TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5129 ~ 51 3 6   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.577 2          5129     Re cei v ed Fe brua ry 1, 201 4; Revi se d March 21, 201 4 ;  Accepte d  April 3, 2014   Investig ating the Effect of Different PWM Modes on  Ripple Reduction in Five-Phase BLDC Motor with Ne Method      Se y e d Mohsen Mirbaghe ri* 1 , Se y e d S a jjad Salehi GHalehsefid 2 ,   Se y e d Mohammad Hoss ein Mousav i    1,2 Department of Electrical En gin eeri ng, Masj ed-so leim an Br anch, Islamic A z ad Un iversit y ,    Masje d -sol eim an, Iran   3 Departme n t of Electrical En gi neer ing, Ma hshahr Bra n ch, Islamic Aza d  Uni v ersit y , Mahs h ahr, Iran          *Correspo n d in g auth o r, e-mail: m89.mirb agh eri@ gmai l.com 1 , s.salehi1 983 @gma il.co m 2 mohamm adh o s ein 64@ gmai l.com 3       A b st r a ct   Torque  r i pp le i s   one of  the main draw backs of  brus h l ess D C  motors.  In the cas e  of thre e ph a s e   motors, PW M mo des h a ve a  signific ant effe ct on t he gen e r ated torqu e  ri ppl e. So, like three p has e BL DC  motors, w e  inv e stigate the eff e ct  of different PW M modes o n  torque ri ppl e  of five-phase  BLDC  motor th at  has l e ss torq u e  rip p le  in  hig h  spee d. In this  investi gatio n w e  w ill sh ow  tha t  freew heeli ng  current i n  in act i ve   phas e is i m port ant factor in torque ri ppl e. Also  simul a tion i n  matl ab/Si muli n k  prove this ev ent.      Ke y w ords : five-ph a se BL DC  motor, PW M control, ne utral  poi nt         Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  BLDC m o tors with trape zoi dal indu ce d e m f waveform  have sig n ifica n t advantage s such   as high effici ency, good  power de nsit y, operati on in high sp ee ds and requi reme nt to less  prote c tion. S o , these  mot o rs are  widel y used   in in dustri e s like  comp uter, h o m e ap plian c es,  indu strial aut omation, etc [1].  However,   the  m a in  dra w ba ck of th e s motors i s   the existe nce  of  high  rippl e i n  outp u t torq ue. The  maj o cau s e  of  the ge nerate d  rip p le i s   d ue to tu rn -o n of  freewheeli ng  diode s conn e c ted to ina c tive phase an d cu rre nt flow in this ph a s e. Two fact ors  lead to turn -on of diod es conne cte d  to t he inactive pha se . First one is the indu ctive   cha r a c teri stic of motor winding s whi c h  prevent s fro m  being zero of inactive phase cu rre nt   immediately  after switch-off. So it tak e s time for  the  c u rrent to bec o me ze ro  and this  leads to  curre n t flow  in ina c tive p hase. Thi s  p r ocedu re  an d its effe ct on torque  ri pple h a be en  investigate d   compl e tely in  [2]. Secon d  factor  is th e  existen c of indu ced  emf  and  switchi n g   method  whi c h, in certain   con d ition s  ca use th fo rward  bia s  of d i ode s conn ected to ina c tive  pha se a nd le ad to current  flow in in activ e  pha se  and  make s to rqu e  ripple  [3]. The se co nd fa ctor  has  wide r ran ge and  effect . As mention ed in the  ab stract, pha se i n crea sing i s   one of the ri p p le   redu ction  me thods in  high  sp eed s [4, 5 ]. Also,  switching  method   is effe ctive in  torq ue  rippl e  of   motors with i n crea sed  pha se. In this  pa per,  we inten d  to investig a t e the differe n t  PWM mod e s  of  five-pha se  m o tor  and  its  effect on  torq ue  ripple  a s  i t  has be en  a l ready  don e f o r th ree  ph a s e   motors  in [6-8].   This paper  i s  organized  as follows.  Five pha se  BLDC motor will  be  i n troduced in  section  II. In section  III, different  PWM modes will be  anal y z ed. T he  sim u lation of Torque in  differen t   PWM mod e and con c lu sio n  are p r e s ent ed in se ction  IV and V, respectively.      