Design and Application of PI Based Speed Control System of Brushless Direct Current Motor

Abstract

Direct current (DC) motors have been used in many different fields from past to present due to their features such as high efficiency, high torque, quiet operation and ease of use. Although Brushed DC Motors (FLDAM) were mostly used in the past due to their easy driveability, maintenance-free Brushless DC Motors (FSDAM) have been widely used with the developments in power electronics applications. As the use of FSDAM increases, new studies are carried out on the drive circuits and speed control algorithms of these motors. In this study, PID controlled FSDAM driver circuit simulation model was created using PSIM program and FSDAM speed control was successfully performed. In order to confirm the accuracy of the simulation results, the FSDAM test setup was prepared. Mitsubishi PM50RL1A120 IPM module with 3 phase half bridge circuit with internal driver is used in FSDAM driver circuit power stage. FSDAM speed control is realized with Texas TMS320F28335 DSP processor. The performance of the FSDAM test setup was confirmed by oscilloscope images.

Keywords

• DC motor
• brusless dc motor
• dc-dc
• buckconverer
• motor speed control
• hallsensor
• PID control

Fırçasız Doğru Akım Motorunun PI Tabanlı Hız Kontrol Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması

Abstract

Doğru akım (DA) motorları yüksek verim, yüksek tork, sessiz çalışma ve kullanım kolaylığı gibi özellikleri nedeniyle geçmişten günümüze birçok farklı alanda kullanılmıştır. Geçmişte kolay sürülebilmesi nedeniyle çoğunlukla Fırçalı DA Motorları (FLDAM) kullanılmış olsa da güç elektroniği uygulamalarındaki gelişmeler ile bakım gerektirmeyen Fırçasız DA Motorları (FSDAM) yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. FSDAM kullanımı arttıkça bu motorların sürme devreleri ve hız kontrol algoritmaları hakkında yeni çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmada, PSIM programı kullanılarak PID kontrollü FSDAM sürücü devresi simülasyon modeli oluşturulmuş ve FSDAM hız kontrolü başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçlarının doğruluğunu teyit edebilmek için FSDAM test düzeneği hazırlanmıştır. FSDAM sürücü devresi güç katında dahili sürücülü 3 fazlı yarım köprü devresi içeren Mitsubishi PM50RL1A120 IPM modülü kullanılmıştır. FSDAM hız kontrolü Texas TMS320F28335 DSP işlemci ile gerçekleştirilmiştir. FSDAM test düzeneğinin başarımı osiloskop görüntüleri ile teyit edilmiştir.

Keywords

• Fırçasız Doğru Akım Motor
• Motor Hız Kontrolü
• doğru akım motor
• dc-dc düşürücü devreler
• hall sensörler
• PID kontrol

References

1. Akram H., Abd El Samie B., Ayman Ali M. (2018) Comparison between Fuzzy Logic and PI Control for the Speed of BLDC Motor. International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS), 9(3), 1116-1123.
2. Anwar, M.N., Pan, S. (2013). Synthesis of the PID controller using desired closed-loop response. IFAC Proceeding Volumes, 10(1).
3. Atan, Ö. (2007). Fırçasız DC motorun modellenmesi ve PWM ile kontrolü, Yüksek Lisans Tezi, Yüzüncü Yıl Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Van, 1-2, 6-14.
4. Çaşka, S., Uysal, A. (2021). İHA Yardımcı İniş Sisteminin Meta-Sezgisel Optimizasyon Yöntemleri ile Kontrolü. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 21(5), 1223-1230.
5. Gumaste, A.V. Slemon, G.R. (1981) Steady-state analysis of a permanent magnet synchronous motor drive with voltage-source inverter, IEEE Transactions on Industry Applications, 5(2), 143-151.
6. Grigorie, T.L., Khan, S., Botez, R.M., Mamou, M., Mebarkı, Y. (2019). Design and experimental testing of a control system for a morphing wing model actuated with miniature BLDC motors. Chinese Journal of Aeronautics, 5(3).
7. Kenjo, T., Nagomori, S. (1985).Permanent Magnet and Brushless DC Motors, Clarendon Press, Oxford, 57-70.
8. Luk, P. C. K., & Lee, C. K. (1994). Efficient modelling for a brushless DC motor drive. In Proceedings of IECON'94-20th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, 1, 188-191.

9. Pearson, W.R., Sen, P.C. (1984) Brushless DC motor propulsion using synchronous motors for transit systems, IEEE Transactions on Industrial Electronics, (4),346-351.
10. Singirala M., Krishna D., Anil Kumar T. (2019). Improving Performance Parameters of PMBLDC Motor using Fuzzy Sliding Mode Controller, International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE), 8(4).
11. Shamseldin, M. A., EL-Samahy, A. A. (2014) Speed control of BLDC motor by using PID control and self-tuning fuzzy PID controller, International Workshop on Research and Education in Mechatronics (REM), 1-9.
12. Shekhar, S., Saha, P. K., Thakura, P. R. (2020). Optimal PID Tuning of BLDC Drive using LQR Technique. 2, 57–574.
13. Soni, Y.K., Bhatt, R. (2013). BF-PSO optimized PID controller design using ISE, IAE, IATE and MSE error criteria. International Journal of Advanced Research in Computer Engineering and Technology. 2(7), 2333-2336.
14. Tatar, G. (2017). Hafif Elektrikli Araçlar İçin Akıllı, FSDAM Sürücü ve Kontrolör Tasarımı. Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 120.
15. Xu, F., Li, T., Tang, P. (2008). A Low Cost Drive Strategy for BLDC motor with low torque ripples. 2008 3rd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, ICIEA 2008, 1, 2499–2502.
16. Yaz, M. Cetin, E. (2021). Brushless Direct Current Motor Design and Analysis, COJ Electronics & Communications, 1-12.
17. Zhang, Y., Zhang, L., Dong, Z. (2019). An MEA-Tuning Method for Design of the PID Controller. Mathematical Problems in Engineering, 2019.