Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Mekatronik Mühendisliği. DC Motorda Dinamik Tork Ölçümü

Transkript

1 Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Mekatronik Mühendisliği DC Motorda Dinamik Tork Ölçümü Kadir KAVAK 1, Recep KARATAŞ 1, Volkan KANAT 1 1 Karabük Üniversitesi Teknoloji Fakültesi. Mekatronik Müh. Böl., Karabük. Özet Bu çalışmada fırçalı DC motorun dinamik zorlanma durumundaki tork değerinin gözlemlenmesi amaçlanmıştır. Sistemde 5mNM hassasiyetiyle 5NM ye kadar tork ölçümü gerçekleştirilip, Arduino kontrol kartı ile 16 X 2 karakter LCD ye aktarılacaktır. Anahtar kelimeler: dinamik tork, sensör, arduino, tork algılayıcısı. 1. Giriş Kuvvet momenti ya da dönme momenti olarak da bilinen tork, bir cismin, bir eksen etrafında dönmesine sebep olan etkidir. Bu etki, dönme eksenine olan uzaklık ile ve dönmeyi sağlayan kuvvet ile doğru orantılıdır. Torkun sembolü Yunan alfabesindeki tau harfidir. Torkun büyüklüğü üç değişkene bağlıdır: uygulanan kuvvet, kuvvet kolunun uzunluğu ve kuvvet koluyla kuvvet arasındaki açı. 2. Deneysel çalışmalar İlk olarak kaplin seçimine yönelik kullanılan motorun çıkarttığı burulma momenti hesaplanır. Burulma Momenti = (Motor Gücü / Kaplinin ihtiyaç duyduğu milin dönme hızı) x 9550 (1) Bu formülde(1), 9550 sayısı sabit bir sayıdır, motor gücünün birimi kilowatt olarak alınır, kaplinin ihtiyaç duyduğu milin dönme hızının birimi dakikadaki devir sayısı olarak alınır, burulma momentinin birimi ise NM olarak kabul edilir. Bu değer 1000 ile bölünerek mnm cinsinden sonuç hesaplanır. 1

2 Şekil 1. Sistemin Mekanik Tasarımı Seçilecek olan kaplin yukarıdaki formülle(1) bulunan burulma momentinden daha yüksek bir burulma momentini karşılayabilmelidir. Çünkü bir kaplin çalışırken sistemin çok fazla durup kalkması veya ortamın aşırı sıcak olması veya sistemin aşırı darbeli çalışması kaplinin ömrünü hızla kısaltmaktadır. Bütün bu ortam ve çalışma şartları birer katsayı olarak yukardaki burulma momenti ile çarpılarak kaplinin dayanması gereken TORK(2) u ortaya çıkarır. TORK = Burulma Momenti x A x B x C (2) Şekil 2. Sistemin Elektriksel Tasarımı 2

3 Formülde A, B, C harfleriyle verilen çalışma katsayıları tecrübeler neticesinde rakamsal olarak aşağıdaki tablolarda verilmiş olup, kullanıcı ortam ve çalışma şartlarına uygun rakamı seçerek TORK(2) u bulabilir. Tablo 1. Elastik parçaların çalışma sıcaklıkları ( 0 C olarak) Tablo 2. Sıcaklık faktörü: A. Tablo 3. Yük faktörü: B 3

4 Tablo 4. Durma kalkma faktörü: C Daha sonra tork hesaplaması aşağıdaki formüller kullanılarak yapılır. Tork = Kuvvet x Yarıçap (3) (3) formülünün yanında aşağıdaki formüllerin kullanılması da tork hesabını kolaylaştırır. Güç = Tork x 2 x π x rpm (4) Tork = Beygirgücü x 5252 / rpm (5) Yukarıdaki formülleri gerekli şekilde düzenler ve birimleri food ve pound cinsine çevirirsek aşağıdaki tork(6) formülü bulunmuş olur. M [Nm] * n [d/d] / 9550 = Hp (6) Ayrıca sistemde Arduino üzerinden seri haberleşme yapıldığı ve data aktarımı olduğu için bir arayüz tasarlanmıştır. Bilgisayar arayüzü için C# programlama dili kullanılmıştır. Arduino kartın kontrolü için Arduino IDE(Integrated Development Enviroment) kullanılmıştır. Şekil 3 de Arduino IDE ortamında kullanılan akış diyagramı, Şekil 4 de C# programlama dilinde kullanılan akış diyagramı ve Şekil 5 de bilgisayar arayüzü verilmiştir. 4

5 Şekil 3. Arduino IDE ortamında kullanılan akış diyagramı Şekil 4. C# programlama dilinde kullanılan akış diyagramı 5

6 Şekil 5. Bilgisayar arayüzü Şekil 6. Arduino ile LCD bağlantısının devre şeması 6

