytkentä on viiveellinen, järjestelmä voi jopa ajautua epästabiiliin tilaan. Useita erilaisia nopeussäätörakenteita ja säätäjien viritystapoja on ehdotettu resonanssi-ilmiön aiheuttamien ongelmien välttämiseksi. Yksinkertaisimmillaan voidaan klassisen PI-säätäjän vahvistuksia pienentää. Vaihtoehtoisesti voidaan soveltaa monimutkaisia epälineaarisia säädinrakenteita. Tässä työssä ehdotetaan analyyttisiä menetelmiä sähkökäytön nopeussäätimen suunnitteluun. Säätimen viritysohjeet annetaan sekä jäykälle yhden massan järjestelmälle että värähtelevälle kahden massan järjestelmälle. Nopeussäädin suunnitellaan siten, että saavutetaan hyvä kuormahäiriön sietokyky ja tarkka asetusarvon seuranta. Säätimen vahvistukset valitaan aina mekaanisten parametrien ja viritysehtojen funktiona. Tämä mahdollistaa tarvittaessa vahvistustaulukoinnin käytön. Tässä työssä osoitetaan kokeellisesti, että jäykälle yhden massan järjestelmälle ja värähtelevälle kahden massan järjestelmälle voidaan virittää suorituskykyinen ja robusti nopeussäädin käyttäen ainoastaan klassisen säätöteorian menetelmiä. Tämä edellyttää sitä, että säädettävä mekaaninen järjestelmä parametreineen tunnetaan kohtalaisella tarkkuudella ja nopeussäädin suunnitellaan käyttäen tunnettua järjestelmämallia. Mekaanisen järjestelmän parametrien määrittäminen ei ole välttämättä helppoa. Kaikkia tarvittavia parametreja ei ole aina saatavillla, tai parametriarvojen määrittäminen datalehtien avulla voi johtaa epätarkkoihin tuloksiin. Jotta parametriarvojen määrittämiseen liittyvät ongelmat voitaisiin välttää, tässä työssä esitetään menetelmä identifioida kuorman malli parametreineen. Identifiointi voidaan tehdä joko avoimessa järjestelmässä tai nopeus takaisin kytketyssä järjestelmässä. Ehdotettu identifiointimenetelmä perustuu diskreettiaikaisten polynomien käyttöön taajuusvastemenetelmien sijasta. Tässä työssä osoitetaan kokeellisesti, että diskreettiaikaisiin polynomeihin perustuva identifiointimenetelmä on taajuusvastemenetelmää parempi vaihtoehto. Tämä johtuu siitä, että polynomimalleja käytettäessä ei aikatasossa mitattuja signaaleja tarvitse muuntaa taajuustasoon. Tällöin vältytään sekä ylimääräiseltä laskennalta että muunnoksen epätarkkuudesta aiheutuvilta virheiltä.fi
dc.format.extent95 + app. 83
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-60-5827-6 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-60-5826-9 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/13948
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-60-5827-6
dc.language.isoenen
dc.opnPeretti, Luca, Dr., ABB AB, Corporate Research, Sweden
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: Markku Jokinen, Seppo E. Saarakkala, Markku Niemelä, Riku Pöllänen, Juha Pyrhönen. Physical Drawbacks of Linear High Speed Tooth Belt Drives. In International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), 6 p., Ischia, Italy, June 2008. DOI: 10.1109/SPEEDHAM.2008.4581140
dc.relation.haspart[Publication 2]: Seppo E. Saarakkala, Antti Alahäivälä, Marko Hinkkanen, Jorma Luomi. Dynamic Emulation of Multi-Mass Mechanical Loads in Electric Drives. In 14th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), 10 p., Birmingham, United Kingdom, August-September 2011.
dc.relation.haspart[Publication 3]: Seppo E. Saarakkala, Tuomo Leppinen, Marko Hinkkanen, Jorma Luomi. Parameter Estimation of Two-Mass Mechanical Loads in Electric Drives. In The 12th International Workshop on Advanced Motion Control (AMC), 6 p., Sarajevo, Bosnia Hertzegovina, March 2012. DOI: 10.1109/AMC.2012.6197104
dc.relation.haspart[Publication 4]: Seppo E. Saarakkala, Marko Hinkkanen, Kai Zenger. Speed Control of Two-Mass Mechanical Loads in Electric Drives. In The fourth IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 8 p., Raleigh, North Carolina, September 2012. DOI: 10.1109/ECCE.2012.6342673
dc.relation.haspart[Publication 5]: Lennart Harnefors, Seppo E. Saarakkala, Marko Hinkkanen. Speed Control of Electric Drives Using Classical Control Methods. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 49, No. 2, pp. 889–898, March-April 2013. DOI: 10.1109/TIA.2013.2244194
dc.relation.haspart[Publication 6]: Seppo E. Saarakkala, Marko Hinkkanen. Identification of Two-Mass Mechanical Systems in Closed-Loop Speed Control. In The 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), 6 p., Wien, Austria, November 2013. DOI: 10.1109/IECON.2013.6699592
dc.relation.haspart[Publication 7]: Seppo E. Saarakkala, Marko Hinkkanen. Identification of Two-Mass Mechanical Systems Using Torque Excitation: Design and Experimental Evaluation. In 2014 International Power Electronics Conference (IPEC), 8 p., Hiroshima, Japan, May 2014. DOI: 10.1109/IPEC.2014.6869939
dc.relation.haspart[Publication 8]: Seppo E. Saarakkala, Marko Hinkkanen. State-Space Speed Control of Two-Mass Mechanical Systems: Analytical Tuning and Experimental Evaluation. IEEE Transactions on Industry Applications, Early access, 10 p., September-October 2014.
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries126/2014
dc.revPacas, Mario, Prof., University of Siegen, Germany
dc.revOrlowska-Kowalska, Teresa, Prof., Wroclaw University of Technology, Poland
dc.subject.keywordidentificationen
dc.subject.keywordmotion controlen
dc.subject.keywordparameter estimationen
dc.subject.keywordresonating systemen
dc.subject.keywordspeed controlen
dc.subject.keywordidentifiointifi
dc.subject.keywordliikkeenohjausfi
dc.subject.keywordnopeussäätöfi
dc.subject.keywordparametrien estimointifi
dc.subject.keywordvärähtelevä järjestelmäfi
dc.subject.otherElectrical engineeringen
dc.titleIdentification and Speed Control Design of Resonating Mechanical Systems in Electric Drivesen
dc.titleSähkökäytön joustavan mekaniikan identifiointi ja nopeussäädön suunnittelufi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_64656
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526058276.pdf
Size:
2.01 MB
Format:
Adobe Portable Document Format