Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   9 , No .   5 ,  Octo ber   201 9 , pp.  3333 ~ 33 43   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v 9 i 5 . pp3333 - 33 43           3333       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   Modellin g of sens ored sp eed c ont rol  of  BL DC mot or using  MATLAB /SIMU LINK       Basim Als ayid , Wael  A. S alah,   Ya z eed  Alaw neh   Depa rtment  o f  E le c tri c al E ngin eering,   Co ll eg e   of   Engi ne eri ng  and   Technol og y ,   Pale stine T ec hn i ca l   Univer sit y - K adoor ie (PTUK),   Pale st ine       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   N ov   1 9 , 201 8   Re vised  Ma r   2 7 , 2 01 9   Accepte d  Apr   9 , 2 01 9       Rec en t  dev el op m ent s  in  the  fie ld  o f  m agn et i c  m at er ia ls  and  power   el e ct roni cs,   a lon g  with  the   avail abi lit y   of  ch ea p   powerful   proc e ss ors,  have   inc re ase d  th e  ad opti on  of  b rushless  dire c t  cur ren t  (BLDC)  m otor s  for  var ious   appl i ca t ions,  suc h  as  in  hom e  appl ia n ce s  as  well   as  in  aut om oti ve ,   ae rospa ce,   and  m edi ca l  ind ustrie s.  The   wid e  adopt ion  of  th is  m otor  is  due  to  it s  m an y   adva nt age s  over   othe r  t y p es  of  m otors,   such  as  hi gh  eff icienc y ,   hi gh  d y nami c   response,   long  oper ating  life,   r el a ti ve l y   qui et   oper ation,   and  highe r  spe ed   ran ges.   Th is  pape r  pre sen ts  a  sim ula ti on  of   digi tal  sensor  cont rol  o f   per m ane nt  m ag net   BLDC  m ot or  spee d  using   the   MA TL AB/ SIM ULINK   envi ronm ent .   A  cl osed  loop  spee d  cont ro l  was  de vel oped ,   and   dif fer ent  te st s   were   conduc t ed   to  eva luate  the  val idi t y   of  the  cont rol  al gor it h m s.  Result s  conf irm t he   sat isf ac tor y   oper at io n  of  th e  propose d  cont ro l al gori t hm s.   Ke yw or d s :   BLDC  m oto rs   Hall   s ens ors   Mod el li ng    Sp ee d  c on t ro l   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Wael A . S al a h,    Dep a rt m ent  of   Ele ct rical  En gi neer i ng,   Coll ege  of   En gi neer in g  a nd T echnolo gy ,     P al est ine Tec hnic al  Unive rsity - Ka door ie   (PTUK ),    P.O. Bo x:  7, Y afa Street,  T ulk arm , P al est in e .   Em a il : waelsa l ah.dr @g m ai l.com , w ael .salah @p t uk.edu. ps       1.   INTROD U CTION   Brushle ss  dire ct   current   (B LDC)   va riable   sp ee d  dr i ves   are  i ncr easi ngly   ap plied  i n  m any  new   industrial   app li cat ion s.  Re ce nt   dev el opm ents  in  power   el ect ronics  an d  sem ic ondu ct or   te c hnology  ha ve  le d  to  their  wi despre ad  use   [ 1] .  T his  ty pe  of  m otor  is  now   m or e  popu la r  in  ap plica ti on s ,  su c h  as  for  el ect ric   veh ic le s,   due   to  it s  e nergy - e f ficent  c onsu m ption  [ 2] .  Furtherm or e,   the  BLDC  m oto r  has  m any  ad va ntage s   ov e r  the  in duct ion   m oto r  a nd   brus hed   DC  m otor,  incl ud i ng  bette r  ef fici en cy ,  power   fact or,  l ess  m a intenance ,  longer  li fe ,  an d  le ss  r ot or   i ne rtia .  BLDC  m oto r  is  al so   easi er  to  c on t r ol  with   it s  tra pezo i dal  co nfi gurati on.   This  stu dy  util iz es  a  three - pha se  BLDC  m oto r  with  tra pez oid al   bac k  EMF  [3] .  T he  br us he s  an d  c omm ut at ors   hav e   bee n  el im inate d,   a nd  the  wi nd i ngs  are  c onnected   to  the   co ntr ol  ci rc uits.  C omm uta ti on   is   done   el ect ro nical ly   instea d  of  us i ng  br us he s  [ 4] .  Be cause  s uch  m oto rs  ha ve  no  br us he s,  the y  need   a  so li d  sta te   com m utatio n  ci rcu it   in  order   to  supp ly   the  sta tor  windin gs   accor ding  to  th e  ro to r  p os it io n  [5] .  R oto r  posit ion  can  be ob ta i ne d by ei ther  a s ha ft en c oder  or,  m or e o ften , by  Hall  Effect  se nsors   [ 6] .    