background image

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 72/2005

 

149

Janusz Hetmańczyk, Krzysztof Krykowski 

Politechnika Śląska, Gliwice

  

 

BADANIA SYMULACYJNE I LABORATORYJNE SILNIKA 

PM BLDC WYKORZYSTUJĄCEGO CZUJNIK POŁOŻENIA  

WIRNIKA W OBWODZIE REGULACJI PRĘDKOŚCI 

 

SIMULATION AND LABORATORY TESTS OF A PM BLDC MOTOR  

WITH ROTOR POSITION SENSOR IN VELOCITY CONTROL CIRCUIT 

 

Abstract:  In  the  paper  the  control  system  for  permanent  magnet  brushless  DC  motor  is  considered.  The  
simulation research results as well as the results of the experiment result  carried out using the control system 
are presented. There were the following conditions of the experiment: speed measurement was performed with 
the position sensor,  the frequency of position sensor signals were proportional to motor velocity. Due to the 
measurement delay time variability and dependence on the rotational speed of the motor,  adaptation regulator 
was used as a part of the control system. The algorithm of the adaptation regulator stetting parameters selec-
tion is referred in [3].As a results of simulation and experiment test, the authors shown  waveforms of  speed 
and  torque  of  PM BLDC  motor.

 

The  laboratory  test  was  performed  on  laboratory  stand  for  evaluation  of  

drives  with PM BLDC  motor properties. The laboratory  stand  was designed for rapid prototyping of BLDC 
motor control systems. The DS 1104 controller board was used as the main controller of BLDC motor. 

1. Wprowadzenie 

Układy  napędowe  z  silnikami  PM BLDC  sta-
nowią  dużą  grupę  urządzeń  małej  i  średniej 
mocy. Charakterystyki  mechaniczne silników z 
magnesami  trwałymi  są  takie  same  jak  charak-
terystyki  mechaniczne  silników  obcowzbud-
nych  komutatorowych  prądu  stałego.  Równo-
cześnie  silniki  bezszczotkowe  posiadają  szereg 
zalet z których najważniejsze to: 

• 

prostsza konstrukcja i brak komutatora; 

• 

wyższa sprawność spowodowana niższymi 
stratami (od 15 do 25%); 

• 

dobre właściwości dynamiczne, często nie 
wykorzystywane.

 

Niekorzystną ich cechą jest wyższa cena w po-
równaniu  do  innych  silników  w  tym  zakresie 
mocy.  Silnik  bezszczotkowy  prądu  stałego  jest 
zasilany  ze  źródła  napięcia  stałego  (najczęściej 
akumulator)  poprzez  komutator  elektroniczny 
pełniącego  rolę  falownika.  Przekształcanie  to 
odbywa  się  cykliczne  poprzez  przełączanie  za-
cisków odbiornika do różnych biegunów źródła 
napięcia  stałego.  Ponieważ  w  silniku  bezsz-
czotkowym uzwojenie jest nieruchome a wiruje 
magneśnica  wytwarzająca  pole  magnetyczne, 
dlatego  do  układu  sterowania  silnika  musi  być 
dostarczona  informacja  o  położeniu  wirnika 
względem uzwojenia twornika. Do identyfikacji 
położenia  wirnika  wykorzystuję  się  zestaw 
trzech  czujników  dyskretnych  nazywanych  w 
dalszych  rozważaniach  czujnikami  położenia 

 

 
 

wirnika  (w skrócie CPW).  Jako  czujniki  poło-
żenia  wirnika  najczęściej  stosuje  się  czujniki 
hallotronowe.[1] 

 

CPW

Układ logiczny wypracowywujący

funkcję załączania tranzystorów

U

DC

T

1

T

3

T

5

T

4

T

6

T

2

1

L

2

L

3

L

θ

R

w

2

i

1

i

3

i

 

Rys.1.  Schemat  układu  zasilania  bezszczotko-
wego silnika prądu stałego 

 

Częstotliwości sygnału wyjściowego z czujnika 
Halla  jest  proporcjonalna  do  aktualnej  prędko-
ści  silnika.  Sygnał  ten  można  wykorzystać  w 
pętli  sprzężenia  zwrotnego  prędkości.  Wyko-
rzystanie  tej  metody  pomiaru  prędkości  po-
zwala na korzystanie z silników nie wyposażo-
nych  w  prądnice  tachometryczne  w  układach  z 
regulatorem prędkości.  
W  artykule  przedstawiono  wyniki  badań  sy-
mulacyjnych  i  eksperymentalnych  dla  układu  z 
pomiarem  impulsowym.  Algorytm  doboru  na-
staw  regulatora  adaptacyjnego  prędkości  został 
przedstawiony w artykule [3]. 

