O objetivo deste trabalho é desenvolver a simulação de um sistema de controle de velocidade para compressores herméticos domésticos utilizando motores brushless DC controlados por uma estratégia do tipo sensorless. O ponto central é o desenvolvimento da simulação global de controle a partir de um modelo adequado do motor BLDC com base no programa Matlab/Simulink. São abordadas algumas estratégias de controle sensorless além de alguns métodos de partida para este tipo de máquina. As estratégias de controle e partida propostas para o trabalho são analisadas detalhadamente e simuladas através do Matlab em ambiente Simulink utilizando as ferramentas do power system blockset (PSB). Os resultados destas simulações são apresentados e discutidos no final deste trabalho. / The aim of this work is to develop the simulation of a speed control system for household hermetic compressors using brushless DC motors controlled by a sensorless strategy. The main point of the work is the development of the control global simulation from a suitable BLDC motor model based on Matlab/Simulink program. Some sensorless control strategies and even some starting methods for this type of machine are approached. The control and starting strategies proposed for this work are analyzed in detail and simulated by Matlab in Simulink program using power system blockset (PSB) tools. The simulation results are presented and discussed at the end of this work.

O objetivo deste trabalho é desenvolver a simulação de um sistema de controle de velocidade para compressores herméticos domésticos utilizando motores brushless DC controlados por uma estratégia do tipo sensorless. O ponto central é o desenvolvimento da simulação global de controle a partir de um modelo adequado do motor BLDC com base no programa Matlab/Simulink. São abordadas algumas estratégias de controle sensorless além de alguns métodos de partida para este tipo de máquina. As estratégias de controle e partida propostas para o trabalho são analisadas detalhadamente e simuladas através do Matlab em ambiente Simulink utilizando as ferramentas do power system blockset (PSB). Os resultados destas simulações são apresentados e discutidos no final deste trabalho. / The aim of this work is to develop the simulation of a speed control system for household hermetic compressors using brushless DC motors controlled by a sensorless strategy. The main point of the work is the development of the control global simulation from a suitable BLDC motor model based on Matlab/Simulink program. Some sensorless control strategies and even some starting methods for this type of machine are approached. The control and starting strategies proposed for this work are analyzed in detail and simulated by Matlab in Simulink program using power system blockset (PSB) tools. The simulation results are presented and discussed at the end of this work.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This master thesis presents a sensorless speed control drive of Brushless DC motors used in reciprocating compressors. These compressors cause periodic load torque variations on the motor, consequently mechanical vibrations and acoustic noise are presented as well. As a result, a discrete speed controller based on the internal model principle is proposed. This controller aims to track the speed reference and to reduce the periodic torque disturbances caused by the compressor. The proposed controller consists of a rotor position and speed estimator, and a discrete speed controller with variable sampling frequency that depend on the rotor speed. The discrete estimator is based on the zero crossing point detection of the back-electromotive force. This method is optimized by using a Least Squares algorithm. The speed controller consists of two control actions, repetitive and proportional-derivative actions. In order to complement the drive system operation, a new procedure to start a BLDCM with current control is proposed. This technique ensures the maximization of the electromagnetic torque during startup and to avoid demagnetization of the permanent magnet by the stator current. Finally, simulation and experimental results are presented to demonstrate the performance of the techniques adopted, as well as the main advantages, disadvantages and operational limitations of the experimental implementation. In addition, the performance of the load torque rejection is evaluated by comparing the harmonic spectrum of the torques produced by the proposed speed controller and a PI controller. / Esta dissertação apresenta um sistema de acionamento e controle de velocidade sensorless para motores Brushless DC utilizados em compressores alternativos. Estes compressores provocam variações periódicas de carga sobre o motor causando vibrações mecânicas e ruído acústico. Em vista disso, um controlador discreto de velocidade baseado no princípio do modelo interno é proposto. Este controlador visa o rastreamento assintótico de uma velocidade de referência e a redução dos distúrbios cíclicos de conjugado provocados pelo compressor. Para isso, o sistema proposto é constituído por um estimador discreto da posição e da velocidade do rotor, e um controlador discreto de velocidade com frequência de amostragem variável em função da velocidade de rotação. O estimador discreto baseia-se na deteção do cruzamento da força contra-eletromotriz por zero, a qual é otimizada por meio de um algoritmo de Mínimos Quadrados. O controlador de velocidade é composto por duas ações de controle, uma ação repetitiva e uma proporcionalderivativa. De forma a complementar a operação do sistema de acionamento, um novo procedimento de partida com controle de corrente é proposto para o BLDCM. Este procedimento possibilita a maximização do conjugado eletromagnético do motor durante a partida e ainda evita a desmagnetização dos ímãs pela incidência de altas correntes estatóricas. Por fim, resultados de simulação e experimentais são apresentados para demonstrar o desempenho das técnicas adotadas, assim como as principais vantagens, desvantagens e limitações operacionais da implementação experimental. Além disso, a performance da rejeição parcial do conjugado de carga é avaliada com a comparação do espectro harmônico dos conjugados produzidos pelo controlador de velocidade proposto e por um controlador proporcional-integral.