The  dynam ic   featur e s  an d  di gital   con tr ol  of   t he  BLDC   m oto r  furthe r ed  it s  wide   ut il iz at ion   in  diff e re nt  hi gh  and  lo w  powe r  a pp li cat ions,   com par ed   wit h  oth e r  t ypes   of  m oto rs.   M oreo ver,  t hese  m oto rs  becam e  on e  of  the  m ajo r  c om po ne nts  use d  to  dev el op  3D   pr i nters  du e  t o  it s  co m pat ibil it y  an d  eas y   integrati on  wi th  us e d  dig it a l  con tr ollers  [ 7] ,  w hich  are   dig it al ly   con trolle d  th rou gh  powe r  el ect ronic   conve rters  i nte gr at e d  with   hi gh  s peed  m ic r ocontr oller.   T he   us e   of   su c h  dev ic es   ena ble d  a n  ea sy  ada pt ion   of  BLDC  m oto rs   in  3D  pr i nter s  an d  I nter net   of  Thi ngs  ( IoT)  dev ic es  [ 8] .  N owadays,   r eal - tim e  con ne ct ion  te chnolo gies,  ei ther  at   the   r esi den ti al   or  i ndus tria l  le vel ,  is  co ns i der e d  as  t he  pr im ary  te ch no l ogy  that   est ablished  a  w ide r a nge  of   I oT  appli cat ion s ,  su c h  as  sm art h om es an d  a uto m at ed  industr ia l app li cat ion s   [ 9] .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   3 333   -   3344   3334   A  re view  of  the  va riet y  of   m ic ro co ntro ll e r - base d  ap plica ti on s  sho ws  the  ra pid   de vel op m ents  in   sci ence  an d  te chnolo gy.  T he   adv a ntage s  in  de velo ping   e m bed de d  m ic ro c on tr ollers   in  m any  industrial   app li cat io ns   re al iz ed  rem ote  m on it or in g  a nd  usi ng  wire le ss/wired   te chn i qu e s  of  dif fer e nt  syst em s   [ 10 ] .   A  BLDC  m ot or   dr ive  ca n  be  co ns ide red  a  dig it al ly   c on t r olled  dr i ve   syst e m .  Ther ef or e ,  sens ors  are  i m ple m ented  to  reali ze  c ontr ol  an d  dri ve  syst em   [11] .  T his  is  m ai n ly   req ui r ed  for  ro t or  po sit io n.   The  c omm utatio n  pr ocess  was   accom plished  us in g  a   di gital ly   con t ro ll ed   in ver te r   based  on  Hall - e ff ec t  se ns ors   sign al s.   T he  B LDC  m oto rs   a re  c har act erize d  by  their   rect angular   cu rr e nt ,  w hich   nee ds  six  discrete   r otor   po sit io ns   [ 7] .    Perm anen t  m a gn et s  create   th e  ro to r  flu x,   a nd   the  en er gized  sta tor  wind ing s  create   el ect ro m agn et   po le s .  By   us in g  the  a ppr opriat e  sequ e nc e  t o  sup ply  the  sta tor  ph ase s,  a  ro ta ti ng  fiel d  on  the  sta to r  is  create d  and   m ai ntained.   Acc ordin g  to  the  ro t or   pos it ion ,  the  phas e  wind i ng s  a re   switc hed   in  a  seq uen ce  to  ob ta in  the  ro ta ti on  [4] .  T he  sp ee d  of  a   m oto r  can  be   con tr olled  usi ng   op e n  lo op   con t ro l.  Howe ver,  accur at e  sp ee d  con t ro l  is  nece ss ary  in  va rio us  app li cat io ns ,  wh ic h  can  only   be  achieve d  by  cl os e d  lo op  sp eed  c ontr ol  [12] .  The  tor que pro du ce d  in a BL DC m oto r  with trap ezoi dal b a ck  el ect ro m oti ve  f or ce (BEM F)  is n ot const ant d ue   to  tor qu e  ri pp l es  that  app ear   on   the  delive red   ou t pu t  tor qu e .  These  to r qu e  rip ples  ar e  an  issue  that  co ul d  highly   af fect  the  BL DC  dr i ve   syst em   per form ance  [7 ,  11] .  I n  t his  pap e r,  di gital   cl os ed   loop  s pee d  c on trol  is   us e d by im ple m enting  c ontro l al gorithm s in  MATLAB/S I MULI NK  [ 13] .   The  pe rfo rm a nce  of  a  BLD C  m oto r  co ntr ol  base d  on  a   sing le   sen sor   for  posit ion   detect ion   is   pr ese nted  [ 14] .  The  pro pose d  desig n,   wh i ch  rep la ces  th e  three  conve ntion al   se ns or s  with  a  sing le   on e ,   reduces  c os t  a nd   c om plexity .  In   a ddit ion ,   the  pr opos e d  dri ve  syst em   wil l  be  po wer e d  directl y  from   t he  P V  syst e m ,  based   on   t he  desig ne d  hi gh  volt age - gain  DC - DC  c onve rter .  M AT LAB/SIM ULINK   res ults  sho wed   a   pro per   op e rati on   of   BL DC   m oto r  f or   va riable  ram ped   up  a nd   do wn   s pee ds   with  fixe d  to rqu e  [14] .   