7 Şekil 7. Arduino ile LCD bağlantısının şematiği 2.1. Malzeme Tamiya 540 DC Motor Tamiya 540, kendinden fanlı yüksek performanslı bir DC motordur. Motorun 12 V ta çalışma akımı yüksüz 2 Amper, zorlanma durumunda ise 30 Amperdir. Bu motor fırçalı bir motordur ve genel çalışma gerilimi 12 V tur. 12 V ta devir/dakika(rpm) hıza sahiptir. 540 lık motor ölçülerindedir yani çapı 35 mm, uzunluğu 66 mm dir. Ayrıca 165 gr ağırlığındadır. Motor, D şafta sahiptir, bu şaftın çapı 3.1 mm dir. Motor kendinden fanlıdır böylece soğutma için harici bir düzeneğe ihtiyaç duymaz.[1] Şekil 8. Tamiya 540 DC Motor 7

8 2.1.2 INA125 Enstrümantasyon Yükselteci INA125, düşük güç uygulanarak yüksek doğruluk elde edilen hassas bir enstrümantasyon yükseltecidir. Tek bir harici direnç ile 4 ile arasında bir kazanç sağlar. Yükselteç, referans gerilimini 0.5% hassasiyeti ile dışarıdan 1.24V, 2.5V, 5V veya 10V değerlerinde ayarlamamıza izin verir. INA125 üzerine minimum -1.35V, maximum 36V gerilim uygulanabilir C ile 85 0 C arasında çalışma sıcaklığına sahiptir. İki tanesi yükselteç giriş pini, bir tanesi yükselteç pini olmak üzere toplamda 16 tane pine sahiptir. Yükselteçin CMRR değeri 114 db dir. [2] Şekil 9. INA125 Enstrumantasyon Yükselteci Şekil 10. INA125 Devre Şeması 8

9 2.1.3 Arduino UNO Arduino interaktif elektronik projelerinin üzerinde prototiplendiği bir çalışma platformudur. Arduino UNO üzerinde Atmega328 mikrodenetleyicisi bulunmaktadır. Bu mikrodenetleyici 5V çalışma gerilimi ile çalışmaktadır. Arduino UNO üzerinde ayrıca USB bağlantı portu, güç regülatörü ve 16 MHz lik kristal bileşenler bulunur. Üzerindeki seri-usb dönüştürücü sayesinde USB portu üzerinden hem programlanabilmekte hem de bilgisayar üzerinden seri portu üzerinden iletişim kurulabilmektedir. Kart hem USB üzerinden hem de adaptör girişinden beslenebilir. Arduino UNO üzerinde 6 tanesi PWM olmak üzere 14 tane dijital giriş/çıkış ve 6 tane analog giriş pini bulunmaktadır. Bu giriş/çıkış pinleri üzerinden maximum 40 ma çekilebilir. Kart üzerinde ayrıca 1 KB EEPROM, 2 KB SRAM ve 2KB lık kısmı bootloader tarafından kullanılan 32 KB lık bir flash bellek yer almaktadır. [3] Şekil 11. Arduino UNO Kartı Yük Hücresi (Strain Gauge) Yük hücresi idealde yalnızca dış etkiyle meydana gelen zorlama sonucu hücredeki şekil değişikliğini elektriksel dirence çeviren çalışma elemanıdır. Fakat gerçek dünyada uygulama esnasındaki çevre sıcaklığı, malzemenin imalat kusurları, yük hücresinin altındaki yüzeye olan yapışma miktarı ve metalin esnekliğe karşı olan fiziksel stabilitesi elektriksel direncin değişimini etkiler. Yük hücresinin kuvvet altındaki deformasyonu mekanik, optik, akustik, pnömatik ve elektriksel olarak ölçülebilir. Yük hücresi ile ölçümün yapılabilmesi için Wheatstone köprüsüne ihtiyaç vardır. Wheatstone köprüsü bağlantı şemasında 4 adet direnç bulunur, 9

10 köprü bir yandan bir ikaz voltajı ile beslenirken diğer taraftan köprüde deformasyona bağlı oluşan direnç değişimleri ölçülür. [4] Rulman Şekil 12. Strain Gauge Mekanik ve elektrikli aletlerde, kayma sürtünmesi yerine bir yuvarlanma sürtünmesi sağlayarak enerji kayıplarını azaltmak için yataklar ile muylular arasına yerleştirilen makine parçalasıdır. Rulman, semente edilerek su verilmiş ve iyice perdahlanmış çok sert çelik malzemeden yapılmış küçük silindirdir. İki cismin birbiri üzerinde yuvarlanmasından meydana gelen enerji kayıpları, her iki cismin birbiri üzerinde kaymasından doğacak enerji kayıplarından çok daha azdır. Bu yüzden mekanik imalatta rulman denilen ve muylulara takılarak kayma sürtünmesini büyük ölçüde azaltıp, dönme sırasında muylular için hem destek, hem de kılavuz vazifesi gören aletler kullanılır. Rulman temelde yuvarlanan parçalardan(bilyalar, iğneler, makaralar), çalışma sırasında biri dönerken(iç bilezik) diğeri sabit kalan(dış bilezik) ve yuvarlanma yüzeylerini meydana getiren bileziklerden ve yuvarlanan parçaları eşit uzaklıkta tutarak birbirlerine değmelerini ve aşınmalarını önleyen ana kafesten oluşmuştur. Sistemde UCP tipi rulman yatağı kullanılmıştır. [5] Şekil 13. UCP Tipi Rulman Yatağı 10

