AC SERVO MOTORLAR VE SÜRÜCÜ DEVRELERİ

Transkript

1 YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ AC SERVO MOTORLAR VE SÜRÜCÜ DEVRELERİ Elektrk Müh. Kaan KUZER FBE Elektrk Mühenslğ Anablm Dalı Elektrk Makneler ve Güç Elektronğ Programına Hazırlanan YÜKSEK LİSANS TEZİ Tez Danışmanı : Doç. Dr. M. Ha SARUL İSTANBUL, 2006

2 İÇİNDEKİLER SİMGE LİSETESİ..v KISALTMA LİSTESİ.v ŞEKİL LİSTESİ.x ÖNSÖZ..x ÖZET x ABSTRACT x 1. GİRİŞ SERVOMEKANİZMA TEMELLERİ Grş Ger Beslemel Kontrol Sstemler Açık Çevrm Kontrol Sstemler Kapalı Çevrm Kontrol Sstemler Sstemler ve Sınıflanırılması Pozsyon Kontrol Sstemler ve Dferansyel Br Chazan Fayalanma Kesntl (açık - kapalı) Kontrol Sstemler Sürekl Kontrol Sstemler Döner Hareket Yapan Kontrol Sstemler Br Servo Kontrol Sstemnn Başlıca Elemanları Servo Motorlar DA Servo Motorlar AA Servo Motorlar İk Faz Servo Motorlar Üç Faz AA Servo Motorlar SANAYİDE SERVO MOTOR OLARAK KULLANILAN ELEKTRİK MAKİNELERİ Anahtarlamalı Relüktans Motor Grş Anahtarlamalı Relüktans Motor Tanımı Anahtarlamalı Relüktans Motorun Bast Çalışma Prensb Anahtarlamalı Relüktans Motorunun Çalışmasının İlkes Enüktans ve Rotor Konumunun Arasınak İlşk Anahtarlamalı Relüktans Motorun Bast Devre Eştlkler Fırçasız Doğru Akım Motoru Grş Yapısı ve Sürücü Devreler Temel Yapısı Sürücü Devreler Tek Kutuplu Sürücü...42

3 Çft Kutuplu Sürücü Eşeğer Devre ve Motor Genel Denklemler Fırçasız Doğru Akım Motorunun Performansı Hız-Moment (T-ω) grafğ Verm Fırçasız Ac Motorlar ( Dam Mıknatıslı Senkron Motorlar ) Grş Fırçasız AC Motorların Yapısı Dam Mıknatıslı Senkron Motorlar ( Snüzoal Tp Motorlar ) DMSM un İç Yapısı DMSM Temel İfaeler Hava Aralığı Akısı Kaçak Akı ve Enüktans Emk Moment SERVO MOTORLARIN SÜRÜCÜ DEVRELERİ Anahtarlamalı Relüktans Motorun Kontrolü Grş Kontrol Prensb Moment Kontrolü Moment Kontrol Yöntemler Kapalı Çevrm Hız Kontrolörü Tasarım Örneğ Çözüm Akım Çevrm Akım Karşılaştırıcısı Taşıyıcı Snyal Rotor Pozsyonunun Tasarıma Dâhl Elmes Hız Çevrm Fırçasız Doğru Akım Motor Kontrolü Grş Fırçasız Doğru Akım Motor Kataloglarına Belrtlen Bazı Termler Durma Anınak Sürekl RMS Akımı, Is ( Arms) Moment Sabt, Kt ( kgf-cm/arms) Ters e.m.f Sabt, Kv ( volt-sn/ra) Mekank Zaman Sabt, tm ( sn ) Fırçasız Doğru Akım Motorunun Kontrolü Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Kontrol Esasları Fırçasız Doğru Akım Motorların Sürücü Sstemnn Matematksel Moel Dam Mıknatıslı Senkron Motor Vektör Kontrol Sstem Dam Mıknatıslı Senkron Motorun Sürücü Devres Tasarımı Sürücü Devre Moüller Üç Fazlı Gerlm Beslemel İnverter Dam Mıknatıslı Senkron Motor Fltre Moeller Kaskat Bağlantılı Kontrolör Moülü PWM Moülatör Moülü Arayüz Moüller Sstemn Genel Olarak Tanımlanması...90

4 Kontrol Tasarımı Küçük Snyal Kontrol Tasarımı Büyük Snyal Kontrol Tasarımı Mıknatısları Rotorun İçne Bulunan DMSM Vektör Kontrolü Dam Mıknatıslı Senkron Motorun Kartezyen Koornatlara Stator Alan Yönlenrmel Kontrolü DMSM nn Rotor Alan Yönlenrmel Kontrolü SERVO MOTOR UYGULAMALARI Grş Servo Sstem Uygulamaları Yük Motor Ger Besleme Elemanı Resolver Servo Kontrolör Güç Kaynağı Eksen Brm Lastk Sırtı Kesme Otomasyonu; Uçar Testere Uygulaması Servo Motor Uygulaması SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ EKLER 119 v

5 5 SİMGE LİSTESİ a ve a Stator Kutupları Konumları b ve b Rotor Kutup Konumları B FDAM Vzkoz Sönüm Katsayısı B 0 FDAM Maksmum Akı Yoğunluğu c 1 ve c 1 Stator Kutupları Konumları C Çıkış Snyal a, b ve c DMSM İnvertern Her Fazının Darbe Peryou e Elektromanyetk Kuvvet F Magnetomotor Kuvvet f Uygulanan Gerlmn Frekansı ( 5. bölüm) G Denetleyc H Ger Besleme Snyal I 0 FDAM Maksmum Akım Değer Is FDAM Durma Anınak Sürekl RMS Akımı,,, ARM Motor Sargı Akımları a b c, q ve q Eksenlerne At Akımlar sy DMSM ψ s Hızına Dönen x-y Eksennek Stator Akımı Enne Eksen Bleşen J FDAM Motor Eylemszlk Moment J m FDAM Motor Atalet K ARM Akım Çevrm Kazancı K t ARM Moment Sabt Kt FDAM Moment Sabt Kv FDAM Ters e.m.f Sabt st ke DMSM Hesaplama ve Ayarlama Geckmes k DMSM Ayarlama Katsayısı L Enüktans l FDAM Rotor Boyu L Rotor Konumuna ve Faz Akımına Göre Enüktans Değer L DMSM Enne Stator Enüktansı sq L s DMSM Boyuna Stator Enüktansı L a m m n N p p p Pa P P r R FDAM Armatür Empeansı DMSM Snyal Moülasyonu Sabt FDAM Faz Sayısı motorun Dönüş Hızı (uygulama) Bobn Sarım Sayısı FDAM Kutup Sayısıır Stator Kutup Çft Sayısıır (uygulama) ARM Dferansyel Operatör ARM Hava Aralığı Gücü ARM Grş Gücün Rotor Kutup Sayısı Referans Değşken

6 6 r R a rpm r 1 FDAM Rotor Çapı FDAM Armatür Drenc rotate per mnute=akkaak önüş hızı r 1 ve Rotor Kutup Konumları R s Faz Başına Düşen Drenç Değer PT1, PT2, PT2 FDAM Foto-Transstörler t DMSM Peryot T e Elektromanyetk Tork t e FDAM Elektrksel Zaman Sabt T FDAM An Moment T l FDAM Yük Moment tm FDAM Mekank Zaman Sabt T ml FDAM Ml Moment Tr1, Tr2, Tr3 FDAM Transstörler U Rotor Açısı (uygulama) V a, V b, V c DMSM Faz Çıkış Gerlmler V DMSM c Kaynak Gerlm DC V, V q ve q Eksenlerne Gerlmler V l, I l DMSM Fazlar Arası Akım ve Gerlm Değerler V ph, I ph DMSM Faz Nötr Arası Akım ve Gerlm Değerler Vs Grş Gerlm Tepe Değer (uygulama) W Grş Elektrk Enerjsr W e f W m Bobne Depolanan Enerj Mekank Enerj W1, W2, W3 FDAM Sargıları ε Hata Snyal φ Hava Aralığı Fluxu δθ Rotor Açısını λ Akı Kaçağı β Stator Kutup Genşlğ s β r λ ω m λ m Akı Yoğunluğuur * ω m θ ω m rm Rotor Kutup Genşlğ Faz Başına Kaçak Akı ARM Rotor Hızı FDAM Stator Sargısının Br Fazına Sabt Mıknatıstan Kaynaklanan ARM Hız Referans Değer ARM Rotor Pozsyonu ARM Rotor Hızı ω ARM Mofe Elmş Hız Değer ω m ARM Normal Hız Değer θ FDAM Motor Dönme Açısı Ø FDAM Mıknatıslı Motorun Manyetk Akısı ( Sabt ) ω FDAM Motorun Açısal Hızı m

7 7 ω m ϕ FDAM Motor Açısal Hızı DMSM Faz Farkı ψ s ve ψ sq DMSM Rotorun Enne Ve Boyuna Stator Akı Lnkler ω Vs Grş Gerlm Açısal Hızıır (uygulama)

8 8 KISALTMA LİSTESİ DC AC PWM DMSM PM ARM FDAM TDF SVM VLPI FG PLC EMK MMK IEEE Doğru Akım Alternatf Akım Darbe Genşlk Moülasyonu Dam Mıknatıslı Senkron Motor Sabt Mıknatıs Anahtarlamalı Relüktans Motor Fırçasız Doğru Akım Motoru Moment Dağıtım Fonksyonu Uzay Vektör Moülasyonu Değşken Lmtl PI Regülatör Fonksyon Jeneratörü Programlanablr Sayısal Kontrolör Elektro Motor Kuvvet Magneto Motor Kuvvet Instute of Electrcal an Electroncs Engneers

9 9 ŞEKİL LİSTESİ Şekl 2.1 Ger besleme kontrol sstemnn blok yagramı...17 Şekl 2.2 Kesntl (açık-kapalı) pozsyon kontrol sstem...18 Şekl 2.3 Otomatk kesntl pozsyon servo kontrol sstem...18 ( not: e ve c sabt makaralarır, se hareket eeblr serbest br makaraır.)...18 Şekl 2.4 Otomatk sürekl pozsyon servo kontrol sstem...19 Şekl 2.5 Bast pozsyon kontrol servo sstem blok yagramı...20 Şekl 2.6 Doğruan oğruya tahrkle pozsyona getrme sstem...22 Şekl 2.7 Da servo motor (a) şematk yagramı (b)enüv ve alan mmk ler...23 (c) moment-hız karakterstkler...23 Şekl 2.8 İk faz aa servo motor...24 Şekl 2.9 İk faz servo motorun moment-hız karakterstğ...25 Şekl 2.10 Raar konum kontrol sstem...26 Şekl 2.11 Vektör kontrollü üç faz asenkron motorun servo motor kullanımı...27 Şekl 3.1 Anahtarlamalı relüktans motor konfgürasyonları. (a) her kutupta tek ş. (b) her kutupta çft ş (12/10 kutuplu)...29 Şekl 3.2 Anahtarlamalı relüktans motorun çalışması. (a) fazlar hzalı. (b) fazlar hzasız...30 Şekl 3.3 Seleno ve karakterstğ. (a) seleno. (b) akı ve mmf grafkler...31 Şekl 3.4 (a) k kutuplu br temel anahtarlamalı relüktans motoru çn rotor konum tanımı (b) rotor konumuna göre enüktans eğşm eğrs...36 Şekl 3.5 Anahtarlamalı relüktans motorun tek faz evres...39 Şekl 3.6 Üç fazlı br fırçasız oğru akım motorunun yapısı...40 Şekl 3.7 Fırçasız oğru akım motoru = am mıknatıslı ac motor + elektronk komütatör...41 Şekl 3.8 İk fazlı fırçasız oğru akım motorunun kest...41 Şekl 3.9 Tek kutuplu sürücü le sürülen bast br 3 fazlı motor...43 Şekl 3.10 Fırçasız oğru akım motor sargılarının tetklenme sırası, sargı akımları ve rotor pozsyonu...44 Şekl 3.11 Çft kutuplu sürücü le sürülen fırçasız oğru akım motoru...45 Şekl 3.12 Akımın w en v ye akışı...46 Şekl 3.13 Transstörlern letme grme sırası...46 Şekl 3.14 Stator manyetk alan yönler...47 Şekl 3.15 Fırçasız oğru akım motoru çn tasarlanan bast br sürücü evres...48 Şekl 3.16 Fırçasız oğru akım motorunun bast evre şeması...48 Şekl 3.17 Eşeğer evre...49 Şekl 3.18 t-ω grafğ ( sabt gerlm )...50 Şekl 3.19 Dam mıknatıs rotor yapıları...53 Şekl 3.20 İk kutuplu snüs ağılımlı sargı: amper letken ve letken ağılımları...54 Şekl 3.21 İk kutuplu snüs ağılımlı sargı: mmk n hesaplanması...55 Şekl 4.1 Anahtarlamalı relüktans motorun (a) çalışma anı. (b) enerjlenme anı...59 Şekl 4.2 Arm sürücüsünün akım kontrolü...60 Şekl 4.3 Fonksyonun lk moment arkı...63 Şekl 4.4 Fonksyonun knc moment arkı...64 Şekl 4.5 Enerjlenme peryou boyunca tf eğerler...64 Şekl 4.6 Rotor pozsyonuna göre faz akımı ve faz akı kaçağı...65 Şekl 4.7 Rotor pozsyonuna göre çıkış moment ve moment hata eğerler...65 Şekl 4.8 Rotor pozsyonuna göre tf grafkler...66 Şekl 4.9 Arm sürücüsünün kapalı çevrm evre örneğ...66 Şekl 4.10 Arm kontrol sstemnn blok yagramı...67 Şekl 4.11 Arm analog kontrolörünün şematk uygulaması...68 Şekl 4.12 Pwm evresnn grş çıkış snyaller...68 x

10 10 Şekl 4.13 Arm analog kontrolörünün evre yagramı...70 Şekl 4.14 Fırçasız c servo motor kontrolü blok yagramı...74 Şekl 4.15 Motor akım enklem blok yagramı...76 Şekl 4.16 s-omenne blok yagramı...78 Şekl 4.17 Gerlm msm un blok yagramı...81 Şekl 4.18 Gerlm beslemel nverter moeller...82 Şekl 4.19 q eksen takımınak k kutuplu msm...85 Şekl 4.20 Dmsm un q0 moeller...86 Şekl 4.21 Üç fazlı fltre moüller a) sabt b) önen koornatlar...87 Şekl 4.22 İk tabakalı kaska moül moel...88 Şekl 4.23 Sabt ve önen koornatlara moülatör moeller...88 Şekl 4.24 Arayüz blokları a) üç fazlı/-q moül bağlantılı b) -q eksen takımınan α β takımına önüşüm...89 Şekl 4.25 Uçak yeek güç üntes blok yagramı...90 Şekl 4.26 İk basamaklı kaska kontrolörün blok yagramı...92 Şekl 4.27 Mıknatısları rotorun çne bulunan am mıknatıslı senkron motora sonuç ve bleşen akı yoğunluğu ağılımları...94 Şekl 4.28 Mıknatısları rotorun çne bulunan senkron maknenn sürekl hal fazör yagramı...95 Şekl 4.29 Vektör kontrollü mıknatısları rotorun çne bulunan am mıknatıslı senkron motor sürücüsünün bastleştrlmş şeması...96 Şekl 4.30 Mıknatısları rotorun çne bulunan am mıknatıslı senkron motorun stator akısı yönelmel kontrolünün blok yagramı...98 Şekl 4.31 Fonksyon jeneratörü fg1 tarafınan uygulanan karakterstkler...98 Şekl 4.32 fg2 le açıklanan karakterstk...99 Şekl 4.33 Mıknatısları rotorun çne bulunan am mıknatıslı senkron motora momentn kontrolü Şekl 5.1 Servo sstem uygulamaları Şekl 5.2 Servo sstem brmler Şekl 5.3 Br servo motor kontrolü blok yagramı Şekl 5.4 Mekank yük önüştürücüsü (reüktör) Şekl 5.5 Servo motor türler Şekl 5.6 Servo motor kontrol blok yagramı Şekl 5.7 Motor torkunun uygulanan gerlmn açısıyla eğşm Şekl 5.8 Br servo motorun stator akımları Şekl 5.9 Servo motor ger besleme elemanları Şekl 5.10 Tpk br resolver Şekl 5.11 Br resolvern sargı yapısı Şekl 5.12 Çıkış gerlmler alga şekller Şekl 5.13 Resolver şaret şleme aşamaları Şekl 5.14 Servo sürücüler Şekl 5.15 Servo sürücüler Şekl 5.16 Servo sürücüler Şekl 5.17 Br servo sürücüsünün blok yagramı Şekl 5.18 Br systembus ağı Şekl 5.19 Dc gerlm ac gerlme çevrme moülü Şekl 5.20 Uçar testere maknes x

11 11 ÖNSÖZ Bu çalışmaa enüstre olukça yaygın br şekle kullanılmaya başlanan AC servo motorlar ve sürücü evreler teork olarak ncelenmştr. Hazırlaığım bu çalışmaa bana yol gösteren, uygulama sahası olukça genş ve öneml br konu üzerne çalışmanın heyecanını uyumsatan anışman hocam sayın Doç. Dr. M. Ha SARUL a, engn blgsn ve tecrübesn öğrenclernen hçbr zaman esrgemeyen sayın Prof. Hacı BODUR ve kaynak bulma çabama ve fkrleryle bana yarımcı olan sayın Araştırma Görevls İsmal Aksoy ve Araştırma Görevls Nur Özcvan a; Hayatın anlamı olan, huzuru sağlayan Aleme teşekkürü borç blrm. Kaan KUZER YTÜ Elektrk Makneler ve Güç Elektronğ Ana Blm Dalı

12 12 ÖZET İlk bölüme çalışma konusuna br grzgâh yapılarak sonrak bölümler çn hazırlık mahyetne genel br açıklama yapılmıştır. İknc bölüme enüstre olukça yaygın kullanılmaya başlanan servo motorlar genel olarak tanıtılmıştır. İknc bölüme se servo mantığının sstemler çn uyarlanması, br servo kontrole kullanılan termler, ger beslemel kontrol sstemler, sstemlern sınıflanırılması, br servo kontrol sstemn başlıca elemanları, uygulamaya yönelk servo örnekler ve servo motorların sınıflanırılması ncelenmştr. Üçüncü bölüme, enüstre yaygın olarak kullanılan servo motorlar ele alınmış ve temel faeler, çalışma lkeler, matematksel moeller, eşeğer evreler, uygulama alanları, motor kayıpları ncelenmştr. Dörüncü bölüme, br öncek bölüme seçlen anahtarlamalı relüktans motorun, fırçasız c motorun ve fırçasız ac motorun servo mantığı le kontrol elme yöntemler ncelenmştr. Son olarak beşnc bölüme servo motorların enüstrek uygulamalarına brkaç örnek verlp kısaca ncelenmştr. Anahtar kelmeler: Anahtarlamalı relüktans motor, fırçasız c motor, fırçasız ac motor, vektör kontrol, sürücü evreler.

13 13 ABSTRACT İn secon part of the chapter, servo motors whch use n nustry wely are ntrouce generally. İn secon chapter, aaptaton of servo logc for systems, use term n servo control, feeback control systems, classfy of systems, man elements for servo systems, servo moel for applcatons an classfy of motors has been nvestgate. İn thr chapter,, servo motors whch use n nustry wely are ntrouce generally an motor s prncple of stues, matematcal moels, equvalance crcuts, area of applcatons, cost of motors has been nvestgate. İn fourth chapter, swtchng reluctance motor, brushless c motor an brushless ac motor whch are chosen n the thr chapter, are controlle wth servo logc has been nvestgate. İn the last chapter, any example for nustral servo motors has been nvestgate. Keywors: Swtchng reluctance motor, brushless c motor, brushless ac motor, vector control, rve crcuts.

