Controllo di un modello di motore in corrente continua con protezione da sovra-correnti: analisi e simulazione numerica.

Abstract

Il presente lavoro affronta la progettazione e la simulazione numerica di un sistema di controllo a struttura cascata per un motore in corrente continua (Maxon EC-4pole 30), con l'obiettivo di regolare in modo indipendente velocità angolare o posizione del rotore, garantendo al contempo la protezione dell'hardware da sovra-correnti. Partendo dalle equazioni di stato del motore (elettrica e meccanica), è stata derivata la funzione di trasferimento dell'anello di corrente in forma zero-poli-guadagno, sulla base della quale sono stati sintetizzati tre regolatori PI in cascata: corrente (anello più interno), velocità e posizione (anello più esterno). Ogni regolatore è stato progettato per garantire adeguata banda passante, margine di fase e separazione spettrale rispetto agli anelli adiacenti, verificati tramite diagrammi di Bode e risposte al gradino. Un blocco di saturazione sul riferimento di corrente, posto in uscita al regolatore di velocità, limita lo sforzo di controllo a un valore proporzionale alla corrente nominale, proteggendo il motore da condizioni operative dannose senza comprometterne la stabilità. La robustezza del sistema è stata verificata perturbando i parametri fisici del motore di circa il 30%, osservando un degrado contenuto delle prestazioni. I regolatori sono stati inoltre discretizzati con il metodo di Tustin, scegliendo il tempo di campionamento in base al criterio di Shannon e a considerazioni sulla dinamica dell'anello più veloce, per una futura implementazione su microcontrollore. Le simulazioni in ambiente Simulink confermano l'efficacia della strategia di controllo proposta, inclusa la corretta reiezione di un disturbo di coppia di carico applicato al sistema.

This thesis addresses the design and numerical simulation of a cascaded control system for a DC motor drive (Maxon EC-4pole 30), aimed at independently regulating the rotor's angular velocity or position while protecting the hardware from current overloads. Starting from the motor's state equations (electrical and mechanical), the current-loop transfer function was derived in zero-pole-gain form, providing the basis for the synthesis of three cascaded PI controllers: current (innermost loop), speed, and position (outermost loop). Each controller was designed to ensure adequate bandwidth, phase margin, and spectral separation from adjacent loops, verified through Bode diagrams and step responses. A saturation block on the current reference, placed at the output of the speed controller, limits the control effort to a value proportional to the rated current, protecting the motor from harmful operating conditions without compromising system stability. Robustness was assessed by perturbing the motor's physical parameters by approximately 30%, showing only a moderate performance degradation. The controllers were also discretized using the Tustin method, with the sampling time chosen according to the Shannon sampling criterion and the dynamics of the fastest loop, in view of a future microcontroller implementation. Simulink simulations confirm the effectiveness of the proposed control strategy, including correct rejection of a load-torque disturbance applied to the system.