Analysis of BLDC servo as replacement for stepper motor drive in a needle valve application

Abstract

Motorised valves are used in industrial processes for precise control of variables such as flow, pressure and level control. In this work, an alternate control method utilising a brushless direct current (BLDC) motor for an existing stepper motor-controlled needle valve application is proposed. The objective of this thesis is to address the practical limitations that have been identified regarding the existing valve applications, by designing and implementing a closed-loop valve position control scheme with a BLDC motor and encoder feedback.

The subject was approached by first presenting the existing motorised valve application, followed up by the theory behind how the suggested BLDC motor implementation would solve the identified limitations. Following that, a model of the proposed position control system was constructed in Simulink environment for preliminary validation and tuning of the control loop. After the model-based tuning, the motorised valve was assembled in hardware and the control performance tested and verified against the process requirements. The necessary software for performance testing the developed valve control was produced as part of the validation.

The positioning precision previously achieved by stepper motors was matched by the BLDC motor. The practical limitations outlined in the work were addressed and improved upon by the developed BLDC implementation. The proposed closed-loop approach enabled better management of torque, reliable valve positioning and better disturbance rejection in the valve application. While the result of this thesis was not a finalised product, a solid foundation for utilising BLDC motors as a replacement for stepper motors in a needle valve application, and potentially other motion control applications within the system, was established.

Moottoroituja venttiilejä käytetään teollisuusprosesseissa muuttujien, kuten virtauksen, paineen ja tason säätöön. Tässä työssä esitetään vaihtoehtoinen BLDC-moottoria käyttävä ohjausmenetelmä nykyiselle askelmoottoriohjatulle neulaventtiilisovellukselle. Työn tavoitteena on ratkaista nykyisissä venttiilisovelluksissa havaitut käytännön rajoitukset suunnittelemalla ja toteuttamalla suljetun silmukan venttiilin asentosäätöjärjestelmä, jossa hyödynnetään BLDC-moottoria ja enkooderi-takaisinkytkentää.

Aihetta lähestyttiin ensin esittelemällä olemassa oleva moottoroitu venttiili, jonka jälkeen läpikäytiin teoria siitä, miten ehdotettu BLDC-moottoritoteutus ratkaisisi havaitut rajoitukset. Tämän jälkeen ehdotetun venttiilin asennonsäätöjärjestelmän malli rakennettiin Simulink-ympäristöön ohjauksen alustavaa validointia ja virittämistä varten. Malliin perustuvan virityksen jälkeen moottoroitu venttiili koottiin fyysisesti, ja ohjauksen suorituskyky testattiin ja todennettiin prosessivaatimusten mukaisesti. Testausta ja validointia varten tuotettiin tarvittava liikesäätimen ohjelmisto, jonka avulla kehitetyn venttiiliohjauksen suorituskyky pystyttiin todentamaan.

BLDC-moottorilla saavutettiin aikaisempaa askelmoottorikäyttöä vastaava tarkkuus. Työssä esitetyt käytännön rajoitukset ratkaistiin ja niitä parannettiin kehitetyllä BLDC-toteutuksella. Ehdotettu lähestymistapa paikkatiedon takaisinkytkennällä mahdollisti paremman vääntömomentin hallinnan, luotettavan venttiilin asemoinnin ja paremman häiriöiden sietokyvyn venttiilisovelluksessa. Vaikka tämän työn tulos ei ollutkaan valmis tuote, luotiin hyvä perusta BLDC-moottoreiden käytölle askelmoottoreiden korvaajana neulaventtiilisovelluksessa ja mahdollisesti muissa liikkeenohjaussovelluksissa järjestelmässä.