Anothe r  stu dy  pr ese nted   the  s peed   co ntr ol  of   BLDC  m oto r  con t ro l  us in g  S ing le   I nput  F uz zy   PI   Co ntr oller   as   a  rep la cem ent  for  th e  c omm o nly  us ed  c onve ntion al   li nea r  c on t ro ll er.  The  adv a ntage s  of  the  pro pose d  syst e m   include  a   sing le   c on t ro l   config ur at i on  w hich  c om bin es  the  pe r form ance  of   dif fer e nt  syst e m s.   The  pe rfor m ance  of  the  propose d  syst em ,   co m par ed   with  the  co nv e ntio nal  syst e m ,   sh ow e d  a  bette r   dynam ic  r esponse  [ 15] .       2.   CONSTR U C TION  A ND O PERATI ON P RINCIPLE   2.1.   Mot or  c on s tr uctio n    The  BLDC  m otor  is  an  AC   synch ron ou s  m oto r.   It  is  ba sic al ly   inside - ou t  DC  m oto r  as  it   has  the   windin gs   on  th e  sta tor  a nd  th e  ro t or  is  a  perm anen t  m agn et ,  as  s how n  in  Figure  1  [16] .  The  m ai n  func ti on  of   the  br us he s  i n  the   DC   m oto r  is  t o  rev e rse  the   pola rit y  of  the  el ect ric  cu rr e nt  usi ng   t he  m echan ic al  com m utator.   T his  process  res ults  in  he at in g  an d  s parks   du rin g  the   m oto r   operati on,   in  add it io n  t o  el e ct rical  losses,  w hic h  in  retu rn   requir e  per io dic  m a i ntena nce.  T he  issue  with  cu rrent  com m utati on   ca n  be  ove r com e  us in g  el ect ron ic   co m m utati o n.   T he  pola rity   rev ersal  in  the  brus hless  DC  m oto r  is   per f orm ed  by  the  sem ic on duct or   po w er  switc he s.  A  gro up   of  hall - ef fect  sensors  is  us ed  to  synch ronize   the  switc hin g  with  instanta ne ous  r otor  po sit io n.   The  m os t  com m on ly   us ed  se ns or  c ontr ol  is  the  si x  ste p  c on t ro l.   This   co ntr ol  is   base d  on  capt uri ng  the   r ot or  posit ion  at   six   a ng le s   us i ng  the   hall  se nsors .  T he  se nsor   sig na l  is  nee ded  to   al ign   the  ap plied  volt age  with   the  m oto r  back - E MF.  T o  valida te   this  ty pe  of  con t ro l,  a   po w er  co nverte r,   with  th e   con t ro l  ba sed  on   ro t or   po sit ion   m easur em e nt,  is  require d.  The  extra  c os t   fo r  powe r  co nverter  is  com pe ns at ed   by  the  a dvanta ge  the   BLDC   dr i ve  syst em   of fe rs  ov e r  DC  m oto rs,   an d  al so   by  the   dec re asi ng  pri ces  of  powe r   com po ne nts  a nd  c on t ro l  ci rc ui ts.  Othe r  a dv a ntages   inclu de  excell ent  perform ance  and  hi gh e r  reli abili ty  wi t h  low  m ai ntenance  r e qu irem ent  [ 17 ] . Fi gure   2  sh ows  the m oto r  circuit a nd it s con necti on to  the inve rter.           Figure  1 .   Str uc ture of  BLDC   m oto r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Mo delli ng   of s ens or ed   spe ed   con tr ol  of BL D C mo t or   us i ng  MATLAB/ SI M UL INK ( B as im  Alsayid)   3335       Figure  2 .   Moto r  c onnecti on to  the inve rter       Exclu ding t he m utu al  ind ucta nce  betwee n p hase  windin gs ,  the m oto r  e qu at ion s ca n be e xpresse d  as:     =  + L d /dt+       =  + L d /dt+       =  + L d /dt+       Te=1/ωm  ( eai a+ebib+eci c)     2.2.   Mot or oper at i on   and c on tr ol      The  BL DC  m otor  detect s  th e  posit ion   of   t he  r otor  us in g  Hall   sens or s .  Thr ee  sens ors,   HA,  HB ,  an d  HC  are   re qu i r ed  f or  po sit io n  in form at ion .  W it h  t hr ee   se ns ors,   six   pos sible  valid   co m m utati on   seq uen ce s   cou l d  be  obta ined .  Eve ry  60   el ect rical   deg r ees  of   r otati on,   on e  of  the  Ha ll   se ns or s  c hanges  sta te .  Therefo re ,   it   ta kes  six  step s  to  com plete  an  el ect rical   c yc le   [18] .  Tabl e  1  sh ows  the  switc hing  seq ue nce  us e d  to  r un   the   m oto r  in  the  clo ck wise  direct ion .  Fi gure  3  s hows  the  Hall   sens or   sig nals  with  res pect  to   back   EMF  a nd  the  ph a se c urren ts  [ 3,  19 ,  20] .        