BRUSHLESS DC MOTOR SPEED CONTROL USING MICROCONTROLLER
1G.SanthoshKumar, S.Arockia Edwin Xavier
Thiagarajar College of Engineering ,Electrical and Electronic Engineering
Madurai,Tamil Nadu
Email: 1Santhoshg92@gmail.com,2saexee@tce.edu
ABSTRACT
The hardware project is designed to control the speed of a BLDC motor using closed loop control technique. BLDC motor has various application used in industries like in drilling, lathes, spinning, electric bikes etc. The speed control of the DC motors is very essential. This proposed system provides a very precise and effective speed control system. The user can enter the desired speed and the motor will run at that exact speed.
KEYWORDS: Hall position sensors, Brushless DC motor, Microcontroller.
INTRODUCTION
Permanent-magnet excited brushless DC motors are becoming increasingly attractive in a large number of applications due to performance advantages such as reduced size and cost, reduced torque ripples, increased torque-current ratio, low noises, high efficiency, reduced maintenance and good control characteristics over a wide range in torque–speed plan.
In general, Brushless DC motors such as fans are smaller in size and weight than AC fans using shaded pole or Universal motors. Since these motors have the ability to work with the available low voltage sources such as 24-V or 12-V DC supply, it makes the brushless DC
motor fans convenient for use in electronic equipment, computers, mobile equipment, vehicles, and spindle drives for disk memory, because of its high reliability, efficiency, and ability to reverse rapidly. Brushless dc motors in the fractional horsepower range have been used in various types of actuators in advanced aircraft and satellite systems [1-4]. Most popular brushless DC motors are mainly three phases [5-7] which are controlled and driven by full bridge transistor circuits. Together with applying permanent magnet excitation, it is necessary to obtain additional torque components. These components can be obtained due to a difference in magnetic permeance in both quadrature and direct axis; therefore, reluctance torque is developed and torque null regions are reduced significantly [8, 11]. In this paper, a brushless DC motor with distributed winding and a special form of PM-rotor with special stator periphery are described. Which develop a speed control system for a BLDC motor by closed loop control technique.
The proposed system uses a microcontroller of the 8051 family and a rectified-power supply. A set of IR transmitter and photodiode are connected to the microcontroller for counting the number of rotations per minute of the DC motor as a speed sensor. Optocoupler is connected to trigger the MOSFET for driving the BLDC
ISSN (PRINT): 2393-8374, (ONLINE): 2394-0697,VOLUME-2, ISSUE-2,2015
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motor which is duly interfaced to the microcontroller. A matrix keypad is interfaced to the microcontroller for controlling the speed of the motor.
The speed control of the BLDC motor is archived by varying the duty cycles (PWM Pulses) from the microcontroller according to the program. The microcontroller receives the percentage of duty cycles from the keypad and delivers the desired output to switch the motor driver so as to control the speed of the BLDC motor. The speed sensed by the IR sensor is given to the microcontroller to display it on the LCD display.
TYPES OF CONTROL TECHHIQUE OF BLDC MOTOR
Though various control techniques are discussed in [8] basically two methods are available for controlling BLDC motor. They are sensor control and sensor less control. To control the machine using sensors, the present position of the rotor is required to determine the next commutation interval. Motor can also be controlled by controlling the DC bus rail voltage or by PWM method. Some designs utilize both to provide high torque at high load and high efficiency at low load. Such hybrid design also allows the control of harmonic current [9]. In case of common DC motors, the brushes automatically come into contact with the communtator of a different coil causing the motor to continue its rotation. But in case of BLDC motors the commutation is done by electronic switches which need the rotor position. The appropriate stator windings have to be energized when rotor poles align with the stator winding. The BLDC motor can also be driven with predefined commutation interval. But to achieve precise speed control and maximum generated torque, brushless commutation should be done with the knowledge of rotor position. In control methods using sensors, mechanical position sensors, such as a hall sensor, shaft encoder or resolver have been utilized in order to provide rotor position information.
