Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 72/2005
155
Arkadiusz Domoracki, Krzysztof Krykowski
Politechnika ÅšlÄ…ska, Gliwice
SILNIKI BLDC  KLASYCZNE METODY STEROWANIA
BLDC DRIVES  THE CLASSICAL CONTROL STRATEGIES
Abstract: The definition of BLDC motor classical control method, terminology and classification of the clas-
sical control strategies are described in the paper. The proposed classification based on electronic commutator
transistors switching sequences. Equivalent circuit diagrams in steady state for each strategy are shown. Based
on those diagrams derived a formulas to calculate current increasing and falling times for unipolar and bipolar
strategies. Those times show the differences in transistors switching frequencies. The advantages and disad-
vantages of all presented control strategies are indicated too.
1. Wprowadzenie
Analizując publikacje związane z bezszczotko- Wyróżniono na nim dwie grupy zaworów ko-
mutatora elektronicznego: grupę zaworów do-
wymi silnikami prądu stałego (ang. brushless
DC motor lub w skrócie BLDC) trudno o jed- datnich oraz grupę zaworów ujemnych. W każ-
nolite uporządkowanie metod sterowania ko- dej z nich jedna z elektrod tranzystora podłą-
czona jest odpowiednio do dodatniego lub
mutatorem elektronicznym. Pewne próby w tym
kierunku można odnalez
ć w pracach angloję- ujemnego bieguna z
ródła napięcia zasilania.
zycznych [4, 7, 9]. W literaturze krajowej naj- Jako  klasyczną metodę sterowania określa się
taką strategię, w której każdy tranzystor komu-
częściej stosuje się podział strategii sterowania
silników bezszczotkowych jedynie na sterowa- tatora elektronicznego przewodzi prąd przez
okres (kÄ…t) 120º elektrycznych, komutacja faz
nie trapezowe i sterowanie sinusoidalne [2, 6].
W silnikach typu BLDC najczęściej stosuje siÄ™ nastÄ™puje w równych odstÄ™pach 60º, natomiast
trapezowe (blokowe) metody sterowania  na- informacja o aktualnej pozycji wirnika pocho-
zywając je klasycznymi. W artykule przedsta- dzi z czujnika położenia wirnika (CPW).
wiono kryteria podziału klasycznych metod ste- Ogólna sekwencja przełączeń zaworów komu-
rowania bezszczotkowymi silnikami prÄ…du sta- tatora jest identyczna dla wszystkich rozpatry-
łego, rodzaje tych metod oraz omówiono pracę wanych strategii sterowania (rys.2) [2, 4, 7, 11].
komutatora elektronicznego w stanie ustalo-
T1
nym.
Śż
Śż
Śż
Śż
T3
2. Napęd z silnikiem BLDC
Śż
Śż
Śż
Śż
Schemat napędu z silnikiem BLDC w typowej
T5
konfiguracji zaprezentowano na rysunku 1.
Śż
Śż
Śż
Śż
Grupa T4
zaworów
Śż
Śż
Śż
Śż
T1 T3 T5 dodatnich
T6
UDC
Śż
Śż
Śż
Śż
T2
Grupa
zaworów
Śż
Śż
Śż
T4 T6 T2 Śż
ujemnych
0 60 120 180 240 300 360
B
Rys. 2. Ogólna sekwencja przełączeń zaworów
komutatora elektronicznego dla klasycznych
Sterowanie
strategii sterowania silnikiem BLDC
A C
Poszczególne metody sterowania różnią się
Wielkość
zadana CPW
między sobą pod względem tego np., która
grupa zaworów pełni rolę regulacyjną, jaki jest
Rys. 1. Schemat napędu z silnikiem BLDC
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 72/2005
156
okres pełnienia tej funkcji oraz co jest wielko- 4. Klasyczne metody sterowania
ścią regulowaną.
