Gerçek Dört-Bölgeli Bir DC Motor Sürücüsünün Modellenmesi ve Tasarımı



Benzer belgeler
ANAHTARLI RELÜKTANS MOTORUN SAYISAL HIZ KONTROLÜ

Elektrikli Araçlar İçin Çift Çevrim Destekli DA Motor Kontrol Uygulaması

ÜÇ SEVİYELİ UZAY VEKTÖR DARBE GENİŞLİK MODÜLASYONLU İNVERTER İLE SABİT MIKNATISLI SENKRON MOTORUN ALAN YÖNLENDİRMELİ KONTROLÜ

Kıyıcı Beslemeli DA Motorun Oransal İntegral ve Bulanık Mantık Oransal İntegral Denetleyicilerle Hız Kontrolü Karşılaştırılması

ELEKTRİKSEL EYLEYİCİLER

ÜÇ-FAZ SENKRON JENERATÖRÜN AÇIK DEVRE VE KISA DEVRE KARAKTERİSTİKLERİ DENEY

Sürekli Mıknatıslı Senkron Motorun Sayısal İşaret İşlemcisi ile Histerezis Akım Denetleyicili Alan Yönlendirme Kontrolünün Gerçekleştirilmesi

Fatih Alpaslan KAZAN 1, Osman BİLGİN 2. 1 Elektrik Programı. Ilgın Meslek Yüksekokulu Selçuk Üniversitesi, Ilgın, KONYA

18/12 Kutuplu Bir Anahtarlı Relüktans Motorun Tasarımı, İncelenmesi ve Kontrolü

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Of Teknoloji Fakültesi Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü. Doğru Akım Makinaları - I

ELEKTROLİZ YAPMAK İÇİN PI DENETİMLİ SENKRON DA-DA DÖNÜŞTÜRÜCÜ TASARIMI

Doğru Akım (DC) Makinaları

H04 Mekatronik Sistemler. Yrd. Doç. Dr. Aytaç Gören

DC Motor ve Parçaları

326 ELEKTRİK MAKİNALARI LABORATUVARI II ÜÇ-FAZ SİNCAP KAFESLİ ASENKRON (İNDÜKSİYON) MOTOR DENEY

ÜÇ FAZLI ALTI SEVİYELİ PWM İNVERTER İLE BESLENEN ASENKRON MOTORUN MATLAB/SİMULİNK UYGULAMASI. Hüseyin GÜZELCİK 1,

DENEY.3 - DC MOTOR KONUM-HIZ KONTROLÜ

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Power Electronic Circuits (Güç Elektroniği Devreleri)

Doğru Akım (DC) Makinaları

Bölüm 1 Güç Elektroniği Sistemleri

ELEKTRİK MOTORLARI VE SÜRÜCÜLER

EVK Enerji Verimliliği, Kalitesi Sempozyumu ve Sergisi Haziran 2015, Sakarya

Alçaltıcı DA-DA Çevirici Analiz ve Tasarımı

Şekil1. Geri besleme eleman türleri

PIC16F877 Mikrodenetleyicisi İle Uzay Vektör PWM İşaretlerinin Üretilmesi

Elektromekanik Kumanda Sistemleri / Ders Notları

KARAMANOĞLU MEHMETBEY ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

Üç Fazlı Sincap Kafesli bir Asenkron Motorun Matlab/Simulink Ortamında Dolaylı Vektör Kontrol Benzetimi

DC motorların sürülmesi ve sürücü devreleri

Electric Vehicles- 4 EVs V s 4

Yükseltici DA Kıyıcılar, Gerilim beslemeli invertörler / 12. Hafta

Robotik AKTUATÖRLER Motorlar: Çalışma prensibi

SENKRON MAKİNA DENEYLERİ

Servo Motor. Servo Motorların Kullanıldığı Yerler

ÜÇ FAZLI ASENKRON MOTOR ÇALIŞMA PRENSİBİ

DOĞRU AKIM MOTORLARI VE KARAKTERİSTİKLERİ

İNVERTER ENTEGRELİ MOTORLAR

Yumuşak Yol Vericiler - TEORİ

SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ TEKNİK EĞİTİM FAKÜLTESİ MEKATRONİK EĞİTİMİ BÖLÜMÜ BİLGİSAYAR DESTEKLİ İMALAT SERVO VE STEP MOTORLAR

Şekil-1. Doğru ve Alternatif Akım dalga şekilleri

ELEKTRİK MAKİNELERİ (MEP 112) Yazar: Yrd. Doç. Dr. Mustafa Turan S1

Statik güç eviricilerinin temel görevi, bir DA güç kaynağı kullanarak çıkışta AA dalga şekli üretmektir.

ASENKRON MOTOR ASENKRON (İNDÜKSİYON) MOTOR. Genel

Matris Çevirici ve Gerilim Beslemeli Evirici ile Beslenen Sürekli Mıknatıslı Senkron Motor Sürücülerinin Karşılaştırılması

Şekil 3-1 Ses ve PWM işaretleri arasındaki ilişki

ELEKTRĐK MOTORLARI SÜRÜCÜLERĐ EELP212 DERS 05

DENEY 21 IC Zamanlayıcı Devre

ÜÇ-FAZLI TAM DALGA YARI KONTROLLÜ DOĞRULTUCU VE ÜÇ-FAZLI EVİRİCİ

DENEY-4 ASENKRON MOTORUN KISA DEVRE (KİLİTLİ ROTOR) DENEYİ

DC/DC DÖNÜSTÜRÜCÜLER

Kaskat Bağlı Çok Seviyeli Eviriciden Beslenen Asenkron Motorun Kapalı Çevrim Hız Kontrolü

