Sensorless BLDC Motor Driver Design and Application for Drones

Year 2024, , 1251 - 1259, 01.10.2024

Halis Emir Gündoğdu , Ferdi Yabansu , Fatih Onur Hocaoğlu , Tolga Özer

https://doi.org/10.35414/akufemubid.1426792

Abstract

Drones are aerial vehicles used for various purposes in various sectors today. ESC (Electronic Speed Controler) board is used to control the engines of drones. This card controls the speed of the motors in drones, allowing the aircraft to go in the desired direction and height. Precise speed control of the motors in drones is vital for the stable flight of the aircraft. In this study, an ESC board was designed in Afyon Kocatepe Electrical Engineering laboratory to realize the speed control of a 2450 kVa 12 V drone motor; the designed board was manufactured and its performance was tested. In this paper, the working algorithm and performance results of this ESC board are presented. During the performance evaluation, parameters such as speed dependent current values and motor temperature data were measured and recorded at certain intervals. The time dependent variations of the parameters were analyzed and it was found that the developed ESC card was able to control the motor successfully.

Keywords

Drone, Electronic Speed Controller, Atmega328P, IR2101S Gate Driver

Drone'lar için Sensörsüz BLDC Motor Sürücü Tasarımı ve Uygulaması

Abstract

Dronelar, günümüzde çeşitli sektörlerde çeşitli amaçlar için kullanılan hava araçlarıdır. Drone’ların motorlarını kontrol etmek için ESC (Electronic Speed Controler) kartı kullanılır. Bu kart, drone’lardaki motorların hızlarını kontrol ederek hava aracının istenilen yöne ve yüksekliğe çıkmasını sağlar. Drone’larda bulunan motorların hassas hız kontrolü hava aracının kararlı bir şekilde uçuşu için hayati öneme sahiptir. Bu çalışmada 2450 kVa 12 V’luk bir drone motorunun hız kontrolünün gerçekleştirilmesi için Afyon Kocatepe Elektrik Mühendisliği laboratuvarında bir ESC kartı tasarlanmış; tasarlanan kart üretilmiş ve performansı denenmiştir. Makalede bu ESC kartının çalışma algoritması ve performansına ait sonuçlar sunulmuştur. Performans değerlendirmesi yapılırken, belirli aralıklarla hıza bağlı akım değerleri, motor sıcaklık verileri gibi parametreler ölçülmüş ve kaydedilmiştir. Parametrelerin zamana bağlı değişimleri incelenmiş ve geliştirilen ESC kartının, motoru başarıyla kontrol edebildiği tespit edilmiştir.

Keywords

Drone, Elektronik Hız Kontrolcü, Atmega328P, IR2101S Gate Driver

References

• Al Mashhadany, Y. I. M., Abbas, A. K., Algburi, S. S., 2022. Modeling and analysis of brushless DC motor system based on intelligent controllers. Bulletin of Electrical Engineering and Informatics, 11(6), 2995-3003. https://doi.org/10.11591/eei.v11i6.4365
• Cabuk, A. S., 2021. Sensorless control of outer rotor brushless DC motor with back-EMF observer for drone. Balkan Journal of Electrical and Computer Engineering, 9(4), 379-385. https://doi.org/10.17694/bajece.958760
• Dafang, W., Jiuyang, Z., Yi, J., & Guifan, Z., 2011, March. Design of BLDC Sensorless Control System for Vehicle Fuel Pump. In 2011 Fourth International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation, Shenzhen, Çin, 631-633. https://doi.org/10.1109/ICICTA.2011.166
• Dereli U., 2020. Fırçasız Doğru Akım Motoru (BLDC) ve Sürücüsü Tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Yozgat Bozok Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yozgat, 87.
• Jadhav, S. S., Chaudhari, P., Kshirsagar, S., Ingale, A., Mhaske, S., Chatterjee, P., Kathale, S., 2022. Design And Simulatıon of BLDC Motor, International Research Journal of Modernization in Engineering Technology and Science, 4(5).
• Kaplan, A. A., 2021. Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Algılayıcısız Kontrolünde Komütasyon Bölgesinin En Büyük Olasılık Tahmini Yöntemi ile Tespiti, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 92.
• Karakaş, E., 2016. Elektrikli Araçlar İçin Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Sensörsüz Doğrudan Moment Kontrolünün Güç Geri Kazanımlı Olarak Gerçekleştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Denizli, 91.
• Lu, C. L., Zhang, G., Du, C. T., 2015. Design and implementation of low-power SRM control system. IFAC-PapersOnLine, 48(28), 269-272. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.12.137
• Lu, M., & Li, Y., 2010. New design for sensorless bldc motor using half-bridge driver circuit. In 2010 International Conference on E-Product E-Service and E-Entertainment, Henan, Çin ,1-4. https://doi.org/10.1109/ICEEE.2010.5661498
• Mohammed, M. F., Ishak, D., 2009. Improved BLDC motor performance with digitally filtering back-EMF using dsPIC30F microcontroller. In 2009 IEEE Student Conference on Research and Development (SCOReD) Serdang, Malezya, 491-494. https://doi.org/10.1109/SCORED.2009.5442957
• Prakosa, J. A., Samokhvalov, D. V., Ponce, G. R., & Al-Mahturi, F. S., 2019. Speed control of brushless dc motor for quadcopter drone ground test. In 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), Moskova, Rusya 644-648. https://doi.org/10.1109/EIConRus.2019.8656647
• Ulu. B., 2011. Fırçasız Doğru Akım Motor (BLDC) Hız Kontrolü, Yüksek Lisans Tezi, İnönü Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 84.
• Yavuzarslan Ü., 2019. Fırçasız Doğru Akım Motorları İçin Sürücü Devre Tasarımı ve Geliştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Düzce, 130.
• Zakeer, S. H. S., Kamble, S. S., 2019. The New Methodology to Control the Speed of e–Vehicles by using Brushless DC Motor. In 2019 5th International Conference on Advanced Computing & Communication Systems (ICACCS) Boston, Amerika 476-481. https://doi.org/10.1109/ICACCS.2019.8728371
• Mukherjee, A., Ray, S., Das, A., 2014. Development of microcontroller based speed control scheme of BLDC motor using proteus VSM software. International Journal of Electronics and Electrical Engineering, 2(1), 1-7. https://doi.org/10.12720/ijeee.2.1.1-7
• Mogensen, K. N., Motor-control considerations for electronic speed control in drones. https://www.ti.com/lit/an/slyt692/slyt692.pdf?ts=1720566592827, (2016)