4.1. Strategia C120Q+ oraz C120Q
3. Kryteria podziału metod sterowania
W obu metodach sterowania wielkością regu-
lowanÄ… jest prÄ…d silnika. W strategii C120Q+
Można wyróżnić kilka kryteriów podziału kla-
funkcję regulacyjną pełnią tylko zawory grupy
sycznych metod sterowania silnikami BLDC.
dodatniej. Tranzystory grupy ujemnej pełnią
Ze względu na wielkość regulowaną strategie
jedynie rolÄ™ komutatorowÄ… (pozostajÄ… stale za-
sterowania można podzielić na dwie kategorie.
łączone w przedziałach swojego przewodzenia).
Pierwsza z nich to metody prÄ…dowe  wielko-
Sekwencję przełączeń tranzystorów komutatora
ścią regulowaną jest prąd po stronie DC prze-
dla tej metody sterowania zobrazowano na ry-
kształtnika lub prądy fazowe silnika. Strategie
sunku 3.
te oznacza siÄ™ literÄ… C. DrugÄ… kategoriÄ™ stano-
wią metody napięciowe, gdzie wielkością re-
T1
gulowaną jest napięcie silnika. Takie strategie
Śż
Śż
Śż
Śż
oznaczane są literą V. Ze względu na okres
T3
(kąt) pełnienia funkcji regulacyjnej przez po-
Śż
Śż
Śż
Śż
szczególne zawory komutatora elektronicznego
T5
klasyczne metody sterowania można podzielić
Śż
Śż
Śż
Śż
również na dwa przypadki. W pierwszym kąt
T4
pełnienia funkcji regulacyjnej przez jeden
Śż
Śż
Śż
z tranzystorów wynosi 120º elektrycznych (te Åšż
strategie oznacza siÄ™ symbolem 120). W drugim T6
przypadku każdy tranzystor pełni funkcję re-
Śż
Śż
Śż
Śż
gulacyjnÄ… przez okres 60º elektrycznych  przez
T2
okres pozostaÅ‚ych 60º funkcjÄ™ regulacyjnÄ…
Śż
Śż
Śż
Śż
0 60 120 180 240 300 360
przejmuje zawór z grupy przeciwnej (te metody
sterowania oznacza siÄ™ symbolem 60). Ze
Rys. 3. Sekwencja przełączeń zaworów komu-
względu na to, która grupa zaworów komuta-
tatora dla strategii sterowania C120Q+
tora elektronicznego realizuje funkcjÄ™ regula-
cyjną przez cały okres przewodzenia, lub tylko
w której jego części (pierwszej czy drugiej) kla-
T1
syczne strategie sterowania można podzielić na
Śż
Śż
Śż
Śż
trzy przypadki. Jeżeli funkcję regulacyjną pełni
T3
zawsze tranzystor grupy dodatniej, lub jeśli
Śż
Śż
Śż
Śż
funkcja ta jest realizowana przez pierwsze 60º
T5
okresu przewodzenia każdego tranzystora,
Śż
Śż
Śż
Śż
wówczas metodę sterowania oznacza się sym-
T4
bolem Q+ (rzadziej Q1). Jeżeli funkcję regula-
Śż
Śż
Śż
cyjną pełni zawsze tranzystor grupy ujemnej, Śż
lub jeśli funkcja ta jest realizowana przez ostat- T6
nie 60º okresu przewodzenia każdego tranzy-
Śż
Śż
Śż
Śż
stora, wówczas metodę sterowania oznacza się
T2
symbolem Q (rzadziej Q6). Natomiast w
Śż
Śż
Śż
Śż
0 60 120 180 240 300 360
przypadku gdy funkcję regulacyjną pełnią jed-
nocześnie oba przewodzące tranzystory komu-
Rys. 4. Sekwencja przełączeń zaworów komu-
tatora elektronicznego metodÄ™ sterowania okre-
tatora dla strategii sterowania C120Q
śla się jako bipolarną (i najczęściej nie oznacza
Przy zastosowaniu strategii C120Q funkcjÄ™
żadnym dodatkowym symbolem) [1, 3, 5, 7, 10].
regulacyjną pełnią wyłącznie zawory grupy
Z uwagi na to, że idee sekwencji przełączeń
ujemnej. Wówczas tranzystory grupy dodatniej
zaworów komutatora elektronicznego dla stra-
spełniają jedynie rolę komutatorową. Sekwen-
tegii typu C oraz V sÄ… identyczne w dalszej
cję przełączeń tranzystorów komutatora dla
części artykułu omówiono je na przykładzie
strategii C120Q przedstawiono na rysunku 4.
prÄ…dowych metod sterowania.