Table  1 .   Seque nce  for rotat in g  the  m oto r  in   cl ockwise  dire ct ion   Seq u en ce   Hall sen so r  A ( H A)   Hall sen so r  B (HB)   Hall sen so r  C (HC)   Activ e   Switch es   Ph ase  Cu rr en t A   Ph ase  Cu rr en t B   Ph ase  Cu rr en t C   1   1   1   0   S3 ,S2   0   +1   - 1   2   1   0   0   S1 ,S2   +1   0   - 1   3   1   0   1   S1 ,S6   +1   - 1   0   4   0   0   1   S5 ,S6   0   - 1   +1   5   0   1   1   S5 ,S4   - 1   0   +1   6   0   1   0   S3 ,S4   - 1   +1   0       Accor ding  to  Table  1  a nd   F igure  3,   for  se qu e nce  1,   S 3  and   S2   a re  sw it ched   on,  a nd   accor dingly ,  Ph ase  B  c urre nt   is  po sit ive ,  P hase  C  c urre nt  is  neg at i ve,   a nd  P hase  A  c urr ent  is  zer o.   I n  Figure  4,   we  c an  see   the  ene r gized  windin gs   a nd  t he  sta to r  el ect r om agn e ti c  fiel d  ( ST)  resu lt ing  f ro m   this  sit uation.  I n  t he  sam e   fig ur e,  we  can  see  the  rot or   m agn et ic   fiel d  ( R)  fo rm ing   120  el ect rical   deg r ees  with  the   sta tor  el ect ro m agn et ic   fiel d.   F or   se qu e nce  2,   S 1  and   S2   a re  s witc hed   on,  a nd   acc ordin gl y,  Ph ase  A  cu rr e nt  is   po sit ive ,  Ph ase   C  cur ren t  is  neg at ive ,  an d  Ph ase  B  curre nt  is  zero .  I n  Figure  5,   we  can  see  the  ene rg iz e d  windin gs   a nd   t he  sta tor   el ect ro m agn et ic   fiel d  ( ST)  res ulti ng   from   this  sit uation.  I n  the  sam e  figu re  w e  can   see  the   r otor  m agn et ic   fiel d  ( R)  form in g  120  el ect rica l  de gr ees   with   th e  sta t or   el ect ro m agn et ic   f ie ld.   Fo r   se qu e nce  3,   S1   an d  S 6  a re  s witc hed  on ,  an d  acc ordin gly,  P hase  A  c urren t  is  posit ive,  Ph ase   B  c urre nt  is   neg at ive , a nd P hase C c urre nt  is zero .    In   Fig ur e   6,  w e  can  see   the  e nergized   wi nd i ng s   an d  t he  sta tor  el ect r om agn et ic   fiel d  ( ST)  re su lt in g  from   this  sit uation.   I n  the  s a m e  figu re ,  w e  can  see  the  ro t or   m agn et ic   fiel d  ( R)  form ing   120  el ect rical  degrees  with  th e  sta tor  el ect rom agn et ic   fiel d.  Fo r  s eq ue nce  4,   S 5  a nd   S 6  a r e  switc he d  on .  Accor dingly ,  P hase  C  curre nt  is  posit ive,  Ph ase   B  curre nt  is  ne gative,   an d  Phase   A   cu rr e nt  i s  zer o.   I n  Fi gure  7,   we  ca n  s ee  the  energize d  windin gs   an d  the   sta tor  el ect rom agn et ic   fiel d  ( ST)  resu lt ing   from   this  s it uation.   I n  th e  sa m e   fig ur e,  we  can  see  th e  rot or   m agn et ic   fiel d  ( R)  fo rm ing   120  el ect rical   deg r ees  with  the   sta tor   el ect ro m agn et ic   fiel d.   For  se qu e nce  5,  S 5  and   S 4  are  s witc hed   on.  Acc ordi ng ly ,  P hase  C  cur re nt  is  posit ive,  Ph ase  A   cu rr e nt  is n e gative, a nd P hase B c ur ren t i s ze r o.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   3 333   -   3344   3336       Figure  3 .   W a ve  for m s o f Hal l sens ors, BEM F,  to r qu e  and  phase c urre nts            Figure  4 .   S e quence  1       Figure  5 .   S e quence  2           Figure  6 .   S e quence  3           Figure  7 .   S e quence  4       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Mo delli ng   of s ens or ed   spe ed   con tr ol  of BL D C mo t or   us i ng  MATLAB/ SI M UL INK ( B as im  Alsayid)   3337   In  Fig ure  8,   w e  can   see  t he  e nergized   wi nd i ng s   a nd  the   sta tor  el ect r om agn et ic   fiel d  ( ST)  res ulti ng  from   this  sit uation.   I n  the  s a m e  figu re ,  w e  can  see  the  ro t or   m agn et ic   fiel d  ( R)  form ing   120  el ect rical  degrees  wit h  the  sta tor  el ect r om agn et ic   fiel d.   F or   se quenc e  6,   S 3  an d  S4  are  switc he d  on,  an d  acco r di ng ly ,   Ph ase  B  c urre nt   is  po sit ive ,  P hase  A  c urren t   is  ne gative,  a nd  P hase  C  c urr ent  is  zer o.   