Brushless DC motor and control system for EEG-3 crossing barier drive

Bezszczotkowy silnik prądu stałego i układ sterowania do napędu rogatkowego EEG-3

Zbigniew GORYCA, Pawel STRACZYNSKI, Piotr CYGON

Abstract

This paper presents the design and selected test results of a brushless DC motor and control system designed for the railroad crossing barrier drive EEG-3. The magnetic circuit calculations of the motor were conducted using finite element program – FEMM 4.2. The stator and rotor plates of the motor were made by laser cutting. Such technology makes it possible to place the magnets inside the rotor, which significantly simplifies the rotor fabrication technology and ensures the certainty of magnet attachment. To control the position of the rotor relative to the stator, three slot optocouplers were used, which cooperate with the with the motor control system. The control system uses a low-voltage inverter whose transistors are controlled by a microprocessor. This microprocessor interacts with external signals — "up" and "down" — which open or close the railway crossing, as well as with limit switches that stop the drive once the upper or lower end position is reached.

Streszczenie

W pracy przedstawiono konstrukcję układu napędowego do wentylatora małej mocy. Układ ten składa się z bezszczotkowego silnika prądu stałego (BLDC) i niskonapięciowego falownika. Wirnik silnika zbudowany jest z czterech przesuniętych względem siebie warstw, wewnątrz których umieszczone są magnesy trwałe. Taka konstrukcja minimalizuje moment zaczepowy maszyny i gwarantuje bezawaryjną pracę (brak możliwości oderwania się magnesów). Niskonapięciowy falownik zapewnia regulację prędkości obrotowej silnika w szerokim zakresie i ogranicza prąd rozruchowy silnika. W pracy wyjaśniono algorytm sterowania bezczujnikowego zmniejszającego cenę napędu (brak czujników położenia i ich okablowania), porównano silnik dotychczas stosowany z nowym silnikiem i pokazano istotne zmniejszenie poboru mocy przez nowy napęd.

Keywords

electrical machines, brushless DC motor,barrier boom

Słowa kluczowe

maszyny elektryczne, silnik bezszczotkowy, drąg rogatki

Rys. / Fig.

Bibliografia / Bilbiography

[1] PKP Polskie Linie Kolejowe S.A..:“Wymagania na systemy zabezpieczenia ruchu na przejazdach kolejowo–drogowych i przejściach Ie-119,” PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa, 2022. [Online]. Available: https://www.plk-sa.pl
[2] T. Glinka, Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Warszawa: Wydawnictwo WNT, 2018.
[3] I. Dudzikowski and M. Ciurys: "Komutatorowe i bezszczotkowe maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi.", Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2011. Accessed: Jul. 09, 2025. [Online]. Available: https://scholar.google.com/scholar?cluster=10445169262182293583 "https://scholar.google.com/scholar?cluster=10445169262182293583&hl=en&oi=scholarr"
& " h t t p s : / / s c h o l a r. g o o g l e . c o m / s c h o l a r ? c l u s t e r = 1 0 4 4 5 1 6 9 2 6 2 1 8 2 2 9 3 5 8 3 & h l = e n & o i = s c h o l a r r " h l = e n " h t t p s : / /scholar.google.com/scholar?cluster=10445169262182293583&hl=en&oi=scholarr" & "https://scholar.google.com/scholar?cluster=10445169262182293583&hl=en&oi=scholarr"oi=scholarr
[4] M. Deepak et al.:“A Review of BLDC Motor: State of Art, Advanced Control Techniques, and Applications,” IEEE Access, vol. 10, pp. 1–1, Jan. 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3175011.
[5] L. H. Chen Wei:“A Position Sensorless Control Strategy for Brushless DC Motor Based on the Back-Electromotive Force Function,” Transactions of China Electrotechnical Society, vol. 34, no. 22. pp. 4661–4669, 2019.
[6] Z. Goryca, S. Różowicz, A. Różowicz, A. Pakosz, M. Leśko, and H. Wachta:“Impact of Selected Methods of Cogging Torque Reduction in Multipolar Permanent-Magnet Machines,” Energies, vol. 13, p. 6108, Nov. 2020, doi: 10.3390/en13226108.
[7] A. Krawczyk: "Podstawy elektromagnetyzmu matematycznego. ", Warszawa: Instytut Naukowo-Badawczy ZTUREK, 2001.
[8] E. Łada-Tondyra and A. Krawczyk:“80 lat Metody Elementów Skończonych." , Przegląd Elektrotechniczny, vol. 1, no. 12, pp. 321–324, Dec. 2023, doi: 10.15199/48.2023.12.61.
[9] P. Straczynski, Z. Goryca, S. Różowicz, and M. Leśko: “Wpływ złożoności modelu MES w obliczaniu wybranych parametrów elektromagnetycznych maszyny PMDC na zgodność z pomiarami na modelu fizycznym”.
[10] D. Mazur, M. Gołębiowski, and M. Rudy: "Modelowanie i analiza układów elektromechanicznych metodą elementów skończonych.", Rzeszów: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, 2016.
[11] M. Mach: “MODELING OF PERMANENT MAGNET DIRECT-CURRENT MOTOR IN FEMM”, Accessed: Jun. 14, 2024. [Online]. Available: https://www.eeict.cz/eeict_download/archiv/sborniky/EEICT_2011_sbornik/03-Doktorske%20projekty/04-Silnoprouda%20elektrotechnika%20a%20elektroenergetika/12-xmachm02.pdf
[12] K. Krzysztof: “Zastosowanie czujników fotooptycznych w torze pomiaru prędkości i położenia wirnika silnika BLDC,” Przegląd Elektrotechniczny, no. 04/2014, pp. 169–172, 2014, doi: 10.12915/pe.2014.04.39.
[13] Z. Goryca and M. Ziółek: “Metody bezczujnikowego sterowania silników BLDC.", Przegląd Elektrotechniczny, vol. 89, no. 2b, pp. 128–132, 2013.