background image

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 72/2005

 

150





+

R

R

sT

K

1

1

p

p

s

K

τ

+

1

2

1

1

s

T

T

s

T

K

m

S

m

f

+

+

)

(s

ω

Z

ω

ω

ω

τ

s

K

+

1

0

τ

ω

s

e

K

a)

b)

 

 

Rys. 2. Schemat blokowy układ regulacji silnika PM BLDC  
 

2. Obiekt badań 

Obiektem  badań  jest  układ  regulacji  silnika 
bezszczotkowego  prądu  stałego  typu  RTM  ct-
85-1  produkcji  ELKAR  –  Warszawa,  o  para-
metrach znamionowych U

n

 = 24 V, I

n

 = 18,5 A, 

ω

n

 = 314 rad/s,  R

t

 = 0,13Ω,  L

t

 = 0,25 mH,  o 

stałej  elektromechanicznej  T

m

=3,4 ms  i  liczbie 

par  biegunów  równej p = 3.  Silnik  był  zasilany 
z  baterii  akumulatorów  poprzez  przekształtnik 
(komutator  elektroniczny)  z  tranzystorami 
MOSFET typu IRF 2807. Częstotliwość przełą-
czeń zaworów wynosiła 5 kHz.  
Na  rysunku  2  przedstawiono  schemat  blokowy 
układu  regulacji  prędkości  silnika  PM BLDC, 
w  których  wyszczególniono  dwa  rodzaje  ukła-
dów pomiarowych prędkości. Przypadek a) od-
powiada  pomiarowi  z  wykorzystaniem  tacho-
prądnicy,  natomiast  przypadek  b)  symbolizuje 
pomiar  prędkości  z  wykorzystaniem  przetwor-
nika impulsowego. 
Transmitancja  operatorowa  otwartego  układu 
regulacji prędkości, kiedy do pomiaru wykorzy-
sta się prądniczkę tachometryczną o małej stałej 
czasowej 

τ

ω

   

i  wzmocnieniu  K

ω

 

  po  przekształ-

ceniach ma postać: 

 

    

)

1

)(

1

)(

1

(

)

(

0

S

m

z

o

sT

sT

s

K

s

G

+

+

+

=

τ

ω

   

(1)

 

gdzie: 

τ

z = 

τ

p + 

τ

ω

 

- zastępcza mała stała czasowa 

f

P

K

K

K

K

ω

ω

=

0

 

 

- wzmocnienie w otwartej pętli 
  sprzężenia zwrotnego 

 

Zgodnie  z  zasadami  obowiązującymi  przy  do-
borze regulatora dla obiektu o transmitancji (1) 
według  kryterium  optimum  modułu  gdy 
(

T

m

, T

S

) >>

τ

z

  dla  regulatora  typu  PI  nastawy 

wyznaczono z wzorów [3,4]: 

        

82

,

0

2

1

0

=



+

=

m

S

S

m

R

T

T

T

T

K

K

ω

 

     (2)

 

     

ms

T

T

T

T

T

T

T

S

m

S

m

S

m

R

7

,

3

1

2

=





+

+

+

=

 

     (3)

 

 

W  przypadku  wykorzystania  do  pomiaru  pręd-
kości  przetwornika  impulsowego  zastosowano 
kryterium  zalecane  dla  obiektów  z  czasem 
martwym.  Szczegółowy  opis  doboru  został  za-
mieszczony  w  artykule  [3].  Wzmocnienie  re-
gulatora  adaptacyjnego  jest  zależne  od  prędko-
ści silnika, czyli: 

                       

ω

ω

=

A

R

K

K

   

 

     (4)

 

gdzie: 

ω

π

0

6

,

0

K

T

p

K

m

A

=

 

 

- współczynnik 

wzmocnienia 

   regulatora  dla  znamionowej  
   prędkości obrotowej. 

