A Novel Method for Sensorless Speed Detection of Brushed DC Motors

Many motor applications require accurate speed measurement. For brushed dc motors, speed can be measured with conventional observers or sensorless observers. Sensorless observers have the advantage of not requiring any external devices to be attached to the motor. Instead, voltage and/or current are measured and used to estimate the speed. The sensorless observers are usually divided into two groups: those based on the dynamic model, and those based on the ripple component. This paper proposes a method that measures the current of brushed dc motors and analyses the position of its spectral components. From these spectral components, the method estimates the motor speed. Three tests, performed each with the speeds ranging from 2000 to 3000 rpm either at constant-speed, at slowly changing speeds, or at rapidly changing speeds, showed that the average error was below 1 rpm and that the deviation error was below 1.5 rpm. The proposed method: (i) is a novel method that is not based on either the dynamic model or on the ripple component; (ii) requires only the measurement of the current for the speed estimation; (iii) can be used for brushed dc (direct current) motors with a large number of coils; and (iv) achieves a low error in the speed estimation

Rotor Position Identification for Brushless DC motor

Permanent magnet BLDC motors are characterized by a central magnetic core, called the rotor, and fixed electric coils (usually six) equally spaced in a ring around the core, called the stator. Motor movement is controlled by alternately energizing and de-energizing the stator coils to create a rotating magnetic field that propels the rotor. In order for this process to work correctly, BLDC motors required a technology called electronic commutation, in which the coil currents must be very carefully synchronized to rotor position to ensure that the rotating field is correctly aligned with the permanent magnetic field in the rotor. Usually rotor position is measured by external sensors such as Hall-effect sensors and optical encoders and these external sensors increase the system cost and reduces reliability. In order to control the price and make it more reliable this thesis propose to infer the rotor position from voltage and current measurement of motor. The most common approaches to sensorless control are based on the measurement of the electromotive force (back-EMF), that is induced by the rotor motion. As the back-EMF is nearly zero at very low speed and at stationary position, and can not be measured. Therefore a separate algorithm is required for start-up and control at low speed. The other method of sensorless control involves the inference of rotor position from the variation in inductance caused by rotor position. This thesis presents a prototype system for sensorless control of BLDC motors over the entire speed range of the motor, including stall (zero speed) conditions using the voltage and current signals from the motor

Contribución en el ámbito de la tecnología sensorless para la detección de la velocidad y posición en motores dc monitorizando únicamente la corriente: mejora de la precisión, minimización del coste computacional y aplicabilidad a motores de alta potencia

Actualmente en muchas aplicaciones es necesario conocer la velocidad y posición de un motor. Esto puede ser conseguido mediante observadores convencionales como son encoders, tacómetros o resolvers, o mediante observadores sensorless. Los observadores sensorless son técnicas que miden la tensión y/o la corriente y estiman la velocidad y posición. En motores DC, los observadores sensorless se dividen en tres grupos, los basados en el modelo dinámico, los basados en la componente ripple y los basados en la combinación del modelo dinámico y la componente ripple. Este trabajo presenta tres nuevos métodos donde cada uno de ellos presenta una mejora frente a los observadores sensorless existentes que monitorizan únicamente la corriente para la estimación de la velocidad y/o posición. El primer método funciona en motores dc de baja potencia, se basa en la componente ripple e intenta minimizar el efecto del ruido. El segundo método funciona en motores DC de baja potencia, se basa en la componen ripple e intenta minimizar el coste computacional. El tercer método funciona en motores DC de alta potencia, en este caso una nueva teoría sobre las componentes espectrales de la corriente ha sido desarrollada, y en esta teoría se basa para realizar la estimación. Finalmente los tres métodos han sido testeados y medida su precisión dando como resultado que tienen una precisión aceptable.Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería Telemátic

Contribuciones en el campo de la detección de la posición y velocidad de motores "Brushed DC" y "Brushless DC" mediante técnicas sensorless