14 14 1. GİRİŞ Otomasyon ünyasınak CNC tezgâhların ve robotların yer ve önem kaçınılmazır. Mkroşlemc ve güç elektronğ teknolojsnek hızlı gelşmeler kontrol teknolojsne yen sürücü bleşenlernn oğmasına sebep olmuştur. Mekank sstemlere sürücü eleman olarak çok önem kazanan motor ve bleşenler yen teknolojk gelşmeler le aha a fazla önem kazanmıştır. Servo sürücü gereksnmlerne lneer br bleşen olmasınan olayı kontrolü kolay olan servo motor sstemler günümüze brçok uygulamaa kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzün servo sstemler haff, kompakt, kolay entegre eleblen, verml, kontrol eleblr ve bakım gerektrmeyen sstemler halne gelmştr. Fabrkalara kullanılan çok sayıak servo motor sstemlerne motor bakımının kolay olması stenr. Böyle uygulamalara komütasyon elemanı olarak fırça ve komütatörün olmaması ac servo motorlara kaya eğer performans artışı sağlamaktaır. Bu çalışmaa enüstre aha yaygın olarak kullanılan fırçasız c motor, fırçasız ac motor ( am mıknatıslı senkron motor ), anahtarlamalı relüktans motorların temel faeler ve kontrol yöntemler ele alınmıştır. Geleneksel c motorlar yüksek vermler ve karakterstkler sayesne servo motor uygulamalarına kullanım alanı bulurlar. Buna karşın, komütatör ve fırçalı yapılarının bakıma htyaç uyması, bu tp motorların en öneml ezavantajıır. Komütatör ve fırçanın yerne anahtarlama elemanlarının kullanılığı, bakım gerektrmeyen oğru akım motoruna fırçasız oğru akım motoru enr. Yapı bakımınan fırçasız oğru akım motorları, sabt mıknatıslı senkron motora benzerlk gösterr. Stator sargıları çok fazlı br ac motorun stator sargılarıyla benzerr ve rotoru se br veya aha fazla sabt mıknatıstan oluşmuştur. Fırçasız c motorun kontrol evres; motor, açı ve açısal hız algılayıcıları, akım, gerlm, manyetk akı algılayıcıları, transstör PWM nverter ve bu onanımları kontrol een analog ve jtal entegreleren oluşan yarı letken güç konvertörünen oluşur. Ek olarak fırçasız c servo motor sürücüsüne tüm sstemn kontrol elmes çn pozsyon, hız ve kuvvet kontrolörler ( konum kontrolü ) bulunur; Yarı letken güç konvertörü snüzoal çıkışlı akım kontrolü, manyetk akı le akımın kontrolü, eşeğer alan zayıflatma kontrolü vs. gb şlemler yerne getrr. Dam mıknatıslı senkron motorlara genele rotor çekreğnn etrafınak muhafazanın üzerne sabt mıknatıslar yerleştrlr. Fakat son yıllara mıknatıslar moment kaltesnn arttırılablmes çn rotor çekreğnn çne yerleştrlmeye başlanmıştır. DMSM un brkaç

15 15 özellğnen bahseersek; yüksek güç katsayısı, yüksek verm, yüksek moment-eylemszlk oranı, fırça ve blezklern olmaması, rotor yüzeyne olukların olmaması, hava aralığının hemen hemen sabt olmamasıır. DMSM un yüksek hızlı uygulamalara kullanılablmes çn mıknatıslar rotorun çne yerleştrlr. Bu motor tpne efektf hava aralığının küçük olması ve enüv reaksyonun etks olukça önemlr. Motorun bu özellğ sabt moment bölgesne e kontrolü sağlayablmemze olanak verr. DMSM un analz, elektro manyetk momenttek artışın, stator ve rotor akımlarının arasına kalan açının artışı le orantılıır. Bu yüzen stator manyetk akısının önüş hızı mümkün oluğunca hızlı arttırılarak hızlı moment cevabı alınmış olunur. Anahtarlamalı relüktans motorlar, çft katlı sargılara sahp, statorun bağımsız sargılarına se tek uyartımlı br makner. Anahtarlamalı relüktans motorların stator yapısı, PM motorununk le benzerlk gösterr fakat rotor yapısı herhang br am mıknatısa sahp olmaığı çn aha bast yapıaır. Düşük güçlü uygulamalara, am mıknatıslı senkron motorlar, yüksek vermllğ ve y performansınan olayı aha yaygın br şekle kullanılmıştır. Değşken hız uygulamalarına se bastlk ve güç konverter gereksnm, anahtarlamalı relüktans motorları, nüksyon ve PM motorlarına nazaran aha çekc yapmıştır. Anahtarlamalı relüktans motor ser bağlı DC motor ve senkron relüktans motorlarla olukça benzerlk gösterr fakat kontrol mekanzması bu motorların kontrol mekanzmalarınan olukça farklıır. Akımın ve enüktans eğernn saece rotor pozsyonuna bağlı olmaması bu motorlara kontrol yöntemlernn benzerlğn güçleştrr. Dğer elektrk makneleryle mukayese elğne, aha genş br şekle kontrol stratejsnn sabt motor parametrelerne göre belrlenr. Bu lk önce anahtarlamalı relüktans motorunun kontrol tasarımını zorlaştırıyor gözükeblr. Fakat üşük veya yüksek performanslı kontrol tasarımı moment algalanması ve sstemn hız cevabına göre sınıflanırılablr. Uygulamaların küçük br bölümü ve motor sürüş sstemlernn küçük br kısmına yüksek performans steğ gözükmekter.

16 16 2. SERVOMEKANİZMA TEMELLERİ 2.1 Grş Günümüze otomatk kontrol; otomotv, uzay araçları, füze yönlenrmes, robot kontrolü, uçak kontrolü, sıcaklık ve nem kontrolü, otomatk takım tezgâhları gb çok genş br alana uygulanmaktaır. Öncelkle, br kontrol sstemne kullanılan termler buraa kısaca verlecektr. Sstem: Belrl br ş yapmak çn br araya getrlen ve beraber çalışan elemanların br üzeneğ veya topluluğuur. Kontrol: Ssteme kontrol elen eğşkenn eğern ölçmek ve stenen eğern ölçülen eğeren sapmasını üzeltmek veya sınırlamaktır. Tess (plant): Br onanım parçası veya br z makne parçasının beraberce görevn yapması. Tessn görev özel br ş yapmaktır. Kontrol elen herhang br fzksel nesne ( fırın, kmyasal reaktör, ş maknes vb.) br tesstr. Grş: Sstem veya kontrol elecek büyüklüğü kontrol etmek çn uygulanan grş snyalr. Kontrol elen eğşken (çıkış): Ölçülen ve kontrol elen büyüklük veya urum. Normal olarak kontrol elen eğşken sstemn çıkışıır. Servo sstem: Br servo sstem veya servo mekanzma br ger beslemel kontrol sstem olup sstemn çıkışı mekank konum, hız veya vme olablr. Bu tanıma göre, servo sstem le konum (hız veya hızlanma) kontrol sstemler aynıır. Servo sstemler moern enüstre çok yaygın olarak kullanılmaktaır. Örneğn tamamen otomatk çalışan takım tezgâhları. Kapalı çevrm kontrol sstemlerne örnekler; hız kontrol sstemler, robot kontrol sstem, sayısal kontrol sstem, sıcaklık kontrol sstem ve trafk kontrol sstem olarak verleblr. 2.2 Ger Beslemel Kontrol Sstemler Kontrol sstemler oğal olarak k tpte sınıflanırılır. Bunlar; açık çevrm kontrol sstem ve kapalı çevrm kontrol sstemr. Sstemn tp, kontrol elen eleman le kontrol een eleman arasınak lşkye bağlı olarak belrlenr.

17 Açık Çevrm Kontrol Sstemler Çıkış büyüklüğünün grş büyüklüğü üzerne etksnn olmaığı kontrol sstem olarak alanırılır. Başka br faeyle, açık çevrm kontrol sstemne kontrol een eleman kontrol elen eleman üzernek etksn blmez Kapalı Çevrm Kontrol Sstemler Kapalı çevrml ssteme gerçek çıkış le stenen şart arasınak yakınlık ger besleme elemanının avranışına çok bağlıır. Br ger besleme sstem yapısal olarak genellkle aynı elemanlaran kurulu br açık öngü sstemnen çok aha oğru sonuç verr. Şekl 2.1 Ger besleme kontrol sstemnn blok yagramı Şekl 2.1 e gösterlen tpk ger besleme kontrol sstemne oluğu gb bütün ger besleme kontrol sstemne beş ortak eleman varır. Bunlaran lk grş snyal veya referans eğşken ( R ) olup stenen çıkışı veya kontrol elen eğşken ( knc eleman, C ) belrler. Üçüncü eleman ( H ) se çıkış snyalnn ölçülmesn ve grşe ger beslemesn çerr. Ger besleme, oğruan veya ölçme eğern orantılı br şekle temsl een br büyüklük le yerne getrlr. Karşılaştırma veya toplama örüncü elemanır ve görev grş snyal le çıkıştan sağlanan ger besleme snyaln karşılaştırmaktır. Karşılaştırmanın sonucu, br fark veya hata snyalr. Bu hata snyal (ε ), enetleyc ( G ) sürer. Beşnc eleman olan enetleycnn görev se stenen çıkış snyaln üretmektr. Genellkle enetleyc tarafınan temsl elen şlem, performansı kontrol elecek sstem veya chazı çerr. 2.3 Sstemler ve Sınıflanırılması Pozsyon Kontrol Sstemler ve Dferansyel Br Chazan Fayalanma En bast kontrol sstemlernn esas prenspler ğer tp kontrol tplerne e ve özellkle bazı csmlern pozsyonlarının ayar ve kontrolüne e uygulanablr.

18 18 Şekl 2.2 Kesntl (açık-kapalı) pozsyon kontrol sstem Bu uygulama Şekl 2.2 e şematze elmştr. Pozsyonu uzaktan ölçen ve gösteren bu chaz, yükün yer eğştrmesnn önceen belrtlmes ve kontrolü çn elverşl br hale getrleblr. Bu Şekl 2.3 e gösterlmştr. Şekl 2.3 Otomatk kesntl pozsyon servo kontrol sstem ( not: e ve c sabt makaralarır, se hareket eeblr serbest br makaraır.) Verlen bu örneklere, M ucunun hareket ne kaar küçük olursa olsun a veya b kontaklarınan brnn kapanacağı kabul elr. Anahtarın kolu le sabt kontak elemanları arasınak mesafe, gerçekte stenlğ kaar küçük yapılamaz ve bu bakıman anahtarın şletlmes çn, ne kaar küçük olursa olsun belrl br hareket yoluna htyaç uyulur. Bu steme belrl br oynaklık veya tolerans katar. Başka br faeyle, grş ve çıkış elemanlarının kararlı pozsyonları arasına sstemn meyana getrğ sonuçların oğruluğu, kontrol anahtarının açılıp kapanması çn gerekl mnmum yer eğştrme le sınırlanır. Bununla beraber, bu sıralanış sstemn şlemesnek prensb eğştrmez.

19 Kesntl (açık - kapalı) Kontrol Sstemler Şekl 2.3 e gösterlen kontrol sstemne M grş elemanının sınırlı br yer eğştrmesnn P çıkış elemanı J yükünün eşt br yer eğştrğ sonucuna varılablr. Bununla beraber yukarıak açıklamaa grş ve çıkış elemanlarının yalnız lk ve son pozsyonları ele alınmış zaman unsuruna yer verlmemştr. Bu yüzen Şekl 2.3 ek sstemn kesntl (açık-kapalı) kontrol tpne grer. Bu ssteme grş ve çıkış elemanlarının en son hareket mktarlarının eşt olmalarına rağmen grş ve çıkışın an hızları brbrnen farklı oluğu sonucu çıkar. Bu bakıman süreksz kontrole alçak hız ve oğruluk ele elemez Sürekl Kontrol Sstemler Şekl 2.3 ek sstemn çıkış ve grş elemanlarının yer eğştrmeler arasınak lşky temn ettğ fakat çıkış hızının kontrolüne sağlıklı br üzen sağlamaığı gösterlmştr. Bu ek özellk aşağıa braz farklı olarak verlen ssteme sağlanmıştır. Şekl 2.4 Otomatk sürekl pozsyon servo kontrol sstem Şekl 2.4 e gösterlğ gb br R potansyometres, Şekl 2.3 ek S anahtarının yerne konulmuştur. Bu şekle anahtarla kesntl olarak açılıp-kapanma şeklne yapılan kontrol, potansyometre le sürekl tp kontrol şeklne çevrlmştr. Bu yen stemn getrğ esas fark; potansyometrenn ayarlanablr kolunun hareketnn D feransyel makarasının hareketne eşt olarak meyana gelmes ve bu şekle B motoruna bu hareketle orantılı br gerlm uygulanır Döner Hareket Yapan Kontrol Sstemler Pozsyon kontrol sstemlerne at bunan öncek örneklere hem grş hem e çıkış elemanı oğrusal hareket yapmaktayı. Aynı veya benzer elemanlaran oluşturulmuş sstemler açısal pozsyon kontrollerne e kullanılablr.

20 20 Şekl 2.5 ek yagrama böyle br sstem şematk olarak gösterlmştr. Bu sstemn amacı; J yükünün an açısal pozsyonunun M kontrol grş mlnn eğşken açısal pozsyonunu takp eecek şekle yapmaktaır. Şekl 2.5 Bast pozsyon kontrol servo sstem blok yagramı Sstem hareketsz uruma se ve grş ml bu ana an olarak önürülürse grş ve çıkış mllernn pozsyonları arasınak açısal fark veya hata, feransyel chazını başlangıç urumunan saptırır. Bu, kontrolöre br snyal letr. Bu şekle yük, kontrolör tarafınan feransyel chazın hata snyal sıfıra gelecek şekle tahrk elr. Bu şekle kontrolör motorunun ve buna bağlı çıkış yükünün önüşü grş mlnn önüşünü takp eer. Bu bakıman bu ssteme servo sstem aı verlmştr. 2.4 Br Servo Kontrol Sstemnn Başlıca Elemanları Bunan öncek anlatılanların esas amacı kontrol ve kontrol sstemler kavramını tanıtmaktı. Düşünülen özellkler çeren bu gb sstemler; regülasyon sstemler ve servo kontrol sstemler (servo mekanzmalar) olmak üzere k genel sınıfa bölüneblr. Bununla beraber bu sınıflanırma pek kesn eğlr ve kullanılıkları belrl amaca bağlı olarak ara tplerek chazlara a rastlanır. Br regülasyon sstemne grş snyalnn özellklernn blnmes gerekr ve sstem, çıkış snyaln grş snyalnn özellklerne uyacak şekle tespt elmş br eğere sürüp götürecek şekle şler. Örneğn, Şekl 2.6 ak regülasyon sstem termostatın tespt elmş bulunan ayarına uyacak şekle, tespt elmş br sıcaklık erecesn sürürmeye çalışır.

21 21 Servo kontrol sstem veya servo mekanzmalara grş genel olarak eğşkenr ve sstem, çıkışı grş snyallern ve bunak eğşmeler yakınan takp eecek şekle şler. Pozsyon servo kontrol sstemnn gayes; uzakta bulunan br yükün kontrol grş ml veya elemanının pozsyonunu mümkün oluğunca hatasız ve hızlı br şekle takp elmesr. Böyle br servo sstem aşağıak elemanlaran oluşur; 1. Br grş elemanı veya ml 2. Br çıkış elemanı veya ml 3. Hatayı ölçen br feransyel chaz, bu chaz, sstemn grş elemanı le çıkış elemanının an pozsyonlarını karşılaştıracaktır. 4. Kontrolör, buraa, gerekl amplfkatör ve enerj kaynağı, br motor ve yükün bu motora bağlanması çn gerekl şl mekanzması ve bağlama tertpler bulunur. 5. sönürme ve stablze etme chazları. Bu elemanların şleyşler sırayla şu şekle açıklanablr; 1. Grş elemanının an pozsyonu, çıkış elemanının pozsyonu çn ama br stanart oluşturur ve servo sstemn şlemes le bu pozsyonların brbrn karşılıklı etklemes sağlanır. 2. Çıkış elemanı, ssteme grş elemanının pozsyonuna karşılık eğştrlmes sstem tarafınan sağlanan elemanır. 3. Dferansyel chaz grş le çıkış arasınak fark veya hata le orantılı br snyal verr. Bu snyal mekank br yer eğştrme veya elektrk gerlm olablr. 4. Kontrolör; feransyel chazın ürettğ hata snyal le kaz elr. Bu kontrolör, çıkış elemanı ve yüke, hata snyaln küçültecek veya sıfıra getrecek yön ve büyüklükte br tahrk ec kuvvet uygular. 5. Sönürme ve stablze etme chazları ttreşmler azaltarak, sstemn özellklern arttırmaya yarar. Buraa üşünülen servo mekanzmayı açıklayan Şekl 2.5 e tekrar önülürse, hata snyalnn kontrolörü kaz etmes ( ve olayısıyla çıkış yükünü tahrk etmesne ) rağmen, sstemn karakterstk özellğnn çıkışı feransyel chaza bağlayan halkanın oluğu görülür. Bu bağlantının gayes, hata snyaln meyana getrmek amacıyla, grş büyüklüğü le feransyel chaza karşılaştırılmasına olanak sağlamaktır. Bu şekle, bu bağlantı, çıkış büyüklüğünün

22 22 feransyele karşılaştırılması çn grşe ger verlğ br kanal oluşturur ve bu ger besleme evres kontrolör etrafınak evrey kapar. İşlemes bakımınan, şm açıklanan servo sstemn, Şekl 2.6 a gösterlen sstemle karşılaştırılması çok öğretc olacaktır. Şekl 2.6 a k grş elemanı, çıkış elemanı ve yük, S yayı le oğruan oğruya bağlanmıştır. Her k uruma a, J çıkış atalet ve F sürtünmesnn aynı oluğu kabul elmştr ve bunan başka S yayının sertlğ, grş yayı ne şekle hareket ettrlrse ettrlsn, grş-çıkış pozsyonlarını ama brbrne eşt tutacak kaar büyük seçlmş olsun. Buna rağmen Şekl 2.6 a gösterlen rekt tahrk sstem hçbr kontrol özellğne sahp eğlr ve grş elemanına yükü hareket ettrecek bütün tahrk momentn uygulanması gerekr. Bu moment, grş elemanınan oğruan oğruya yüke aktarılacaktır. Şekl 2.5 e gösterlen servo ssteme se, grş elemanınan yüke hçbr moment uygulanmaz. Bunan olayı servo mekanzmaa grş ve çıkış pozsyonları brbrleryle karşılaştırılır ve aralarınak fark br hata snyalne çevrlr. Bu snyal, kaynağınan kontrolör yarımıyla gerekl enerjy serbest hale geçrr. Bu kaynak kontrolörü uyarır ve kontrolör e yüke, grş elemanının pozsyonuna uygun br pozsyona getrmek çn gerekl olan moment üretr ve uygun pozsyona gelş feransyelek hızın sıfıra gelmesyle olur. Bu şekle grş elemanının tahrk üzen, yükü tahrk şnen tamamıyla ayrı tutulmuştur. Yükün tahrk ş kontrolör le buna bağlı enerj kaynağınan fayalanılarak yapılmıştır. Şekl 2.6 Doğruan oğruya tahrkle pozsyona getrme sstem 2.5 Servo Motorlar Servo motorlar bazen kontrol motorları olarak a alanırılırlar, elektrk motorları olup özellkle ger beslemel kontrol sstemlerne çıkış hareketn kontrol ec olarak kullanılmak üzere tasarlanır ve üretlrler.

23 23 Servo motorların güçler brkaç wat tan brkaç yüz watt a kaar olablr. Servo motorlar yüksek hız tepksne sahptrler. Bu özellk se servo motorların üşük rotor ataletne sahp olmalarını gerektrr. Bu motorlar aha küçük çaplı ve aha uzunurlar. Servo motorlar normal olarak üşük veya sıfır hıza çalışırlar ve bunan olayı moment veya güç eğerler aynı olan klask motorlara göre boyutları aha büyüktür. Servo motorlar, robotlar, raarlar, blgsayar, takım tezgahları, zleme ve yol gösterme sstemler ve şlev enetleycler olarak kullanılablr. Günümüze hem DA hem e AA servo motorlar kullanılmaktaır DA Servo Motorlar DA servo motorlar yabancı uyartımlı DA motorlar veya kalıcı mıknatıslı DA motorlarır. Şekl 2.7 Da servo motor (a) şematk yagramı (b)enüv ve alan mmk ler (c) moment-hız karakterstkler Yabancı uyartımlı br DA servo motorun şematk yagramı Şekl 2.7(a) a gösterlmştr. Temel çalışma prensb klask DA motorları le aynıır. DA servo motorlar genellkle enüv gerlm le kontrol elr. Enüv, büyük renç eğerne sahp olacak şekle tasarlanır. Böylece moment-hız karakterstkler oğrusal olmaktaır. Enüv mmk ve uyartım alanı mmk br DA maknesne brbrlerne ktr. ( Şekl 2.7(b) ). Bu özellk, hızlı moment tepks sağlar. Çünkü moment ve akı brbrlernen bağımsızırlar. Bunan olayı enüv gerlmek veya akımınak aım şeklnek br eğşm sonucuna, rotorun hızına veya konumlamaa hızlı eğşklkler gerçekleştrlr.