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 72/2005
157
Zaletą tych metod sterowania jest to, że funkcję pełnią jedynie rolę komutatorową, a przez okres
regulacyjnÄ… peÅ‚niÄ… tylko trzy zawory komuta- kolejnych 60º speÅ‚niajÄ… funkcjÄ™ regulacyjnÄ…
tora (upraszcza to realizację układu elektro- (rys.6).
nicznego). Jest to niestety jednocześnie ich Zaletą tych metod sterowania jest równomierne
wadą ponieważ powoduje nierównomierne wy- wykorzystanie (obciążenie) wszystkich tranzy-
korzystanie tranzystorów oraz różne częstotli- storów komutatora elektronicznego. Ich wadą
wości ich przełączeń. jest zwiększenie stopnia komplikacji elektro-
nicznego układu sterowania oraz różne często-
4.2. Strategia C60Q+ oraz C60Q
tliwości przełączeń tranzystorów.
Wielkością regulowaną w obu omawianych
4.3. Stan pracy ustalonej przy sterowaniu
metodach sterowania jest również prąd silnika
unipolarnym
(litera C w symbolu). W strategii C60Q+ tran-
Ze względu na to, że we wszystkich wyżej wy-
zystory przez pierwsze 60º okresu swojego
mienionych strategiach (C120Q+, C120Q ,
przewodzenia pełnią funkcję regulacyjną,
C60Q+ oraz C60Q ) w danej chwili funkcjÄ™
a przez okres kolejnych 60º speÅ‚niajÄ… jedynie
regulacyjną pełni tylko jeden tranzystor komu-
rolę komutatorową. Sekwencję przełączeń za-
tatora, metody te określa się czasem wspólnym
worów komutatora dla tej metody sterowania
terminem  sterowanie unipolarne [1, 9].
przedstawiono na rysunku 5.
Rozpatrzmy pracÄ™ silnika w stanie ustalonym
T1 dla przedziaÅ‚u 0°÷60° przy zastosowaniu tych
Śż metod.
Śż
Śż
Śż
T3
D1 D3 D6
Śż
Śż
Śż
Śż
LA
T1 T3 T5
EA
T5
LB
UDC
EB
Śż
Śż
Śż
Śż
LC
T4
EC
Śż
Śż
Śż
Śż
D4 D6 D2
T6
T4 T6 T2
Śż
Śż
Śż
Śż
T2
Rys. 7. Schemat zastępczy silnika BLDC przy
Śż
Śż
Śż
Śż
załączonych dwu tranzystorach
0 60 120 180 240 300 360
Z uwagi na to, że schemat zastępczy obowią-
Rys. 5. Sekwencja przełączeń zaworów komu-
zujący w przedziale załączenia tranzystora peł-
tatora dla strategii sterowania C60Q+
niÄ…cego rolÄ™ regulacyjnÄ… (rys. 7) jest taki sam
dla wszystkich omawianych strategii, czas nara-
T1
stania prądu (ton z rys. 10) jest również jedna-
Śż
Śż
Śż
Śż
kowy. Jeśli pominąć rezystancje zaworów oraz
T3
rezystancje fazowe silnika, to czas ten opisuje
Śż
Śż
Śż
Śż
zależność:
T5
2L
Śż
Śż
Śż
Śż
ton = "I , (1)
T4
UDC - 2E
Śż
Śż
Śż
Śż
gdzie:
T6
"I  przyrost prÄ…du fazowego,
Śż
Śż
Śż
Śż
L  indukcyjność zastępcza fazowa silnika,
T2
UDC  napięcie zasilania,
Śż
Śż
Śż
Śż
E  wartość fazowej siły elektromotorycznej.