 
Zakładając,  że  prędkość  silnika  będzie  zmie-
niała  się  w  granicach  od  1 rad/s  do  prędkości 
znamionowej 

ω

n

, to graniczne wartości wzmoc-

nienia regulatora adaptacyjnego będą wynosić: 
 
Tab. 1. Nastawy 

regulatora 

adaptacyjnego 

prędkości 

ττττ

[s] 

ω

ω

ω

ω [rad/s] 

K

ω

ω

ω

 

τ

0min

=3,3 10

-3

 

ω

n

 =314 

K

R

ω

n

= 0,48 

τ

0max

=1 

ω

min

 = 1 

K

R

ω

min

= 0.001 

 
Stała regulatora adaptacyjnego jest równa elek-
tromechanicznej stałej czasowej T

R

ω

 

= T

m

3. Badania symulacyjne 

Symulacja  komputerowa  jest  nowoczesną  me-
todą  badawczą  pozwalającą  w  istotny  sposób 
skrócić czas i obniżyć koszty prac badawczych 

background image

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 72/2005

 

151

przy  analizie  i  projektowaniu  napędów  prze-
kształtnikowych.  Punktem  wyjścia  do  badań 
symulacyjnych jest  przygotowanie  modelu  ma-
tematycznego  a  następnie  modelu  komputero-
wego w wybranym programie symulacyjnym.  

3.1 Model komputerowy silnika PM BLDC

 

Model  komputerowy  bezszczotkowego  silnika 
prądu  stałego  został  zbudowany  na  podstawie 
równań  matematycznych  opisujących  działanie 
tego  silnika.  W  modelu  tym  przyjęto  następu-
jące założenia upraszczające: 
•  obwód  magnetyczny  nienasycony  i  jedno-

znaczny, 

•  obwody elektryczne symetryczne,  
•  indukcja magnetyczna w szczelinie pod ma-

gnesami  ma  wartość  stałą, zaś  w  strefie  po-
między magnesami jest równa zero,  

•  moment reluktancyjny równy zero, 
•  magnesy  trwałe  obejmują  0,7  obwodu  wir-

nika,  

•  kąt pracy zaworów wynosi 120°el. 

 

Obwód główny k-tej fazy (gałęzi) silnika (rys.1) 
jest opisany zależnością: 

           

k

k

Sk

k

Sk

k

e

dt

di

L

i

R

u

+

+

=

 

 

     

(5)

 

W  powyższej  zależności  przez 

e

k

  oznaczono 

składową  fazowej  SEM  pochodzącą  od  ma-
gnesu  trwałego,  zaś  przez 

R

Sk

  oraz 

L

Sk

  ozna-

czono zastępcze fazowe: rezystancję i indukcyj-
ność  stojana.  Zastępcza  fazowa  indukcyjność 
zależy  od  indukcyjności  głównej  stojana 

L

Sm

 

oraz od indukcyjności rozproszenia 

L

S

σ

 zgodnie 

z relacją:  

                   

σ

S

Sm

Sk

L

L

L

+

=

2

3

   

 

     (6)

 

zaś fazowa SEM rotacji pochodząca od ma-
gnesu trwałego wynosi: 

                     

)

(

k

fk

k

K

e

θ

ω

=

  

 

     (7) 

W silnikach PM BLDC dąży się do tego, by fa-
zowa  SEM  miała  kształt  trapezu  o  górnej  pod-
stawie  równej  120°el.  Moment  elektromagne-
tyczny  wytworzony  w  wyniku  współdziałania 
k-tego  uzwojenia  fazowego  i  strumienia  ma-
gnesu trwałego jest opisany zależnością:  

               

)

(

k

fk

k

k

k

k

K

i

i

e

M

θ

ω

=

=

   

 

    (8)

 

Całkowity  moment  elektromagnetyczny  jest 
natomiast  sumą  składowych  momentów  elek-
tromagnetycznych i wynosi: 

                       

=

=

m

k

ek

e

M

M

1

   

 

     (9)

 

W  przypadku  silnika  o  jednej  parze  biegunów, 
współczynnik  wzbudzenia  K

fk

  występujący  w 

zależnościach  (7)  oraz  (8),  jest  równy  strumie-
niowi  skojarzonemu  z  k-tym  uzwojeniem  sto-
jana. 
O  właściwościach  dynamicznych  silnika  decy-
duje  moment  dynamiczny  określony  zależno-
ścią: 

              

dt

d

J

M

M

M

m

e

d

ω

=

=

   

   (10)

 

taką  samą  jak  w  przypadku  innych  rodzajów 
silników elektrycznych. 
Na rysunku 3 przedstawiono model obwodowy 
silnika  PM BLDC  z  wyszczególnionym  komu-
tatorem  elektronicznym,  obwodem  elektrycz-
nym i mechanicznym oraz układem logicznym. 
 

 

Rys. 3.  Model  obwodowy  bezszczotkowego  sil-
nika prądu stałego w Simulinku

 

 

Natomiast  na  rys. 4  przedstawiono  układ 
regulatora  adaptacyjnego,  którego  wartość 
sygnału  wyjściowego  jest  funkcją  prędkości 
zadanej  i  aktualnej.  W  układzie  tym  możliwe 
jest  również  badanie  klasycznej  konstrukcji 
regulatora. 