24 AA Servo Motorlar DA servo motorların güçler brkaç wat tan brkaç yüz wat a kaar olablr. DA servo motorlar, yüksek güçlü uygulamalara a kullanılır. Günümüze, AA servo motorlar hem üşük hem e yüksek güç uygulamalarına kullanılmaktaır. AA motorların yapıları bast, ataletler üşüktür. Ancak, genellkle oğrusal olmayan özellk gösteren ve yüksek manyetk bağa sahp maknelerr. Ayrıca, moment-hız karakterstkler DA servo motorlarınk gb eal eğlr. Bunların yanı sıra, AA servo motorlar aynı boyuttak DA servo motorlar le karşılaştırılıklarına aha üşük momente sahptrler İk Faz Servo Motorlar Kontrol sstemlerne kullanılan çoğu AA servo motorlar, k faz sncap kafesl asenkron maknelerr. Frekansları normal olarak 60 Hz veya 400 Hz olablr. Yüksek frekans, hava yolu sstemlerne kullanılmaktaır. Şekl 2.8 İk faz aa servo motor

25 25 Şekl 2.9 İk faz servo motorun moment-hız karakterstğ İk-faz AA servo motorun şematk yagramı Şekl 2.8 e gösterlmştr. Stator, brbrnen 90º elektrk açılı ağıtılmış k sargıan oluşur. Sargının brs referans fazı veya sabtlenmş faz olarak alanırılır ve genlğ sabt br AA gerlm kaynağına ( Vm < - 0º ) bağlanır. Dğer sargı se kontrol fazı olarak alanırılır ve referans fazı le aynı frekansa sahp genlğ ayarlı br AA gerlmle beslenr. Ancak kontrol fazı le referans fazı arasına 90 elektrk ereces varır. Kontrol fazının gerlm genellkle br servo yükselteçten sağlanır. Motorun önüş yönü, kontrol fazı le referans fazı arasınak faz lşksnn ler veya ger olmasına bağlıır. Dengel k faz gerlmlernn genlkler eşt ( Va = Vm ) oluğuna motorun moment-hız karakterstğ üç faz asenkron motora benzerr. Düşük rotor rençlerne bu karakterstk oğrusal eğlr. ( Şekl 2.9 ). Böyle br moment- hız karakterstğ, kontrol sstemlerne kabul elemez. Ancak, rotor renc yüksek se moment- hız karakterstğ Şekl 2.9 a k gb genş br hız aralığına özellkle sıfır hız sevyelerne aslına oğrusalır. İk faz asenkron makney kontrol etmek çn referans sargısı genlğ sabt br alternatf gerlm le kontrol sargısı se genlğ ayarlanablen br alternatf gerlmle beslenr. Örnek Uygulama: Raar Konum Kontrolü İk faz AA servo motorun kullanılığı kapalı öngü kontrol sstemne br örnek olarak Şekl 1.10 a gösterlen raar anten konum kontrol sstem verleblr.

26 26 Şekl 2.10 Raar konum kontrol sstem Buraa, konum blgs sağlayıcı olarak k aet potansyometre kullanılır. Referans potansyometres, stenen konum komutuna ( θr ) bağlı olan br ( Er ) gerlm üretr. İknc potansyometre se servo motorun mlne mekank olarak monte elr ve motorun çıkış ml konumuna ( θ ) orantılı br gerlm ( E ) üretr. Bu k gerlm arasınak fark ( Ee=Er-E ) böylece konum hatasına ( θr θ ) orantılıır. Bu hata br servo yükseltc besler. Servo yükselteç se konum hatasını sıfıra azaltmak çn kontrol fazı sargısına uygulanması gerekl olan gerlm ( Va ) üretr Üç Faz AA Servo Motorlar DA servo motorlar, yüksek güç servo sstemlern uygulama alanlarına yaygın olarak kullanılmaktaır. Ancak, son yıllara yüksek güç servo sstem uygulamalarına üç faz asenkron motorun servo motor olarak kullanımı üzerne yapılan araştırmalar başarıya ulaşmış ve üç faz asenkron motor enüstre yüksek güç uygulamalarına hızlı br şekle yern almaya başlamıştır. Üç faz asenkron motor yapı olarak ayanıklı olmakla beraber oğrusal olmayan br özellğe sahptr ve bunan olayı kontrolü karmaşıktır.

27 27 Şekl 2.11 Vektör kontrollü üç faz asenkron motorun servo motor kullanımı Son yrm yılak çalışmalar, üç faz asenkron motorun yabancı uyartımlı DA motoru gb kontrol elebleceğn göstermştr. Üç faz asenkron motorun stator akım vektörünün, brbrne k ve brbrnen bağımsız k bleşenle temsl elğ ve k bleşenleren brsyle momentn, ğeryle akının kontrol eeblğ teknğe vektör kontrol veya alan yönlenrme enlmekter. Bu teknk yüksek hız tepks ve yüksek moment tepks sağlamaktaır. Şekl 2.11 e vektör kontrollü üç faz asenkron motorun servo motor olarak kullanılmasına lşkn br blok yagramı verlmştr.

28 28 3. SANAYİDE SERVO MOTOR OLARAK KULLANILAN ELEKTRİK MAKİNELERİ 3.1 Anahtarlamalı Relüktans Motor Grş Moern anahtarlamalı relüktans motoru özellklernn br kısmını kapsayan aım motoru 1920'lere C.L. Walker tarafınan Abereen'e cat el. Gelşen süreçte anahtarlamalı relüktans motorları lk olarak 1838'e İskoçya'a br lokomotfn çalıştırılması çn yapılan araştırmalara ortaya konulan br fkrr (MIL93). Anahtarlamalı relüktans motorlar ortaya çıkmasınan kısa br süre sonra nsan yaşamının brçok yerne kullanılmaya başlanmıştır. Örneğn; ev aletler, klma sstemler, motor sürücüler, pompa motoru, otomobl ve emryolu teknolojsne kullanılmaya başlanmıştır. Düşük güçlü uygulamalara, am mıknatıslı senkron motorlar, yüksek vermllğ ve y performansınan olayı aha yaygın br şekle kullanılmıştır. Değşken hız uygulamalarına se bastlk ve güç konverter gereksnm, anahtarlamalı relüktans motorları, nüksyon ve PM motorlarına nazaran aha çekc yapmıştır. Anahtarlamalı relüktans motorlar, çft katlı sargılara sahp, statorun bağımsız sargılarına se tek uyartımlı br makner. Anahtarlamalı relüktans motorların stator yapısı, PM motorununk le benzerlk gösterr fakat rotor yapısı herhang br am mıknatısa sahp olmaığı çn aha bast yapıaır. Kutuplara stator sargıları, motorun br fazını oluşturmak ser veya paralel bağlanır. Anahtarlamalı relüktans motorlar çeştl kombnasyonlara stator ve rotor kutuplarına sahptr. Örneğn; (6 stator kutbu ve 4 rotor kutbu) 6/4 gb, 8/4, 10/6, 12/6 vb. 4/2, 2/2 bçmler e mümkünür fakat rotor ve stator kutuplarının tamamen hzaya gelmes esnasına gerekl başlangıç momentn oluşturması mkânsızır. Stator ve rotor kutup sayılarının artması momenttek algalanmayı azaltır. Genel olarak motor tasarımı; elektromanyetğn temel lkelern göz önüne alarak aım aım yapılır. Boyutların seçmyle, hzalı ve hzasız konuma enüktans hesaplaması çn br proseür belrlenr. Bu yöntem lk olarak (COR79) tarafınan yapılmış olup, zaman çne farklı araştırmacılar tarafınan brçok metot tanımlanmıştır,( MAT89) ve (RAD94).

29 Anahtarlamalı Relüktans Motor Tanımı 1969 an günümüze kaar, çeştl tptek anahtarlamalı Relüktans motorlar çeştl hız uygulamaları çn terch elmşlerr. Bu motor çeşnn ortaya çıkması 1842 öncelerne kaar ayanır fakat motorun cat elmes yüksek güçlü anahtarlama elemanların ortaya çıkmasıyla brlkte olmuştur. Anahtarlamalı Relüktans motor, senkron motor gb görünse e farklı özellklere sahp olması onu senkron motor tpnen ayrı tutmaktaır. Anahtarlamalı Relüktans motorun stator sargıları br DC motorun stator sargıları gb oluşturulmuştur. Ayrıca rotoruna herhang br sargı veya mıknatıs bulunmamaktaır. Hem statorun hem e rotorun belrgn kutup sayıları varır. Farklı kutup sayılarına sahp çeştl anahtarlamalı Relüktans motorların rotor stator şekller aşağıa gösterlmştr. Motor tetklenğne rotor kutbu, stator kutbu le aynı hzaya gelmeye çalışır. Manyetk br evree, hareketl kısım ( rotor ), tetklenme oluğuna, mnmum manyetk renc sağlayacak br konuma gelmeye çalışır. İk rotor kutbu, k stator kutbu le hzaya gelrken ğer rotor kutupları stator kutupları le olan hzasını bozar. 6/4 kutup 8/6 kutup 12/10 kutup Şekl 3.1 Anahtarlamalı relüktans motor konfgürasyonları. (a) her kutupta tek ş. (b) her kutupta çft ş (12/10 kutuplu)

30 30 Daha sonra sırasıyla ğer stator kutupları tetklenerek sıraak rotor kutuplarının hzaya getrlmesn sağlar. Bu şekle, stator sargılarınak akımı eğştrerek rotorun önme hareket gerçekleştrlr. Rotor hareketne, moment ve güç üretmnen olayı, manyetk rencn eğşmesyle stator sargılarınak akımlar tetklenr. Bu motor tp çn eğşken hızlı motor sürücüler tasarlanmıştır Anahtarlamalı Relüktans Motorun Bast Çalışma Prensb Rotor kutuplarının ( r 1 ve r ) stator kutupları le ( c 1 ve c ) le aynı hzaa oluğunu 1 üşünelm. Şekl 3.2a a gösterlen uruma stator sargılarını enerjlenrelm. 1 Şekl 3.2 Anahtarlamalı relüktans motorun çalışması. (a) fazlar hzalı. (b) fazlar hzasız Tetklemeen sonra rotor kutupları ( r 2 ve r 2 ) stator kutupları ( a ve a ) le aynı hzaya gelr. Kutuplar karşılıklı hza urumuna gelğ zaman stator akımı keslr ve Şekl 3.2b ek urum ortaya çıkar. Şm statorun b ve b kutuplarınak sargılar tetklenr ve rotorun r 1 ve r 1 kutuplarını saat yönüne önürerek hzaya gelmesn sağlar. Aynı şekle statorun c ve c kutupları tetklenerek rotorun r 1 ve r 1 kutuplarının hzaya gelmesn sağlar. Böylelkle rotorun saat yönüne 90º önmes stator sargılarınak 3 fazın sırayla tetklenmes le olur.

31 31 Rotorun tam br evres çn stator fazlarının rotor kutup sayısına tetklenmes gerekr. Fazlaran herhang ksnn tetklenme sırası eğştrlrse eğer rotorun önüş yönü eğştrleblr Anahtarlamalı Relüktans Motorunun Çalışmasının İlkes Anahtarlamalı Relüktans motoruna tork üretm, br bobne meyana gelen elektromekank enerj önüşümü le açıklanmaya çalışılmıştır. Bu urum Şekl 3.3a a gösterlmştr. Bobnn N sarıman oluğunu üşünelm. Eğer bobn br akımı le enerjlenrlğn zaman φ fluxu meyana gelr. Magnetomotor kuvvetnn eğşm (mmf) hava aralığının farklı k eğer çn ( x 1 > x 2 ) aşağıak Şekl 3.3b e gösterlmştr. x 1 çn mmf karakterstğnek eğşm oğrusalır çünkü hava aralığının manyetk renc baskınır. Manyetk evrek hava aralığı akısını aha küçük yapmak çn elektrk grş enerjs şu şekle yazılır; NΦ W e = et = t = NΦ = FΦ (3.1) t e F : Elektromanyetk kuvvet : Magnetomotor kuvvet Şekl 3.3 Seleno ve karakterstğ. (a) seleno. (b) akı ve mmf grafkler W e ; grş elektrk enerjsr. Bobne epolanan ( toplamına eşttr. e f m W f ) ve mekank enerjnn ( W m ) W = W + W (3.2)

32 32 Herhang br mekank şn yapılmaığı zaman, x 1 pozsyonuna başlayan rotorak gb, epolanan elektrk enerjs; (3.1) eştlğnek grş elektrk enerjsne ( Şekl 3.3b e gösterlen OBEO alanı le fae elr. W e ) eşttr. Bu urum, Alan enerjsnn tamamlayıcısı coenerj olarak alanırılır. Şekl 3.3b e OBAO alanı le ve matematkte e φ F le fae elr. Benzer şekle rotorun x 2 konumu çn alan enerjs; OCDO alanı tarafınan gösterlr ve coenerj OCAO alanı tarafınan gösterlr. Artımsal eğşkenler çn (3.3) eştlğ şu şekle yazılır. δ W = δw + δw (3.3) e f m Şekl 3.3b e A çalışma noktasına, sabt F 1 çn çeştl enerjler aşağıak enklemler gb tanımlanır; φ 2 δw ( ) e = F φ = F φ φ1 = alan( BCDEB) φ (3.4) δ W = δw δw = alan( OCDO) alan( OBEO) (3.5) f f x= x2 f x= x1 (3.3) ve (3.5) eştlklernen yararlanılarak, mekank enerj W m şu şekle fae eleblr; δ W = δw δw alan(obco) (3.6) m e f = Ele elen magnetomotor kuvvet araa kalan OBCO alanı le fae elr. Dönme hareket yapan br elektrk motoruna, elektromanyetk tork bakımınan artan mekank enerj rotor konumunak eğşklk arasınak bağlantı şu şekle fae elr; δw = Teδθ (3.7) m Bu faee T e ; elektromanyetk tork, δθ se rotor açısını gösterr. Buraan elektromanyetk tork şu şekle fae eleblr; δw T m e = (3.8) δθ Elektromanyetk kuvvetn sabt oluğu urumlara, artımsal mekank ş coenerjek eğşklğn oranına eşttr. W f ' buraa hçbr şey eğlr fakat alan enerjsnn tamamlayıcısını fae eer. Böylelkle yapılan artımsal mekank ş şu şekle fae eleblr;

33 33 δ W δw (3.9) m = f W f = ( λ L( θ, ) (3.10) ΦF = Φ N) = ( NΦ) = ( θ, ) = Yukarıak enklem; ( L: enüktans, λ : akı kaçağı ) rotor konumu ve akımı arasınak eştlğ gösterr. coenerjek herhang br eğşklk k rotor konumu olan θ 1 ve θ 2 arasınak alan le fae elr. Bu yüzen; hava aralığı torku aşağıak faee gösterlğ gb rotor açısal konumu ve akımı le fae eleblr. δ W δw δw (, θ ) m f f T e = = = = sabt δθ δθ δθ (3.11) Eğer enüktans lneer se k bu urum pratkte pek mümkün olmaz, tork faes şu şekle yazılablr; T e = 2 L( θ, ) θ 2 (3.12) (3.12) faesnen (3.13) faes çıkarılablr. L( θ, ) θ = L( θ 2, ) L( θ1, ) θ θ 2 1 = sabt (3.13) (3.13) e göre feransyel enüktans eğer, sabt tork urumuna Nm/A²le fae elr. Fakat enüktans faesnn sabt kalamaığı zamanla eğştğ göz arı elmemelr. Bu uruma, anahtarlamalı relüktans motorunun, c ve ac motorun sahp oluğu sürekl halek evreye (steay-state) sahp olamayacağı anlamına gelr. (3.12) enklemnen çıkarableceğmz teork sonuçlar aşağıa sıralanmıştır; 1. Tork akımın kares le orantılıır. Bu yüzen, akım, tek yönlü tork üretmek çn tek yönlü olablr. Bu ac maknelerek urumun tam aksner. Bu tek yönlü akımın ayrı br avantajı se; sargı fazlarınak akımın kontrolü çn tek br anahtarlamanın yeterl olmasıır. Bu özellk konverterlere güç anahtarlamalarının sayısını azaltır ve kontrolü ekonomk hale getrr. 2. Tork sabt, örneğn rotor konum karakterstğnek enüktansın eğm le fae elr. Br stator sargısınak enüktans eğernn rotor konumuna ve rotor akımına bağlı oluğu görülür ve bu urum enüktans eğer eğşmn oğrusallıktan çıkartıyor. Bunun oğrusal olmamasınan olayı, bu motor çn bast br evre eştlğnn ortaya konması mümkün eğlr.

34 34 3. Tork, akımın kares le oğru orantılı oluğu çn bu motor br DC motorlara benzer. Bu yüzen anahtarlamalı relüktans motorunun başlangıç torku gayet yr. 4. Enüktans eğşmnn negatf olması urumuna meyana gelen tek yönlü br akımla herhang br hareket oluşturulablr. 5. Rotor hareketnn yönü, stator sargılarınak faz sırasının eğşm le bastçe eğştrleblr. 6. Tork ve hız kontrolü, konverter le yapılır. 7. Bu motor, çalışablmes çn kontrol eleblr br konvertere htyaç uyar ve ayrıca rekt olarak 3 fazlı br güç kaynağınan beslenemez. Bu yüzen, sabt hız uygulamaları çn bu motor sürücüsü nüksyon ve senkron motorlarla karşılaştırılığına pahalıır. 8. Çalışablmes çn br konvertere htyaç uymasınan olayı, bu sstem, br eğşken hızlı motor sürücü sstemr. 9. Anahtarlamalı relüktans motorunun stator sargıları arasına çok az mktara karşılıklı enüktans varır ve bu çoğu pratk uygulamalara hmal elr. Sargılar arası karşılıklı etkleşm hmal elğnen olayı, her fazın elektrklenmes ğer fazlaran bağımsız olarak gerçekleştrlr. Bu anahtarlamalı relüktans motorunu ğer motor çeştlernen ayrı tutan en öneml özellklernen brr. Bu özellkten olayı, herhang br faza beklenmek br hatanın örneğn kısa evrenn, ğer fazlara herhang br olumsuz etks olmaz. Böylelkle ğer fazlarak normal çalışma evam eer ve hatanın oluğu anan öncek ve sonrak gerlm gereksnmne herhang br eğşklk olmaz. Motorun stator sargı fazlarının brbrnen tamamen ayrı olması, bu motora, hava aracı aktüatörlerne ve jeneratörlere büyük br kullanım alanı sağlar. aktüatörler savunma sanayne, motorlar nükleer güç üntelernek pompalara, çekme ve elektrk maknelerne yaygın olarak kullanılır. Bu motor çeşnn ğer motor çeştler le karşılaştırılmasının uç noktaak örneğ; tek fazlı PM motorlarak kısa evre hatasının ve anahtarlamalı relüktans motorlarak kısa evre hatasının karşılaştırılmasıır. 10. Tüm güç konverter konfgürasyonlarına, ğer motor türlernn aksne, her çalışma evres çn akımın tek yönlü olması, DC kaynak gerlm altınak motor sargı fazlarının ser br bçme anahtarlanablmesne olanak sağlar.

35 35 Motora, kısm sargı hatası, anahtarlama hatası veya kısa evre hatasının olması htmalne karşın, hataları zole etmek çn akım yükselmesne öneml br geckme zamanı varır. Hatta güç anahtarlama hatası esnasına akıma herhang br artış veyahut eğşklk gözlenmez. Karşılaştırmaa; tüm ğer AC motor sürücüler, DC kaynağı karşılayan evresne k aet güç anahtarlama evresne htyaç uyar, anahtarlama evresnn merkez nokta bağlantısı le son motor sargı fazı rtbatlanırılır. Tek br faz çn tüm bu üzenlemeler faz bacağı veya nverter olarak alanırılır. İnverterek saece br tek anahtarlama herhang br zamana gerçekleşeblr. Anahtarlama esnasınak herhang br küçük zamanlama hatası DC besleme kaynağına kısa evre hatasına yol açacaktır. Yukarıa yapılan açıklamalaran sonra, aşağıak özellklere sahp olmasının harcne, anahtarlamalı relüktans motorunun genel olarak step motora benzeğn söyleyeblrz. 1. Daha az kutup 2. Daha büyük aım açısı 3. Daha yüksek güç çıktısı 4. Kutup başına üşen ş sayısı ( genele br tane ) Manyetk evrenn lneerszlğ yüzünen, karşılaştırma şlemne aha fazla evam elemez Enüktans ve Rotor Konumunun Arasınak İlşk Motor sürücü evrelernn sınırlamalarını ve kontrol olanaklarını oluşturablmek çn, akıma bağlı olarak eğşen akı kaçağı ve rotor pozsyonu arasınak lşkyle belrlenen tork karakterstklerne htyaç uyulur. Örneğn, rotor konumu le enüktansın eğşm Şekl 3.4 te gösterlmştr. Buraak enüktans eğer, oymanın hmal elğ anahtarlamalı relüktans motor çn tanımlanmıştır. Enüktansın eğer, rotor ve stator kutuplarının genşlkler ve rotor kutup sayısına göre eğşkenlk gösterr. Genellkle rotor kutup genşlğ, moellemelere stator kutup genşlklernen büyük kabul elr. Şekl 3.4a ve b e çeştl rotor açılarının ele elş formüller verlmştr.

36 36 1 2π θ 1 = ( β s + β r ) (3.14a) 2 P r 2 = θ 1 β s (3.14b) θ + θ = θ + ( β r β ) (3.14c) 3 2 s 4 = θ 3 β s (3.14) θ + 2π θ = θ + θ (3.14e) = P r β s : stator kutup genşlğ β r P r : rotor kutup genşlğ : rotor kutup sayısı Rotor pozsyonu Şekl 3.4 (a) İk kutuplu br temel anahtarlamalı relüktans motoru çn rotor konum tanımı (b) rotor konumuna göre enüktans eğşm eğrs Yukarıak şekle göre 4 ayrı enüktans bölges ortaya çıkar.