2. Introduc tion of Fiv e  Phase BLDC  Motor   A five phase motor alo ng  with its drive  are sho w n in  Figure 1.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5129 – 51 36   5130     Figure 1. Equivalent Circuit  of Five-pha se BLDC M o to     Perman ent m agnet i s   pla c ed o n  the  rotor  and  the  waveform  of th e ind u ced  em f will b e   trape zoid al. T h is m o tor is supplie d by  a rectan gula r   cu rre nt, so  the  output to rque  is th eo retical l y   con s tant a nd  without  ripple .  But actually  it is  not true a nd the r will  be ri pple i n  th e output to rq ue  due to the co ndu ction of freewheelin g d i ode s and cu rre nt flow in inactive ph ase [3]. In normal  operation, fo ur ph ases of  the five phase motor a r a c tive and on e  is inactive. T w o of four a c t i ve   pha se s have  positive  cu rrent flow   and  two othe r p h a se s h a ve n egative curre n t flow. Figu re 2   sho w s the ind u ce d emf wa veform and th e pha se curre n t of five phase BLDC mot o r   a a i e , b b i e , c c i e , d d i e , e e i e , 5 5 2 5 3 5 4 5 6 5 7 5 8 5 9 2     Figure 2. The  Waveform of  Induce d  emf and t he Pha s e Curre n t of Five Phase B L DC Motor      3. Analy s is o f  Differe n t P W M Mode s   There are f our PWM  mode s in three p h a s e  motors: O N _PWM, PWM_ ON,  H_O N _ L_PWM and  H_P W M_L_O N [6,  7]. In this se cti on, we inve stigate the effe ct of these fo ur   mode s on torque rip p le of five phase mo tor.    3.1. ON_P WM Mode   The ind u ced  emf wavefo rm and th e switchi ng  sche me of five ph ase B L DC m o tor d r ive  are  shown in Figure 3.  We as sume that the motor  operates in   A&B region.  The equations of   motor termi n al voltages a r expresse d  as (1 ) where U dc  is the  dc lin k voltage and S is  the  swit chin g fun c tion of e a ch  pha se. When  S=1, the  up p e r switch is  o n  and the l o wer switch is  o f f,  and when S=0, the lower  switch i s   on and the upper switch i s  off.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Inve stigating  the Effect of  Different PW M Mode s on  Rippl e… (Se y ed Mo hsen  Mirba ghe ri)  5131 ) ( d b n n n n n e d c b e d c b e d c b dc d dc dc b S S V V V V V e e e e i i i i dt d L L L L i i i i R R R R U S U U S 1 4 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0                                                                      (1)                                                                                                                            In Equation  (1), i b , i c , i d , i e  are th e ph ase  cu rre nts, e a , e b , e c , e d , e e  are th e ind u ced ph ase  voltages, V n  is neutral voltage with refe ren c e to gro und, R  is the windin g  re sista n ce of each   pha se a nd L  is the in du cta n ce  of pha se . Also i b =i c =- i d =-i e  an d e b =e c =- e d =- e e . Accordi ng to t he  different valu es of S , S d , the neutral voltage will have  different values a s  in (2 ).     1 4 3 0 1 1 0 2 1 0 4 1 d b dc d b b dc d b dc S S U S S Sd S U S S U Vn , ,                                                                                                 (2)                          a a i e , b b i e , c c i e , d d i e , e e i e , 5 5 2 5 3 5 4 5 6 5 7 5 8 5 9 2     Figure 3. The  Induce d  Voltage Waveform and Sw itch ing Sche me o f  Five Phase BLDC M o tor  Drive in ON-PWM Mode      The in du ced   voltage i s  p o s itive in  regi o n  A.  It ca n b e  prove d  that  the in du ced  voltage i n   five phase  m o tor is  alway s  le ss tha n   0.5U dc  [3]. From Equation  (2), the te rminal voltage  of  inactive ph ase a is expre s sed a s :     dc a dc dc a dc dc a dc dc a dc n dc n a a n dc a U U U U U U U U U U U U V U V e U V U e 4 5 4 1 4 5 4 3 2 1 4 3 4 1 2 1 2 1 0                                                                                     (3)                                                     Acco rdi ng to  (3),  sin c e t he termi nal  voltage exce eds  U dc , the n  diod D 1  is  fo rw ar biased an d causes  curre n t flow in inacti ve phase  a. No w we a s su me to be in operatin g re gio n  B.  