I n  Figure  9,   we  c an  see   the  ene r gized  windin gs   a nd  t he  sta to r  el ect r om agn et ic   fiel d  ( ST)  resu lt ing  f ro m   this  sit uation.  I n  t he  sam e   fig ur e,  we  can  see  the  rot or   m agn et ic   fiel d  ( R)  fo rm ing   120  el ect rical   deg r ees  with  the   sta tor  el ect ro m agn et ic   fiel d  [21] .   F ro m   the  above   con si der at io ns,  we  can  see   that  the  relat i ve  posit ion   be tween   sta tor  a nd roto r  m agn et ic  f ie lds at the  be ginning o f  al l t he  si x  se quences  is  120  el ect rical   degrees.             Figure  8 .   S e quence  5         Figure  9 .   S e quence  6       If   ret urned   bac k  to  seq ue nce  1,   at   the  beg i nnin g  of  the  sequ e nce,  the  relat ive  po sit io n  betwee n  th e   sta tor  an d  r ot or  fiel ds   is  120  el ect rical   degrees,  as  s how n  in  Fig ur e  10.   Assum ing   that  after  30  el ect rical  degrees  the  r ot or   posit io n  bec om e  as   sh own   in  Fi gu re  11,  this  m eans  that  the  sta tor  m a gn et ic   fiel d  an d  the   ro t or   m agn et ic   fiel d  are  no w  perpe nd ic ular.   If   the  sam e  con side rati ons  ar e  m ade  at   the  end   of   se quenc e   1  an d  befor e  t he  be gi nn in g  of   se qu ence  2,  the n  we  sti ll   hav e  t he  sam e  sta tor  fiel d,   wh e rea s  th e  r otor  fiel d  has   m ov ed  by  a not her  30  el ect ric al   degrees   in  c lock wise,  as   s how n  in   Fig ur e  12.  The   an gl e  betwee n  sta tor   an d  ro t or  m agn et ic   fiel ds  is  60 ele ct rical  d eg rees.     By   stud yi ng   t he   relat ive  posit ion  b et wee n  sta tor  a nd  r ot or  m agn et ic   fiel ds  durin g  al l  the   6  seq ue nces,   it   is  found   that   it   var ie s   bet w een  60  a nd  12 0  el ect rical   de gr ees   with   a n  a ver a ge  value   of  90  de gr e e.  Figure  10  sh ows  the  rel at ive  po sit io n  of   sta to r  an d  ro to r  m agn et ic   fiel ds   at   the  beg i nn i ng   of  seq ue nce  1  (12 0 o ) .   Figure  11 sho ws  the  r el at ive  po sit io n of t he sa m e  m agn et ic  f ie lds i n  the m idd le   of   seq ue nc e 1   (90 o ) .   Fi gure  12  sh ows  the  relat ive posit io n of   the sam e two   m agn et ic  f ie lds  at the e nd of s equ e nce  1 ( 60 o ) .           Figure  10. Rel at ive posit ion  of stat or an d rot or  m agn et ic  f i el ds  at  ( 120 o )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   3 333   -   3344   3338       Figure  11. Rel at ive posit ion  of stat or an d rot or   m agn et ic  f ie lds  at ( 90 o )       Figure  12. Rel at ive posit ion  of stat or an d rot or   m agn et ic  f ie lds  at ( 60 o )       2.3.   Clos ed  lo op s peed c ontrol   The  cl ose d  l oop  sp ee d  c on t ro l  of   BL DC  is  sh ow n  in  F igure  13.  The   sp ee d  of  the  m oto r  ω m   is   com par ed  wit h t he  ref e ren ce  ω m *  sp eed  value,  a nd  s pee d  e rror  Δω m   is pr oc essed by a propo rtion al - I ntegr at iv e   PI   co ntr oller.  The  ou t pu t  of   this  co ntro ll er  is  con si der e d  a s  the  refe re nce   current.  A  c urren t  li m it er  is  pu t  on   the outp ut  de pe nd i ng on m axi m u m   per m issib le  w i nd i ngs c urren ts   [ 4,   22 - 24] .           Figure  13 .   T he  close d  lo op s pe ed  c on t ro l  of  BLDC       Dep e ndin g  on   the  ro t or   posit ion ,  the  re f eren ce  c urren t   gen e rato r  bl ock   ge ner at es   three - phase   ref e ren ce   cu rr e nts,  Ia*,  I b*,  a nd  Ic *,   by  ta kin g  the  value   of   the  P I  s pee d  c on t ro ll er  a nd  li m it er.  The  ref e ren c e   currents  a re  fe d  to  the  Hyste resis  cu rr e nt  con t ro l le r  [4] .  The  he ste resis   current  c on t rol le r  co ntri bu te s   to  th e   gen e rati on  of  s witc hing  si gn a ls  for  t he  in ve r te r.   