37 θ1 ve θ4- θ5: Stator ve rotor kutupları bu bölgelere üst üste gelmez ve eğşm aha çok hava aralığı tarafınan belrlenr. Bu bölgelere enüktans mnmuma yakın br eğere br sabttr. Bu yüzen bu bölgelere tork üretmne br katkıa bulunulmaz. Bu bölgelere enüktans hzaya getrlmemş enüktans olarak alanırılır, Lu. 2. θ1- θ2: Kutuplar üst üste gelr. Bu yüzen bu aralıktak eğşm rotor ve stator kutupları arasınak hava aralığı tarafınan belrlenr. Rotor pozsyonuyla brlkte enüktans eğer poztf br eğmle artmaktaır. Bu bölgee sargı akımları sürüş esnasına poztf br tork meyana getrr. Bu bölge kutupların tamamen üst üste gelmesnn sonlanmasıyla tamamlanır. 3. θ2- θ3: Bu peryot boyunca; rotor kutbu stator kutbunu tam olarak karşılamaz ve baskın olarak hava aralığını eğştrmez. Böylelkle enüktans maksmum eğere sabtlenr ve enüktans hzaya getrlen enüktans olarak alanırılır, La. Bu bölgee enüktans eğerne herhang br eğşklk olmaığı gb, herhang br akıma tor üretm sıfırır. Buna rağmen bu urum komütasyonu önleyc br göreve sahptr. Böylece bell br zaman çn negatf tork üretm engellenmş olur. 4. θ3- θ4: Rotor kutbu, bu bölgee stator kutbunu kaplamaktan uzaklaşıyor. Bu bölge, θ1- θ2 bölgesne olukça benzerr. Fakat bu bölgee rotor pozsyonunak artış ve enüktans azalması, negatf eğml bölgey oluşturur. Bu bölgee maknenn çalışması negatf tork le sonuçlanır. ( yan anahtarlamalı relüktans motor bu bölgee jeneratör olarak çalışır. ) Doyma etks yüzünen Şekl 3.4 ek enüktans eğşm eğrsn tam olarak ele etmek olanaksızır. Doyma, nüve karakterstğne eğşmlere sebep oluğu çn eal enüktans eğşm eğrsne bozulmalara neen olarak tork sabtn üşürür. Bu yüzen maknenn oyması, çıkışta ele elen tork ve güç faesnek verm üşürür. Dkörtgensel akımlar çn tetklenme anına büyük br tork algalanmasıyla karşılaşmak büyük olasılıktır. Bu, gürültünün artmasına ve hız salınımlarının sapmasına neen olablr. Tork algalanmaları, arışık k fazın enüktans eğşmlernn brbrlern takp eecek şekle tasarlanan br motora mnmuma nrlr. Bu tasarım rotor ve stator kutuplarının sayısının ve genşlklernn oğru br şekle seçlmes le gerçekleştrlr. Tork algalanmalarını azaltmanın br ğer yöntem buraa bahsetmeyeceğmz akımlara yön şekl verme yöntemr Anahtarlamalı Relüktans Motorun Bast Devre Eştlkler ARM u çn bast br evre, fazlar arasınak ortak enüktansı hmal eerek tasarlanablr. Br evreye uygulanan gerlm eğer; rençtek gerlm üşümü ve akı kaçağının zamana oranının toplamı le ele elr ve şu şekle fae elr;

38 38 V R s λ(θ, ) = Rs + (3.15) t : faz başına üşen renç eğer λ : faz başına kaçak akı λ = L (θ, ) (3.16) L : rotor konumuna ve faz akımına göre enüktans eğer Faz gerlm eştlğ aşağıak gbr; { L( θ, ) } θ L( θ, ) L( θ, ) v = Rs + = Rs + L( θ, ) + = Rs + L( θ, ) + ωm (3.17) t t t θ t θ Bu enkleme, sağ taraftak faeler sırasıyla, rençtek gerlm üşümünü, enüktf gerlm üşümünü ve emf y fae eer. Sonuç olarak bu fae, c motor gerlm enklemne olukça benzerr. Emf eğer ( e ) şu şekle ele elr; e = L( θ, ) ω m = K bωm θ (3.18) c motor faesnekne benzer olarak K b buraa şu şekle fae elr, L( θ, ) K b = (3.19) θ Fakat buraa emf sabtnn çalışma noktasına ve sabt akım esnasına ele elğne kkat etmek gerekr. Gerlm enklemnen ve emf faesnen anahtarlamalı relüktans motorun tek faz bast evre şekl aşağıak şekle gösterlmeye çalışılmıştır. Gerlm enklemne akı kaçağı faesn yerne koyarak ve akım faelernn yerne koyulmasıyla an grş güç enklem ele elr. 2 2 L( θ, ) P = v = Rs + + L( θ, ) (3.20) t t

39 39 Şekl 3.5 Anahtarlamalı relüktans motorun tek faz evres İfaeek son 2 term aşağıak gb kısaltablrz. 1 L L L ) 2 1 ( θ, ( θ, ) = ( θ, ) + 2 t 2 t 2 t (3.21) Yukarıak faey, ana enkleme yerne koyarsak; P L R ( θ, ) = s + L( θ, ) + 2 (3.22) t 2 2 t Buraa P grş gücünü fae eer. Bu enklem, açıklanan metnleren ele elr. R s ², grş gücünün renç kayıplarınan oluştuğunu gösterr. Alan enerjsnek eğşklğn oranı se p[ L(θ,)²/2 ] fae le gösterlr ve hava aralığı gücü olan Pa; [ ²pL(θ,)] / 2 le gösterlr. P se feransyel operatör olarak fae elr ve /t le gösterlr. P nn rotor konumu ve hızın zamana göre eğşm aşağıak fae le gösterlr. θ t = (3.23) ω m Sonuç olarak hava aralığı güç enklem aşağıak gb fae elr; P a 1 2 L( θ, ) 1 2 L( θ, ) θ 1 2 L( θ, ) = = = ωm (3.24) 2 t 2 θ t 2 θ Hava aralığı gücü, elektromanyetk moment ve rotor hızı le ele elr. P a = ω T (3.25) m e Genel moment faes se bu k enklemen aşağıak gb ele elr;

40 40 1 L( θ, ) T e = 2 (3.26) 2 θ Anahtarlamalı relüktans motorun hem geçc hal urumu hem namk anları çn hava aralığı gücü, grş gücü ve elektromanyetk moment faes ele elmş olu. 3.2 Fırçasız Doğru Akım Motoru Grş Geleneksel c motorlar yüksek vermler ve karakterstkler sayesne servo motor uygulamalarına kullanım alanı bulurlar. Buna karşın, komütatör ve fırçalı yapılarının bakıma htyaç uyması, bu tp motorların en öneml ezavantajıır. Komütatör ve fırçanın yerne anahtarlama elemanlarının kullanılığı, bakım gerektrmeyen oğru akım motoruna fırçasız oğru akım motoru enr. Bu bölüme, fırçasız oğru akım motorunun; temel yapısı, sürücü evreler, temel prenspler, sürekl hal karakterstkler ve uygulama alanları açıklanacaktır Yapısı ve Sürücü Devreler Temel Yapısı Yapı bakımınan fırçasız oğru akım motorları, sabt mıknatıslı senkron motora benzerlk gösterr. Şekl fazlı br fırçasız oğru akım motorunun yapısını göstermekter. Stator sargıları çok fazlı br ac motorun stator sargılarıyla benzerr ve rotoru se br veya aha fazla sabt mıknatıstan oluşmuştur. Fırçasız oğru akım motorunu ac senkron motoran ayıran en öneml özellk, rotor konumunun (veya manyetk kutupların) belrlenerek Şekl 3.7 e görülen anahtarlama elemanlarının tetklenmesr. En çok kullanılan konum/kutup sensörü Hall sensörür. Bazı uygulamalara optk sensörlere kullanılablr. Dam mıknatıslı rotor Sargılar Hall algılayıcıları Şekl 3.6 Üç fazlı br fırçasız oğru akım motorunun yapısı

41 41 En verml ve en y karakterstğe sahp fırçasız oğru akım motorunun 3 fazlı olmasına rağmen, bast yapısı bast sürücü evresne sahp olması bakımınan 2 fazlı fırçasız oğru akım motorlara çokça kullanılır. Şekl 3.8 e ış çıkık kutuplu 2 fazlı br fırçasız oğru akım motorunun kest görülmekter. DC kaynak PM ac Motor Pozsyon sensörü Elektronk komütatör Lojk evre Şekl 3.7 Fırçasız oğru akım motoru = am mıknatıslı ac motor + elektronk komütatör Şekl 3.8 İk fazlı fırçasız oğru akım motorunun kest Her ne kaar normal c motorlarla fırçasız c motorlar karakterler bakımınan brbrlerne benzese e, brçok açıan aralarına öneml sayılablecek farklılıklar varır. Tablo 3.1 bu k tp motorun avantaj ve ezavantajlarını karşılaştırmaktaır. Elektrk motorlarının fonksyonlarını tartıştığımız zaman, göz arı etmememz gereken en öneml nokta sargılar ve komütasyonur. Komütasyon; grş c akımını alternatf akıma çevrme ve enüvek her sargıya engel br şekle ağıtma şlemr. Normal br c motora komütasyon şlem,

42 42 fırçalar ve komütatörle gerçekleştrlrken, buna karşın fırçasız c motora bu şlem transstörler gb yarı letken elemanlarla gerçekleştrlr. Tablo 3.1 Fırçalı ve fırçasız oğru akım motorlarının karşılaştırılması Klask Motorlar Fırçasız Motorlar Mekank Aksam Kalıcı mıknatıslar statora Kalıcı mıknatıslar rotora Ayırt Ec Özellk Hızlı cevap ve mükemmel kontrol Uzun ömürlü, kolay ve ucuz bakım Sargı Bağlantıları Daresel, üçgen bağlantı Yüksek uygulamalara üç fazlı üçgen veya Y bağlantı, normale üç fazlı Y bağlantı, bast uygulamalara k fazlı bağlantı Komütasyon yöntem Fırça ve komütatörler vasıtasıyla Elektronk anahtarlama elemanları ( transstör ) le Rotor pozsyon algılama Fırçalar vasıtasıyla Hall element ve optk enkoerler vasıtasıyla Sürücü Devreler Tek Kutuplu Sürücü Şekl 3.9 tek kutuplu sürücü le sürülen bast br 3 fazlı motoru göstermekter. Konum blgs 120 lk açılarla yerleştrlmş olan PT1, PT2 ve PT2 foto-transstörler le alınmaktaır.

43 43 Foto transstör Foto transstör PT1 Işık kaynağı Motor şaftı Foto transstör Şekl 3.9 Tek kutuplu sürücü le sürülen bast br 3 fazlı motor Şekl 3.9 a e görülüğü gb, rotorun S kutbu, statorun P2 kutbu le karşı karşıyaır. Böylece, foto-transstor ışık alır ve Tr1 transstorunu letme geçrr. Bu uruma; W1 sargısınan akım akması sonucuna oluşan P1 ek güney kutup (S), rotorun kuzey kutbunu şeklek ok yönüne çeker. Rotor kutbu P1 le ayn hzaya gelğ ana, şafta akuple elmş kapak PT1 gölgeler ve PT2 ışık alır, böylece Tr2 transstoru letme geçer. W2 sargısınan akım aktığı zaman P2 kutbuna güney kutbu oluşur ve rotorun kuzey kutbu ok yönüne önerek P2 le karşı karşıya gelr. Bu ana, kapak PT2 y gölgeler ve PT3 ışık alır. Bu olay akımın W2 sargısınan W3 sargısına geçmesn sağlar. Böylece P2 epolarze olur ve P3 enerjlenerek br güney kutbu oluşturur. Sonuç olarak, rotorun kuzey kutbu urmaksızın P2 en P3 e geçmş olur. Şekl 3.10 ak anahtarlama olayı sırayla uygulanığına, sabt mıknatıslı rotor sürekl olarak öner.

44 44 Foto transstörler Dönme açısı (erece) Foto transstörlern çıkış snyaller Rotor pozsyonu Sargı akımları Zaman Şekl 3.10 Fırçasız oğru akım motor sargılarının tetklenme sırası, sargı akımları ve rotor pozsyonu Çft Kutuplu Sürücü 3 fazlı fırçasız oğru akım motoru, 3 fazlı köprü oğrultucu üzernen sürülüğü zaman verm en yüksek olur. Çünkü bu tp sürücüe, alternatf akım her sargıan br AC motorak gb akar. Bu tp sürücüye k kutuplu sürücü enmesnn sebeb, sargının alternatf olarak kuzey ve güney kutbuna enerjlenmesr.

45 45 Dönme yönü blgs Işık Foto transstörler Dönen kafes Şekl 3.11 Çft kutuplu sürücü le sürülen fırçasız oğru akım motoru Şekl 3.11 e k kutuplu br sürücü evres ve FDAM nun 3 faz sargısı görülmekter. Motor konumunun tespt çn yne foto-transstorlar kullanılmıştır fakat bu tp sürücüe 3 yerne 6 aet foto-transstora htyaç varır. Kapağın mle akuple elmes sebebyle, şekln sol tarafına görülen ışık kaynağınan çıkan ışık bu foto elemanlara sırayla ulaşmaktaır. Bu uruma öneml olan nokta transstorların ON/OFF urumu le foto-transstorlar arası lşkr. Lojk sıralayıcı öyle br ayarlanır k, bell br numaralı foto-transstor ışığa maruz kalınca yne aynı numaralı transstor letme geçer. Şekl 3.11, Tr1, Tr4 ve Tr5 transstorlarınan ve U ve W termnallernen akımın akışını gösterr. U ve W termnallernn potansyel kaynak potansyelneyken, V termnalnn potansyel 0 ır. Bu uruma akım U an V ye oğru akar. Şekl 3.12 e akımın W an V ye akışı gösterlmekter. Oklar her faza akımların oluşturuğu manyetk alanların yönlern gösterrken, ortaak kalın ok bleşke manyetk alanı gösterr.

46 46 Manyetk alan Stator manyetk alan yönü Tork Manyetk alan Şekl 3.12 Akımın w en v ye akışı Rotor, stator manyetk alanıyla 90 lk açı yapacak şekle yerleştrlr. Böyle br uruma rotora saat yönüne br moment oluşur. Rotor 30 önükten sonra PT5 gölgelenrken, PT6 ışık alır ve stator manyetk kutbu saat yönüne 60 önmüş olur. Böylece, rotorun güney kutbunun yaklaşması sebebyle stator güney kutbu sürekl br önüş sağlamak çn uzaklaşmış olur. Şekl 3.13 e transstorların letme geçme sıraları görülmekter. Şekl 3.13 Transstörlern letme grme sırası Şekl 3.11 ek uruma, Tr2, 3 ve 6 transstorları letmer. V termnal E potansyelneyken, U ve W 0 potansyelner. Şekl 3.14(a) a statorak manyetk alan

47 47 ters yöner ve moment saat yönünün tersner. Motor 30 önükten sonra, Tr2 kesme ger ve Tr1 letme geçer. Bu konuma, alan 60 önmüştür ve (b) ek uruma gelr. Rotor tekrar saat yönünün tersne moment ürettğ çn, saat yönünün tersne olan sürekl hareket evam eer ve alan (c) ek uruma gelr. Bu olay (a) (b) (c) () sırasıyla evam eer ve sürekl hareket sağlanır. Şekl 3.14 Stator manyetk alan yönler Bahselen motor sargılıır, bununla beraber Y bağlanmış motorlar a kullanılablr. Şekl 3.15, br lazer yazıcıa veya sabt sk sürücüe kullanılan fırçasız oğru akım motorunun pratk br sürücü evresn göstermekter. Şekl 3.15(b) e görülüğü üzere, rotorun manyetk kutuplarının konumunu tespt etmek çn kullanılan Hall elemanları 60 lk açı farkıyla yerleştrlmştr. Bu motor 4 kutuplu oluğu çn 60 lk mekank açı 120 lk elektrksel açıya karşılık gelr.

48 48 Hall element Ampl (yükselteç) Dalga ayarlayıcı evre Hall element Şekl 3.15 Fırçasız oğru akım motoru çn tasarlanan bast br sürücü evres Eşeğer Devre ve Motor Genel Denklemler Br faz çn çzlmş eşeğer evre Şekl 3.16 ak gbr. Buraa λ m stator sargısının br fazına sabt mıknatıstan kaynaklanan akı yoğunluğuur. Şekl 3.16 Fırçasız oğru akım motorunun bast evre şeması Sürekl hale; v ve e y ω açısal frekansıyla snüzoal kabul eersek, eşeğer evre Şekl 3.17 ek hal alır. Buraa; X = ωl ve V, I, E ve λ m fazörler göstermekter.

49 49 Şekl 3.17 Eşeğer evre Sürekl hal enklem aşağıak şekle yazılır V = E + ( R + jωl) I (3.27) Belrl br hızak en yüksek mekank güç çn, I ve E aynı fazaır. Bu aynı zamana en yüksek moment/akım (en üşük amper/nm) ı verr. FDAM, V le E arasına belrl br faz farkını sağlamak çn, rotoran konum ger beslemesn Hall chazları, optk chazlar enkoer vb. vasıtasıyla alır. Buraa, E rotor fazıyla aynı fazayken, V besleme gerlmnn fazınaır. wl<<r oluğunu kabul eelm; I, E le aynı faza se, V, E le aynı fazaır. Böylece evre bast br DA evresymş gb E, V ve I nın genlkleryle analz eleblr. Motorun mekank gücü, kayıplar hmal elğne, P em = m E I = mω λ I (3.28) m m faz sayısı; E, I ve λ m, E, I ve λm fazörlernn genlkler ve elektromanyetk moment; T em = P mω λm I ω (3.29) em ω = r r Buraa; ω r = 2ω/p (ra/s), p kutup sayısıır. T em mp = λm I (3.30) 2 Ml moment; T ml = T T (3.31) em kayıa E = p ωrλm 2 (3.32)

50 Fırçasız Doğru Akım Motorunun Performansı Hız-Moment (T-ω) grafğ Tekrar ω L <<R ve konum ger-beslemesnn V ve E y aynı faza tuttuğunu kabul eerek, gerlm enklem aşağıak şekle bastleştrleblr. V = E + RI (3.33) E ~ ω r ve T ~I bağıntılarını yerne koyarsak, V p 2R = ωrλm + Tem (3.34) 2 mpλ m Sabt gerlm çn çzlen T-ω grafğ Şekl 3.18 ek gbr. T yük + T kayıayıp Şekl 3.18 t-ω grafğ ( sabt gerlm ) Verm Verm grş gücü le çıkış gücü arasınak oran olarak tanımlanmıştır. η = P P çııkı grş (3.35)

51 Fırçasız Ac Motorlar ( Dam Mıknatıslı Senkron Motorlar ) Grş Frekansa ve kutup sayısına bağlı olarak her zaman sabt hızla önen motorlara senkron motor enr. Elektrksel uyartımlı olan sargıların yerne sabt mıknatısların kullanılığı motorlar günümüze olukça yaygın br şekle kullanılmakta ve önem arz etmekter. Dam mıknatıslı senkron motorlara genele rotor çekreğnn etrafınak muhafazanın üzerne sabt mıknatıslar yerleştrlr. Fakat son yıllara mıknatıslar moment kaltesnn arttırılablmes çn rotor çekreğnn çne yerleştrlmeye başlanmıştır. DMSM un brkaç özellğnen bahseersek; yüksek güç katsayısı, yüksek verm, yüksek moment-eylemszlk oranı, fırça ve blezklern olmaması, rotor yüzeyne olukların olmaması, hava aralığının hemen hemen sabt olmamasıır. Tarhte lk efa 1930 lu yıllara Al-N-Co alaşımlı sabt mıknatısların bulunması le DMSM ların tasarımı çn lk fkrler ortaya atılmaya başlanmıştır. Daha sonra 1950 l yıllara baryum, stronsyum veya kurşunun emr okstle oluşturuğu ferrt mıknatısların bulunması ve gelştrlmes bu mıknatısların elektrk maknelerne kullanılmasına olanak oğmuştur. DMSM a uyarma akımı kayıpları ortaan kalırılmıştır. Bu motor tpne stator klask br yapıya sahptr fakat uyarma akımı rotorak mıknatıslar tarafınan gerçekleştrlr. DMSM a mıknatısların, yarı letken elemanların ve kontrol teknolojsnn gelşmnn getrğ kolaylıklar bu motor çeşnn tasarım ve kontrolünün gelşmn hızlanırmıştır. [ Colby, 1998 ] DMSM un yüksek güçlere ble üşük ağırlıkta olablmes özellkle robot ve uçak teknolojsne kullanımını yaygınlaştırmıştır. Maknenn güç yoğunluğu ısı ağılımı kapastes le alakalıır. Bu motor tpne bakır, fuko ve hsteresz kayıplarının çoğu statora meyana gelmekter. Rotor kayıpları hmal elecek kaar azır. [ Pllay ve Krshnan, 1989 ] DMSM lara tasarımın en öneml parametres olan akı mıknatıslar tarafınan oluşturulur. Yüksüz uruma ken rotor hızı, gerlm le oğru akı le ters orantılıır. Motor yük altınayken se hız akım ve akı le oğru orantılıır. Bu motorlara rotor manyetk alanı oğru akım taşıyan sargılar yerne rotorak sabt mıknatıslar tarafınan sağlanır. Böylelkle alan sargısınak bakır kayıpları a ortaan kalırılarak verme katkıa bulunulur. Stator yapısı ğer motor tplerne pek farklı eğlr. Mıknatıslar sayesne ayrı br oğru akım kaynağına, fırça ve blezklere htyaç uyulmaz. DMSM lara stator akımı saece moment oluşumu çn gereklr. [ Drl, 1990 ]