0 60 120 180 240 300 360
Rys. 6. Sekwencja przełączeń zaworów komu- Schematy zastępcze dla unipolarnych strategii
tatora dla strategii sterowania C60Q sterowania (C120Q+ oraz C120Q ) przedsta-
wiono na rysunku 8 oraz 9. A
atwo zauważyć, że
Natomiast w strategii C60Q tranzystory przez
obwody te są równoważne. Na podstawie rów-
pierwsze 60º okresu swojego przewodzenia
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 72/2005
158
nań opisujących te obwody można określić czas w przypadku metod unipolarnych straty stero-
opadania prÄ…du (toff z rys. 10) jako: wania.
T1
L
Śż
Śż
Śż
Śż
toff = "I . (2)
E
T3
Śż
Śż
Śż
Śż
D1 D3 D6
T5
LA
T1 T3 T5
EA
Śż
Śż
Śż
Śż
LB
UDC
EB
T4
LC
Śż
Śż
Śż
Śż
EC
T6
D4 D6 D2
Śż
Śż
Śż
Śż
T4 T6 T2
T2
Śż
Śż
Śż
Śż
Rys. 8. Schemat zastępczy silnika przy 0 60 120 180 240 300 360
strategii typu C120Q+ (tranzystor regulujÄ…cy
Rys. 11. Sekwencja przełączeń zaworów
T1 wyłączony)
komutatora dla sterowania bipolarnego
D1 D3 D6 4.5. Stan pracy ustalonej przy sterowaniu bi-
LA
T1 T3 T5
polarnym
EA
LB
UDC
EB
Rozpatrując pracę silnika dla przedziału analo-
LC
gicznego jak wczeÅ›niej (0°÷60°) można zauwa-
EC
żyć, że przy zastosowaniu sterowania bipolar-
D4 D6 D2
nego czas narastania prÄ…du (ton) jest taki sam jak
T4 T6 T2
dla metod unipolarnych (obowiÄ…zuje ten sam
schemat zastępczy  rys. 7). W czasie kiedy
Rys. 9. Schemat zastępczy silnika przy
wyłączone są oba tranzystory prąd silnika pły-
strategii typu C120Q (tranzystor regulujÄ…cy
nie poprze diody zwrotne oraz z
ródło napięcia
T6 wyłączony)
zasilania (rys 12).
T1on T1off T1on T1off T1on
D1 D3 D6
iA
LA
T1 T3 T5
EA
"I
"
"
"
LB
UDC
EB
t
LC
ton toff EC
iA
D4 D6 D2
"I
"
"
"
T4 T6 T2
t
t1 t2 t3
Rys. 12. Schemat zastępczy silnika dla
sterowania bipolarnego (tranzystory regulujÄ…ce
Rys. 10. Przebieg prÄ…du fazowego silnika dla
T1 oraz T6 wyłączone)
strategii C120Q+ (w stanie ustalonym)
Czas zaniku prÄ…du fazowego (toff z rys. 13) jest
4.4. Sterowanie bipolarne
w tym przypadku znacznie krótszy niż w strate-
W przypadku sterowania bipolarnego przewo-
giach unipolarnych. Dla sterowania bipolarnego
dzące tranzystory obu grup pełnią równocześnie
można go opisać następującą zależnością:
funkcje regulacyjną. Sekwencję przełączeń dla
tej strategii przedstawiono na rysunku 11.
