Bilgisayar Arayüzlü DsPIC Kontrollü Fırçasız Doğru Akım Motoru Sürücü Sistemi

Transkript

1 Bilgisayar Arayüzlü DsPIC Kontrollü Fırçasız Doğru Akım Motoru Sürücü Sistemi Okan Bingöl 1 -Mehmet Ali Yalçınkaya 2 - Orhan Tosun 2 1 Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü, Isparta 2 Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Isparta okanbingol@sdu.edu.tr, mehmetyalcinkaya@sdu.edu.tr, orhantosun@yandex.com Özet: Fırçasız Doğru Akım Motorları (FDAM) yüksek performanslı kontrol sistemi gerektiren endüstriyel uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, dspic30f3010 tabanlı bir motor sürücü sistemi tasarlanmış olup uygulaması gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen sistem bilgisayar arayüzü ile kontrol edilmektedir. Arayüz, Microsoft Visual Studio 2008 ortamında C# programlama dili kullanılarak yazılmıştır. Arayüz esnek bir yapıya sahiptir. Arayüz ile sürücü devresi arasındaki bağlantı bilgisayarın seri portu aracılığı ile yapılmıştır. Gerçekleştirilen sürücü sistemi, düşük maliyete sahip olmasına rağmen iyi bir performans göstermiştir. Anahtar Sözcükler: dspic30f3010; fırçasız DA motor; kullanıcı arayüzü. dspic Controlled Brushless DC Motor Drive System with Computer Interface Abstract: Brushless dc motors (BLDC) are generally used for industrial applications which require high performance control systems. In this study, dspic30f3010 based motor driver system has been designed and implemented. The implemented system is controlled by a computer interface. The interface is programmed by using the C# programming language in Microsoft Visual Studio 2008 environment. The interface has a flexible format. The connection of motor driver and interface is provided with serial port. The implemented driver system has shown a good performance despite its low cost. Keywords: dspic30f3010; brushless DC motor; user interface

2 1. Giriş FDAM, yüksek kalkınma momenti ve yüksek verime sahip motorlardır. Bu karakteristik özellikler, servo sistemler için aranan özelliklerdir [1]. Fırçalı DA motorlarının, aşınma ve ısınmadan dolayı sıklıkla arıza oluşturmaları, komütasyon ve fırçalara ihtiyaç duymaları ve sürekli bir şekilde bakım gerektirmeleri nedeniyle endüstriyel uygulamalarda kullanım alanları giderek daralmakta ve bu motorların yerini FDAM gibi bakıma ihtiyaç duymayan motorlar almaktadır [2]. FDAM, fırçalı DA motorlarında fırçalar yardımı ile oluşturulan manyetik alanın, fırçalar olmadan doğal yollar ile karşılandığı motor türüdür. Motorun rotor kısmında akım olmadığından dolayı, rotora akım taşımak için fırçalı DA motorlarında kullanılan fırça ve kollektör düzenekleri de bulunmamaktadır. FDAM nın aynı kapasitedeki fırçalı DA motorlarına göre; fırça- kollektör ve rotordan kaynaklanan kayıplar olmadığı için veriminin oldukça yüksek olması, hız denetimlerinin diğer motor çeşitlerine oranla daha kolay olması, yüksek moment/ kütle oranına sahip olmaları ve düşük atalet momentine sahip olmaları gibi üstünlükleri bulunmaktadır [2,3]. Belirtilen avantajların yanı sıra FDAM nın aynı kapasitedeki fırçalı DA motorlarına göre; kontrol devresi karmaşık olması, pozisyon sensörlerine ihtiyaç duyması, maliyetleri diğer fırçalı DA motorlara göre yüksek olması gibi dezavantajları da bulunmaktadır. dspic, Microchip firması tarafından üretilen 16 bitlik mikro denetleyicilerdir. dspic mikro denetleyicisi motor uygulamaları açısından diğer mikro denetleyicilerle karşılaştırılacak olursa; DSP mikro denetleyiciler 150 Mhz hızında matematik işlemleri daha hızlı ve kolay yapabilmesine karşın, motor uygulamaları için pahalı ve daha karmaşık yapıdadır. 8 bitlik Pic lerin ise çalışma frekansları düşüktür ve program hafızaları yeterli değildir. Ayrıca 8 bitlik PIC lerde IPM modülü için gerekli olan PWM çıkışları yoktur [5]. Bu bilgiler göz önüne alındığında FDAM sürücü sisteminin gerçekleştirilmesinde, motor kontrolleri için üretilmiş dspic mikro denetleyicisini kullanmak en iyi seçimdir. Bu çalışmada dspic kontrollü FDAM sürücü sistemi geliştirilmiştir. Gerçekleştirilen sistem bilgisayar arayüzü ile kontrol edilmektedir. Bilgisayar arayüzü ile sürücü devre arasındaki bağlantı seri port haberleşme protokolü ile yapılmaktadır. Arayüz aracılığıyla motorun çalışacağı süre ve hız bilgileri sürücü devre üzerinde bulunan dspic30f3010 mikro denetleyicisine gönderilmiş gönderilen veriler ve motorun hall effect sensörlerinden alınan konum bilgileri, mikro denetleyici içerisinde bulunan motor kontrol yazılımı tarafından uygun komütasyon çıkışları üretilmiş ve motorun hızı kontrol edilmiştir. 2. FDAM ve Sürücü Devre Sistemi Bu çalışmada FDAM, FDAM sürücü devresi, dspic30f3010 mikro denetleyicisi, sistem arayüzü ve seri haberleşme protokolü kullanılarak bir sürücü sistem üretilmiş ve FDAM nın hızı kontrol edilmiştir. 2.1 FDAM ın Özellikleri ve Matematiksel Modeli Bu projede, MOOG firmasının BN23HP- 18DA kod numaralı FDAM kullanılmıştır. Motora ait temel teknik özellikler Şekil 1 de gösterilmektedir. Şekil 1. FDAM Özellikleri Motora ait a,b,c faz sistemindeki matematiksel modeli oluşturan aşağıdaki