Hall Position sensors or simply Hall sensors are widely used and are popular. Whenever the magnetic poles pass near the sensors, they either give a high or low signal, indicating North or South Pole is passing the pole. The accurate rotor position information is used to
generate precise firing commands for power converter. This ensures drive stability and fast dynamic response. The speed feedback is derived from the position sensor output signals. Between the two commutations signals the angle variation is constant as the Hall Effect Sensors are fixed relative to the motor, thus reducing speed sensing to a simple division. Usually speed and position of a permanent magnet brushless direct current motor rotor is controlled in a conventional cascade structure. The inner current control loops runs at a larger width than the outer speed loop to achieve an effective cascade control [10]. Various senseless methods for BLDC motors are analyzed in [11].Modeling of BLDC is given in [12].[11] Proposes a speed control of brushless drive emplo
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使用微控制器的无刷直流电动机速度控制
1G.SanthoshKumar, S.Arockia Edwin Xavier
西亚加拉加尔工程学院电气与电子工程
泰米尔纳德邦马杜赖
电子邮件：1Santhoshg92@gmail.com，2saexee@tce.edu
摘 要
硬件项目旨在使用闭环控制技术来控制BLDC电机的速度。BLDC电动机在钻探，车床，纺纱，电动自行车等行业中具有广泛的应用。DC电动机的速度控制非常重要。该提出的系统提供了非常精确和有效的速度控制系统。用户可以输入所需的速度，电动机将以该精确速度运行。
关键字： 大厅 位置 传感器，无刷直流电动机，微控制器。
介绍
永磁励磁无刷直流电动机由于其性能优势而在许多应用中变得越来越有吸引力，例如减小尺寸和成本，减小转矩脉动，增大转矩电流比，降低噪音，提高效率，减少维护并具有良好的控制特性。在较大的转矩-速度计划范围内。
通常，无刷直流电动机（例如风扇）的尺寸和重量要比使用阴影极或通用电动机的交流风扇小。由于这些电机具有与可用的低压电源（例如24 V或12 V DC电源）一起工作的能力，因此可以使无刷DC
电动机风扇具有很高的可靠性，效率和快速反转的能力，因此很方便用于电子设备，计算机，移动设备，车辆和磁盘存储器的主轴驱动器。分数马力范围内的无刷直流电动机已用于先进飞机和卫星系统中的各种类型的执行器[1-4]。最流行的无刷直流电动机主要是三相[5-7]，由全桥晶体管电路控制和驱动。与施加永磁励磁一起，必须获得附加的转矩分量。由于正交轴和直接轴上的磁导率不同，可以获得这些分量。因此，磁阻转矩得到了发展，转矩无效区域显着减少了[8，11]。本文介绍了一种具有分布绕组的无刷直流电动机和一种具有特殊定子外围的特殊形式的PM转子。通过闭环控制技术开发了BLDC电动机的速度控制系统。
拟议的系统使用8051系列的微控制器和整流电源。一组红外发射器和光电二极管连接到微控制器，用于计数作为速度传感器的直流电动机每分钟的转数。连接了光耦合器以触发MOSFET以驱动BLDC
issn（印刷）：2393-8374，（在线）：2394-0697，第2卷，第2期，2015年