52 Fırçasız AC Motorların Yapısı Genel olarak motorun hareketn sağlayablmek çn stator ve rotoran sağlanan k akıya htyaç uyulur. Statoran hesaplanan akı çn en uygunu üç fazlı motorlarır. Rotor akısını üretmek çn se rotor sargı uyartımı ve sabt mıknatıslar kullanılır. Geçmşte, rotor alan sargıları kayıplara ve bakıma htyaç uyulan fırça ve blezkler kullanılmasına neen oluğu çn günümüze sabt mıknatıslar terch elmekter. Böylelkle fırçasız motorlar söz konusu olur. Belrlenmş mıknatıs kutupları le fırçasız am mıknatıslı senkron motorlar tasarlamak mümkünür. Bu motorlar k le ell arasına mıknatıs kutbuna sahptr. Sabt akım çn aha çok sayıak mıknatıs kutbu aha büyük momente olanak sağlar. Ayrıca rotor alan sargıları yerne mıknatısların kullanılması motor boyutlarına a öneml küçülmelere olanak sağlar. [ Vas, 1990 ] İlk başta motorlar DC veya AC uyarma gb kye ayrılablrler. DMSM yapısı olarak DC kolektörlü motora benzer. Fakat yapısına elektrk sargıları yerne sabt mıknatıslar kullanılır. Dam mıknatıslı AC motorlara mıknatıslar rotor çne gömülürler. Komütatör ve fırça bulunmaığınan olukça bast br yapıya sahptrler. Dam mıknatıslı AC motorları Trapezoal ve snüzoal olmak üzere k ana başlıkta nceleyeblrz. Trapezoal tp motorlar aynı zamana fırçasız oğru akım motoru olarak a alanırılırlar. Snüzoal tp motorlar se am mıknatıslı senkron motorlar olarak alanırılır. [ Ananes, 1991 ] Bu k tp motor arasınak temel fark ters elektro motor kuvvetn brne trapezoal ğern e se snüzoal gerlm algasına sahp olmasıır. Trapezoal alga tp makne kontrol yapısı bast oluğunan lk ortaya konulanır. Fakat normal algalanmalar bu tp motorun yüksek performanslı uygulamalara kullanımını kısıtlamıştır. Daha sonraları AC maknelere vektör kontrol yöntemlernn kullanılmaya başlanması le yüksek performanslı uygulamalar çn snüzoal tp motor gelştrlmştr. [ Bzot v ] Dam Mıknatıslı Senkron Motorlar ( Snüzoal Tp Motorlar ) Bu motorlar aha çok genş aralıkta eğşeblen hız-uyartı stemlerne kullanılmaktaır. Brkaç watt le klo watt arasına eğşen servo sürücülerek güç uygulamalarına çok yaygın br şekle kullanılmaktaır. Bu kaar yaygın olarak kullanılmasını neen kaltel güç yoğunluğuna, yüksek verme ve yüksek momente sahp olmasıır. [ Luukko, 2000 ]

53 53 DMSM sargıları stator olukları çne yerleştrlmş ve stator tarafınan sağlanan akının snüzoal olmasına olanak sağlayan br motor çeşr. DMSM nn rotorunak mıknatıslar ve stator oluklarınak elektrk sargılar neenyle çft uyartım söz konusuur. Ayrıca rotorunan akım geçmemesnen olayı rotora bakır kayıpları oluşmaz. Bu özellkler sağlayan aynı güçte, aha küçük boyutta ve aha yüksek vermle çalışacak br motor tasarlamak mümkünür. [ Bzot v ] DMSM un İç Yapısı Bu motor tplerne stator faz gerlmler ve akımları snüzoalr. Fakat motor çnek akı aha çok rotorak mıknatıslar tarafınan ayarlanır. Rotor üzerne farklı şekllere yerleştrleblen mıknatısların rotor üzernek göstermlerne örnek aşağıak şekle verlmştr. Şekl 3.19 Dam mıknatıs rotor yapıları Şekl 3.19(a) a k yüzey mıknatıs tpl senkron motorur. Bu motor en yaygın olarak kullanılan motor çeşr. Düşük stator enüktansı neenyle alan zayıflatılması zorur. Bunan olayı başlangıç hızının normal eğernen fazla çalışmalara zorluklarla karşılaşılır. Şekl 3.19(b) e k se lave mıknatıslı senkron motorur. Başlangıç hızı üzernek çalışmalar çn aha uygunur. İlave mıknatıslar le Şekl 3.19(b) e k motor tpne stator enüktansı rotor pozsyonuna bağlıır. Alan zayıflatılması sırasına az mktara relüktans moment ele elr. Başlangıç hızı üzernek çalışmalar çn aha uygunur.

54 54 Mıknatısları rotor çne gömülmüş senkron motorun ğer tplere göre olan avantajı; yüksek verml olmasıır. Bu tp motorlara rotor alan sargılarının olmaması hem rotor hem e mıknatıslanma akımının ortaan kalırılması motorun güç kat sayısını arttırır. DMSM un avantaj ve ezavantajlarınan bahseecek olursak; avantajlarını bast yapılı olması, yüksek moment, yüksek verm sağlaması, oğrusal hız-moment lşks, bakım kolaylığı, küçük hacm, komütatörlern olmaması ve genş aralıkta hız kontrolünün sağlanması olarak sıralayablrz. Dezavantajlarını se rotor pozsyon blgs çn gereken ger besleme evres çn harc güç elektronğ evreler ve mıknatısların malyet arttırması şeklne özetleneblr DMSM Temel İfaeler Hava Aralığı Akısı Motora büyük öneme sahp zıt emk ve sargı enüktansının hesaplanablmes çn snüs ağılımlı sargının kaçak akı eğernn blnmes gerekr. Şekl 3.20 ve Şekl 3.21 e sargı akımı tarafınan oluşturulan akı ve hava aralığına farklı k noktaa akıyı bastıran elektro manyetk moment gösterlmekter. Buraak eştlkler 2p kutuplu motor çn üşünülmüştür. Şekl 3.20 İk kutuplu snüs ağılımlı sargı: amper letken ve letken ağılımları

55 55 Şekl 3.21 İk kutuplu snüs ağılımlı sargı: mmk n hesaplanması Elektromanyetk moment eştlğ; F π / p θ = θ N 2 s N sn pθθ = p s cos pθ (3.36) Hava aralığı akı yoğunluğunun θ açısına oluğu üşünülürse; F B = μ H μ Bˆ 0 = 0 = cos pθ (3.37) 2g N Bˆ μ0 s = 2 pg (3.38) L m g = g + (3.39) μ rec θ ve θ açıları arasına bulunan akı se; φ = θ θ Bˆ cos pθlstk r1 θ = Φ sn pθ (3.40) eğer D = 2r1 se kutup başına akı; BˆDL φ = [Wb] (3.41) p

56 Kaçak Akı ve Enüktans İletkenler θ ve θ aralığına bulunan bobnn kaçak akısı, akının bobnek sarımlarının sayısı le çarpılırsa; N ϕ = Φ sn pθ s sn pθθ (3.42) 2 Böylece toplam kaçak akı; ϕ = π π / p π (3.43) ϕ = 2 p ϕ = N s Φ Enüktans ϕ / faes le ele elğnen; L π μ0 N s Lstk r 4 p g = (3.44) Emk Akının brnc sargıya göre önen knc sargı tarafınan üretlğn üşünerek sabt sargıak kaçak akı; ϕ π = N α β cosγ (3.45) 4 β, α Φ İle ele elr. Buraan, γ = ωs t + (3.46) γ 0 Sonucuna varılablr. ω s ( ra/sn ) : açısal hız Sabt sargıa üretlen emk faraay yasasına göre aşağıak gb yazılablr. ϕα, β π ea = = ωs Nα Φ β sn( ωst + γ 0 ) (3.47) t 4 Gerekl üzenlemeler yapılırsa üretlen emk nın genel faes şöyle olur; 2π π E = N s Φ1 f 2 4 (3.48) φ 1 : temel akı

57 Moment Akının sabt eksenl br sargıan β açısı kaar uzaklıkta bulunan başka br sargı tarafınan üretlğn veya q kutup çftl br mıknatıs tarafınan sağlanığını üşünürsek Şekl 3.20 ek sargıak rayal akı yoğunluğu ( B*cos(qθ-β) ) sargıa br kuvvetn oluşmasına neen olur. ˆ N Lstk 2 (3.49) s T e = r B cos( qθ β ) sn pθ Bu faenn ntegral alınırsa; 2π BL ˆ stkn sr1 1 Te = (sn[( p + q) θ β ] + sn[ ( p q) θ + β ]) θ (3.50) 2 2 P=q çn ( p q çn fae sıfır olacaktır ) 0 BL ˆ stk D N s T e = 2π sn β (3.51) 4 2 Böylelkle bu eştlk moment fae eer.

58 58 4. SERVO MOTORLARIN SÜRÜCÜ DEVRELERİ 4.1 Anahtarlamalı Relüktans Motorun Kontrolü Grş Anahtarlamalı relüktans motor ser bağlı DC motor ve senkron relüktans motorlarla olukça benzerlk gösterr fakat kontrol mekanzması bu motorların kontrol mekanzmalarınan olukça farklıır. Akımın ve enüktans eğernn saece rotor pozsyonuna bağlı olmaması bu motorlara kontrol yöntemlernn benzerlğn güçleştrr. Dğer elektrk makneleryle mukayese elğne, aha genş br şekle kontrol stratejsnn sabt motor parametrelerne göre belrlenr. Bu lk önce anahtarlamalı relüktans motorunun kontrol tasarımını zorlaştırıyor gözükeblr. Fakat üşük veya yüksek performanslı kontrol tasarımı moment algalanması ve sstemn hız cevabına göre sınıflanırılablr. Uygulamaların küçük br bölümü ve motor sürüş sstemlernn küçük br kısmına yüksek performans steğ gözükmekter. Buraak kontrol, belrlenen br tahrk sstem çn rotor pozsyonuna göre eğşen enüktans eğernn motor karakterstklerne göre belrlenmesn çerr. Tasarıma öneml olan, moment algalanmalarınak an yükselşn önlenmes, enüktans eğernn sabt tutulmaya çalışılması, hız ve momentn stenlen aralıkta ayarlanablmesr. Tasarımın lk aşamasına, üşük performanslı, kapalı çevrml, hız kontrollü br anahtarlamalı relüktans motoru üşünülür ve kontrol sstemnn tanımlanması stenlen özellklere göre aım aım gerçekleştrlr. Herhang br motor kontrol sstemnn en öneml parametres akımır. Gelştrlen akım kontrol sstemne k aet tp tanımlanmıştır. Brncs; lneer anahtarlamalı relüktans motoru çn akım kontrolörü, kncs; kublajlı, lneer ve yüksek performanslı anahtarlamalı relüktans motoru çn akım kontrolörüür. Yüksek performanslı akım kontrolörü çn, fazların karşılıklı kublajı ve sstemn lneerszlğ öneml faktörlerenr. Akım kontrolörünün sstematk tasarımı, türetme, uygulama ve oğrulama aşamalarını çerr. DC sürücü sstemlernn çoğuna moment kontrolü akım kontrolü le eş anlamlıır. Anahtarlamalı relüktans motorlara, lneerszlkten olayı bu kabul geçerl eğlr. Anahtarlamalı relüktans motoruna fazların anahtarlanma sırasının bell br kurala göre eğşmes, moment algalanmasının mnmze elmes ve yüksek moment performansının söz konusu olması çn zorunluur. Anahtarlamalı relüktans motorunun enüstrek uygulama alanlarınak en öneml kontrol parametres moment eğerr. Momentn kontrol elmesyle hızın kontrol elmes olukça kolaylaşır. Hız kontrolörünün tasarımı smetrk ve optmum br teknk kullanılarak gerçekleştrlr. Akım, moment ve hız

59 59 kontrolörlernn performansları smülasyona tab tutularak tasarımın son aımı gerçekleştrlr. Bu bölüme, anahtarlamalı relüktans motorunun kontrol sstemlernek en öneml kontrolü olan moment kontrolünü ncelenecektr Kontrol Prensb Şekl 4.1 e enüktans eğernn motor sürüş esnasınak eğşm verlmştr. Enüktans eğernn artmaya başlaığı noktalara faz sargıları enerjlenrlr. Şekl 4.1 e aynı zamana motor sürüş esnasına tork üretm eğşm e gösterlmştr. Çzlen moment eğşm saece tek faz çnr. Ortalama moment, tüm fazların an moment eğşmlernn brleşmesnen ele elr. Motor an moment eğerler üretr. Enüktans eğernn eğşm özellğnen fayalanılarak moment üretm evamlı hale getrlr. Bu sonuç pratkte, güç yoğunluğunun azalmasına neen olurken, motor kontrolünü karmaşık hale getrmekter. Şekl 4.1 e ortalama moment eğernn sargı akımıyla ( I p ) veya θ açısı le kontrol eleblğ görülür. Moment algalanmalarını azaltmak, θ açısını sabt tutarak ve aynı zamana sargı akımının eğern eğştrerek sağlanablr. (a) çalışma anı (b) enerjlenme anı Şekl 4.1 Anahtarlamalı relüktans motorun (a) çalışma anı. (b) enerjlenme anı

60 60 Şekl 4.2 Arm sürücüsünün akım kontrolü İstenlen; enüktans eğernn an artma ve üşmelerne sargı akımlarının kontrol eerek moment eğern sabt kılmaya çalışmaktır. Pratk açıan akımın an yükselmes veya üşmes RL evresnen ötürü pek mümkün eğlr. Enüktansın negatf eğere geçmeen önce akımın olukça üşürülmes gerlm eğernn mümkün oluğunca optmum eğere tutulmasını gerektrr. Bu yüzen asıl akım eğşm yukarıak Şekl 4.2 e gösterlmeye çalışılmıştır. Faz sargı gerlm eğer eğşm θ a ve θ co açıları tarafınan ayarlanır. Fakat bu açı eğerler e sargı akımının büyüklüğüne ve rotor hızına bağlıır. I p akımı transstörler vasıtasıyla evamlılık sağlar. Anahtarlama kayıplarının ve frekansının mnmuma tutulablmes çn sargı akımının bell br aralıkta eğştrlmesne zn verlr Moment Kontrolü Moment kontrolü tüm elektrk maknelerne akımın kontrolü le sağlanır. AC ve DC maknelere oluğu gb brçok maknee moment akımla oğru orantılıır. Konverterek rekt moment yükseltcs le moment ve hız kontrolü yüksek performanslı kontrole olanak sağlar. Anahtarlamalı relüktans motorlara hava aralığı moment le akım arasına lneer br lşk yoktur. Çünkü akı kaçağı, akım ve rotor konumu arasına lneer olmayan üç boyutlu br lşk varır. Moment ve akım arasınak lşky ortaya çıkarmak çn üç boyutlu lşken

61 61 yaralanılır. Bu urum ğer brçok motora olmayan br özellktr. Anahtarlamalı relüktans motor sürücüsüne lneer br moment kontrolörü ele etmek olukça karmaşık br yapı gerektrr. Anahtarlamalı relüktans motora lneer br moment kontrolörü ele etmek çn brçok yöntem uygulanablr. Bu kısıma, en bast motor tp çn oymanın ve karşılıklı kublaj etksn çeren br yöntemen bahselecektr Moment Kontrol Yöntemler Kontrol yöntemlerne esas olan aynı ana kaç tane fazın enerjlenrlğne bağlıır. Örneğn tek fazlı br ssteme tek fazı kontrol eecek olan bast br kontrol yöntem ve evres yeterlr. Akımın br fazı enerjlenrkten sonra ğer br faza geçmes kontrol evresne e eğşklklere sebep olur. Eğer akımın kontrolü sağlanmazsa sabt br moment eğer ele etmek olukça güçleşr. Dolayısıyla moment kontrolü br nev akım kontrolüür. Akımın br fazan ğer br faza geçmes esnasına olası muhtemel moment algalanmaları söz konusuur. Moment algalanması kayıplara neen oluğu çn yüksek performanslı sstemlere özellkle stenmeyen br urumur. Tek fazın söz konusu oluğu br kontrol sstemnn grafkler aşağıak gbr. Buraan çıkarılacak 3 tane sonuç varır: 1. Enüktans eğerne sahp br motora stator akımının algalanmasını önlemek olukça güçtür. 2. Söz konusu akımlar sabt br moment ele etmek çn kontrol elrler. Özellkle yüksek performanslı sstemlere bu konu üzerne çok kkat elmes gerekr. 3. İlgl akımların algalanmaları sonucuna her br evre çn moment sabtler eğşklk gösterr. Bu yüzen hava aralığı moment eğer referans moment eğerne eşt olmayacaktır. Kontrol yöntemnek aksaklıkları germek çn lteratüre brkaç yöntemen bahselmekter. Faz geçşler esnasına akımların lneer eğşmes 2 fazın koornel br şekle kontrol elmesne olanak sağlar fakat moment sabtlernn eğşmes hava aralığı momentnn sabt olmasına engel olmaktaır. Fakat bu urum faz akımlarınak artım steklern engeller. Tek faz tahrk sstem yerne 2 fazın koornel br şekle tahrk elmes aha mantıklıır fakat bu moment kontrolü çn evreye ek sstemler gerektrr. Örneğn 4 fazlı br ssteme fazların letme olması 15º aralıklarla sık br şekle olur. Bu açının 30º ye çıkması, hava aralığı moment eğern sabt tutmakta kolaylık sağlar. Bu yöntemlere esas olan moment steğnn faz geçşler esnasına fazlara orantılı br şekle pay elmesr. Sonuç olarak toplam moment faes yazılablr. X ve Y fazına sahp olan br ssteme; T = T + T (4.1) * e * x * y

62 62 ) ( * * θ x e x f T T = (4.2 a) ) ( * * θ y e y f T T = (4.2 b) Buraa ) (θ x f ve ) (θ y f fonksyonlarının görevnn; moment fazlara ağıtmak oluğunu üşünelm. Bu fonksyonların rotor konumuna göre eğşklk gösterğn belrtelm. Örneğn * e T 0 ve 0 º θ <15º urumu çn, 4 fazlı 8/6 lık br anahtarlamalı relüktans motora; o o 0 < 15 < < f θ θ (4.3) sırasıyla θ ve f θ geçş sırasınak başlangıç ve btş açısal eğerlerr. Bu açılar motorun enüktans eğşmne göre seçlr. Br fazın tahrk zamanı 30º en küçüktür. Dolayısıyla faz letm zamanı çn saece bu eştlkleren fayalanılmaz. Momentn sstematk br şekle ağıtılması Moment Dağıtım Fonksyonu (TDF) le fae elr. Ayrıntılı TDF tabloları ek1 ve ek2 e gösterlmştr.. < < + < = o o )) / ( cos (1 0 1 ) ( θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ f f x for for k for f (4.4 a) < < < = o o )) / ( cos (1 0 1 ) ( θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ f f y for for k for f (4.4 b) ) /( 180 f k θ θ = (4.5) TDF2 le fae elen eğşmler aşağıak gbr; < < < = o o ) ( 2 ) / ) (( θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ f f k x for for e for f (4.6 a) < < < = o o ) ( 2 ) / ) (( θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ f f k y for for e for f (4.6 b) 5 ) / ( f k θ θ = (4.7) Başlangıç ve btş açıları 6 º ve 12 º olan br ssteme moment ağıtım grafkler Şekl 4.3 ve Şekl 4.4 e gösterlmştr.