Then the terminal voltage  of phase a i s  expresse d a s Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5129 – 51 36   5132 dc a dc dc a dc dc a dc a dc n n a a dc n a dc U U U U U U U U U U U V V e U U V e U 4 3 4 1 4 3 4 1 2 1 0 4 1 4 1 2 1 0 2 1                                                                                    (4)                                                        From  Equati on (4),  sin c e  the terminal  voltage  be comes ne gati v e then  diod e D 2  is   forwa r bia s ed an d cau s es  curre n t flow in i n a c tive pha se  a. Therefore i n   ON_P WM m ode,  c u rrent flows   in both region A&B.                                                     3.2. PWM_O N  Mode   The ind u ced  emf wavefo rm and the  switchi ng sch e m e of the mo tor drive a r sho w n in  Figure 4. With a dedu ction  similar to (1 ),  the neutral voltage is a s :     ) ( e c n S S V 1 4 1                                                                                                                                (5)                                                                                       Acco rdi ng to the different value s  of S c  and S e,  the neu tral voltage wi ll have differe nt values a s   1 4 3 0 1 1 0 2 1 0 4 1 e c dc e c e c dc e c dc S S U S S S S U S S U Vn , ,                                                                                                       (6)                                                       With a  pro c e dure  simil a r t o  wh at we u s ed for  (3 ) a n d  (4 ), it is  co nclu ded th at  whe n  the  motor i s  in th e ope ratin g  region A, the  current of  in act i ve pha se  a is in the n egati v e dire ction  a n d   whe n  it is in the operatin g regio n  B, the cu rre nt of inactive ph ase a flo w in the positiv e   dire ction. So   the current  flows in  both  region s  A a nd B in  PW M_O N   mo de  and  ca us es  torq u e   ripple.        a a i e , b b i e , c c i e , d d i e , e e i e , 5 5 2 5 3 5 4 5 6 5 7 5 8 5 9 2     Figure 4. The  Induce d  Voltage Waveform and Sw itch ing Sche me o f  the Five Ph ase BL DC  Motor Drive in PWM_ON  Mode      3.3- H_ ON_L _PWM mode   The indu ce d voltage wave form and swit chin g schem e of five phase BLDC mot o r drive  are sho w n in  Figure 5. The  equation s  of motor term i n al voltages in  regio n  A,B are expre s sed  as:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Inve stigating  the Effect of  Different PW M Mode s on  Rippl e… (Se y ed Mo hsen  Mirba ghe ri)  5133 ) ( e d n n n n n e d c b e d c b e d c b dc e dc d dc dc S S V V V V V e e e e i i i i dt d L L L L i i i i R R R R U S U S U U 2 4 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0                                                      (7)    Acco rdi ng to  the differe nt value s  of S , S e , the neutral voltage  will  have differen t  values  as in (8 ). It is assume d that t he motor is i n  operating region A.     1 0 1 1 0 4 3 0 2 1 e d dc e d e d dc e d dc S S U S S S S U S S U Vn , ,                                                                                                    (8)    The in du ced  voltage is po sitive in this  re gion.  With  a  pro c ed ure si milar to th at p r eviou s ly  mentione d, the voltage terminal of the inactive ph ase a is as  (9).                                      