Improved Response Performance of Two-Phase Hybrid Stepping Motor Control Using PID Tuned Outer and Inner Loop Compensators

Abstract

У статті наведено поліпшену характеристику керування двофазним гібридним кроковим двигуном із використанням PID-налаштованих компенсаторів зовнішнього та внутрішнього контурів. Підвищено ефективність відгуку двофазного гібридного крокового двигуна до досягнутого пере регулювання нижче 5 % і часу регулювання 0,16 с. Для досягнення мети дослідження створено динамічну модель двофазного гібридного крокового двигуна за допомогою передаточної функції. Обрано надійну методику PID-налаштування, яка використовує єдиний вхідний сигнал із застосуванням графічного інтерфейсу користувача, а також диспетчера інструментів контролю та оцінки програми MATLAB для проектування компенсаторів. Для підвищення ефективності відгуку один компенсатор спроектовано і вбудовано до керуючого контуру двофазного гібридного крокового двигуна. Числове моделювання виконувалось у програмі MATLAB, а коефіцієнт перерегулювання становив 8 % для одноланкового компенсатора. Однак наявне перерегулювання системи вимагає подальшого її удосконалення. У зв’язку із цим, було запропоновано новий контур керування із використанням структури з двокомпенсаторним контуром. У результаті розроблено компенсатори зовнішнього і внутрішнього контуру, які застосовані при керуванні двофазним гібридним кроковим двигуном. Числове моделювання здійснювалось із застосуванням MATLAB, а отриманий результат показав, що для двокомпенсаторної структури перерегулювання було значно скорочено до 2,6 % з часом регулювання 12 мс. Цей результат свідчить про покращення ефективності системи відстеження відгуками шляхом застосування комбінованих зовнішніх і внутрішніх контурів компенсаторів.

This paper has presented improved response performance of two-phase hybrid stepping motor control using proportional integral and derivative (PID) tuned outer and inner loop compensators. It is desired to improve the response performance tracking of a two-phase hybrid stepper motor to achieved overshoot less than 5 %, settling time less than 0.16 s, and rise time less then 0.02 with 2 % criterion. To achieve the objective of the study, a dynamic model of a two-phase hybrid stepper motor was obtained in the form of a transfer function. A robust PID tuning technique was adopted using the single input single output (SISO) Graphic User Interface (GUI) of the design task of the Control and Estimation Tool Manager (CETM) of MATLAB software in designing the compensators. A single compensator was designed and added to control loop of a two-phase hybrid stepping motor to improve the response performance. Simulation was performed in MATLAB and an overshoot of 8 % with the single loop compensator. However, the overshoot of the system requires further improvement. A new control loop was proposed using twocompensator loop structure. The outer loop and inner loop compensators were designed and added to the two-phase hybrid stepper motor control. Simulation was performed in MATLAB and the result obtained showed that with the two-compensator loop structure, the overshoot was greatly reduced to 2.6 % with rise time of 12 ms and settling time 11 ms. This indicates that the response tracking performance of the system has been improved by the combined outer and inner loop compensators.