Hesteresis - band  P W M   is  basical ly   an  in sta ntane ou s   fe edb a c k  current  c on tr ol   m et ho d  of  P WM,  w her e  t he   act ual  cur re nt  con ti nu al ly   tracks  the  c omm and   cu rr e nt  within   hyste resis - ba nd,  a s  s how n  i n   Fig ur e   14.   A s   cu rr e nt  e xcee ds   uppe r  ba nd  lim it   (U BL) ,  t he  uppe r  s witc h  tu r ns   off  an d  the  lo wer   s witc h  tur ns   on.  As  the  c urren t  ex ceeds   the  lower   band  lim it  (LBL),   uppe r  switc h  t urns  on   and lo wer swic h  tu r ns   off  [4] .             Figure  14 .   Hes te resis co ntr oller   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Mo delli ng   of s ens or ed   spe ed   con tr ol  of BL D C mo t or   us i ng  MATLAB/ SI M UL INK ( B as im  Alsayid)   3339   The  s witc hing  patte rn   for  the  pro po se d  m odel   is  sh own  i n  Table  2  [ 25 ] .  This  cl arifies  t he  se qu e nce   need e d  to  dr i ve   the  powe r  switc hes  of  the  inv e rter  in  the  appr opriat e  m a nn e r.   T he  se quenc e  f or m   the  base  to   desig n  t he  s uitable  alg or it hm  to  dri ve  the BL DC m oto r.       Table  2 .   Sw it c hing  patte rn   Cas e   Activ ated  switch   IA  ˃  UBL   S1  is of f  and  S4 is  o n   IA  <  L BL   S1  is on  and  S4 is o ff   IB ˃  UB L   S3  is of f  and  S6 is  o n   IB <  LBL   S3  is   o n  and    S6  is  of f   IC ˃  UB L   S5  is of f  and  S2 is  o n   IC <  LBL   S5  is on  and  S2 is o ff       The  cl os e d  loop  sp ee d  con t ro l  bl oc k,  as  show n  in  Figure   13,  is  i m plem ented  in  MATLAB/S I MULI NK,  sho wn   in  Fig ur e  15.  The  s how n  figure  prese nts  the  com plete  syst e m   in  the  BLDC   m oto r  an d  it s c onnecti on  with  the  dr i ve  a nd  con t ro l si de,   ba sed o n  se nsore d op e rati on.           Figure  15 .   M A TLAB/SIM UL INK cl os ed  lo op s pee d  c on tr ol  b loc k diag ram       3.   SIMULATI O N RESULTS   The  BL DC  m oto r  dr i ve  us e d  for  sim ulati on   is  show n  i n  Fi gure  15.  The   s pecifica ti ons  of  the   BLDC   m oto r  are  li ste d  in   Table  3.  Diff e re nt  sim u la ti on   pa ram eter s  hav e   bee n  captu red.  I n  t he   fo ll owi ng   fi gures,  so m e o f  the  r es ults, r el at ive  to  a step  sp ee d o f 150 0  r pm  an d l oad to rque  of  10 N m , ar e i nc lud e d.         Table  3 .   M otor  p a ram et ers   Para m eters   No .  o f  po les   2   No .  o f  ph ases   3   Ty p e of  con n ectio n   Star   Res istan ce /Ph   0 .2 Ω   Self - in d u ctan ces   0 .00 8 5  H/Ph   Mo m en t of  inertia   0 .89  Kg/ m 2   Torq u e con stan t   1 .4       The  s pee d  res pons e  a nd  refe ren ce   sp ee d  are  s how n  as  in  Fig ure  16.   The  el ect r om a gn et ic   to r que   dev el op e d  by  the  m oto r  is  sh ow n  in  Fi gure  17.  T he  s how n  res ults  of   t he  pro pos ed  de sig n  re ve al ed  a  sat isfact or y  s pe ed  an d  to rqu e  respo ns e.   I n  Fig ur e  18,  the  ste ady - sta t e  ref e ren ce  c urren ts  a re  show n.   In ad diti on, in  Figure  19, s te a dy - sta te  r e fer e nce a nd r eal  c urre nts ar e  s how n.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   3 333   -   3344   3340       Figure  1 6 .   Sp e ed resp onse  for  a step  of  1500  rp m , lo ad  torq ue 10 Nm           Fig u re  1 7 .   T or qu e  d e velo pe d for a  ste p  s pee d of 1 500 r pm ,  load to rque  10  N m           Figure  1 8 .   Stea dy - sta te  r e fer e nce c urren ts  fo r  s peed o f 1 500 rp m  an d l oa d t orq ue of 1 0 N m           Figure  19 Stea dy - sta te  r e fer e nce a nd r eal  c urre nts fo r  s pee d of 1 500 r pm   and loa d  to r que  of  10 N m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       Mo delli ng   of s ens or ed   spe ed   con tr ol  of BL D C mo t or   us i ng  MATLAB/ SI M UL INK ( B as im  Alsayid)   3341   The  three - ph as e  trapezo i dal  ba ck  EMF  (ea,  eb,   ec) ,  are  show n  in  Fig ur e   20 .    Fig ur e  21  show s  the   Hall   Ef fect  se ns or,   H A,   BE MF  ea,  a nd  ph ase  A  real  c urr ent  an d  t orque .   