Given today’s trend with environment being very important, there has been an ongoing attempt in the rotating machine industry to create machines with highest efficiency possible. And so, permanent magnet synchronous machines represent types of machine with very high efficiency and are gradually replacing other machines in many applications. This work deals with familiarization of the properties of permanent magnet synchronous motor as well as typical design choices. The main focus of this work is the design of permanent magnet EC motor and following comparison of results obtained from analytical design and analysis in the RMxprt program. Finally, the results of design methods are compared.

O presente trabalho apresenta uma transformação dq não senoidal e sua aplicação em máquinas síncronas com ímã permanente na superfície do rotor (MSIP) e forma de onda de FEM não senoidal. O modelo resultante da aplicação dessa transformação permite o controle direto do torque eletromagnético, permitindo reduzir as ondulações do torque produzido nesse tipo de máquina. A redução dessas ondulações em MSIPs não senoidais possibilita que esse tipo de máquina seja empregado em aplicações onde somente MSIPs senoidais, que possuem custo mais elevado, poderiam ser usadas. Simulações e resultados práticos, obtidos pela implementação do sistema de controle vetorial não senoidal desenvolvido, são apresentados no trabalho. Pelos resultados obtidos, pode-se verificar que o método proposto é eficaz na redução das ondulações do torque eletromagnético em MSIPs não senoidais. / This work presents a non-sinusoidal dq transformation and its application in permanent- magnet synchronous machines (PMSM) with a non-sinusoidal back-EMF waveform. The resulting model of the application of such transformation permits direct control of machine electromagnetic torque, which achieves the reduction of torque ripple. The reduction of torque ripple in non-sinusoidal PMSMs makes possible the use of this kind of PMSM instead of sinusoidal PMSMs, which are more expensive. Simulation and practical results, obtained by the implementation of such non-sinusoidal vectorial control system, are shown in this work. Those results show that the method presented is efficacious in the torque ripple reduction in non-sinusoidal PM synchronous machines.