- INTRODUCCIÓN: Entre los motores eléctricos de corriente continua, se tienen los motores con escobillas (brushed DC, BDC), que emplean escobillas para conmutar la corriente, y los motores sin escobillas (brushless DC, BLDC), que emplean un inversor electrónico para realizar la conmutación de fases. La revisión de la literatura relacionada con motores BLDC (Artículo 1 del compendio) y BDC sugiere que en el control de los mismos utilizando sensores de posición, como codificadores digitales (encoders) o sondas de efecto Hall, puede reducirse el coste y aumentar la fiabilidad mediante la sustitución de dichos sensores por técnicas sin sensores (sensorless). - OBJETIVOS: El objetivo general de la tesis comprende el análisis, desarrollo y validación de diversas técnicas sensorless para la detección de la posición y velocidad de motores BDC y BLDC. Para la consecución de este objetivo se han propuesto cuatro técnicas. La primera está basada en el análisis las ondulaciones o rizado (ripple) de la corriente en motores BDC (patente ES 2334551 A1). La segunda se fundamenta también en la componente ripple de la corriente para motores BDC, pero utilizando reconocimiento de patrones con clasificadores (Artículo 2 del compendio). La tercera está basada en la derivada de los voltajes de fase para motores BLDC (Artículo 3 del compendio). La cuarta aplica redes neuronales artificiales a motores BLDC (Artículo 4 del compendio).- MÉTODOS: La primera técnica permite determinar la posición y velocidad de un motor BDC mediante la detección de las ondulaciones que aparecen en la corriente del motor, utilizando la comparación entre las muestras de la corriente. En la segunda técnica, se estima la posición y velocidad de motores BDC utilizando reconocimiento de patrones con clasificadores de tipo Máquina Vectores de Soporte (Support Vector Machine, SVM). En la tercera técnica, se detecta la información de posición y velocidad de un motor BLDC a través de la derivada de los voltajes de fase con respecto a un punto neutro virtual, empleando un hardware versátil basado en una matriz de puertas programable en campo (FPGA). En la cuarta técnica, se estima la posición y velocidad de un motor BLDC mediante dos ANNs de tipo Perceptron Multicapa (Multilayer Perceptron, MLP). - RESULTADOS: En la primera técnica, se han obtenido unos errores absolutos medios de posición y velocidad inferiores a 17,75 rad y 4,64 rpm, respectivamente, en un rango entre 5.000 rpm y 7.000 rpm en condiciones de velocidad constante o con variación lenta. En la segunda técnica, se han obtenido unos errores absolutos medios de posición y velocidad inferiores a 19 rad y 18 rpm, respectivamente, en un rango entre 500 rpm y 11.000 rpm, en condiciones como aceleración constante y saltos abruptos de velocidad. En la tercera técnica, se han obtenido unos errores cuadráticos medios de posición entre 10º y 30º, y de velocidad inferiores a 3 rpm con el motor BLDC sin carga; así como de posición entre 10º y 15º, y de velocidad inferiores a 1 rpm en condiciones de plena carga, en un rango entre 5 rpm y 1.500 rpm con aceleración constante y saltos bruscos de velocidad. En la cuarta técnica, se ha obtenido un error de posición absoluto medio de 6,47º y un error de velocidad relativo medio de 4,87% en un rango entre 125 rpm y 1.500 rpm con una aceleración constante a plena carga. -CONCLUSIONES: Los resultados muestran que las cuatro técnicas propuestas permiten detectar la posición y velocidad, tanto en motores BDC como BLDC, con una aceptable precisión, inmunidad al ruido y coste computacional sobre un amplio rango de velocidades. En base a ello, puede considerarse que las técnicas desarrolladas representan una alternativa fiable respecto a técnicas de detección basadas en sensores y frente a técnicas sensorless básicas.Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones e Ingeniería Telemátic

Harjattoman tasavirtamoottorin arviointi opto-mekaanisessa paikkasäätösovelluksessa

