Analisi e sviluppo di un regolatore non lineare sliding mode per il controllo di motori brushless

In the increasingly complex world of modern electronics and hard disk drives, the detail of modelling has to be pushed to the level of accounting for the existence of non linear elements inside a system to be controlled. On the other hand, hard disk producers ask for controllers with higher performances and lower costs. This thesis presents a method to design a digital non linear control for a hard disk drive brushless motor, which aims at solving both the requests: to achieve better performance than the traditional linear control used so far and to allow for a simple, cheap hardware structure of the controller. In particular a sliding mode controller will be presented in order to control the supply current and the rotation speed of the spindle motor, the elettric motor which moves the platters inside the hard disk. The analysis starts with the theoretical definition of the discrete-time sliding mode control made by Gao, defining its structure and operating principle. Then two cases of control design will be presented, the first one regarding a current limiter control, the second one a speed control for the spindle. Both cases will be studied with simulation tools as Matlab and Simulink, evaluating performance and robustness of the control system. The speed control will be also validated through a practical and experimental approach, using one of the hard disk drives available in STMicroelectronics testing labs, in order to evaluate the performance of the sliding mode controller against the traditional PI control.

Nel mondo dell’elettronica moderna e degli hard disk, sempre più complesso, bisogna spingere la modellazione al livello di dettaglio che include le nonlinearità nel sistema da controllare. Si consideri inoltre che i produttori di hard disk richiedono alle aziende, che sviluppano i sistemi di regolazione, controllori a prestazioni sempre più elevate e dai costi minori. In questo quadro, il lavoro qui presentato illustra un metodo di progettazione di sistemi di controllo non lineari digitali per i motori brushless degli hard disk, che viene incontro ad entrambe le richieste: garantire migliori prestazioni rispetto ai sistemi di controllo lineari utilizzati finora, fornire una struttura del regolatore semplice e particolarmente economica da realizzare in termini di risorse hardware. In questa tesi verrà mostrato come progettare ed applicare il regolatore non lineare sliding mode per la regolazione della corrente di alimentazione e la velocità dello spindle motor, il motore elettrico che movimenta la rotazione dei piatti dell’hard disk. L’analisi partirà dalla definizione teorica del regolatore sliding mode a tempo discreto secondo le leggi di Gao, definendone la sua struttura e funzionamento. In seguito si presenteranno due casi applicativi, il limitatore della corrente di alimentazione, ed il controllo della velocità di rotzione. Entrambi i casi verranno studiati attraverso le simulazioni in ambiente Matlab/Simulink, valutando le prestazioni e la robustezza dei sistemi di controllo. Il controllo di velocità verrà studiato anche tramite prove sperimentali, sfruttando la disponibilità di hard disk presenti nel laboratorio test di STMicroelectronics, confrontando le prestazioni del controllore con quelle del regolatore PI attualmente implementato da STMicroelectronics.