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适当连接到微控制器的电动机。矩阵键盘连接到微控制器，以控制电动机的速度。
通过根据程序更改微控制器的占空比（PWM脉冲），可以存储BLDC电机的速度控制。微控制器从键盘接收占空比的百分比，并提供所需的输出以切换电动机驱动器，从而控制BLDC电动机的速度。红外传感器感测到的速度被提供给微控制器，以将其显示在LCD显示屏上。
直流无刷电动机的控制技术类型
尽管在[8]中讨论了各种控制技术，但基本上有两种方法可用于控制BLDC电动机。它们是传感器控制和无传感器控制。为了使用传感器控制电机，需要转子的当前位置来确定下一个换向间隔。也可以通过控制直流母线电压或通过PWM方法来控制电动机。一些设计两者都利用以在高负载下提供高扭矩和在低负载下提供高效率。这种混合设计还可以控制谐波电流[9]。对于普通的直流电动机，电刷会自动与其他线圈的通信器接触，从而使电动机继续旋转。但是对于BLDC电机，换向是通过需要转子位置的电子开关完成的。当转子磁极与定子绕组对齐时，必须给适当的定子绕组通电。BLDC电机也可以以预定的换向间隔驱动。但是要实现精确的速度控制和最大的产生转矩，应在了解转子位置的情况下进行无刷换向。在使用传感器的控制方法中，已经使用机械位置传感器，例如霍尔传感器，轴编码器或旋转变压器，以提供转子位置信息。
霍尔位置传感器或简称霍尔传感器已被广泛使用并广受欢迎。每当磁极经过传感器附近时，它们都会发出高电平或低电平信号，表明北极或南极正在通过磁极。准确的转子位置信息用于
为功率转换器生成精确的点火命令。这样可以确保驱动器的稳定性和快速的动态响应。速度反馈来自位置传感器的输出信号。由于霍尔效应传感器相对于电动机是固定的，因此在两个换向信号之间，角度变化是恒定的，从而将速度检测减小到一个简单的划分。通常，在常规的级联结构中控制永磁无刷直流电动机转子的速度和位置。内部电流控制回路的宽度大于外部速度回路的宽度，以实现有效的级联控制[10]。在[11]中分析了BLDC电机的各种无意义方法。在[12]中给出了BLDC的建模。[11]提出了采用PWM技术的无刷驱动的速度控制。上面的文献没有涉及降低速度振荡，并且在BLDC驱动中电动机也无法以精确的速度运行。本文讨论了控制方法，以减少速度波动并以精确的输入速度运行电动机。这是通过使用微控制器编程来实现的。
建设经营原则
无刷直流电动机是从传统的有刷直流电动机发展而来的，并具有固态功率半导体。无刷直流电动机类似于交流同步电动机。主要区别在于，与无刷直流电动机的矩形或梯形反电动势相比，同步电动机产生正弦反电动势。两者都有定子产生的旋转磁场，从而在磁转子中产生扭矩。
图1：BLDC电机的结构
无刷直流电的基本结构包括一个风扇叶片，该风扇叶片连接到围绕转子的永磁转子上。
定子的电磁线圈和相关的控制电子装置。
图2：直流电动机示意图
典型的双相无刷风扇电动机由围绕四个电磁线圈的永磁转子组件制成。线圈成对工作，线圈A和C形成一个相，线圈B和D形成另一相。Halleffect传感器监视转子位置，向嵌入式MCU提供反馈，以进行换向，速度调节和故障检测。
图 。3：换向时间线图
直流风扇中两相绕组之间的换向是通过交替向L1和L2供电来实现的。功率脉冲之间的死区限制了用于速度控制的电流，并在转子磁体与定子线圈对齐时帮助最小化了齿槽效应。换向周期的开/关功率类似于脉冲宽度调制器（PWM）的输出。
图.4：方框图
图4描述了BLDC电动机的闭环控制的整体系统设计。MCU使用PWM控制电机驱动器的周期，从而设置风扇速度。
霍尔传感器的反馈监控风扇的实际转速，并指示何时进行通讯。
MCU通过测量霍尔效应传感器的输出周期来连续监视电动机速度。
如果运行时间短于目标长度，则表明电动机速度过快。BLDC电机的闭环控制1的示意图如图2所示。5，
图5.原理图
- BLDC电机速度控制脉冲宽度 调制 (PWM) 是 这是一种用于控制电子设备电源的常用技术，已通过现代电子电源开关实现。通过快速打开和关闭电源和负载之间的开关，可以控制馈入负载的电压（和电流）的平均值。相比于
关断期间，提供给负载的功率越高。PWM开关频率必须比影响负载的速度快得多，也就是说，使用功率的设备。通常，必须在电炉中每分钟进行几次切换，在调光器中以120 Hz的频率进行切换，对于电动机驱动器，切换频率从几千赫兹（kHz）到数十kHz，在音频放大器和计算机中达到数十或数百kHz电源
术语占空比描述了接通时间与规则间隔或时间段的比例；低占空比对应于低功耗，因为大多数情况下电源处于关闭状态。占空比以百分比表示，其中100％完全打开。
PWM的主要优点是开关器件的功耗非常低。当开关断开时，几乎没有电流，而在接通时，开关两端几乎没有压降。因此，作为电压和电流的乘积的功率损耗在两种情况下都接近于零。PWM也可与数字控件配合使用，由于其开/关特性，可以轻松设置所需的占空比。