The   di ff e ren t   sp ee d  respo nse s  an d  ref e ren ces  for   diff e ren t  s pe ed  ste ps   are  s how n  in  Fig ure  22.  T he  presented  r esults   sh ow  a  sat isf act or y  respo ns e  at   var io us   m oto r  sp eeds.   T he  ou t pu t  cu rr e nt  an d  EMF  gen e ra te d  by  BLDC  m oto r  are  sh own  i n  Figure  23. T he  r es ults o f  the   dev el op e d  m oto r  contr oller s how  a sm oo th  outp ut EMF a nd  curre nt.              Figure  20 .   BE MF (ea,  eb an d ec ) for s pee d of 1 500 r pm  an d  loa d  t orq ue o f 10 Nm           Figure  21 .   Hall  sen s or A, BE MF (ea ),   phase  curre nt A an d t orqu e  for spee d of 1 500 r pm   and loa d   tor qu e  of  10 Nm           Figure  2 2 .   Sp e ed resp onses  f or d if fer e nt ste p  s pee ds , l oad  tor qu e  10 Nm           Figure  23 .  T he  outp ut curre nt  and EMF t oru ge  r ip ples  gen e r at ed   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober   201 9   :   3 333   -   3344   3342   4.   CONCL US I O N   In   this  pa per ,  t he  m ai n  feature s  of   th e  BLD C  m oto r  we re  discusse d  a nd   analy zed.  A  m od el   of   the   dig it al   sp ee d  con t ro l  of   BL DC  Moto r,   i n  cl ockwise  an d  co unte rcloc kw ise   directi ons,  is  pr e sente d.   T he   pr ese nted   m od el   was  s uccess fu ll y  de velo pe d  in  Ma tl ab/Si m ul ink   e nv ir onm ent  and   te st ed  at   di ff e ren t  sp ee ds .   The  sim ulati on  res ults  co nfi r m ed  the  validi ty   of   t he  pro pose d  c on tr oller   in  te rm s  of  sa ti sfactor y  op e r at ion .  The  pro posed   desig n  e xhibit ed  a  good  dyna m ic  p erfor m ance and s pee d  re gu la ti on.        ACKN OWLE DGE MENTS   The  aut hors  would  li ke  to   thank   Pale sti ne  Tech nical   Un i ver sit y - Ka doori e  for  suppo rting   this   researc h.       REFERE NCE S   [1]   P.  K.  Sharm a  an d  A.  S.  Sind eka r ,   “ Perform anc e  a naly s is  and   compari son  of  B LD C  m otor  drive  using  PI  and   FO C, ”   pp.   485 - 492 ,  20 17.   [2]   W .   A.  Sala h ,   e t  al. ,  “ E le c tric  ve hic l e  technolog y  impact s  on  en e rg y , ”   In te rnatio nal  Journal  of   P ower  El e ct ronic s  and  Dr iv e  S ystem s,   vol /i ss ue:   10 ( 1 ) ,   pp .   1 - 9 ,   201 9.   [3]   J.  Riz k,   e t  al . ,  “ Brushless  DC  mot or  cont rol  usi ng  a  digi t al   sign al   cont ro ller, ”   in   Proce edi ngs  of   the   5th  WSE AS   int ernati ona l co nfe renc e  on   Circ uit s,  syst ems and   signals ( CSS’11) ,   pp.   23 - 28 ,  201 1.   [4]   C.   Sanita  and  J .   Kunche ria,  “ Modell ing   and  si m ula ti on  of  fou r  quadr ant  oper at ion  of  three  p hase   brushless  DC  m otor  with  hy st ere sis  cur ren t  co ntrol ler, ”   In te rn ati onal  Journal  of  Adv anc ed  Res earc h  in  El ectric al ,   El e ct roni cs  and  Instrum ent a ti on  Engi ne ering ,   vol /i ss ue:   2 ( 6 ) ,   2013.   [5]   C.   Concari  and   F.  Troni,  “ Sensorless  cont rol   of  BLDC  m otors  at   low  spe ed  base d  on  d i ffe ren t ia l   BEM F  m ea surem ent , ”   i n  Ene rgy   Conv e rs ion  Congress   and  Ex posi ti on   ( ECCE ) ,   2010  I E EE ,  pp.   1772 - 17 77 ,  2010 .   [6]   B.   Sensored ,   “ Motor  Contro l  Us i ng  dsP IC30F201 0, ”   M ic roc tf ip   Technol og y  In c,  v ol /i ss ue:   2 ( 004 ) ,   2004.   [7]   W .   A.  Sala h,   et  al. ,  “ Im ple m ent at ion  of  PW M   cont rol  strateg y   for  torque   rip ple s  re duction  i n  brushless  DC   m otors, ”   Elec tri cal   Engi ne ering,   vol /i ss ue:   97 ( 3 ) ,   pp.   239 - 250,   20 15.   [8]   M.  A.  M.  Albr ee m ,   et  al. ,  “ Gree n  in te rn e t  of   thi ngs  (IoT ):  An  over vie w, ”   in  2017  IEEE  4th  Inte rnationa l  Confe renc e  on   S mar t  Instrum ent ati on,   Me asur em ent   and   Applica t ion  ( ICSIMA ) ,   pp.   1 - 6 ,  2017 .   [9]   S.  