63 63 İlk moment ağıtma fonksyonunun faz momentne kncsne nazaran aha çok yükselş ve üşüş zamanları varır. Buraa, akımlar moment le karesel br lşkye sahp oluğunan olayı eğşm profl moment eğşm proflne benzemez. Bu yüzen akımlarak kne eğşmleren olayı TDF e öneml olan sabt hava aralığı moment eğern ele etmek önemlr. Moment ağılımını orantılı kılmak çn akımların üzgün ve aşamalı br şekle eğşmn sağlamak gerekr. Özel br yönteme, letm boyunca momentn ağılımının eşt mktara olması çn çalışılmıştır. Tüm bahselenler akımların üzgün ve orantılı br eğşme sahp olmasını gerektrr. Moment ağıtım hesabına göre farklı sstemler şu şekle sıralanmıştır; 1. saece faz sargılarınak karşılıklı kublajın hmal elğ sstemler. 2. karşılıklı enüktans kkate alınır fakat oyumun etksnn hmal elğ sstemler. 3. karşılıklı enüktans ve oymanın hmal elmeğ sstemler. Tork fonksyonları Komütasyon aralığı Şekl 4.3 Fonksyonun lk moment arkı

64 64 Tork fonksyonları Komütasyon aralığı Şekl 4.4 Fonksyonun knc moment arkı Rotor pozsyonu (erece) Şekl 4.5 Enerjlenme peryou boyunca tf eğerler

65 65 Faz Akımları (A) Faz akı Kaçakları (WB) Rotor pozsyonu (erece) Şekl 4.6 Rotor pozsyonuna göre faz akımı ve faz akı kaçağı Çıkış torku (N.m) Tork hatası (%) Rotor pozsyonu (erece) Şekl 4.7 Rotor pozsyonuna göre çıkış moment ve moment hata eğerler Rotor pozsyonu (erece)

66 66 Şekl 4.8 Rotor pozsyonuna göre tf grafkler Kapalı Çevrm Hız Kontrolörü Br kapalı çevrm anahtarlamalı relüktans motor hız kontrolörü Şekl 4.9 a gösterlmştr. Hız hatası, moment kazancına göre orantılısal PI kontrolörüne tab tutulur. Moment ve akım komutlarınan yararlanılarak moment sabt olan K t faes ele elr. Bu moment sabt, lneer br enüktans eğer ele etmek çn akımın özel br eğerne göre rotor konum karakterstkler le brlkte kullanılır. K t ve moment faes akım jeneratörüne tab tutularak akım faes ele elr. Daha sonra bu akım faesne hata akımı eklenerek max ve mn ele elr. Bu akım faeler sargı olamalarınan br enkoer vasıtasıyla ele elrler. Artış ve üşüş açıları stator akımınan, rotor hızınan ve enüktansın mnmum, maksmum eğerlernen ele elrler. Bu açılar anahtarlama kontrol snyal jeneratörüne rotor pozsyon blgs le brlkte şleme tab tutulup hstersz bloğu çn kontrol faesn oluştururlar. Şekl 4.9 Arm sürücüsünün kapalı çevrm evre örneğ Tasarım Örneğ 6/4 lük br anahtarlamalı relüktans motor çn mnmum kayıplı, tek çeyrekl ve mnmum kontrol elemanına sahp br kontrolör tasarımı gerçekleştrlmeye çalışılmıştır.

67 Çözüm Aşağıak Şekl 4.10 ve Şekl 4.11 e br anahtarlamalı relüktans motor kontrolörü gösterlmştr. * ω m : hız referans eğer,, : motor sargı akımları a b c θ ω m : rotor pozsyonu : rotor hızı Motor akımları hall sensörlernen ve rotor konum blgs, güç çevrcleren veya tahmn le ele eleblr. Hız referans komutu, br yumuşak br başlangıç çn hızlanmayı ve yavaşlamayı sağlamak çn şleme tab tutulur. Hız kontrolörü hız hatasına göre stenlen akım eğern ele eer. Ele elen referans akım eğer motor sargı akımları le karşılaştırılarak PWM moülasyonuna tab tutulur ve aha sonra anahtarlama frekansına göre gerekl olan motor sargı momentler ele elr. Şekl 4.10 Arm kontrol sstemnn blok yagramı

68 68 Şekl 4.11 Arm analog kontrolörünün şematk uygulaması Akım Çevrm Her faz çn, özeş akım çevrmler aynı şekle şleme tab tutulur. Her çevrm aşağıak evreler çerr; 1. akım hatası snyal jeneratörü 2. PWM evres 3. konverter 4. akım feeback evres Taşıyıcı alga Akım Hatası PWM Çıkışı Şekl 4.12 Pwm evresnn grş çıkış snyaller

69 Akım Karşılaştırıcısı Akım hatası operasyonel amplfkatöre tab tutularak ele elr. Amplfkatör çıkışı aşağıak gbr; e = K ( * ) (4.8) K : akım çevrm kazancı Yüksek hızlı br cevap ele etmek çn aralığın 30 le 70 arasına olması gerekr. * stenen, se gerçek sargı akımını fae eer. Galvank zolasyonlu hall etkl sensörler, sargı akımlarını ele etmek çn kullanılır. Ele ettğ eğerler ger önüşüm evresnn grş eğerlerr. Faz sargılarına stenlen akım eğerlern ele etmek çn ayrıca PWM teknğ e kullanılır. PWM evresne, akımlar 3kHz lk testere şl snyal le karşılaştırma şlemne tab tutulur. Referans eğrsnn genlğ hata snyalnn genlğnen aha büyük oluğu zaman çıkış snyal üşer ve anahtar kapanır. Bu sstem Şekl 4.12 e şematze elmştr Taşıyıcı Snyal Testere şl snyal jeneratörü Şekl 4.13 e gösterlğ gb üç aet operasyonel amplfkatöre sahptr. Poztf br ger besleme amplfkatörü testere şl snyal ele etmek çn karesel snyal oslatörünü kullanır. Üçüncü amplfkatör snyale DC ofset eğern ekleyerek poztf br üçgen snyal ele eer. Devree kullanılan zener yot evrenn kalbrasyonuna yarımcı olmak çnr. Hatta hızlanma ve yavaşlama esnasına yüksek moment gereksnm olması urumuna ble tasarım hep bu şekle gerçekleştrlmeye çalışılır. Taşıyıcı snyaln pk eğer her zaman hata snyalnn maksmum eğerne göre ayarlanır. Hata snyalnn eğer set eğernen aha büyük oluğu zaman bu k snyal arasınak fark choppng occurs a tab tutulur.

70 70 PWM Devres Üçgen Dalgalı Jeneratör Rotor Pozsyon Grş Snyaller Şekl 4.13 Arm analog kontrolörünün evre yagramı Rotor Pozsyonunun Tasarıma Dâhl Elmes Motor şaftına yerleştrlmş br enkoeren alınan 10 btlk rotor konum blgler önceen programlanmış slneblr EEPROM a grş snyaller olarak grlr. Daha sonra EEPROM faz sırasını eğştrme görevn yerne getren snyaller oluşturur. EEPROM a epolanan blgler rotorun önceen tahmn elen verlerne göre ayarlanır ve her geleblecek olan snyal çn yorumlamalar hazırır. Rotor algılayıcısınan EEPROM a gelen her blg 3 btlk faz anahtarlama snyalne önüştürülür. Rotor konumunun sıfır referans noktası A fazının rotorla hzaa oluğu anır. Bu referansla EEPROM a gelen grş snyallernn yorumlanması sıraak örnekle açıklanmaya çalışılmıştır. 6/4 lük br anahtarlamalı relüktans motora anahtarlama snyal her 90º e br aynı oluğu çn örnek hesaplama saece br çeyrek zaman çn yapılacaktır. Dğer çeyrekler çn hesaplama hemen hemen aynıır. İstenlen herhang br açı eğer çn anahtarlama snyal 0º, 30º ve 60º e eğştrlmelr. Her br faz sargısının letm açısı 30º erecee olması çn o anak açının ve lerleme açısının aynı olması gerekr. A fazının lk çeyrekte anahtarlanması 48º ve 78º arasına gerçekleşr. Söz konusu hexeecmal ko 0090 ve 00E0 arasına olmalıır. Bu yüzen 0090 an 00E0 a olan hexeecmal kolar 100 lük bnary kolara önüştürülmelr. Rotorun açısının 0º-30º aralığına oluğu ana bu kolar A fazı sargısının tahrk elmesn sağlar. 8 btlk EEPROM

71 71 çıkış snyallernn 3 btlk kısmı anahtarlama snyal olarak kullanılır. Bu snyal, Konvertern kapı sürüş evresnn çıkış snyaller olan ve son fazın anahtarlanmasını sağlayan snyaller üretmek çn, PWM çıkış snyaller le AND kapısına âhl elr Hız Çevrm Br rampa evres olan yumuşak başlangıç evresnn çıkışı mofe elmş hız referans eğern verr. Hız hata eğer ölçülen hız eğer le referans hız eğer arasınak farktan ele elr. Hız hata eğer br PI kontrolören geçrlerek eğer yükseltlr. Hız referans eğer PI kontrolör ve hız ger besleme evres tarafınan güçlenrlr. PI kontrolör, analog br evre ve operasyonel amplfkatörün senteznen oluşur. PI kontrolörün çıkışınak akım faes aşağıak gbr; * = K ( ω ω ) + K ( ω ω t (4.9) p rm m rm m ) K p = R R K = CR 1 ω rm : mofe elmş hız eğer ω m : normal hız eğer Böylece K p ve K sabtler R 1, R 2, C eğerler eğştrlerek stenen ayara getrleblr. Normale R 1 = 3.3 kω R 2 = 150kΩ ve C = 10µF ır. 1/ K = 0.05 ken K p = arasına seçlmelr. Daha kararlı br çalışma çn R f eğerne br ren. R 2 ve C ye paralel bağlanablr. R f renc aynı zamana operasyonel amplfkatörün DC ger besleme evres olarak görev yapar. PI kontrolörünün çıkış faes 3 fazlı br akım komutu olarak * a, * b, * c akımlarınan barettr. Kontrolör hız komutu olan * ω m y grş faes olarak alıktan sonra anahtarlamalı relüktans motorun yumuşak ve üzgün br şekle çalışmaya başlamasını sağlamak çn br hız rampası evresn aktf hale getrr. Bu evre hızın stenen eğerne göre mevcut hızın eğşklğnn oranını sabt tutar. Rampa evr yagramınan zaman sabt olan RC faes hız snyalnn eğşklğnn oranını kontrol eer. * ω m hız komutu br potansyometre tarafınan ayarlanablr. Eğer br takojeneratör uygun eğlse, ger besleme snyaln oluşturmak çn frekans-gerlm önüştürücü konverter chp kullanılablr. Eğer bu şekle br uygulama var se konverter grş snyal, rotor konumunu algılayan enkoern en az öneml bt olan LSB btnen ele eleblr.

72 Fırçasız Doğru Akım Motor Kontrolü Grş Bunan öncek bölüme fırçasız c motorların yapısı, bast evre şeması, karakterstkler üzerne urulmuştu. Bu bölüme se fırçasız c motorların servo kontrolünün teork ncelemes üzerne urulacaktır. Bast br fırçasız servo sstem, genele Δ bağlantılı, çok fazlı stator sargılarınan, am mıknatıs yapısına sahp br rotoran ve rotor pozsyonuna göre sargıların enerjlenrlmesne yarımcı olan rotor pozsyon transüser nen oluşur. Servo motorlar genellkle Fırçasız DC motor olarak tanınır. Bu motorlar körtgensel br yayılmaya sahp hava aralığı flux lu, stator sargılarının anahtarlanması esnasına trapezoal moment algası üreten motorlarır. Geçmşte trapezoal algalı motor fırçalı motorların fayalarınan ( genş hız ve moment aralığı, yüksek vmel hızlanma vs. ) yararlanılarak tasarlanmaya çalışılmıştır. Günümüze bu tasarım fırçalı motorun ezavantajlarının ( fırça ve komütatör, ısı kayıpları vs.) elmne elmesyle son urumunu almıştır. Aslına bu sstem hız/moment performansını lneer yapmak çn gayet uygun br sstem halne gelmştr. Uygulamaa bu sstemn yapısı stator sargılarının nüve çne ve kalıcı mıknatısların rotor üzerne olması özellğne sahptr. Bu yapının sağlaığı en öneml fayaların başına ısı kaybına neen olan stator sargılarının rotoran ayrı tutularak bu öneml ezavantajın elmne elmesr. Genele, fırçasız servo motorlar, letm aralığı boyunca genş moment pk aralığına sahptr ve bu özellk sstemn yüksek verml olmasına neen olur. Motorun rotoru çeştl manyetk elemanlaran mal eleblr fakat genellkle samaryumkobalt ve neoyum-emr en mal elr. Fırçasız rotorların çıkış moment eğer, bu manyetk malzemelern özellkler le arttırılablr. Fırçasız motorları fırça ve komütatörlere sahp olmaması fırçasız motorlara nazaran aha yüksek moment pk eğerler ve hız eğerlern ele elmesne olanak sağlar. Fırçasız DC servo amplfkatörü AC sstemnknen aha bast br yapıya sahptr. DC ssteme gerekl olan yapılar; hall etkl sensörler ve rotor pozsyonunun oğru br şekle algılanablmes çn gerekl olablecek rotor pozsyon nkatörüür. Sargıların oğru br şekle anahtarlanablmes çn bu tarz bast yapılara gereksnm varır. Böyle brkaç yapıya sahp olmasına rağmen sonuç olarak amplfkatör bast br yapıya sahptr. Trapezoal algalı amplfkatör ve motorlar özellkle aşırı yüklenmee meyana geleblen moment algalanmalarını önlemek ve her fazak sargıların 120º aralıklarla

73 73 enerjlenrlmesne göre tasarlanır. Sargıların sırasıyla 120º e enerjlenmesyle her faza oluşan akım lneerr ( DC akım). Her faza meyana gelen akım algası lneer oluğunan olayı bu motorlar Fırçasız DC motorlar olarak alanırılır. Trapezoal servo motorun tek ezavantajı yapısınan kaynaklanmaktaır. Motorun ış cephes ve sargıları oluşumu açısınan motorun oyumuna neen olablr. Bu ezavantaj fırçasız AC servo motorlara görülmemekter. Bu özellk motor tasarımına olukça öneml br yere sahptr Fırçasız Doğru Akım Motor Kataloglarına Belrtlen Bazı Termler Durma Anınak Sürekl RMS Akımı, Is ( Arms) 40º C ye kaar ortam sıcaklığına motor bu RMS akım eğerne ururma veya üşük hıza sürekl br şekle çalıştırılablr Moment Sabt, Kt ( kgf-cm/arms) Bu term moment uyarlılığı olarak blnmekter ve faz akımının amper başına üşen moment mktarını belrler. Moment sabt armatürek toplam akının ve toplam letken sayısının br fonksyonuur Ters e.m.f Sabt, Kv ( volt-sn/ra) Kalıcı mıknatıs alanının mukavemetn gösterr. Manyetk alan mekank olarak önürülüğüne, belrtlen hıza üretlen gerlmn eğerr ve armatürek toplam letken sayısı ve toplam alan akısının fonksyonuur. Volt-sn / ra veya Volt-ak / ev boyutunaır Mekank Zaman Sabt, tm ( sn ) Brm step gerlm motor faz sargılarına uygulanığına hızak başlangıç artım oranıır. Aşağıa verlen enklem le hesaplanablr. J R m a t m = (4.10) K t K v J m : Motor atalet ( kg-cm-sn²) R a : Armatür renc ( Ω ) Elektrksel Zaman Sabt, t e ( sn ) Motor şaftı urmakta ken sıfır empeanslı besleme kaynağınan gerlm uygulanığı tekre armatür akımının verğ cevabı belrtr. T = R / L (4.11) e a a

74 74 Şeklne fae elr. Buraa, L a = armatür empeansı ( Ω ) Fırçasız Doğru Akım Motorunun Kontrolü Fırçasız c motorun kontrol evres; motor, açı ve açısal hız algılayıcıları, akım, gerlm, manyetk akı algılayıcıları, transstör PWM nverter ve bu onanımları kontrol een analog ve jtal entegreleren oluşan yarı letken güç konvertörünen oluşur. Ek olarak fırçasız c servo motor sürücüsüne tüm sstemn kontrol elmes çn pozsyon, hız ve kuvvet kontrolörler ( konum kontrolü ) bulunur; sstemn tümü Şekl 4.14 e gösterlmekter. Yarı letken güç konvertörü snüzoal çıkışlı akım kontrolü, manyetk akı le akımın kontrolü, eşeğer alan zayıflatma kontrolü vs. gb şlemler yerne getrr. Şekl 4.14 Fırçasız c servo motor kontrolü blok yagramı Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Kontrol Esasları Üç fazlı sarımlaran baret, üç z oluk bulunan çft kutupta yoğunlaşmış sarım yapısına olan, manyetk akının snüzoal kalıp şeklne ağılım yapısına oluğu br servo motor moel göz önüne alalım. Böyle br motor moelne fazlar arasına 120º faz farkı varır ve sarımlarak akım enklemler aşağıak gb yazılablr; I u = I 0 + snθ o I v = I + sn( θ ) (4.12) 0 I w = I + sn( θ o ) I 0 : Maksmum akım eğer

75 75 θ: Motor önme açısı Akım ve manyetk akının ortogonal kontrolü lk olarak önme mktarı θ nın ölçülmes ve stator sarımlarınan geçen akımın yukarıa verlen akım enklemlerne göre kontrol elmes le sağlanır. Aynı şekle yukarıa verlen akım enklemlerne göre kontrol elmes le sağlanır. Aynı şekle moment mktarının kontrolü Io akım eğernn serbestçe kontrolü le yapılablr. T = BIrl = lr B snθ L + B sn( θ + 120) I + B sn( θ + 240) I ] (4.13) moment [ 0 u 0 v 0 w B 0 : Maksmum akı yoğunluğu l : Rotor boyu r : Rotor çapı Fırçasız Doğru Akım Motorların Sürücü Sstemnn Matematksel Moel Motorun stator sarımlarınan geçen alternatf akımı senkron olarak önen ve q eksenlerne sahp DC akım şeklne eğerlenrlmes suretyle matematksel moel türetleblr. Fırçasız oğru akım motoruna gerlm- akım lşks aşağıa verlen şekle ele elr. V V q Ra + ρla = ω mla ωmla R + ρl a a q + ω mφ 0 (4.14) R a : Armatür renc L a : Armatür enüktansı Ø : Mıknatıslı motorun manyetk akısı ( sabt ) ω m : Motorun açısal hızı ρ t V, V q, ve q se ve q eksenlerne at gerlm ve akımlar T an moment aşağıak enklem le hesaplanır. 3 T = φ = Jωm + Bωm + Tl 4 (4.15) ¾ : Kutup sayısı

76 76 J : Motor eylemszlk moment Ø : Mıknatıslık motorun manyetk akısı ( sabt ) ω m : Motor açısal hızı B T l : Vzkoz sönüm katsayısı : Yük moment Genel olarak q sıfır olacak şekle kontrol şlemne tab tutulur. Bu sebeple motor akımı saece r. R ω φ a m = + La La V L a (4.16) V = K I K ) (4.17) p ( 0 enklem le verlr. Buraa K p ve K akımın ortogonal kontrolü çn gerekl ger besleme kontrolörlern fae etmekter. (4.16) enklemne at blok yagramı Şekl 4.15 e gösterlmekter. Şekl 4.15 Motor akım enklem blok yagramı (4.17) faes (4.16) enklemne yerne konuluğu takre akım enklem 1 = K p I 0 La K p K La + Ra φ ωm L a (4.18) şekln alır. Buraa φ / La oranı K v / La oranına eşt oluğunan olayı;

77 77 m a v a a p p a L K R L K K I K L ω + = 0 1 (4.19) (4.15) enklemnen ω faes çeklr se; J T J B J l m m = ω φ ω 4 3 (4.20) motorun ürettğ mekank moment olan φ 4 3 bağıntısı; t e K T = (4.21) Moment sabt faes kullanılmak suretyle J T J B J K l m t m = ω ω 4 3 (4.22) 3/4: Kutup sayısı şekln alır. Kutup sayısı 2 olan servo motor çn (4.22) enklem J T J B J K l m t m = ω ω 5. 1 (4.23) şeklne fae elr. Ele elen urum eğşkenler kullanılarak urum uzayı moel l a p m t a v a p a m T J o I L K J B J K L K L K K R = ω ω (4.24) şeklne fae elr.