11 2.1.6 Kaplin Kaplin bir güç kaynağında üretilen dönme hareketini ve dolayısıyla momenti bir başka sisteme (makine, pompa, redüktör, konveyor vb) aktarma elemanıdır. Bu hareketi iletme esnasında mekanik titreşimleri ortadan kaldırmak için kaplin lastiği denilen titreşim sönümleyici bir malzeme kullanılmak zorundadır. Kullanılmadığı taktirde otaya çıkacak mekanik titreşimler makinaya zarar verebilir ve kulağa hoş gelmeyen sesler üretebilir. Kaplinler iki parçalı veya üç parçalı, üreten firmaya göre çok parçalı da olabilirler (örneğin şaftlar gibi). Kaplinler, güç kaybına veya balanssızlık sebebiyle arızaya sebep olmamak, sistemde oluşabilecek vibrasyonları gerisindeki motora geçirmemek, sistem sıkışma veya kırılma sebebiyle arızalandığında motoru korumak üzere kırılarak sigorta görevi yapmak gibi kriterleri karşılamalıdır. [6] Frenleyici Direnç Şekil 14. Kaplin Sistemde tork ölçmek için kullanılan motorun frenlenmesi gerekmektedir. Bu frenleme direnç ile sağlanmaktadır. Bu direnç yüksek akıma dayanabilmesi için özel yüksek Wattlı dirençler kullanılmaktadır. Normal dirençler çeyrek, yarım veya birkaç watt güce dayanıklıdır. Fakat frenleyici direnç olarak 50 Watt direnç kullanılmıştır. Direnç değeri olarak ise olabildiğince küçük değer olan 0.22 ohm olan dirençler kullanılmıştır. 11

12 Şekil 15. Frenleyici Direnç Karakter LCD Karakter LCD (liquid crystal display) Arduino kartın içindeki mikroişlemcinin gönderdiği dijital bilgiyi kendi içinde işleyerek kullanıcıya anlamlı bilgiye dönüştürmeye yarayan elektronik malzemedir. Sistemde 2x16 tipinde bir karakter LCD kullanılmıştır. Bu LCD 16 sütun, 2 satırdan oluşmaktadır. Şekil 16. 2x16 Karakter LCD Wheatstone Köprüsü Wheatstone köprüsü, elektriksel dirençleri karşılaştırmaya ya da ölçmeye yarayan elektrik devresidir. Dört direncin kare oluşturacak biçimde birbirine bağlanmasından oluşur. Devrede iki tane değeri bilinen direnç, bir tane ayarlı direnç ve bir de değeri bilinmeyen direnç vardır. Değişken direnç, galvanometre sıfırı gösterene kadar değiştirilir. Sıfır olduğunda karşılıklı dirençlerin çarpımı birbirine eşit olur. 12

13 Şekil 17. Wheatstone Köprüsü 2.2. İzlenen Yollar Sistem için önce bir motorun nasıl dinamik torkunun ölçülebileceği tartışıldı. Bu tartışma sonucunda şu uygulanan tasarında karar kılındı: Aynı güçte iki tane motor karşılıklı olarak kaplin ile milleri birbirine bağdı. Bir motorun gövdesi sabit tutulurken diğer motorun rotoru da bir rulman yatağı içinde harekete açık bırakıldı. Harekete açık olan motorun gövdesine bir tane load cell bağlantısı yapıldı. Hareketli motor diğer motor tarafından frenlenerek, load cell üzerinde ki gerilim değeri ölçümü yapıldı. Sistem için uygun olarak Tamiya 540 DC motor kullanılmıştır. Motor dış çapına uygun rulman bulunmadığından yakın çap boyutuna sahip rulman tedarik edilip torna ile iç çapı genişletilmiştir. Sistemin yükselteç olarak hassasiyeti göz önünde bulundurularak enstrumantasyon yükseltecinde karar kılındı. Sistemin elektronik kısmı bir board üstüne kurularak sistem çalışması gözlenip ardından sistemi delikli plaket üstüne aktarıldı.gerekli ayarlamalar yapılıp sistem çalışmaya hazır halde getirildi. 3. Sonuçlar ve tartışma Bu çalışma sonucunda DC motorun dinamik torkunun ölçülmesi amaçlanmıştır. INA125 entegresiyle birlikte istediğimiz oranda yükseltme yapabildiğimiz için LCD üzerinde tork değerini gözlemledik. Fakat proje çalışmamasında kullanılan yük hücresinin deforme olmasından kaynaklanan bozukluklar nedeniyle istenilen hassasiyette ölçüm alınamamıştır. Deformasyona uğramamış ve çok daha pozitif özelliklere sahip yük hücresi kullanılarak çok daha hassas tork ölçümü yapılabilir. Kaynaklar [1]. [2]. INA125 Instrumentation Amplifier Datasheet [3]. Çoşkun Taşdemir,ARDUINO,2.Baskı,(2012) [4]. [5]. [6]. 13