3 denklemler elde edilebilir. (1) 2.2 DsPIC30F3010 Mikro Denetleyicisinin Özellikleri Sürücü sisteminde dspic30f3010 mikro denetleyicisi kullanılmıştır. Kullanılan mikro denetleyici; 24 bit işlem uzunluğu, 1 kbyte RAM, 29 kesme kaynağı, 3 harici kesme kaynağı, 2 adet UART modülü, 5 tane 16 bit zamanlayıcı/ sayıcı, 6 adet komplementer veya bağımsız pwm kanalı, 3 adet çalışma saykılı üreteci, komplementer mod için ölü zaman kontrolü gibi özelliklere sahiptir [7]. (2) Va, Vb, Vc ifadeleri faz-nötr gerilimleri, λa, λb, λc ifadeleri faz sargılarının toplam akıları, Ra, Rb, Rc ifadeleri ise stator sargı direncidir. Makinanın mekanik büyüklüklerini içeren mekanik denklemler ayrıca yazılırsa elektromanyetik moment, Te = p şeklinde yazılabilir. (3) (4) mekanik denkleminden ise rotor hızı elde edilebilir. Burada, Ωr: Rotor açısal hızı (Elk. Açı rad/s), p: Kutup çifti sayısı,j: Makinanın miline indirgenmiş eylemsizlik momenti,ty: Yük momentidir. 2.3 Sistem Arayüzü Bir mekanizma ile onun kullanıcısı arasındaki etkileşime aracılık eden ortama arayüz denir. Bu çalışmada kullanılan arayüz, Visual Studio 2008 ortamında C# programlama dili ile yazılmıştır. Projenin, daha önce yapılmış olan mikro denetleyiciler ile FDAM nın kontrol edildiği projelerden en temel farklarından biri de motorun arayüz ile kontrol edilmesidir. Geliştirilen arayüzün ekran görüntüsü Şekil 2 de verilmiştir. Açılan Arayüz isimli, motorun kontrol edileceği pencerede altı adet textbox componenti bulunmaktadır. Bulunan textboxlardan ilk sütunda olanlarına motorun dönmesi istenen süre değerleri saniye (sn) cinsinden girilecektir. İkinci sütunda bulunan textboxlara ise girdiğimiz saniyelerde motorun dönmesini istediğimiz hız değerleri girilecektir. Değerler girildikten sonra sonra Verileri Gönder isimli butona tıklanarak seri port aracılığı ile veriler sürücü devre üzerinde bulunan mikro denetleyiciye yollanacaktır [8].