Stoukat ch,   et   al. ,  “ Additi v e  lo w  te m per at ure   3 D  print ed  elec tr onic   as  ena b li ng   te chnol og y   for  IoT  appl i ca t ion, ”   in  2017  I EEE  19 th  E le c tronic s  P ack aging   Techn ology   Con fe renc e  ( EP TC ) ,   pp.   1 - 6 ,  2017 .   [10]   W .   A.  Sala h  and  B.   A.  Zne id,   “ Evol uti on  of  Microc ontro ll er - base d  Remote  Monitori ng  S y st em  Applic at ions , ”   Inte rnational   Jo urnal  of El e ct ri c al  and  Comput er  Engi n ee ring ,   vo l /i ss ue:   9 ( 4 ) ,   201 9.   [11]   W .   A.  Sala h,   et  al. ,  “ Minim iz ation  of  torque   ri pple s  in  BLDC  m otors  due  t o  p hase   comm uta tion  -   A  rev ie w, ”   Przeglad  E le k tro te chn ic zny  ( Elec tric al   Revi ew) ,   v ol /i ss ue:   87 ( 1 ) ,   p p.   183 - 188 ,   201 1.   [12]   L.   A.  Jos e  and  K.  Kart hik e y an ,   “ A  compara ti v e  stud y   of  sinus oida l  PW M  and   spac e  v ec to r  PW M  of  a  vec t o r   cont rolled  BL DC  m otor, ”   Inte rnational   Jo urnal  of  Adv a nce d  R ese arch   in  El e ct ri cal ,   El e ct ronics  a nd  Instrum ent ati on  Engi ne ering,  vol /i ss ue:   2 ( 6 ) ,   pp .   2662 - 2668,   201 3.   [13]   V.  G. TK,  et al . ,  “ DSP ba sed  Spe ed  Contro l  of   Pe rm ane nt  Magn et Brushle ss   DC  Motor. ”   [14]   G.  G.  R .   Sekh ar  and  B.   Ban aka r a ,   “ Perform anc e  of  brushless  DC  drive   with  sing le  cur ren t  s en sor  fed   from   PV   with   high  volt ag e - gain  DC - DC  conve rte r, ”   Inte rnat io nal  Journal  of  Powe r  El e ct roni cs  and  Dr iv e  Syste ms ,   vol /i ss ue:   9 ( 1 ) ,   pp .   33 - 45 ,   2018.   [15]   N .   N.  Baha rudi n  and  S.  M.  Ay ob,   “ Brushless  DC  m otor  spee d  cont rol  using  si ngle   input   fuz z y   PI  cont rol le r, ”   Inte rnational   Jo urnal  of Powe r  El e ct ronics  and   Dr iv e  Syst ems,  v ol /i ss ue:   9 ( 4 ) ,   pp .   1952 - 1966 ,   20 18.   [16]   M.  T .   Inc ,   “ Sens ore d  BLDC  Mo t or  Control using D spic30F2010, ”   in  AN 957,   2004 .   [17]   G.  Prasad,   et   a l. ,  “ Speed  cont ro l  of  Brushless  DC  m otor  wi th  DS P  cont roller   usin g  Matl ab , ”   Inte r nati onal  Journal  of  Eng ine ering   Re search  and   A ppli cations ( IJERA ) ,   vol / issue:   2 ( 3 ) ,   pp .   2120 - 21 25,   2012 .   [18]   R.   Yana m shetti  and  J.  N.   Ans ar i,   “ Microc o ntroller  Cont rolled  B LDC  Drive   for   El e ct ri c  Veh ic l e , ”   In te rnationa l  Journal  of   Engi n ee rin g,   vol / issue:   1 ( 10 ) ,   2012.   [19]   M.   F.  Tsai ,   e t  al. ,  “ Model  construc ti on  and  v eri fi ca t ion  of  a  BLDC  m otor  using  MA TL AB/S IM ULINK   and  FPGA   cont rol , ”   in  I ndu strial  Elec tronics   and  Applicatio ns ( ICIEA ) ,   2011  6th  I EEE  Conf ere nce on ,  pp.   1 797 - 1802 ,  2011 .   [20]   P.  Yeda m al e ,   “ Brushless  DC  ( BLDC)  Motor  Fundam ent al s, ”   Mic rochip  Te ch nology   Inc ,   App li cation  note ,   v ol.   AN 885 ,  2003 .   A vai l abl e :  ht tp: / /ww1.m ic roc hip . co m /downloa ds/en/ AppN ote s/00885a. pdf .   [21]   L.   Bonom etti ,   “ Convert it or i  d i  p ote nz a e  servom otori   brushl ess ,”   UTET   p eri odi ci,   2001.   [22]   G.  R.   P.  La kshm i  and  S.  Para m asiva m ,   “ ds PI C  base d  Pow er  As sisted  Stee rin g  using  Brushless  Dire ct   Curre nt   m otor, ”   Ame rica n  Journal  o f App li ed   Scienc es,   vo l /i ss ue:   10 ( 11 ) ,   p p.   1419 - 1426 ,   2 013.   [23]   M.  Nasee ruddin and  A.  M.  Prasad,   “ Anal y sis of  t he  spee d  cont ro l  of   BLDC  m otor  on  m at la b/sim ulink, ”   in  N ati on al   Confe renc e  On  El e ct rica l  S ci en c es - 2012  ( NCES - 12) ,   pp.   978 - 93 ,  2012 .   [24]   W .   Brown,  “ Bru shl ess dc   m otor cont rol   m ade   ea s y , ”   M ic ro ch ip  T ec hnolog y  In c,  p p.   1 - 48 ,   2002 .   [25]     U.  Vinat ha,   e t  al. ,  “ Sim ula ti on   of  four  quadr ant   oper at ion  &  spee d  cont rol  of   B LDC  M OTO R  on  M ATLAB  /  SIM ULINK , ”   2008.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.