Simulation of an Sensorless Commutation Based Electronic Speed Controller for BLDC Motors

Abstract

In this study, a sensorless commutation-based motor driver for brushless direct current (BLDC) motors was designed and simulated. The system was developed using an Atmega328P microcontroller, and the control algorithm operates based on back electromotive force (Back-EMF) signals to estimate rotor position. The power driver stage was configured as a three-phase half-bridge topology utilizing IR2101 MOSFET driver ICs and IRFZ14 N-channel MOSFETs. The behaviour of the Electronic Speed Controller (ESC) system was modelled in simulation, and the control algorithm — including PWM generation, phase commutation, and feedback logic — was tested in a virtual environment. Simulation results confirmed the correct phase sequence and stable motor operation. PWM timing, phase voltages, and BEMF signals were successfully observed on the virtual oscilloscope. The findings demonstrate that sensorless ESC systems offer low-cost and reliable control solutions for BLDC motors.

Keywords

• BLDC Motor
• ESC
• Electronic Speed Controller
• Simulation
• Driver Design

BLDC Motorlar İçin Sensörsüz Komütasyon Tabanlı Elektronik Hız Kontrol Cihazı Simülasyonu

Abstract

Bu çalışmada, fırçasız doğru akım (BLDC) motorları için sensörsüz komütasyon yöntemine dayalı bir motor sürücüsünün tasarımı ve simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Sistem, Atmega328P mikrodenetleyicisi kullanılarak geliştirilmiş olup, kontrol algoritması motorun rotor konumunu tespit etmek amacıyla ters elektromotor kuvveti (Back-EMF) sinyallerine dayanmaktadır. IR2101 MOSFET sürücü entegresi ve IRFZ14 N-kanal MOSFET'leri ile oluşturulan güç sürücü katı, üç fazlı yarım köprü topolojisiyle yapılandırılmıştır. Elektronik Hız Kontrol Cihazı (ESC) sisteminin davranışı Proteus yazılımı üzerinde modellenmiş, PWM (darbe genişlik modülasyonu) üretimi, faz komütasyonu ve geri besleme mantığı dahil olmak üzere tüm kontrol algoritması sanal ortamda test edilmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre, sistem doğru faz sıralamasını uygulayarak motoru kararlı şekilde döndürmüş; PWM zamanlaması, faz voltajları ve BEMF sinyalleri osiloskop üzerinde başarıyla gözlemlenmiştir. Elde edilen veriler, sensörsüz ESC sistemlerinin düşük maliyetli ve güvenilir kontrol çözümleri sunduğunu ortaya koymaktadır.

Keywords

• BLDC Motor
• ESC
• Elektronik Hız Kontrol Cihazı
• Simülasyon
• Sürücü Tasarımı.

References

1. [1] A. S. Al-Adsani, M. E. AlSharidah, and O. Beik, “BLDC motor drives: a single hall sensor method and a 160° commutation strategy,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 36, no. 3, pp. 2025–2035, Sep. 2021, doi: 10.1109/TEC.2020.3046183.
2. [2] S. Derammelaere, M. Haemers, J. De Viaene, F. Verbelen, and K. Stockman, “A quantitative comparison between bldc, pmsm, brushed dc and stepping motor technologies,” in 19th Int. Conf. Electr. Mach. Syst. (ICEMS), Nov. 2016, pp. 1-5. [Online].
3. [3] D. Mohanraj et al., “A review of bldc motor: state of art, advanced control techniques, and applications,” IEEE Access, vol. 10, pp. 54833–54869, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3175011.
4. [4] B. Banu Rekha, B. Somasundaram, L. Ashok Kumar, and P. Balekai, “A technical review on advantages of using ec bldc fans in factory and commercial buildings,” Energy Eng., vol. 115, no. 3, pp. 57–74, May 2018, doi: 10.1080/01998595.2018.12002418.
5. [5] K. FATHONI and A. B. UTOMO, “Perancangan kendali optimal pada motor arus searah tanpa sikat melalui metode lqri,” (in Indonesia), ELKOMIKA J. Tek. Energi Elektr. Tek. Telekomun. Tek. Elektron., vol. 7, no. 2, p. 377, May 2019, doi: 10.26760/elkomika.v7i2.377.
6. [6] M. Soyaslan, “External Rotor BLDC Motor Design for a Light Electric Vehicle: 24 Slot/22 Pole Combination,” in 2023 18th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), 2023, pp. 1–4. doi: 10.1109/ELMA58392.2023.10202463.
7. [7] A. Mukherjee, S. Ray, and A. Das, “Development of Microcontroller Based Speed Control Scheme of BLDC Motor Using Proteus VSM Software,” International Journal of Electronics and Electrical Engineering, pp. 1–7, 2014, doi: 10.12720/ijeee.2.1.1-7.
8. [8] Yan, G. (2009). Fırçasız Doğru Akım Motor Analizi ve Sürücü Devre Tasarımı (Yüksek lisans tezi, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü). İstanbul.

9. [9] İmren, B. (2022). Fırçasız Doğru Akım Motoru Sürücüsünün Simülasyonu, Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi (Yüksek lisans tezi, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü). İstanbul.
10. [10] Aydoğdu, Ömer, and Mert Bayer. "PIC Tabanlı Fırçasız DC Motor Sürücüsü Tasarımı." Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Selçuk Üniversitesi, Konya (2008).