This thesis evaluates the applicability of a micro-sized brushless direct current (DC) mo- tor in an opto-mechanical positioning application. Brushless DC motors are electronically commutated motors that use permanent magnets to produce the airgap magnetic field. The motor is powered through an inverter or switching power supply which produces an AC electric current to drive each phase of the motor. Optimal current waveforms are determined by the motor controller based on the desired torque, speed or position requirements. The benefits of a brushless motor over conventional brushed DC motors are a high power to weight ratio, low noise and a long operating life. The purpose of this thesis is to find out the performance potential of such motors and determine methods to achieve it. Firstly, a motor model and an exact motor classification is presented. A literature review is made to discuss state of the art control methods and hardware configurations for dynamic position control. Based on the literature review, a control scheme with field-oriented control based torque control and cascaded PI controlled speed and position loops was selected for further evaluation. Experimental positioning tests were executed for two motors with different power transmission setups. Tests were performed with both, a hardware and software implemented, motor controllers. Results show promising performance. It was shown that the required acceleration is feasible with both, geared and direct drive, transmissions. Field-oriented control was shown as a well performing method to control torque but special caution was needed to implement a reliable position sensing solution in a small size as the control algorithm is intolerant for inaccurate and noisy position data. The conventional PI based position controller was effective in cases with no feedback related harmonics or motor related torque ripple but was not capable in handling ripple caused by a non-ideal system. Quality variances were seen between motors which were originated from mechanical defects and non-idealities in the stator structure. Further research is needed to achieve a better settling performance through filtering undesired feedback harmonics, better tuning and thus minimizing undesired vibrations.Tämän diplomityön tarkoituksena on arvioida pienikokoisen harjattoman tasavirtamoottorin soveltuvuutta opto-mekaaniseen paikkasäätösovellukseen. Harjattomat tasavirtamoottorit ovat elektronisesti ohjattuja moottoreita, joissa ilmavälin magneettivuo luodaan kestomagneeteilla. Moottorille syötetään virtaa taajuusmuuttajalta, joka muodostaa halutunlaisen vaihtovirran jokaiselle moottorin vaiheelle. Syötettävää virtaa ohjataan moottorinohjaimelta määritettyjen vääntö-, nopeus- ja paikkavaatimusten perusteella. Harjattoman DC-moottorin edut verrattuna perinteiseen harjalliseen DC-moottoriin ovat hyvä teho-painosuhde, hiljainen käyntiääni ja pitkä käyttöikä. Diplomityön tavoitteena on kartoittaa kyseisen moottorityypin suorituskyky paikkasäädössä ja tutkia keinoja saavuttaa haluttu taso. Alan tutkimuksessa ja kirjallisuudessa tunnettuja suorituskykyisiä säätömenetelmiä ja laite- sekä komponenttikokoonpanoja on koostettu kirjallisuuskatsauksessa. Tämän perusteella kokeellisiin testeihin valittiin säätöarkkitehtuuri vektorisäätöön perustuvalla virransäädöllä sekä PI-pohjaisilla nopeus- ja paikkasäätimillä. Kokeellisilla paikoitustesteillä arvioitiin kahden moottorin suorituskykyä erilaisilla voimansiirtovaihtoehdoilla. Testit suoritettiin sekä ohjelmistopohjaisella että sovelluskohtaiseen mikropiiriin toteutetulla laitepohjaisella säätimellä. Tulokset osoittavat että vaaditun kiihtyvyyden saavuttaminen on mahdollista sekä vaihteellisella että suoravetoisella voimansiirrolla. Vektorisäätö osoittautui suorituskykyiseksi virransäätömenetelmäksi, mutta moottorin asentomittauksen luotettava toteutus vaati erityishuomiota, sillä vektorisäätöalgoritmi on herkkä paikkadatan tarkkuudelle. PI-säätimillä toteutettu paikkasäätö osoittautui toimivaksi, mutta herkäksi moottorin epäideaalisuuksille sekä häiriöille takaisinkytkennässä. Moottoreiden välillä havaittiin laatueroja mekaanisissa toleransseissa ja staattorin rakenteessa. Lopullisen asettumisajan saavuttaminen vaatii lisätutkimusta. Erityishuomiota on kiinnitettävä harmonisten komponenttien suodattamiseen sekä systeemin säätöön, jotta ei-toivotut värinät saadaan minimoitua

Sensorless Control of Switched-Flux Permanent Magnet Machines

This thesis investigates the sensorless control strategies of permanent magnet synchronous machines (PMSMs), with particular reference to switched-flux permanent magnet (SFPM) machines, based on high-frequency signal injection methods for low speed and standstill and the back-EMF based methods for medium and high speeds

Variable gain control of brushless DC motor control with low resolution sensors

In this work, feasibility of using low cost, low resolution sensor for high performance brushless dc (BLDC) motor speed control is investigated. Conventional control, using a tachometer or high resolution encoder, suffers from drawbacks such as high cost, large physical volume, and high sensor processing bandwidth. On the other hand, sensorless BLDC motor, appealing in its hardware simplicity, does not provide sufficient fast performance. Using a standard low resolution sensor, such as a hall sensor or commutation encoder, a compromise between cost and performance can be obtained. However, the use of a low resolution sensor does pose a challenge to the control design: the sensor signal is discrete and speed dependent. Together with the nonlinear drive voltage/speed characteristic of the motor, control of the BLDC motor requires a more advanced algorithm than fixed gain control. This thesis presents a speed dependent control scheme to produce optimal performance. The characteristics of the control scheme is first assessed by numerical simulation, based on the mathematical model of the BLDC motor. This is followed by experimental verification of the BLDC motor. From the available data, it is concluded that speed dependent control provides significant advantages over fixed gain control when low resolution sensor is used