 

 
Rys. 4. Model regulatora adaptacyjnego 

3.2 Wyniki symulacji

 

Zarówno  dla  badań  symulacyjnych  jak  i  labo-
ratoryjnych  jako  kryterium  określające  właści-
wości  badanego  układu  regulacji  silnika  przy-

background image

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 72/2005

 

152

jęto  porównanie  charakterystycznych  przebie-
gów prędkości i momentu silnika. W tym celu, 
układ  sterowania  silnika  PM BLDC  poddano 
działaniu skokowo zmieniających się wielkości 
sterującej 

ω

  Z 

jak  i  wielkości  zakłócającej  M

o

 

pracę napędu. 
Na  poniższych  rysunkach  przedstawiono  prze-
biegi  prędkości  i  momentu  silnika  bezszczot-
kowego  prądu  stałego  w  układzie,  w  którym 
wykorzystano ciągły pomiar prędkości. 
 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

t

 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

t

 

Rys.5. Przebieg prędkości i momentu silnika dla 
układu z ciągłym pomiarem prędkości 

 

 
Jak  widać  na  przebiegach  (rys. 5a i b)  w  ukła-
dzie  wykorzystującym  tachogenerator  odpo-
wiedź  układu  na  zakłócenie  jest  zawsze  taka 
sama niezależnie od prędkości obrotowej. 
W  przypadku  układu  regulacji  wykorzystują-
cego  impulsowy  pomiar  prędkości  dynamika 
odpowiedzi  zależy  od  prędkości  silnika.  Wi-
doczne  jest  to  na  przebiegach  prędkości 
(rys. 6a i 7a)  gdzie  odbudowywanie  prędkości 
po wystąpieniu  zakłócenia  (0.1s)  następuje z  
 
  

 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

t

 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

t

 

Rys.6.  Przebieg  prędkości  a)  i  momentu  b)  sil-
nika z impulsowym pomiarem prędkości

 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

t

 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

t

 

Rys.7. Przebieg prędkości a) i momentu b) sil-
nika z impulsowym pomiarem prędkości

 

a) 

    n 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
b) 
   M 

a) 
     n 

 
 
 
 
 
 
 
 

 
b) 
     M 

a) 
     n 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

b) 
    M 

background image

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 72/2005

 

153

Silnik

BLDC

Hamownica HC 4,6

DS 1104

dSpace

M

Nm

n

rpm

KPCI 3104

Keithley

P

C

B

U

S

 

 

Rys. 8. Struktura stanowiska badawczego do badań napędów z silnikami BLDC 
 
różnymi  czasami  po  wystąpieniu  zakłócenia.

 

Podobna  sytuacja  występuje  po  zmianie 
wielkości zadanej (0.2s). Odpowiedź układu po 
skokowej zmianie prędkości zadanej (z wyższej 
na  niższą)  trwa  dłużej,  w  porównaniu  z 
przypadkiem  gdy  zmiana  zadanej  prędkości 
następuje w kierunku wyższych prędkości. 

4. Badania laboratoryjne 

Struktura  stanowiska  laboratoryjnego  do  badań 
napędów  z  bezszczotkowymi  silnikami  została 
przedstawiona  na  rysunku  1.  Stanowisko  zo-
stało  dokładnie  omówione  [2].  Układ  sterowa-
nia silnika z rys.1 pełni karta z procesorem sy-
gnałowym,  która  zastąpiła  dedykowany  układ 
sterowania  silnika  BLDC.  Zastosowanie  ta-
kiego układu sterowania pozwala w sposób do-
wolny  i  wielokrotny  modyfikować  układ  stero-
wania  silnika.  Obciążeniem  dla  badanego  sil-
nika  jest  hamownica.  Zadawanie  momentu  ob-
ciążenia co do wartości i rodzaju również reali-
zowane 

przez 

układ 

sterowania 

(karta 

DS 1104).Uzyskane  dane  pomiarowe  oraz 
wszystkie informacje określające własności ba-
danego  napędu  są  rejestrowane  jest  poprzez 
kartę  pomiarową.  Nadrzędną  jednostką  stano-
wiska  jest  komputer,  który  umożliwia  komuni-
kowania się z układem sterowania jak i pomia-
rowym. 