dc a dc dc a dc dc a dc dc a dc n dc n a a n dc a U U U U U U U U U U U U V U V e U V U e 2 3 2 1 2 3 4 5 4 3 2 1 2 1 2 1 0                                                                     (9)                                                                               a a i e , b b i e , c c i e , d d i e , e e i e , 5 5 2 5 3 5 4 5 6 5 7 5 8 5 9 2   Figure 5. The  Induce d  Voltage Waveform and Swit ch ing Sche me o f  Five Phase BLDC M o tor i n   H_O N _ L_PWM Mode       Since the  terminal voltage  of pha se a  e x ceed U dc  then dio de  D 1  is forwa r d bi a s ed  and   c a us es  c u rrent  flow. Now it  is  ass u med  that  th e  mot o ope rate s i n  region  B.  With a  de du ction   simila r to  (9 ), Equation  (1 0) i s   obtaine d. Fro m   (10 )  we  con c lud e  that the  dio de i s  n o t forward  biased in  re g i on B an cu rre nt doe no t flow in in act i ve pha se  a. So the  curre n t only flows  in  regio n  A in H_ON_L_P WM mode, i.e. the torqu e  rip p le is lo wer.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5129 – 51 36   5134 dc a dc a dc dc a dc dc a n n a a dc n a dc U U U U U U U U U U V V e U U V e U 0 2 1 4 3 4 1 2 1 0 2 1 0 2 1                                                                      (10)                                                                                                                                                                                                   3.4. H_PWM _ L_O N  Mode   The ind u ced  voltage wave form and  switchin g sche m e  of five phase d r ive are sho w n in   Figure 6. The  terminal voltage s of active  pha se s in region A, B are expre s sed  as:       ) ( c b n n n n n e d c b e d c b e d c b dc c dc b S S V V V V V e e e e i i i i dt d L L L L i i i i R R R R U S U S 4 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0                                                 (11)                                                             a a i e , b b i e , c c i e , d d i e , e e i e , 5 5 2 5 3 5 4 5 6 5 7 5 8 5 9 2     Figure 6. The  Induce d  Voltage Waveform and Swit ch ing Sche me o f  Five Phase BLDC M o tor i n   H_PW M_L _ O N Mo de       Acco rdi ng to the different value s  of S , S c , the neutra l voltage is ob tained a s  follows:    1 2 1 0 1 1 0 4 1 0 0 c b dc c b c b dc c b S S U S S S S U S S Vn , ,             (12)                                                                                                                                                               It is assum e d  that the motor is in op era t ing  regio n  A. The terminal  voltage of phase a i s   obtaine d with  a similar d e d u ction:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Inve stigating  the Effect of  Different PW M Mode s on  Rippl e… (Se y ed Mo hsen  Mirba ghe ri)  5135 dc a dc a U U U e 0 2 1 0                                                                                               (13)    Acco rdi ng to  (13 )  it is con c luded that th e cu rrent doe s not flow i n  region A. In re gion B,  a simila r ded uction le ad s to Equation (1 4)    dc a dc a dc U U U e U 2 1 2 1 0 2 1                                                                           (14)                                     So from (14 )  it is seen that  the current fl ows in inactiv e  phase a in operating re g i on B.  So the curren t only flows in  region B in H_PWM_ L_O N mode, i.e. the torqu e  rip p le is lo wer.                     According   to  a nal ysis  pre s e n te in  se ction  3,  Table   shows  th ob tained  re sult s.  Simulation s in se ction 4 prove Table 1 result s.      Table 1. Obta ined Results from Se ction 3     Existence of free w h eeling current  Torque  ripple   ON_P W M   Both A&B region s  high   PWM_O N   Both A&B region s  high   H_ON _L_PWM   Region A onl y  low e r   H_PWM_L_ON   Region B onl y  low e r       4. Simulation  From  the  an alyse s  p r e s e n ted in  secti on 3  we  con c lud e  that i n  H_ ON_L_P WM  and   H_PWM_L _ O N m ode s, t he current i n   inactive p h a s e 'a'  only flows in  one  of th e two  regi on A,  B, i.e. the cause  of gen erating torque  ripple em erge s less,  so the torque ripple will be l o w.  