4 Şekil 2. Motor Kontrol Arayüzü 2.4 Seri Port Haberleşme Protokolü Devresi Bilgisayar arayüzü ile motor sürücü sistemi arasındaki bağlantı, bilgisayarın seri portu aracılığı ile yapılmaktadır. Arayüzden girilen veriler seri port yoluyla sürücü devre üzerindeki mikro denetleyiciye aktarılır. Mikro denetleyici bu bilgileri işleyerek içerisinde bulunan motor kontrol yazılımı sayesinde yorumlayarak sistemin çalışmasını sağlar. Çalışmada seri port haberleşmesini sağlayabilmek için max232 entegresi kullanılarak bir devre hazırlanmıştır. Seri port haberleşme protokolü devresi Şekil 3 de verilmiştir. 3. FDAM Sürücü Devresinin Tasarımı ve Sistemin Çalışması Tasarlanan sürücü sistemde, TC4428 entegreleriyle IRF9540 ve IRFZ44N MOSFET elemanları sürülmüştür. Microchip firmasının MPLAB programında, C programlama diliyle mikro denetleyicinin kodlaması yapılmıştır. 3.1 FDAM ın Çalışma Prensibi ve Mikro Denetleyici İle Kontrolü Şekil 4. 3 Fazlı FDAM ın Elektriksel Çevrimi Şekil 3. Seri Port Haberleşme Protokolü Devresi Şekil 4 te görüldüğü gibi 3 fazlı bir DA motorunda bulunan her bir sargıdan iki yönlü olmak üzere altı şekilde komütasyon gerçekleştirilebilir. 6 adımlı komütasyonun her bir adımında, bulunan 3 sargıdan bir sargıya pozitif gerilim, bir sargıya negatif gerilim verilirken üçüncü sargı boş bırakılmaktadır. Kullanılan motor sekiz kutuplu olduğu için elektriksel çevrimin her 360 derecesine karşılık olarak motor,

5 mekaniksel olarak 90 derecelik dönüş gerçekleştirmektedir. Verilen tabloya göre elektriksel çevrimin 0 ile 360 derece aralığı iki kez gerçekleşmekte, bu da mekanik olarak sadece 180 derecelik bir dönüşe karşılık gelmektedir. Projede FDAM nın kontrolü, motorlar içerisinde bulunan hall sensörleri yardımı ile gerçekleştirilmiştir. Hall sensörlerden okunan sinyallere karşılık olarak motor sargılarına verilmesi gereken gerilimlerin bilinmesi gerekmektedir. Hall sensörlerden elde edilen rotor pozisyon bilgisine göre 3 faz sargılarına uygulanması gereken gerilimler Şekil 5 de verilmiştir [9]. Şekil 5. Sensör Çıkışlarına Karşılık Gelen Sargı Gerilimleri FDAM nın kontrolünde, iç ve dış kontrol çevrimi olmak üzere iki ayrı kapalı çevrim kullanılmaktadır. İç kontrol çevriminde; motor faz sargılarının akımları sürekli izlenerek, referans akımının takip edilmesi sağlanmaktadır. Dış kontrol çevriminde ise; motorun rotorunun pozisyonu kontrol edilmektedir. Gerçekleştirilen çalışma kapsamında motorun kontrol edilmesinde hem iç hem de dış kapalı kontrol çevrimleri kullanılmıştır. İç kapalı çevrimde; motordan dönmesi istenen hız ile motorun o anki hızı arasındaki farka yani hata, sabit bir oranla çarpılıp motorun PWM duty cycle ı kontrol edilmiştir. Dış kontrol çevrimde ise motorun hall sensörlerinden elde edilen rotor pozisyon bilgisine göre hangi anda hangi motor sargılarına gerilim uygulanacağı belirlenmiştir. Hall sensörler ile mikro denetleyici arasında ki bağlantılar Şekil 6 da verilmiştir. Gerçekleştirilen sürücü devrede TC4428 in çıkışları, dirençler üzerinden P kanallı Şekil 6. FDAM Sürücü Devresi MOSFET lerin ve N kanallı MOSFET lerin gate bacaklarına gitmektedir. MOSFET ler