78 78 Şekl 4.16 s-omenne blok yagramı (4.24) enklemne her k tarafın Laplas önüşümü alınarak sz Z = AZ + Bu ( s) (0) ( s) ( s) u ( t) = I 0 y( t) = ωm ( s) CZ ( s) y = (4.25) tanımları le Z (s) fonksyonu Z ( s) Z (0) Bu( s) = + (4.26) ( si A) ( si A) şekln alır. Başlangıç şartlarının sıfır kabulü le Z 0 ( 0) = Z G ( s) ( s) Bu( s) = (4.27) ( si A) y( s) B = = (4.28) u C( si A) ( s) faesnn matrs hesapları yapılarak ve B ( vzkoz sönüm sabt ) = 0 kabulü le transfer fonksyonu G ( s) Ωm ( s) a = = (4.29) Io R K K s a + ( ) p 1.5K t K v s² + 1.5K L a t JL K p s + JL a şekln alır. Denklem normalleştrmek suretyle

79 79 G ( s) K p a = (4.30) K R v a + K pk 1.5K t K v s² + L 1.5KK a JL v s + JL a ω 2 n 1.5K tk = JL a v 2 ξω = n R + K a L a p K ξ = J ( R + K 2 a a p JL 1.5K K t K ) v şeklne transfer fonksyonu ele elr. Görülüğü gb sstem knc mertebeenr. Servo sstem tasarımına genel olarak sönüm oranı eğernn ξ >=1 alınması uygunur. Sstemn kazanç eğer K / K sabt le verlmekter. Bu eğer belrl br akım eğer grşne karşı p v hızak eğşm fae etmekter. Öncelkl olarak tespt elp tasarım şlem bu eğere göre yapılığı takre; Kazanç = K K p v enklemnen saptanan br kazanç eğer çn bu eğer ışığına akım orantı sabt; p K v K p orantı sabt tespt eleblr. Tespt elen K = Kazanç (4.31) bağıntısı le bulunablr. Hesaplanan bu eğer K K çarpımına yerne konuluğu takre K katsayısı; p K 2ξωnLa Ra 2ξωnLa Ra = = K Kazanç K p v (4.32) 4.3 Dam Mıknatıslı Senkron Motor Vektör Kontrol Sstem Dam Mıknatıslı Senkron Motorun Sürücü Devres Tasarımı Günümüze motor sürücü sstemlernn analz ve karmaşık güç elektronğ çeren tasarımı smülasyon araçları kullanılarak bastleştrlmeye çalışılmıştır. Smülasyon sonuçlarının oğruluğu, oluşturmak steğmz sstemn oğruluğunu çok küçük hata le bze önceen göstereblr. Sürücü sstemlern ortaya konulup, gelştrleblmes blgsayar ortamına üç farklı yöntemle gerçekleştrleblr. Bunlara lk, alan yönlenrmel elektronk evreleren oluşan SPİCE smülatörüür. İkncs, snyal proses yönlenrmel yöntem olarak alanırılan (Kalman fltres ), transfer fonksyonunun eğşk üzlemlere tanımlanmasını sağlayan yazılım

80 80 programları, örneğn MATLAB ve son olarak ortaya konulan yöntem sonlu elemanlar yöntemr. Sürücü sstemlernn en öneml özellklernn başına sürüğü motorun hız ve momentn kontrol etmesr. Çeştl kontrol yöntemler le bu özellk sürücü sstemlerne kazanırılır. Referans ve gerçek hızlar arasınak hata, stator referans akımlarının ele elmesne kullanılan moment referansını belrlemek üzere kullanılmaktaır. Stator referans akımlarını, referans faz akımlarına önüştürmek çn rotor pozsyonu ger beslemesne htyaç uyulmaktaır Sürücü Devre Moüller Aşağıak şekle DMSM un sürücü sstemnn genel br blok yagramı verlmştr. Br sürücü evre tasarımına c güç kaynağı, c grş fltres, gerlm beslemel nverter, çıkış üç faz fltres, moülatör, kontrolörler, motor ve yük varır. Tüm elemanların tasarımı kullanıcı grş eğerlerne göre gerçekleştrlr Üç Fazlı Gerlm Beslemel İnverter İnvertern moellenmes -q eksen takımına ve üç fazlı ssteme olmak üzere ayrı ayrı gerçekleştrlr. Şekl 4.18a a moülün, anahtarlama elemanlarının ve yotlarının görünüğü ayrıntılı br moel gösterlmştr. Bu moele kkate alınan anahtarlama snyallerr. Kontrol parametreler S a, S b ve S c r. Şekl 4.18b e se normal gerlm beslemel nverter gösterlmştr. Bu moele kontrol parametreler a, b ve c r. Bu parametreler fazların arbe peryotlarını eğştreblmemze olanak sağlar. Şekl 4.18c e se moülün -q moel gösterlmştr. V a V b = V c a b c = mv DC (4.33) V a, V b ve V c : faz çıkış gerlmler V DC : c kaynak gerlm a, b ve c : nvertern her fazının arbe peryou m : snyal moülasyonu sabt Böylelkle nverter gerlm ve akım eğerler -q komponentler kullanılarak aşağıak gb yazılablr.

81 81 = a c c b b a ca bc ab V V V V V V V V V, = a c c b b a ca bc ab (4.34) DC ca bc ab ca bc ab V V V V =, [ ] = c b a c b a DC I (4.35) Şekl 4.17 Gerlm DMSM un blok yagramı GİRİŞ DC KAYNAK GİRİŞ DC FİLTRE ÇIKIŞ 3FAZLI FİLTRE DMSM YÜK KONTROLÖR MODÜLATÖR

82 82 Şekl 4.18 Gerlm beslemel nverter moeller -q eksen sstemnek gerlmler park önüşümü kullanılarak faz gerlmler cnsnen yazılablr. = c b a q V V V T V V (4.36) aynı şekle arbe peryotları a bu şekle yazılablr. = c b a q T (4.37) a) Anahtarlamalı moel Anahtarlamalı kontrol snyaller b) Ortalama moel Ortalama faz arbe peryotları c) DQ ortalama moel q eksen arbe peryou eksen arbe peryou

83 83 (4.33), (4.36) ve (4.37) faelernen yararlanılarak -q gerlmler ve c kaynak gerlm arasına br bağlantı kurulablr. V V q = q mv DC (4.38) aynı şekle nvertern ac tarafınak -q akımları ve c kaynak akımı aşağıak formülle lşklenrleblr. a I [ ] c = a b c b (4.39) c park önüşümünün nvers alınırsa; a b c = T q (4.40) a b c = T q (4.41) (4.37), (4.40) ve (4.41) a göre I c = 3 2 q (4.42) Böylelkle üç fazlı gerlm beslemel PWM nvertern üç fazlı sstemen -q koornat eksenne transfer tamamlanmış olur. Yukarıak enklemler kullanarak nvertern c tarafınak ve ac tarafınak güç faeler arasına şu şekle br bağıntı kurulablr; P c = Vc I c = Vl max I l max cosϕ = V ph max I ph max cosϕ = ( V I + Vq I q ) (4.43) V l, I l : fazlar arası akım ve gerlm eğerler

84 84 V ph, I ph : faz nötr arası akım ve gerlm eğerler ϕ : faz farkı Dam Mıknatıslı Senkron Motor Yaygın olarak stator sargı bağlantı şekl Y olan, üç fazlı br am mıknatıslı senkron motor - q eksen takımınak matematksel moelne at faeler aşağıak gbr. v v T T T v q em yük m s = R = R T q 3 = ( kt 2 = T = yük v yük 0 + k yük ( Ω ) 2 + L + L q q T + v fr 2 q t q t + p( L = V pl ω ω = J t ph q + pl ω q q + k ω L ) ); ω q t (4.44) s = q = I ph 1 1 v s max = V c (SVM çn) v s max = Vc (snüzoal PWM çn) 3 2 Motor parametreler ve eğşkenler Tablo 4.1 e verlmştr. Tablo 4.1 Motor parametreler ve eğşkenler v q, q q-eksen stator v, -eksen stator gerlm ve akımı gerlm ve akımı R Stator faz renc L Stator faz self enüktansı L q-eksennek stator q L -eksennek stator enüktansı enüktansı k Tork sabt p Kutup çft sayısı t ω An önme hızı, ω > Ω Ω Yük momentnn kayma anınak önme hızı T Yük torku T Motor m yük elektromekank torku T Sürtünme torku j Atalet moment fr

85 85 -q eksenne 2 kutuplu br DMSM Şekl 4.19 a, DMSM un -q0 moeller e Şekl 4.20 e gösterlmştr. Bu moeller elektrksel ve kontrol snyaller çn zayn elmştr. Elektrksel snyal moelnn avantajları, aha etaylı moelleme, elektrksel ve kontrol snyallernn arasına herhang br önüştürme şlemne gerek uyulmamasıır. Dğer yanan kontrol snyal moel aha bast matematksel faeler çerğ çn aha hızlıır. Kontrol snyal moelnek tüm akım ve gerlm vektör büyüklükler üç fazlı sstemek tüm faz akım ve gerlm büyüklükler le lşklr. Stator Mıknatıslar Rotor Rotor ml Şekl 4.19 q eksen takımınak k kutuplu msm

86 86 a) elektrksel snyal moel p: kutup çft sayısı k : tork sabt t J : atalet T : motor torku T m loa : yük torku N : nötr noktası b) kontrol snyal moel Şekl 4.20 DMSM un q0 moeller Fltre Moeller Şekl 4.17 e k c fltre gerçek fltre tasarımınak evre elemanları le moelleneblr. Moeln karmaşıklığı analzn ne kaar etaylı yapılığı le alakalıır. Şekl 4.17 e c taraftak fltre c gerlm beslemel brçok elektrk evresne kullanılablen bast br fltrer. Üç fazlı fltre moel ve evamına gerçek fltre tasarımı Şekl 4.21a a gösterlmştr. Başka br olasılık olan -q fltre moel Şekl 4.21b e gösterlmştr. Bu fltre moülü e uygulama a terch eleblr. Fakat bu moeln çok karmaşık olan yapısı en büyük ezavantajıır.

87 87 a) üç fazlı moel b) DQ moel Şekl 4.21 Üç fazlı fltre moüller a) sabt b) önen koornatlar Kaskat Bağlantılı Kontrolör Moülü Şekl 4.22 e gösterlğ gb klask br kaskat kontrolör moülüne ekublaj evres, eğşken lmtl PI regülatörü, -q akım kontrol evreler ve hız kontrol evreler bulunur. Bu kontrol moülünün çıkış snyaller gerlm beslemel nvertern -q koornatlarınak anahtarlama arbe peryotlarını oluşturur.

88 88 Şekl 4.22 İk tabakalı kaska moül moel PWM Moülatör Moülü Bu moülün α - β üzlemnek k çıkış snyal nvertern grş kontrol snyallern oluşturur. Moülatör -q üzlemnek snyaller α - β koornat üzlemnek snyallere çevrr. Üç fazlı bast moelne -q snyaller α - β snyallerne aha sonra a üç faz a, b, c snyallerne önüştürülür. Anahtarlamalı moelne se α - β snyaller üç faz PWM snyallern oluşturur. ÜÇ FAZLI ORTALAMA MODEL DQ MODEL ANAHTARLAMALI MODEL Şekl 4.23 Sabt ve önen koornatlara moülatör moeller

89 89 st ke k t : hesaplama ve ayarlama geckmes : ayarlama katsayısı : peryot Arayüz Moüller Şekl 4.24 e gösterlen arayüz moülü sstemn en öneml parçalarınan brr. Buraa k tp moül ncelenmştr. İlk Şekl 4.24a a gösterlen park ve nvers önüşümlern kullanarak faz gerlm ve akımlarını önüştüren, kncs se Şekl 4.24b e gösterlen -q eksen takımı bleşenlern α - β eksen bleşenlerne önüştüren moül. Bu arayüz moüller sstemek eksen takımları arasınak geçşlere olanak sağlar. Şekl 4.24 Arayüz blokları a) üç fazlı/-q moül bağlantılı b) -q eksen takımınan α β takımına önüşüm

90 Sstemn Genel Olarak Tanımlanması Genel br tanımlama yapmak amacıyla uçak yeek güç üntes örnek verleblr. Bu üntelere yaygın olarak DMSM lar kullanılmaktaır. Sstemn genel br görüntüsü Şekl 4.25 e gösterlmştr. Buraak ssteme mevcut olan gazın letm senkron br hıza olur. Trbün jeneratör sstemnek eğşklkler gazın senkron hıza lerlemesn engellememes çn DMSM un hatasız kontrol elmes gerekmekter. Ssteme yaygın olarak DMSM le brlkte üç fazlı gerlm beslemel nverter ve gürültü fltres (EMİ) kullanılır. Ayrıca kontrol evres bast br LC fltres e gerektrr. PWM kontrolör k katlı kaskat ger besleme evres çerr. Ltaratüre bu kontrolör analog olarak terch else ble uygulamaa çoğu zaman jtal seçlr. Şekl 4.26 a görülüğü gb -q eksen takımınak önüşümler kublaj evreler ve akı kaçaklı hız kontrol üntesn çerr. Bu sstemn amacı, hızlı akım cevabı ve sabt hız kontrolüür. Ayrıca yeek güç üntes jeneratörünün çalışmasını hızlanırmak ve akım, hız profllern kontrol eeblmektr. GAZ KAYNAĞI DC KAYNAK GÜÇ ELEKTRONİĞİ ÜNİTESİ DMSM DC KAYNAK TÜRİBİN KONTROL APU SENKRON JENARATÖR Şekl 4.25 Uçak yeek güç üntes blok yagramı

91 Kontrol Tasarımı Djtal kontrolörün tasarımı blgsayar omenne, frekans omenne ve zaman omenne olmak üzere üç farklı şekle gerçekleştrleblr. Öncelkle gerlm beslemel nverter çeren DMSM sürücü evres sstem k farklı kontrol üntes çerr. İlk akım kontrolörü kncs hız kontrolörüür. Akım kontrolörler arasınak fark bazılarının kublaj evresnek ger emf nn olmamasıır. Hız kontrolörler çn; genele kullanılan açık çevrm hız kontrol yöntem ve statk PI regülatörlü kapalı çevrm hız kontrol yöntemr. Ayrıca sstemn farklı yük karakterstklerne göre farklı hız kontrol yöntemler kullanılablr. Kontrol mekanzmasının temel prensb, akım ger besleme snyaller le akım referans snyaller arasınak farka göre faz anahtarlama arbe peryot snyallernn -q eksen takımınak akım kontrol snyaller ayarlamaktır. Şekl 4.26 e bu urum fae elmeye çalışılmıştır. Akım ger besleme snyaller DMSM en alınır. Fltre elkten sonra -q eksen sstemne önüştürülür. Daha sonra kublaj evresne ve akım kontrol evresne tab tutulur. Akım referans eğerler moment karakterstğne göre belrlenr. Dğer yanan rotor hızınan ger besleme olarak alınan snyal le hız kontrol evresnn çıkış snyal kaçak zayıflatma evresne tab tutulur. Sonuçta kontrol evrelernen ele elen snyaller -q eksen takımınan α - β eksen takımına önüştürülür. Bu eksen takımınak snyaller nverterek anahtarlama arbe peryotlarını ayarlar. Sonuç olarak nverter çıkışınak ac fazlar arası gerlm stator sargı akımlarını oluşturur.

92 92 a) Kontrolün prensp yagramı b) Br kapalı çevrm akım kontrolörü Şekl 4.26 İk basamaklı kaska kontrolörün blok yagramı Akım kontrolörü PI regülatörüne göre eğşen -q eksen takımınak akım kapalı çevrmne, gerlm - akım kısıtlayıcısına ve kublaj evresne sahptr. VLPI regülatörler se PI regülatörü ve resetleme evresne sahptr. Regülatör çıkışı oyuma ulaştığına VLPI regülatörü kapanır. Akım regülatörünün küçük snyal tasarımı çalışma noktalarınak karakterstğne ve sürekl hal urumuna göre belrlenr.

93 93 Sürekl hal urumu başlangıç zamanı özellklern çermeyen, sabt eğerl yük moment proflnn, motor ve yük arasınak moment farkının olmaığı br urumur. Bu yöntem, sstemn küçük snyal namklern ve çalışma urumunak elektrksel eğşkenlern eğerlernn kkate alınığı ve sabt tutmaya çalıştığı br yöntemr. Hız kontrolörü tasarımı DMSM unun rotor pozsyon blgs ve hız blgsne göre gerçekleştrlr. Bu ger besleme snyaller örneğn DMSM rotor mlnen jtal resolver, hall sensörler veya enkoer vasıtası le ele eleblr. Genel olarak hız kontrol snyaller kublaj evres ve kapalı çevrm hız kontrolü çn ger besleme snyal olarak kullanılır. Akım ger besleme snyallernn -q eksen önüşümü çn faz açısı referans eğer le brlkte pozsyon snyal e kullanılır. Kontrolör tasarımı k etapta gerçekleştrlr. Brncs frekans omenne küçük snyal kontrol tasarımı ve zaman omennek büyük snyal kontrol tasarımıır Küçük Snyal Kontrol Tasarımı Frekans omennek küçük snyal tasarımı an çalışma anları çn an cevapları ve çalışma karakterstğn oluşturur. Bu kontrol tasarım sstemne kkate alınan urum uzay sstem moelnn transfer fonksyonu karakterstklerr. Klask kontrol teors üşük fazlı sstemlere transfer fonksyonunun kararlı br şekle analz eleblmesne olanak sağlar Büyük Snyal Kontrol Tasarımı Zaman omennek büyük snyal tasarımı, snyal ve kaçak sınırlayıcı evreler, referans hız veya moment profller gb lneer olmayan elemanların tanımlanmasına ve analz elmesne olanak sağlar. Tasarım zorluğu büyük snyal evrelernn karmaşıklığınan kaynaklanır. Üç fazlı ve -q eksen takımınak sstemlern brlkte kullanılacağı moellere bu tasarım yöntem terch elr. Sstemn analz br öncek yönteme göre aha ayrıntılı şlenr Mıknatısları Rotorun İçne Bulunan DMSM Vektör Kontrolü Motorun yüksek hızlı uygulamalara kullanılablmes çn mıknatıslar rotorun çne yerleştrlr. Enüstre yaygın olarak kullanılmasınan olayı bu bölüme bu motor tpnn kontrolü ele alınacaktır. Bu motor tpne efektf hava aralığının küçük olması ve enüv reaksyonun etks olukça önemlr. Motorun bu özellğ sabt moment bölgesne e kontrolü sağlayablmemze olanak verr. Ayrıca bu motor tpnn yapısınan olayı çıkık kutuplu senkron motorlaran farklı olarak L sq ( enne stator enüktansı ) L s en ( boyuna

94 94 stator enüktansı ) aha küçüktür. Bu özellk ( L > L ) emk üretmne oğruan br sq s etkye sahptr. Bu tp motorlara manyetk çıkılıktan olayı elektro manyetk moment ağılımı lneer koşullara ble snüzoal olmayacaktır. Lneer koşullara akı yoğunluğu ağılımınan olayı mıknatıslar tarafınan oluşturulan Bm ve stator akımlarının oluşturuğu ( B, B q ) akı ağılımlarının toplamına eşttr. Bu oğrultua akı yoğunluğu ağılımları Şekl 4.27 e gösterlmekter. Şekl 4.27 Mıknatısları rotorun çne bulunan am mıknatıslı senkron motora sonuç ve bleşen akı yoğunluğu ağılımları Rotor boyuna eksenne aha yüksek manyetk geçrgenlk sağlaığı çn kutup parçalarının kenarlarına yüksek akı yoğunlukları meyana gelr. Bu yüzen bu kutupların stator şler yüksek uyarma akımınan olayı oyma eğlmnerler. Bunan olayı hava aralığı akı yoğunluğu ağılımının temel bleşennn şet azalır ve bleşenn yönü kutup merkezne oğru önmeye çalışır. Manyetk oyma etkler hmal elğne enne ve boyuna eksen arasına fzksel çıkıklıktan ve temel akıak oymanın etklernen olayı enne kublaj söz konusu olacaktır. Bu motor tpne akı yoğunluğu ağılımı snüzoal eğlken üzgün br emk üretmenn en uygun yolu rotor yüzeyne göre uzaya sabt ve senkron önen br stator akımı üretmektr. Bu urum üç faz smetrk stator akımlarını gerektrr.

95 95 Mıknatısları rotorun çersne bulunan DMSM e üretlen elektromanyetk moment aşağıak gbr; t e 3 3 = P( ψ ssq ψ sqs ) = Pψ s sy (4.45) 2 2 ψ s ve ψ sq : rotorun enne ve boyuna stator akı lnkler Mıknatıslanma akısı; ψ = L + ψ (4.46) s sq s sq s sq M ψ = L (4.47) : sy ψ s hızına önen x-y eksennek stator akımı enne eksen bleşen 2 s 2 sq ψ = ( ψ + ψ ) (4.48) s Motorun sürekl hal fazör yagramı aşağıak gbr; Şekl 4.28 Mıknatısları rotorun çne bulunan senkron maknenn sürekl hal fazör yagramı sx ve sy, x-y referans eksen sstemne stator akımı uzay fazörler olmak üzere elektro manyetk momentn sy le oğru orantılı oluğu Şekl 4.28 en anlaşılmaktaır. sn σ = ψ ψ sq s

96 96 ψ σ = ψ s cos (4.49) s (4.37) eştlğnn (4.33) e kullanılması le elektro manyetk moment; 3 te = Pψ s ( 2 (4.50) sq cosσ s snσ ) = 3 2 Pψ s sy sx j( θr + σ ) j( θr + σ ) + jsy = se = ( sd + jsq ) e = ( s + jsq ) e jσ (4.51) (4.51) en x-y ve rotor referans eksenler arasınak önüşüm aşağıak gbr; sx sy = s = cosσ + s sq snσ + snσ sq cosσ (4.52) Dam Mıknatıslı Senkron Motorun Kartezyen Koornatlara Stator Alan Yönlenrmel Kontrolü Motorun akımlarının kontrolü çn lk olarak akım kontrollü br PWM nverter gerekmekter. Aşağıak şekle oğrultucu ve CF fltre kapastörü DC gerlm üretr. DC gerlm altı anahtarlama elemanına sahp akım kontrollü üç fazlı PWM nverter besler. Makne ml, sürücüye rotor açı blgsn ( θ r ) sağlayan rotor pozsyon enkoerne bağlıır. İnverter / motor kontrolü elektro manyetk moment snyalnn referans eğern ( te ref ) baz almaktaır. Ayrıca bununla brlkte rotor pozsyon blgs ve akım ger besleme snyaller le nverter çıkış snyaller üretlr. Şekl 4.29 Vektör kontrollü mıknatısları rotorun çne bulunan am mıknatıslı senkron motor sürücüsünün bastleştrlmş şeması İlk başta sürücü temel hızın altına ken, sabt moment bölgesne stator akısı ve hızı sabttr. Stator akısı mıknatıslayan veya mıknatıslamayı geren reaktf stator akımları le kontrol elr.