2L
toff = "I . (3)
Zaletą sterowania bipolarnego jest równomierne
UDC + 2E
obciążenie wszystkich zaworów komutatora
elektronicznego oraz jednakowe częstotliwości
ich przełączeń. Wadą natomiast są wyższe, niż
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 72/2005
159
Zeszyty Naukowe Politechniki ÅšlÄ…skiej, seria Elek-
T1on T1off T1on T1off T1on T1off
tryka z. 192, Gliwice 2004
T6on T6off T6on T6off T6on T6off
[6] Dudzikowski I., Pawlaczyk L.: Maszyny prÄ…du
iA
stałego o magnesach trwałych i ich sterowanie 
"I
"
" stan aktualny i perspektywy rozwoju. Zeszyty Na-
"
t ukowe Politechniki ÅšlÄ…skiej, seria Elektryka z. 176,
ton toff Gliwice 2001
iA
[7] Hendershot J.R., Miller T.J.E.: Design of brush-
less permanent-magnet motors. Magna Physics
"I
"
"
"
Publishing and Calderon Press, Oxford 1994
t
[8] Krishnan R.: Electric motor drives modeling,
t1 t2 t4
analysis and control. Prentice Hall 2001
[9] Lee K., Park J., Yeo H., Yoo J., Jo H.: Current
Rys. 13. Przebieg prÄ…du fazowego silnika przy
control algorithm to reduce torque ripple in brush-
zastosowaniu sterowania bipolarnego
less DC motor. Proceedings ICPE 98, Seoul 1998
[10] Ohm D., Park J.: About commutation and cur-
Aby zapewnić takie same warunki pracy silnika
rent control methods for brushless motors. 29 annual
przy zastosowaniu sterowania bipolarnego jak
IMCSD symposium, San Jose 1999
przy sterowaniu unipolarnym, należy znacznie
[11] Pillay P., Krishnan R.: Modeling, simulation
(nawet o 50%) zwiększyć częstotliwość przełą-
and analysis of permanent-magnet motor drives,
czeń tranzystorów.
part II: the brushless DC motorr drive. IEEE Trans-
actions on Industry Applications, vol.25, no. 2
5. Zakończenie
March/April 1989
W artykule zdefiniowano pojęcie klasycznej
Autorzy
strategii sterowania silnikiem BLDC, przedsta-
wiono nazewnictwo oraz przeprowadzono kla-
mgr inż. Arkadiusz Domoracki
syfikacjÄ™ metod sterowania na podstawie idei
dr hab. inż. Krzysztof Krykowski, Prof. Pol. Śl.
sekwencji wyzwalania tranzystorów komutatora
Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny
elektronicznego. Dodatkowo, na podstawie
Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycz-
schematów zastępczych silnika przeanalizo-
nego i Robotyki
wano stan pracy ustalonej dla metod unipolar-
ul. B. Krzywoustego 2, 44-100 Gliwice
nych oraz dla sterowania bipolarnego. Pozwo-
tel.: [phone]
liło to na określenie wad oraz zalet poszczegól-
e-mail:
nych rozwiązań. Dodatkowo przedstawiono
[e-mail]
przybliżone zależności pozwalające na oszaco-
[e-mail]
wanie różnic w częstotliwościach przełączeń
zaworów komutatora dla poszczególnych stra-
tegii sterowania.
6. Literatura
[1] Berendsen C., Champenois G., Bolopin A.:
Commutation strategies for brushless DC motors:
influence on instant torque. IEEE Transactions on
Power Electronics, vol.8, no. 2 April 1993
[2] Dencer A., Glinka T., Jakubiec M., Polak A.:
Bezszczotkowy silnik prądu stałego  sposoby stero-
wania komutatorem elektronicznym. Zeszyty Pro-
blemowe  Maszyny Elektryczne Nr 65/2003,
BOBRME Komel Katowice 2003
[3] Dixon J., Leal I.: Current control strategy for
brushless DC motors based on a common DC signal.
IEEE Transactions on Power Electronics, vol.17,
no. 2 March 2002
[4] Dote Y., Kinoshita S.: Brushless servomotors -
Fundamental and Applications. Clarendon Press,
Oxford 1990
[5] Domoracki A.: Silniki bezszczotkowe  klasyczne
metody sterowania komutatorem elektronicznym.