6 devre üzerinde sırasıyla yukarıdan aşağıya doğru P-N-P-N-P-N şeklinde sıralanmaktadır. P kanallı MOSFET lerin Source bacakları + ya bağlanmakta, N kanallı MOSFET lerin drain bacakları P kanallı MOSFET lerin drain bacaklarına bağlanmaktadır. Drain bacakları birbirlerine bağlandıktan sonra motorun sargılarına götürülmektedir. Devre üzerinde gerçekleştirilen bu bağlantılar Şekil 6 da gösterilmiştir. 3.2 Sistemin Çalışması Şekil 7. Gerçekleştirilen FDAM Sürücü Sistemi Blok Şeması Gerçekleştirilen sürücü sistemin çalışmasına ait blok şeması Şekil 7 de gösterilmiştir. Sürücü sisteminin çalışması incelenecek olursa mikro denetleyici enerjilendiği anda içerisinde bulunan C kodları sayesinde, seri port devresi aracılığı ile çalışmaya hazır olduğunu belirten READY komutu gönderilir. READY komutu geldiği andan itibaren motoru döndürülmek istenen hız ve süre bilgileri arayüze girilerek gönderilir. İlgili değerler girildikten sonra olarak textboxlara girilen süre ve hız değerleri giriş sıralarına göre gruplandırılmakta ve ayrı ayrı mikro denetleyicinin verileri anlayabileceği şekilde string veri tipinde bir ifadede birleştirilmektedir. Bütün süre ve hız ifadeleri birleştirildikten sonra, ilk süre ve hız değerlerini içeren veri, seri port aracılığı ile mikro denetleyiciye gönderildikten sonra mikro denetleyiciden onay beklemeye başlanılmaktadır. Gönderilen ilk veri mikro denetleyiciye ulaştığında, mikro denetleyici gelen ifadeyi parçalarına ayırarak hız ve süre bilgilerine erişmektedir. Bu işlemlerden sonra mikro denetleyici, hall sensörlerden motorun rotorunun bulunduğu pozisyonun bilgisini almaktadır. Hall sensörlerden gelen pozisyon verisi ile birlikte arayüzden gönderilen gelen hız ve süre verileri inceleyerek gerekli PWM frekansını, gerekli PWM çıkışlarına uygular. Mikro denetleyici, PWM frekansı üretme aşamasında sürekli olarak hall sensörlerden gelen pozisyon bilgilerini kontrol etmekte ve gelen pozisyon bilgilerine göre gerekli olan sargılara gereken PWM frekansını göndermektedir, bu sayede FDAM nın komütasyonu sağlanmaktadır. Bu işlemlerden sonra mikro denetleyici, seri port aracılığı ile arayüz programına, verileri aldığını belirten OK komutunu göndermektedir. Motor kontrol arayüzü mikro denetleyici tarafından gelen OK komutunu alır almaz aynı süreç sıradaki hız ve süre değerleri için gerçekleşmektedir [8]. 4. Sonuçlar Bu çalışmada dspic kontrollü FDAM sürücü sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen sistemde motorun pozisyon sensörlerinden, rotorun pozisyon bilgisi alınarak motorun kontrolü sağlanmaktadır. Benzer FDAM projelerinden farklı olarak, bu projede motor kontrolü elektronik devre üzerinden değil, Microsoft Visual Studio 2008 ortamında C# programlama dili kullanılarak yazılan bir arayüz ile gerçekleştirilmiştir.