This  scena rio is  si mulated in m a tlab/Simulin k for a moto r with cha r a c t e risti cs  pre s e n ted in Tabl e .  2 .   Simulation m e thod h a be en ad apted from [3]. In this pape r si mula tions for th re e - pha se  motor is  done  and  we  have d e velo ped the  mod e l for five p h a se  motor. Al so g ene ral  d e scriptio n of  the   five-phas e  motor is  done in [5].       Table 2. Para meters of the Five Phase M o tor  R  L  speed   0.33(ohm )    0.67(mH )  800(rpm )   K e  K t  J   0.066(V/r p m)  1.25(N.m/A )  .0005(Kg.m ^2)   T load  V dc  Z p   28(N.m)    180(V)    8        Figure 7 to Figure 1 0  sh ow the torque wave form s for four different control mo de s.          Figure 7. The  Torqu e  of H_ ON_ L_PWM Mode   Figure 8. The  Torqu e  of H_ PWM_L _ O N  Mode   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5129 – 51 36   5136       Figure 9. The  Torqu e  of PWM_ ON Mo d e   Figure 10. Th e Torq ue of ON_P WM M ode        Acco rdi ng to Table 1, it is see n  in the Fi gure 7 - 10 tha t  torque rippl e  in case s 3.3 and 3.4  is le ss th an  case s 3.1  and  3.2. becau se  in ca se s 3.3  and 3.4 free whe e ling  cu rrent flows in o ne  regio n  whil e in ca se s 3.1 a nd 3.2 free wh eeling  current  flows in two  region s A and  B.         5. Conclusio n   In this paper,  four different  control mo de for five phase BLDC mot o r wa s prese n ted as  it was alre ad y done for three pha se BL DC moto rs. T he most impo rtant factor in  making torq ue   ripple  was  cu rre nt flow i n  i nactive p h a s e. The  anal y s is of this issue  sho w ed  that in m ode s in  whi c h the co ntrol of uppe r and lower  swit che s  is d one se pa rate ly, have lower torqu e  rippl e.  Simulaion s  in  matlab/Simulink proved thi s  re sult.       Ackn o w l e dg ements   The autho rs would like  to thank Khuze s tan  Regi onal Ele c tri c  Com p a n y for its   coo peration.       Referen ces   [1]  Krishn an  Ram u . Perma nent  magn et s y nchr ono us a nd bru s hless dc  mot o drives. CRC press\T a ylor  &   francis. 200 9: 115- 117.   [2]  R Carlso n, M  Laj oie-M a zenc,  J F agundes. Anal ys is  of torque rip p l e  due  to phase com m utation i n   brush l ess dc m a chi nes.  IEEE Transactio n  on  Industrial Ap pl icatio ns.  199 2; 28(3): 63 2– 6 3 8 [3]  W  Kun, Hu C h eng, Z  Ch ao.  A nove l  PW M scheme to  el iminate th e d i od e  free w h eel in g i n  the i nactiv e   phas e in BL DC  motor.  Chines e society for el ectrical e ngi ne erin g . 200 6; 19 4-19 8.   [4]  T  Goplarath n a m , S W a ikar.  Devel o p m ent  of low  cost mu lti-ph ase  br ush l ess dc  motors  w i th unipo la r   current excitati ons.  IEEE Indu strial App licati o ns  Confer enc e. 1999; 1: 17 3 -179.   [5]  X   Xi, W Yufei,  C Jiany u n . Per f ormance  an al ysis  of mu lti-ph as e PM  brush l ess dc m o tor d r ive s y stem IEEE Electrical Machines  and System s Conference . 20 03; 1:  84 - 87.  [6]  Z  Xian gj un, C Boshi. Influe nc e of PW M mode on  the curre n t  generate d  b y   bemf of s w itc h -off phase i n   control s y stem  of BLDC motor .   IEEE Electrical Machines and System s Conference 20 01; 579- 582.   [7]  L Mingj i, G Hanjin, S Meih on g. Rippl e T o rque Ana l ysis an d Simulati on of  BLDC Motor w i t h  Differen t   PW M Modes.  7th Intern ation a l Pow e r El ectronics  and M o tion  Contro l C o nferenc e of IE EE . 2012;  2:   973- 977.   [8]  GW  Meng, X H ao, HS L i Co mmutati on tor q ue rip p l e  red u c t ion i n  BLD C   motor usi ng PW M_ON_PW M   mo de.  Electric al Mach ines a n d  S y stems C o n f erence .  20 09;  1-6.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.