4.1 Wyniki eksperymentu

  

Na  poniższych  rysunkach  przedstawiono  prze-
biegi  prędkości  oraz  momentu  silnika  zareje-
strowane  w  układzie  pomiarowym  (rys. 8).  Do 
pomiaru  prędkości  wykorzystano  jeden  z  sy-
gnałów  z  czujnika  położenia  wirnika.  Na  ry-
sunku  (rys. 9)  przedstawiono  przebieg  prędko-
ści  silnika  (bieg  jałowy)  zarejestrowany  dla 
skokowej zmiany prędkości zadanej z 0,6

ω

do 

zera i odwrotnie. 

 

Rys. 9. Przebieg prędkości silnika dla skokowej 
zmiany prędkości zadanej (bieg jałowy)

 

Na  pozostałych  dwóch  rysunkach  przedsta-
wiono  przebiegi  zarejestrowane  dla  stanu  ob-
ciążenia. Dla skokowej zmiany wielkości zada-
nej  (rys. 10)  widoczna  jest  różnica  w  działaniu 
regulatora  adaptacyjnego.  Dla  małych  prędko-
ści  działanie  regulatora  jest  gorsze  (wartość 
wzmocnienia  proporcjonalnego  jest  funkcją 
prędkości)  niż  dla  dużych  prędkości  obroto-
wych. 

 

Rys. 10.  Przebieg  prędkości  i  momentu  silnika 
dla skokowej zmiany prędkości zadanej

 

Natomiast  na  rysunku  11  przedstawiono  prze-
bieg  prędkości  i  momentu  rozwijanego  przez 

background image

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 72/2005

 

154

silnik  gdy  w  układzie  wystąpiła  skokowa 
zmiana momentu obciążenia.  

 

 

Rys. 10.  Przebieg  prędkości  i  momentu  silnika 
dla skokowej zmiany momentu obciążenia 

 

 

6. Podsumowanie. Wnioski końcowe 

Z  przeprowadzonych  badań  symulacyjnych  
i  eksperymentalnych  wynika,  że  jest  możliwe 
zastosowania czujnika(ów) położenia wirnika w 
układach  regulacji  prędkości.  Wymaga  to  jed-
nak  zastosowania  regulatora  adaptacyjnego, 
którego  sygnał  wyjściowy  uzależniony  jest  od 
prędkości obrotowej.  
Wadą  takiej  metody  pomiaru  prędkości  jest 
wzrost  tętnień  napięcia  wyjściowego  przetwor-
nika częstotliwość – napięcie (PCN) dla małych 
prędkości  obrotowych.  Możliwa  jest  również 
sytuacja, w której dla bardzo małych prędkości 
obrotowych układ regulatora adaptacyjnego nie 
będzie  działał,  ze  względu  na  bardzo  małe 
wzmocnienie.  
Dla  prędkości  większych  od  0,2  prędkości 
znamionowej działanie układu regulacji jest za-
dawalające.  

7. Literatura

 

[1]. Hetmańczyk J.,  Domoracki A.,  Krykowski K.: 
3,6 kW DC brushless motor control system - the in-
fluence  of  position  sensors  fault  on  motion  proper-
ties.  Electrical  Drives  and  Power  Electronics  - 
EDEP, The High Tatras, Słowacja 2003. 
[2]. Hetmańczyk  J., Domoracki  A., Krykowski K.: 
Nowoczesne stanowisko laboratoryjne do badań na-
pędów  z  bezszczotkowymi  silnikami  prądu  stałego. 
Zeszyty problemowe - BOBREM Komel - Maszyny 
elektryczne Nr 66, Katowice 2003. 
[3]. Krykowski  K.,  Hetmańczyk  J.: Wykorzystanie

 

czujników  położenia  wirnika  w  obwodzie  regulacji 
prędkości  silnika  PM  BLDC.  XIV  Seminarium 
Techniczne BOBRME - Komel 2005. 
[4]. Pułaczewski J.

:

 

Dobór  nastaw  regulatorów 

przemysłowych. WNT, Warszawa 1966. 

[5]. Tunia  K.,  Kaźmierkowski  M.:

 

Automatyka  na-

pędu przekształtnikowego.

 

PWN. Warszawa 1987. 

Autorzy 

Politechnika Śląska w Gliwicach, 
Wydział  Elektryczny,  Katedra  Energoelektro-
niki, Napędu Elektrycznego i Robotyki, 
ul. B. Krzywoustego 2, 44-100 Gliwice. 

 

mgr inż. Janusz Hetmańczyk 
tel.: (32) 237-18-31 
e-mail: janusz.hetmanczyk@polsl.pl  
 
dr hab. inż. Krzysztof Krykowski, prof. Pol. Śl. 
tel.: (32) 237-10-43, fax.: (32) 237-13-04; 
e-mail: krzysztof.krykowski@polsl.pl