Fırçalı doğru akım motoru üzerinde zorlu harici bozucular altında pı kontrolörünün performans analizi

Otomatik kontrol sistemleri, modern mühendislik uygulamalarının temel bileşenlerinden biri olup; insansız kara, hava ve deniz araçlarından robotik sistemlere, endüstriyel üretim hatlarından CNC tezgahlarına kadar pek çok alanda yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu sistemlerin güvenilir, kararlı ve verimli çalışabilmesi, bünyelerinde yer alan kontrol mekanizmalarının başarısına doğrudan bağlıdır. Elektrik motorları ise, bu sistemlerde hareketin temel kaynağı olup; özellikle hız ve konum gibi parametrelerin hassas bir şekilde kontrol edilmesi, sistem performansının belirleyici unsurlarındandır. Bu çalışmada, fırçalı bir doğru akım (DA) motorunun hız kontrolü problemi ele alınmış ve sistem üzerinde deneysel uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Basit yapıları, uygun maliyetleri ve kolay kontrol edilebilirlikleri nedeniyle DA motorlar düşük ve orta güçlü uygulamalarda yaygın olarak tercih edilmektedir. Tez kapsamında, motor hız kontrolü için Oransal–İntegral (PI) tipi bir kontrolör tasarlanmış ve uygulanmıştır. PI kontrol yapısının temel amacı, motorun belirlenen referans hıza mümkün olan en kısa sürede, minimum hata ile ulaşmasını sağlamak ve sistemde kararlı bir yanıt elde etmektir. Ancak bu başarım, doğrudan kontrolör kazançlarının doğru belirlenmesine bağlıdır. Bu amaçla, kazançların (K_pve K_i) etkin biçimde ayarlanması için, doğadaki sürü davranışlarını temel alarak çözüm uzayında en uygun sonucu arayan, çok sayıda çözüm adayını paralel olarak değerlendirebilen Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) adlı sezgisel bir algoritmadan yararlanılmıştır. Çalışma iki ana deneysel aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada, kullanılan DA motorun dinamik yapısını temsil eden matematiksel bir modelin çıkarılması hedeflenmiştir. Adım girişlerine karşılık alınan motor hız yanıtları analiz edilmiş ve PSO algoritması yardımıyla sistemin karakteristik parametrelerini yansıtan model başarıyla elde edilmiştir. Modelin geçerliliği, sabit referans sinyali altında sistem tepkileriyle karşılaştırılarak test edilmiş ve yükselme süresi, aşım miktarı, yerleşme süresi ve kararlı durum hatası gibi ölçütler açısından sistem davranışını gerçekçi biçimde yansıttığı görülmüştür. İkinci aşamada, geliştirilen PI kontrol yapısı Altera Cyclone IV FPGA platformu üzerinde gerçek zamanlı olarak uygulanmıştır. Manyetik enkoder ile sağlanan geri besleme sinyalleri dijital olarak işlenmiş ve sistemin hız kontrolü bu verilere dayalı olarak gerçekleştirilmiştir. Farklı PI kazanç kombinasyonlarının sistem yanıtına etkilerini değerlendirmek amacıyla, her bir durumda elde edilen referans hız (ω_Ref) ve gerçek hız (ω_Gerçek) verileri Python tabanlı analizler ile karşılaştırılmıştır. Çeşitli kazanç kombinasyonları için yükselme süresi, aşım, yerleşme süresi ve izleme başarımı gibi performans metrikleri kullanılarak karşılaştırmalı değerlendirme yapılmış ve nesnel performans tabloları oluşturulmuştur. Ayrıca kontrol kazançlarının armatür akımı tepe değerleri üzerindeki etkileri ayrıntılı biçimde incelenmiş, sistem performans ölçütleri ile kazançlar arasındaki ilişki ısı haritaları ve grafiklerle görselleştirilmiştir. Bunun yanında, farklı yük koşulları altında, ikinci bir doğru akım motoru yük motoru olarak bağlanarak esas motorun bilmediği farklı PWM gerilimleriyle sürülerek dış bozucu yük simüle edilerek akım sınırlarını gözeten çok amaçlı PSO analizleri gerçekleştirilmiş ve %0–%50 arasındaki çalışma aralığı için ayrıntılı değerlendirmeler yapılmıştır. Böylece kontrolcü, beklenmeyen bozucu etkiler altında da kararlılığını korumuştur. PSO algoritmasının arama süreci de grafiksel olarak açıklanmış, optimizasyon sürecinde bulunan en uygun kazançlar deneysel sonuçlarla desteklenmiştir. Ayrıca PSO ile elde edilen en iyi kazanç seti, el ayarlı ve literatürde önerilen denetçilerle kıyaslanarak değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, PSO algoritması ile optimize edilen PI kontrol yapısının, fırçalı DA motorun hız kontrolünde yüksek doğruluk ve kararlılık sağladığını ortaya koymuştur. Sistem, hem modelleme hem de kontrol açısından istenen performans düzeyini başarıyla karşılamış, ayrıca kazançların sistem dinamiği üzerindeki etkileri deneysel olarak doğrulanmıştır. Bu bağlamda, geliştirilen yöntem benzer motor kontrol uygulamaları için uygulanabilir bir çözüm olarak değerlendirilmiş ve kontrol mühendisliği alanındaki literatüre katkı sunacak nitelikte sonuçlar ortaya koymuştur.