Mathematical Modeling Of BLDC Motors, Simulation In Matlab/Sımulink Environment, And Dynamic Performance Analysis Under Voltage Sag Conditions

Yıl 2025, Cilt: 12 Sayı: 27, 305 - 320, 24.12.2025

Uğur Kızıldağ , Metin Salihmuhsin 0000-0003-2069-9376

https://doi.org/10.54365/adyumbd.1693409

Öz

In this study, the electrical and mechanical dynamics of a three-phase Brushless DC (BLDC) motor were mathematically modeled and successfully simulated in the MATLAB/Simulink environment. By applying the six-step commutation technique to the developed model, performance analyses were conducted under both nominal operating voltage (24 V) and undervoltage scenarios (22 V, 20 V, and 18 V). The simulation results revealed that a decrease in the input voltage led to reductions in motor speed, a weakening of the torque response, and an increase in the settling time. Particularly under low-voltage conditions, it was observed that the dynamic response of the system deteriorated and the motor reached steady-state more slowly. Accordingly, this study offers valuable insights into the behavior of BLDC motors under varying input voltage levels and provides original data to support performance optimization and reliability enhancement in motor drive design.

Anahtar Kelimeler

BLDC motor , voltage sag , Motor modeling , MATLAB/Simulink

Proje Numarası

2024/6-4 D

BLDC Motorlarının Matematiksel Modellemesi, Matlab/Simulink Ortamında Simülasyonu ve Gerilim Düşümü Altında Dinamik Performans Analizi

Öz

Bu çalışmada, üç fazlı fırçasız doğru akım (BLDC) motorunun elektriksel ve mekanik dinamikleri matematiksel olarak modellenmiş ve MATLAB/Simulink ortamında başarıyla simüle edilmiştir. Model üzerinde altı adım komütasyon tekniği uygulanarak, hem nominal çalışma gerilimi (24V) hem de düşük gerilim senaryoları (22V, 20V, 18V) altında motor performansı analiz edilmiştir. Simülasyon sonuçları, giriş geriliminin azalmasına bağlı olarak motor hızında düşüş, tork karakteristiğinde zayıflama ve kararlı duruma ulaşma süresinde uzama olduğunu ortaya koymuştur. Özellikle düşük gerilim koşullarında sistemin dinamik tepkisinin azaldığı ve kararlılığın geciktiği gözlemlenmiştir. Bu kapsamda çalışma, BLDC motorların farklı gerilim seviyeleri altındaki davranışlarını sistematik biçimde inceleyerek, sürücü tasarımlarında performans optimizasyonu ve güvenilirlik artırımı açısından önemli veriler sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler

BLDC motor , gerilim düşümü , Motor modelleme , MATLAB/Simulink

Etik Beyan

Bu çalışmada herhangi bir etik ihlal bulunmamaktadır. Araştırma sürecinde akademik dürüstlük ilkelerine sadık kalınmış; intihal, sahtecilik, çarpıtma, tekrar yayım, yetkisiz yazarlık gibi etik dışı davranışlardan kaçınılmıştır. Kullanılan tüm kaynaklara uygun biçimde atıf yapılmış, çalışmada yer alan simülasyonlar yazarlar tarafından özgün olarak geliştirilmiştir. Çalışma herhangi bir kurum veya kuruluşun çıkarları doğrultusunda yönlendirilmemiştir.

Destekleyen Kurum

Kahramanmaraş Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyonu Başkanlığı

Proje Numarası

2024/6-4 D

Teşekkür

Bu çalışma, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından desteklenen 2024/6-4 D proje numaralı araştırma projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. Sağladıkları maddi ve manevi desteklerden dolayı Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi'ne ve çalışmanın her aşamasında değerli katkı ve rehberliklerini esirgemeyen danışmanım Dr. Öğr. Üyesi Metin Salihmuhsin'e ve proje ekibine çok teşekkür ederim

Kaynakça

• Maske V, Yadav MK, Halmare A. Mathematical modeling and simulation for performance analysis using Matlab/Simulink. International Journal of Emerging Research in Electrical and Electronics Engineering 2018;4(3):246–247.
• Dash BK, Roshni S. Modeling of sensorized BLDC motor speed control using Matlab/Simulink. IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering 2018;13(6):67–76.
• Yuan, T., & Zhang, Y. (2022). Current Harmonic Suppression of BLDC Motor Utilizing Frequency Adaptive Repetitive Controller. Machines, 10(11), 1071. https://doi.org/10.3390/machines10111071
• Hussain, T. (2015). Analysis of brushless DC motor with trapezoidal back EMF with MATLAB. Tikrit Journal of Engineering Sciences, 22(1), 45–51. https://doi.org/10.25130/tjes.22.1.05
• MathWorks. (2024). To simulate the Back EMF voltage of a BLDC motor in Simulink. In this simulation, how to find the Rp? MATLAB Answers. https://www.mathworks.com/matlabcentral/answers/2172626-to-simulate-the-back-emf-voltage-of-a-bldc-motor-in-simulink-in-this-simulation-how-to-find-the-rp (Erişim tarihi: 18 Ocak 2025).
• Gençer Ç, Önal A. Modeling and simulation of BLDCM using Matlab/Simulink. Journal of Applied Sciences 2006;6(3):688–691. https://doi.org/10.3923/jas.2006.688.691
• Manda P, Veeramalla SK. Brushless DC motor modeling and simulation in the Matlab/Simulink software environment. Advances in Modelling and Analysis B 2021;64(1–4):27–33.
• Suneeta R, Srinivasan R, Sagar R. Co-simulation of BLDC motor commutation by using MATLAB Simulink and Xilinx System Generator. International Journal of Engineering and Technology 2016;8(2):899–902.
• Hubík V, Toman J, Singule V. BLDC motor control design in MATLAB/SIMULINK. Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne 2010;88:35–36.
• Nahar S, Ahmed MR, Rahman MA. Performance analysis of BLDC motor using an improved methodology. In: 2020 IEEE Region 10 Symposium (TENSYMP); 2020.
• Kızıldağ U, Salihmuhsin M. Üç fazlı inverterlerde uzay vektör modülasyonu: Teorik temeller, simülasyon ve uygulamalar. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi; 2025. (Değerlendirme aşamasında)
• MathWorks. Hall sensor sequence calibration of BLDC motor.https://la.mathworks.com/help/mcb/gs/hall-sensor-sequence-calibration-bldc-motor.html (Erişim Tarihi: 01.01.2025)
• Yedamale P. Brushless DC (BLDC) motor fundamentals (Application Note AN885). Chandler, AZ: Microchip Technology Inc.; 2003. https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00885a.pdf
• Microchip Technology. AC300022 - 24V 3-phase brushless DC motor with encoder. https://www.microchip.com (Erişim Tarihi: 22.01.2025)
• Kroičs, K., & Būmanis, A. (2024). BLDC Motor Speed Control with Digital Adaptive PID-Fuzzy Controller and Reduced Harmonic Content. Energies, 17(6), 1311. https://doi.org/10.3390/en17061311