7 Şekil 8. Bilgisayar Arayüzlü DsPIC Kontrollü FDAM Sürücü Sistemi Gerçekleştirilen sistem ve sistemin çalışması için hazırlanmış düzenek Şekil 8 de verilmiştir. Şekil 8 da numaralandırılmış olan sistem elemanları Tablo 1 te sıralanmıştır. Tablo 1. Sürücü Sistemi Bileşenleri 1 Bilgisayar Ekranı 2 FSDAM 3 FSDAM Sürücü Devresi Sistem üzerinde yapılan uygulamalarda, sistemin istenen veri değerlerinde kararlı bir şekilde çalıştığı gözlemlenmiştir. Şekil 9 da FDAM ın yüksüz olarak 1000 d/dak ile dönerken motora ait Hall A ve Hall B sensör çıkışlarından elde edilen gerilim dalga grafikleri gösterilmiştir. Dalgalar arasında 60 derecelik faz farkı bulunmaktadır. Bu değer Şekil 5 te gösterilmiş olan sensör gerilim dalgaları arasındaki faz farkına eşittir. 4 Seri Port Haberleşme Devresi 5 Güç Kaynağı Şekil 10. FDAM Hız Grafiği Şekil 9. Hall A ve Hall B Sensörleri Çıkış Gerilimleri Motora ait hız grafiğinin elde edilebilmesi için FDAM ın rotoruna, bir doğru akım motorunun rotoru sabitlenmiş ve FDAM dönüş yaptığında doğru akım motorunun da dönüş yapması sağlanarak bağlantı uçlarından gerilim elde edilmiştir. Elde edilen gerilim

8 alçak geçiren filtre üzerinden osiloskopta hız eğrisi elde edilmiştir. Şekil 10 da FDAM ın 6 sn d/dak., 6 sn d/dak. ve 10 sn d/ dak. değerlerinde çalıştırıldığında elde edilen hız eğrisi gösterilmektedir. Tasarlanan sürücü sisteminde kullanılan bileşenler düşük maliyete sahiptir ve piyasada rahatlıkla bulunabilmektedir. Sistemin kararlı bir şekilde ve sorunsuz çalışması pratik uygulamalarda güvenli bir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir. 5. Kaynaklar [1] Gedikpınar M., Güldemir H., 2002, Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Algılayıcısız Hız Kontrolü, Politeknik Dergisi, 5.4, [2] Gencer Ç., 2005, Fırçasız Doğru Akım Motor Ve Konumunun Bulanık Sinirsel Denetleyici İle Denetimi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 159s, Ankara [3] Yedamale, P., Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals, Microchip Technology Inc. App. Note, USA [4] Aydogdu Ö., Bayer M., 2008, PIC Tabanlı Fırçasız DC Motor Sürücüsü Tasarımı, Elektrik- Elektronik- Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu (ELECO 2008), Kasım 2008, Bursa [5] Aydoğan, Ö., 2008, DsPIC Mikro Denetleyicisi Kullanarak Sensörsüz Asenkron Motor Kontrolü, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Semineri, 28s, Isparta [6] Kandemir, E., Duru H., Çamur, S., Arifoğlu, B., Beşer, E., 2004, Fırçasız Doğru Akım Motor Sisteminin Deneysel Olarak Gerçekleştirilmesi Ve Simülasyonu, ELECO 2004 Elektrik - Elektronik - Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu Ve Fuarı Bildirileri, 8-12 Aralık 2004, Bursa [7] Microchip Tecnology Incorporation, Erişim Tarihi: [ ] icedoc/70141c.pdf [8] Yalçınkaya, M., Tosun, O., 2012, Bilgisayar Tabanlı D Kontrollü Fırçasız Doğru Akım Motoru Sürücü Sistemi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Lisans Bitirme Tezi, 53s, Isparta [9] Moog BN23HP- 18DA Fırçasız Motor Datasheet, Erişim Tarihi:[ ]