97 97 Sürücünün sabt güç çalışma bölgesne, yüksek hızlara moment/hız karakterstğn DC kaynak gerlm sınırlanırır. Hızın artması urumuna fazlar arası oluşan termnal gerlmler DC gerlme yaklaşır ve sonuç olarak stator akımının referans eğerlern sıfıra üşürmeye zorlayan gerlm meyana gelr. Bu uruma nverter, yüksek hızlara oyma eğlmner ve faz gerlmnek arbeler azalır. Ayrıca akım kontrolü bozulur ve nverter sabt genlkl kare alga gerlmler üretr. Sabt güç bölgesne, rotor hızının artması stator akısını azaltır. Dolayısıyla motorun mıknatıs akısını üşürecek reaktf akım gereksnm ortaya çıkacaktır. İnvertern oyması sonucu kontrol, akım kontrollüen yavaş yavaş gerlm kontrollüye oğru eğşecektr. DC maknenn moment kontrolü le DMSM moment kontrolünün (4.45) eştlğnen brbrne benzeğ sonucu çıkartılablr. Sabt moment bölgesne temel hızın altınak moment, sy nn kontrolü le sağlanır. Ayrıca stator akısı a sx n kontrolü le sağlanır. Şekl 4.30 e gösterlen blok yagramına referans moment ( te ) ve çalışma moment arasınak fark PI kontrollü moment kontrolörünün grş snyalr. Çıkış snyal se moment üreten sy nn referans eğern verr. Stator lnk akısı moülünün referans eğer ref ( ψ sref ) fonksyon jeneratörü FG1 le üretlr. Şekl 4.31 FG1 tarafınan uygulanan, lneer olmayan karakterstkler göstermekter. 1 noktası sıfır elektro manyetk momentne karşılık gelr. Bu noktaa stator akısı mıknatıs akısına eşttr. Bu yüzen yük açısının eğer sıfır olur. 2 noktası moment le orantılı olan stator akısına karşılık gelr.

98 98 Şekl 4.30 Mıknatısları rotorun çne bulunan am mıknatıslı senkron motorun stator akısı yönelmel kontrolünün blok yagramı Şekl 4.31 Fonksyon jeneratörü FG1 tarafınan uygulanan karakterstkler Referans stator akısı ψ sref ve stator akısı ψ s gerçek eğer arasınak fark PI kontrollü stator akısı kontrolörünün grş snyalr. Çıkış snyal se Δ s xref r. Bu çıkış snyal FG2 nn çıkış snyal le toplanır. Sabt moment bölgesne, moment sy le kontrol elr. Şekl 4.31 e sabt moment bölgesne stator lnk akısının elektro manyetk momentn sıfıran farklı eğernek

99 99 geometrk yern gösterr. 1 noktasına t e = 0, sy = sx = 0. elektro manyetk moment le ψ s oğru orantılıır. FG2, Şekl 4.32 ek sxref, syxref arasınak lşky belrler. Şekl 4.32 FG2 le açıklanan karakterstk ψ s elektrksel uyartımlı senkron motora alan akımı le kontrol elğnen makne her zaman 1 güç faktörüne çalıştırılır. Fakat ψ s sx le kontrol elr ve bunan olayı 1 en aha üşük güç faktörü söz konusuur. Sabt güç ve sabt moment bölges sınırına nvertern oymasınan olayı sx ve sy nn kontrol elmes söz konusu eğlr. PI kontrollü k akım kontrolörünün grşler syxref - sy ve sxref - sx r bu kontrolörlern çıkış snyaller kompleks önüşüm sağlayan bloğun grş snyallern oluşturur. Bu önüşüm aşağıak gbr. j( θ r +σ ) s + jsq = ( sx + jsy ) e (4.53) sd sq = = sx sx cos( θ + σ ) sn( θ + σ ) r r sy sy sn( θ + σ ) r cos( θ + σ ) r (4.54) Dönüşüm çm gerekl olan brm vektör snyaller; cos( θ + σ ) = cosθ snσ snσ snσ sn( θ + σ ) = snθ cosσ cosθ snσ r r r r r r (4.55) Üç faz stator akımlarının ken üç faza önüştürmeyle sabt eksen stator referans akımları ele elr. Daha sonra ölçülen stator akımları kullanılarak t e, δ ( yük açısı ), ψ s bulunur.

100 DMSM nn Rotor Alan Yönlenrmel Kontrolü Bu kontrol yöntemne lk olarak y eksennn mıknatıs le aynı hzaya getrlğ kabul elr. Rotor referans eksennek s ve sq moment kontrolüne kullanılırlar. Aşağıak şekle bu kontrol yöntemnn sabt moment bölges çn blok yagramı gösterlmekter. Şekl 4.33 Mıknatısları rotorun çne bulunan am mıknatıslı senkron motora momentn kontrolü Referans moment FG1 ve FG2 nn grş snyallerr. Manyetk oymanın hmal elğ kabul elrse FG1 ve FG2 nn çıkış snyaller sırasıyla sref ve sqref r.

101 SERVO MOTOR UYGULAMALARI 5.1 Grş Günümüze servo sstemler enüstrnn farklı brçok alanına uygulama yer bulmaktaır. Özellkle enüstryel otomasyona; hız, tork, konumlanırma, çok eksenl hareket, ölçme ve blgsayar estekl üretm gb alanlara sıklıkla servo sstemler kullanılmaktaır. Servo sstemler le gerçekleştrlen br uygulamaa, yüksek üzeye uyarlılık ve kontrol sağlanablmekter. Ancak servo sstemler, ğer klask kontrol sstemlerne göre aha karmaşık ve malyetlrler. Servo sstemler günümüze pönomatk, hrolk ve özellkle e elektrk kontrolü sstemlere, gün geçtkçe kullanımları artmaktaır. 5.2 Servo Sstem Uygulamaları Tpk br servo sstem uygulaması, ssteme yer alan elemanlar ve blok yagramı aşağıa görülmekter. Servo sstemlern şleyşn anlayablmek çn brmlere ayırıp her brm ayrı ayrı nceleyeceğz Şekl 5.1 Servo sstem uygulamaları

102 102 Şekl 5.2 Servo sstem brmler 1) Motor (reüktörlü/reüktörsüz) 2) Ger besleme elemanı 3) Fren sstem (steğe bağlı) 4) Servo sürücü/kontrolör 5) Kontrol sstem PC/PLC 6) Güç kablosu (Besleme kablosu) 7) Motor kablosu 8) Frenleme kablosu 9) Resolver kablosu 10) Kontrol kabloları Şekl 5.3 Br servo motor kontrolü blok yagramı

103 Yük Kontrol elecek, sürülecek herhang br mekank etk, rençtr. Servo sstemn tasarımı bu yükün büyüklüğüne, ataletne, hızına ve konumlanırma gb büyüklüklerne göre yapılır. Bu büyüklüklern eğerler ve uyarlılıkları uygulanacak ssteme göre eğşr. Örneğn yük hızının ve hız kararlılığının ne olacağı prosese göre tasarımcı tarafınan belrlenmelr. Uygulamaa yükün türüne ve büyüklüğüne göre, özel mekank yük önüştürücüler (reüktörler) kullanılır. Bu yük önüştürücüler genellkle motora uygulanacak yükü azaltırlar, ancak sstemn genel uyarlılığını azaltmamak çn özel olarak tasarlanırlar. Aşağıa br mekank yük önüştürücüsü görülmekter. Şekl 5.4 Mekank yük önüştürücüsü (reüktör) Yük hızının ölçümü çn çeştl türek tako generatör, ve enkoerler kullanılmaktaır. Hız blgsnn uyarlılığına göre ve servo sstemn yapısına göre uygun türek br eleman seçlmelr. Yükün çeştl sınır ve ölçüm eğerler çn e uygun sensörler kullanılmalıır. Bu sensörler genel amaçlı mekank veya elektronk yaklaşım sensörlerr. Aşağıa br enkoer görülmekter. 5.4 Motor Servo sstemn hareketn sağlayan brmr. Servo sstemlere motor tp uygulamanın yapısına göre hrolk, pönomatk ve elektrk motoru olarak eğşr. Ancak günümüze uygulamanın zorunluluğu ışına en çok elektrk motorları kullanılmaktaır. Servo sstemlere çeştl yapıak farklı elektrk motorları kullanılablmekter. Aşağıa servo sstemlere kullanılan elektrk motor türler görülmekter.

104 104 Şekl 5.5 Servo motor türler Görülüğü gb servo sstemlere her tür elektrk motorları kullanılmaktaır. Uygulama türüne ve her motorun ğerne olan üstünlüklerne göre uygun motor türü seçlmelr. İlk zamanlar kontrollernn aha kolay olmaları neen le uygulamalara en çok DC motorlar kullanılı. Ancak DC motorların, fyat/performans, performans/ağırlık, onarım ve servs güçlüğü le aşırı ısınmaları gb kötü tarafları neen le günümüze aha çok AC motorlar kullanılmaktaır. AC motorların kontroller DC motorlara oranla aha güçtür. Ancak mkroelektronğe paralel olarak servo motor sürücülernek gelşmeler, yaygın olarak AC motorların kullanılmasını sağlamıştır. Uygulanacak kontrol yöntem seçlen motor türüne oğruan bağlıır. Br servo sstem le kontrol elen motorun blok yagramı aşağıak gbr. Şekl 5.6 Servo motor kontrol blok yagramı Blok yagrama a görülüğü gb, br servo sstemek motorun k temel büyüklüğünün blnmes ve kontrol elmes gerekr. Bunlaran br motorun o anak hızı, ğer se motor mlnn konumuur. Motor hızı, brer takometre veya enkoer le ölçülür. Motor ml konumu se motor konum enkoer (resolver) le ölçülür ve genellkle oğruan motor mlne akuple

105 105 elmştr. Bazı uygulamalara se motor mlne bnen tork kontrol elmek stenr. Bunun çn se motorun kullanığı akım mktarı kullanılır. Pratkte 0,1-250 kw le NM güçlere servo motorlar üretlmekter. Seçlecek motor gücü hareket ettreceğ mekank yük aracılığı le hesaplanır. Servo motor hızı aşağıak bağıntı le hesaplanır. n = ( f 60) / p (5.1) Bu bağıntıa n, motorun önüş hızıır. rpm(rotate per mnute=akkaak önüş hızı) le ölçülür. Tpk servo motorlar çn bu eğer 2000, 3000, 4500 rpm eğerlerner. f: uygulanan gerlmn frekansıır. Brm hertz (Hz.) r. Tpk br uygulama çn eğer 100, 150, 225 Hz r p: Stator kutup çft sayısıır. 6 kutuplu br servo motor çn eğer 3 ür. Br servo motorun yapısı ve çalışma lkes klask br asenkron motoru veya DC motoru le aynıır. Asenkron servo motorunun statoruna uygulanan gerlm rotora önürme yönüne br elektromanyetk etk yapar ve bu etk le motor öner. Motora rotoruna uygulanan torkun eğşm ve matematksel bağıntısı aşağıak gbr. Şekl 5.7 Motor torkunun uygulanan gerlmn açısıyla eğşm Şekle e görülüğü gb motor mlne (rotoruna) uygulanan torkun tepe eğerler -90 ve +90 erece açılarınaır. Servo motor hız kontrolü, ğer motorlara oluğu gb uygulanan gerlmn frekansı le oğru orantılıır. Bu neenle motor hızının kontrolü çn sürücüler bölümüne anlatılacak olan frekans eğştrme yöntemler uygulanır. Motor hızının stenen eğere kararlı kalablmes çn e P, PI, PID kapalı çevrm kontrol yöntemler kullanılır. Br servo motorun stator akımları aşağıa görülmekter.

106 106 Şekl 5.8 Br servo motorun stator akımları 5.5 Ger Besleme Elemanı Ger besleme elemanı br servo sstemn, hızını, motor mlnn bulunuğu konumu ve yükün bulunuğu konumu ölçmek çn kullanılır. Uygulamalara kullanılan ger besleme eleman türler aşağıak yagrama görülmekter.

107 107 Şekl 5.9 Servo motor ger besleme elemanları Ger besleme elemanı motora bağlı br şekle kullanılır ve genellkle motor le aynı hıza çalışır. Bu neenle aşırı hızlara ısınır ve ürettkler şaretler bulunukları manyetk alanan etklenr. Ger besleme elemanların, sstem olumsuz yöne etkleyecek bu etklernn azaltılması gerekr. Pratk uygulamalara aşırı hız neenyle ısınmanın önlenmes çn uygun önme (yataklama) sstemler, elektromanyetk alanan korunması çn e uygun şasler le korunmaktaırlar. 5.6 Resolver Resolverlar genellkle motorun soğutma fanı tarafınak mlne akuple olarak çalışırlar. Motorun br önüşü çn, o anak konumunun tespt çn kullanılan br ger besleme elemanıır. Resolver motor ml le eşzamanlı (senkron) önen br transformatör gbr. Aşağıak şekle tpk br resolver görülmekter.

108 108 Şekl 5.10 Tpk br resolver Resolvern stator ve rotor sargıları kşer aettr. Statora uygulanan gerlm motorun önüş hızına göre rotoran tekrar alınır. Br resolvern stator ve rotor sargıları aşağıak şekle görülmekter. Sabt Hareketl Sabt Sabt Şekl 5.11 Br resolvern sargı yapısı

109 109 V 1 ve V 2 çıkış gerlmler V e gerlm le olan bağıntısı aşağıak gbr. V e = V snωt (5.2) s Çıkış gerlmler; V = Vs sn t cosu (5.3) 1 ω V = Vs sn t sn u (5.4) 2 ω Yukarıak bağıntılara; Vs: Grş gerlm tepe eğer, u: Rotor açısı, ω: Vs Grş gerlm açısal hızıır. Br resolvere uygulanan V e grş gerlmne karşılık ele elen V 1 ve V 2 çıkış gerlmlernn alga şekller aşağıa görülmekter. Şekl 5.12 Çıkış gerlmler alga şekller Resolveren ele elen bu analog çıkış gerlm motor mlnn o anak konumu ve hız blgsn verr. Ele elen bu şaret sayısallaştırılarak servo motor konum ve hız kontrolü çn kullanılır. Resolver şaretnn şlenme aşamaları aşağıak blok yagrama görülmekter.

110 110 Şekl 5.13 Resolver şaret şleme aşamaları 5.7 Servo Kontrolör Servo kontrolör br servo motorun hız ve torkunu kontrol eer. Günümüze kullanılan servo kontrolörler sayısal kontrolörlerr. Sayısal kontrolörlern örneksel (analog) kontrolörlere oranla aşağıak üstünlükler varır. Blgsayar estekl uygulamaları kolayır, Dğer brmlerle haberleşmes kolay ve güvenlrr. İşaret şleme kolayır, Çalışma koşulları sınırlarına uzun ömürlüürler. Günümüze çeştl üretc frmalar tarafınan üretlen çok farklı şlevlere ve güçlere sahp servo motor sürücüler bulunmaktaır. Her üretc frmanın kenne özgü gelştrkler teknk ve özelkler olmasına rağmen, tpk br servo sürücüe ortak özellkler bulunur. Bz buraa bu ortak özellkler anlatacağız. Aşağıak şekle çeştl servo sürücüler görülmekter.

111 111 Şekl 5.14 Servo sürücüler Genel olarak br servo sürücü k ana brmen oluşur Güç kaynağı brm (power supply moule) eksen brm (axs moule) Güç kaynağı brm, sürücü çn gerekl besleme gerlmler yanı sıra, eksen kontroller çn gerekl güçler, servo motor frenleme gerlmn, sürücü ve sstem koruyacak brçok koruma üzeneğ le stanart br haberleşme kapısına (RS 232 RS 485) sahptr. Eksen brm se servo motor hız ve torkunu kontrol eer. Bu kontrol çn gerekl elektronk onanımı çerr. Günümüze kullanılan brçok servo sstem servo motor yanı sıra bu ssteme kullanılablecek ğer yarımcı motor, sensör, anahtar ve ğer elemanların a kontrolü çn gerekl; sayısal grş/çıkış, örneksel grş/çıkış ve kontrol elektronğne e sahptrler. Başka br eyşle ayrıca br PLC ye (Programable Logc Controller=Programlanablr sayısal kontrolör) gerek kalmaksızın sstemn kontrolünü yapablecek elektronk onanım ve yazılıma sahptrler. Aşağıak şekllere servo sürücü uygulamaları görülmekter.

112 112 Şekl 5.15 Servo sürücüler Şekl 5.16 Servo sürücüler

113 Güç Kaynağı Servo motor sürücüsünün güç kaynağı br kontaktör veya şalter üzernen ana besleme gerlmne bağlanır. Güç kaynağı brmnn genel blok yagramı aşağıak gbr. Şekl 5.17 Br servo sürücüsünün blok yagramı Yukarıak şekle e görülüğü gb br servo sürücünün güç kaynağı brmne; Aşırı gerlm koruması: besleme gerlmne oluşan gerlm algalanmalarına karşı sürücü sstemn korur. Doğrultucu: üç fazlı köprü oğrultucu evresr. Gerlm frekansının eğştrlmes çn öncelkle oğru gerlme çevrlr. Frenleme gerlm: servo motorun urma anına ters gerlm verlerek, tam olarak stenen noktaa urmasını sağlar. Verlen bu ters gerlmn sönümlenrlmes çn motora br frenlenme omk renc bağlanırsa aha y br sonuç alınır. Özellkle yüksek güçlü ve ataletl sstemlere bu br zorunluluk halne gelr. İzleme brm: bu brme sürücü çeştl parametrelernn merkez br kontrol noktasınan zlenmesn sağlar. Örneğn sürücü akımı, gerlm, motor sıcaklığı gb parametreler bu brm aracılığı le zleneblr. Swtch mo güç kaynağı: sstem gereksnm olan 24 V luk gerlm swtch mo olarak sağlayan brmr. Uygulamaa bu gerlm sürücü ışınak çeştl brmlern beslenmes çn e kullanılır. RS 232-RS 485 haberleşme kapısı: servo sürücünün merkez br kontrol brmne (PLC veya PC) bağlanması çn kullanılır. Enüstryel uygulamalara 1500 V gerlm koruması sağlayan ve ağ esteğ veren RS 485 haberleşme kapısı terch elr. Servo sürücü sstemler üzerne bulunan ser haberleşme kapıları kenlerne özgü haberleşme protokollerne sahptrler. Üretc frmalaran bu haberleşme protokoller öğrenleblr. Günümüze kullanılan servo

114 114 sstemler RS ser haberleşme ışına enüstryel uygulamalara kullanılan aşağıak haberleşme protokollern e esteklerler. Bu haberleşme protokoller çn genellkle ek br brmn ssteme eklenmes gerekr. PROFIBUS INTERBUS CAN DEVICENET SYSTEMBUS Aşağıa systembus le gerçekleştrlmş br ağ yapısı görülmekter. Şekl 5.18 Br systembus ağı Yukarıak haberleşme protokoller aracılığı le br servo sstem, br otomasyon sstemn alt brm olarak kullanılablr. Bren çok servo sstem kullanılacak se bunlar brbrlerne bağlanablr. 5.9 Eksen Brm Bu brm br servo sstemne eksen kontrolü çn gerekl gerlmn ger besleme elemanı ve kontrol yöntem aracılığı le yapar. Bu brme, güç brmne c ye çevrlen gerlm tekrar AC gerlme çevrlr ve frekansı steğe göre eğştrlr. Aşağıak şekle DC gerlm AC gerlme çevrme moülü görülmekter.

115 115 Şekl 5.19 Dc gerlm ac gerlme çevrme moülü 5.10 Lastk Sırtı Kesme Otomasyonu; Uçar Testere Uygulaması Şekl 5.20 Uçar testere maknes KALE ALTINAY ROBOTİK OTOMASYON A.Ş. Uçar testere uygulamaları, özellkle lastk fabrkalarına kullanılan, lastk sırtı hammaelernn (lastğn kanallı ış kısmını oluşturan bölüm) stenen kesm karakterstklerne şlenmesn sağlayan maknelerr. Proje br üretm hattı üzerne lerleyen br ürünün hat urmaksızın oğru olarak keslmesn heefler. Projee lastk sırtı malzemesyle gerçekleştrlen uygulama, farklı malzeme türlerne e (plastk ve er gb) kullanılablmekter. Uygulama, çalışma şekl ve hareketlernen olayı uçar testere uygulaması olarak smlenrlr. Lastk sırtı kesme otomasyonu proses özel olarak lastk sırtlarının keslmes şlemne kullanılmıştır. Tasarıma lastk sırtı le lgl kesm özellkler göz önüne alınmış ve makne teknk karakterstkler bu özellklere göre etaylanırılmıştır.