O objetivo desse trabalho é o estudo e a análise do desempenho de máquinas brushless com ímã permanente no rotor, com fluxo de entreferro não senoidal. São consideradas máquinas brushless com ímã permanente na superfície do rotor. Três modelos matemáticos são considerados: o modelo por fase de estator, o modelo vetorial e o modelo velocidade-tensão de segunda ordem. Máquinas com diferentes tipos de enrolamento de estator são comparadas, incluindo as máquinas síncronas com ímã permanente no rotor (com a densidade dos enrolamentos distribuída de forma senoidal no estator). Os resultados para o torque eletromagnético das máquinas foram obtidos considerando-se dois tipos de acionamentos em malha aberta: um acionamento de seis pulsos e um acionamento senoidal. Por fim, um método de controle é apresentado para máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais, utilizando controle vetorial, são comparados aos das máquinas senoidais. / The aim of this work is to analyse the torque performance of brushless machines with non-sinusoidal distributed magnetic fluxes. The machine type considered is a surface mount permanent magnet brushless machine. Three mathematical models for the machine are considered: the per stator phase, the vectorial and the linear second order speed-voltage models. Machines with different stator windings are compared including the permanent magnet synchronous machines with sinusoidal distributed stator windings. The torque outputs of these machines are obtained considering two kinds of open loop driving systems: one with a six-pulse waveform and other with a sinusoidal waveform. Finally, a vectorial control is proposed for the non-sinusoidal machines. The torque ripple as well the overall performance of non-sinusoidal machines with vectorial control is compared to that of sinusoidal machines.

O presente trabalho apresenta uma transformação dq não senoidal e sua aplicação em máquinas síncronas com ímã permanente na superfície do rotor (MSIP) e forma de onda de FEM não senoidal. O modelo resultante da aplicação dessa transformação permite o controle direto do torque eletromagnético, permitindo reduzir as ondulações do torque produzido nesse tipo de máquina. A redução dessas ondulações em MSIPs não senoidais possibilita que esse tipo de máquina seja empregado em aplicações onde somente MSIPs senoidais, que possuem custo mais elevado, poderiam ser usadas. Simulações e resultados práticos, obtidos pela implementação do sistema de controle vetorial não senoidal desenvolvido, são apresentados no trabalho. Pelos resultados obtidos, pode-se verificar que o método proposto é eficaz na redução das ondulações do torque eletromagnético em MSIPs não senoidais. / This work presents a non-sinusoidal dq transformation and its application in permanent- magnet synchronous machines (PMSM) with a non-sinusoidal back-EMF waveform. The resulting model of the application of such transformation permits direct control of machine electromagnetic torque, which achieves the reduction of torque ripple. The reduction of torque ripple in non-sinusoidal PMSMs makes possible the use of this kind of PMSM instead of sinusoidal PMSMs, which are more expensive. Simulation and practical results, obtained by the implementation of such non-sinusoidal vectorial control system, are shown in this work. Those results show that the method presented is efficacious in the torque ripple reduction in non-sinusoidal PM synchronous machines.

O objetivo desse trabalho é o estudo e a análise do desempenho de máquinas brushless com ímã permanente no rotor, com fluxo de entreferro não senoidal. São consideradas máquinas brushless com ímã permanente na superfície do rotor. Três modelos matemáticos são considerados: o modelo por fase de estator, o modelo vetorial e o modelo velocidade-tensão de segunda ordem. Máquinas com diferentes tipos de enrolamento de estator são comparadas, incluindo as máquinas síncronas com ímã permanente no rotor (com a densidade dos enrolamentos distribuída de forma senoidal no estator). Os resultados para o torque eletromagnético das máquinas foram obtidos considerando-se dois tipos de acionamentos em malha aberta: um acionamento de seis pulsos e um acionamento senoidal. Por fim, um método de controle é apresentado para máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais. As ondulações no torque e o desempenho das máquinas não senoidais, utilizando controle vetorial, são comparados aos das máquinas senoidais. / The aim of this work is to analyse the torque performance of brushless machines with non-sinusoidal distributed magnetic fluxes. The machine type considered is a surface mount permanent magnet brushless machine. Three mathematical models for the machine are considered: the per stator phase, the vectorial and the linear second order speed-voltage models. Machines with different stator windings are compared including the permanent magnet synchronous machines with sinusoidal distributed stator windings. The torque outputs of these machines are obtained considering two kinds of open loop driving systems: one with a six-pulse waveform and other with a sinusoidal waveform. Finally, a vectorial control is proposed for the non-sinusoidal machines. The torque ripple as well the overall performance of non-sinusoidal machines with vectorial control is compared to that of sinusoidal machines.