在某些通信系统中，PWM的占空比也已经用于在通信信道上传递信息，因此它也已被使用。
图6：PWM脉冲
适当的周期决定了电动机的速度。
可以通过更改占空比来获得所需的速度。微控制器中的PWM用于控制直流电动机的占空比。
平均电压= D * Vin
- bldc电机的逻辑操作
图7：PWM产生电路
当在导通时间占空比期间逻辑高电平由微控制器传递到OPTO U3的输入时，光电二极管发光，使光电晶体管5号和6号引脚导通。现在，在R7和R8的连接点提供12V电源，并通过D4到达MOSFET Q1的栅极，以使Q1导通，从而使电动机能够运行。在电机两端使用一个续流二极管来传导关闭期间存储在电机中的电荷。在占空比的关闭时间内，光电晶体管不导通，并且在电动机停止时，存储在Q1栅极中的电荷迫使Q3导通。电动机的这种开和关降低了速度。根据微控制器产生的PWM，取决于通过键盘给微控制器的输入，直流电可通过MOSFET通过MOSFET提供给电动机。速度也显示在液晶显示器上。为了检测BLDC电机的速度，使用了光电二极管中的IR LED。速度值使用模糊逻辑以百分比形式更改。模糊逻辑是
即近似但不准确。所以
程序被写入使用模糊逻辑的微控制器中，因此我们得到的值几乎等于准确值。使用230v -12v降压变压器将交流电源电压降低至12v，现在通过使用全波桥式整流器对该交流电压进行整流，在滤波电容器获得脉动之前使用了隔离二极管。
DC获得固定输出DC由于采用了微型，因此采用了7805稳压器
控制器固定 5v纯DC。为了过滤脉动的直流电，在7850的输入端连接了一个470微法拉或1000微法拉的电解电容器。在7850的输出处还连接了一个电解电容器，以消除完整的纹波（如果有 5v DC A LED带有串联电阻）。连接以指示电源。40微处理器必须根据从速度感应输入接收到的错误信号生成PWM脉冲，以匹配键盘输入，以使电动机以输入RPM运行。
在微控制器的第9引脚上连接了一个按钮，称为复位，在该按钮的两端连接了10微法拉的电解电容器，并使用10k电阻拉低了微控制器的第9引脚。在操作过程中按下此复位引脚时，从微控制器写入的程序将从头开始。
在微控制器的第18和第19引脚上连接了跨度为11.0592 MHz的振荡器晶体，并连接了33pico farad的陶瓷电容器以使其稳定。
图8：速度感应电路
为了感测BLDC电机的速度，使用了红外（IR）二极管和光电二极管。当光照射到光电二极管上时，其两端的电阻会减小，反之亦然。因此，光电二极管被用于具有可变电阻器的分压器中。该分压器向NPN晶体管提供电压，该NPN晶体管的集电极连接到微控制器输入。
因此，将IR LED和光电二极管放置在BLDC电机的轴附近，并在轴上形成白点，红外光被白色反射，并且反射光不断落在光电二极管上，因此，其两端的电压保持不变。此后还改变晶体管基极的电压
因此，如果改变晶体管的集电极，就会产生一个脉冲，该脉冲被送给微控制器，用于计数直流电动机每分钟的转数。
感应到的速度以rpm的形式显示在LCD上。为了改变速度，键盘被用作微控制器的输入。通过使用该参数，我们可以输入电动机运行所需的速度百分比。按两次最大运行速度的“＃”。之后按“ *”输入所需的速度百分比。按下＃之后，将保存所需的速度，该速度将显示在LCD上。之后，脉冲宽度的开启时间将逐渐减小，从而导致速度降低。速度传感器连续将错误信号发送到MC的引脚12，以将电动机的运行速度锁定在所需速度。
各种pwm脉冲的仿真结果。
此处使用的速度控制技术是脉冲宽度调制（PWM）技术。占空比决定了电动机的速度。可以通过更改占空比来获得所需的速度。微控制器中的PWM用于控制直流电动机的占空比。
平均电压= D * Vin
还提到了在各种占空比下获得的平均电压，并且随着占空比百分比的降低，平均电压也会从电源电压降低。
占空比定义为时间的百分比
电机打开。因此，占空比为
义务 周期 = 100% x 脉冲宽度/周期
哪里，
占空比（％）
脉冲宽度=信号处于ON或高电平状态的时间（秒）
周期=一个周期的时间（秒）。BLDC电机运行的闭环控制程序用嵌入式C编写，并在keil软件中执行。
查看从微控制器产生的PWM脉冲的各种占空比，
%
PWM输出20
PWM输出为50％
PWM输出80％
输出响应
|
输入占空比 % |
输出电压 |
输出转速（rpm） |
|
25% |
3V |
650 |
|
50% |
6V |
1300 |
|
75% |
9V |
1950 |
|
100% |
12V |
2600 |
lt;
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