PWM Doğrultucular. AA/DA güç dönüşümü - mikroelektronik devrelerin güç kaynaklarında, - elektrikli ev aletlerinde,

ASENKRON (İNDÜKSİYON)

(Mekanik Sistemlerde PID Kontrol Uygulaması - 1) SÜSPANSİYON SİSTEMLERİNİN PID İLE KONTROLÜ. DENEY SORUMLUSU Arş.Gör. Sertaç SAVAŞ

Anahtarlama Modlu DA-AA Evirici

Belirsiz Katsayılar Metodu ile PWM Kontrollü Buck Tipi Dönüştürücü Devre Analizi


ÜÇ-FAZ SENKRON MAKİNANIN SENKRONİZASYON İŞLEMİ VE MOTOR OLARAK ÇALIŞTIRILMASI DENEY

Asenkron Makineler (2/3)

ASENKRON MOTORLARA YOL VERME METODLARI

DA-DA BUCK, BOOST VE BUCK-BOOST KONVERTER DENEY SETĐ TASARIMI VE UYGULAMASI

İNDEKS. Cuk Türü İzolesiz Dönüştürücü, 219 Cuk Türü İzoleli Dönüştürücü, 228. Çalışma Bölgeleri, 107, 108, 109, 162, 177, 197, 200, 203, 240, 308

ELEKTRİK MOTOR SÜRÜCÜLERİ: PWM AC KIYICILAR

SENKRON MOTOR KONTROL YÖNTEMLERİ

Doğru Akım Motorları

Sıtkı KOCAOĞLU 1, Hilmi KUŞÇU 2. Kırklareli Üniversitesi, Kırklareli Trakya Üniversitesi, Edirne

1 ALTERNATİF AKIMIN TANIMI

Asenkron Motorun Klasik Denetimli PWM İnverter İle Mikroişlemci Tabanlı Hız Kontrolü

İÇİNDEKİLER. ÖNSÖZ...iii İÇİNDEKİLER...v 1. GÜÇ ELEKTRONİĞİNE GENEL BİR BAKIŞ YARI İLETKEN GÜÇ ELEMANLARI...13

Otomatik Kontrol I. Dinamik Sistemlerin Matematik Modellenmesi. Yard.Doç.Dr. Vasfi Emre Ömürlü

Bilgisayar Arayüzlü DsPIC Kontrollü Fırçasız Doğru Akım Motoru Sürücü Sistemi

ELEKTRİK ENERJİ SİSTEMLERİNDE OLUŞAN HARMONİKLERİN FİLTRELENMESİNİN BİLGİSAYAR DESTEKLİ MODELLENMESİ VE SİMÜLASYONU

Sistem Dinamiği. Bölüm 6. Elektrik ve Elektromekanik Sistemler. Doç.Dr. Erhan AKDOĞAN

ÖZEL EGE LİSESİ FİLTREN DÖNDÜKÇE ELEKTRİK ELDE ET

OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ İŞARET AKIŞ DİYAGRAMLARI SIGNAL FLOW GRAPH

AKTÜATÖRLER Elektromekanik Aktüatörler

Deney 3 5 Üç-Fazlı Tam Dalga Tam-Kontrollü Doğrultucu

3. Bölüm: Asenkron Motorlar. Doç. Dr. Ersan KABALCI

DENEY 3 HAVALI KONUM KONTROL SİSTEMİ DENEY FÖYÜ

Mikrodenetleyici Tabanlı DA Motor Kontrolü ve PC Üzerinden İzlenmesi

Matris Konverter Beslemeli Self Kontrollü Senkron Motorda Çıkıklık Etkileri

Modüler Çok Seviyeli Dönüştürücüler: Anahtarlama Yöntemleri. Modular Multilevel Converters: Switching Methods

Süperpozisyon/Thevenin-Norton Deney 5-6

Arttıran tip DC kıyıcı çalışması (rezistif yükte);

SİRKÜLASYON POMPASINDA KULLANILAN SABİT MIKNATISLI MOTOR SÜRÜCÜSÜNÜN BİLGİSAYAR ORTAMINDA FONKSİYONEL MODELLEMESİ

A.Ü. GAMA MYO. Elektrik ve Enerji Bölümü GÜÇ ELEKTRONİĞİ 9. HAFTA

Şekil 5-1 Frekans modülasyonunun gösterimi

DENEY 3: DOĞRULTUCU DEVRELER Deneyin Amacı

EET-320 ELEKTRİK MAKİNALARI-II LABORATUVARI DENEYLERİ

PIC Tabanlı Fırçasız DC Motor Sürücüsü Tasarımı

Küresel Motorun Mikrodenetleyici Kontrollü Sürücü Devresi ve Tasarımı

mikroc Dili ile Mikrodenetleyici Programlama Ders Notları / Dr. Serkan DİŞLİTAŞ

L3 Otomasyon Laboratuvarı

ALTERNATİF AKIMIN TEMEL ESASLARI

Ders 04. Elektronik Devre Tasarımı. Güç Elektroniği 1. Ders Notları Ege Üniversitesi Öğretim Üyesi Yrd.Doç.Dr. Mehmet Necdet YILDIZ a aittir.

Contents. Doğrusal sistemler için kontrol tasarım yaklaşımları

Matris Konverter Beslemeli Self Kontrollü Senkron Motorda Amortisör Sargı Etkileri

OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ. DİNAMİK SİSTEMLERİN MODELLENMESİ ve ANALİZİ

T.C. KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

Güç elektroniği elektrik mühendisliğinde enerji ve elektronik bilim dalları arasında bir bilim dalıdır.

Transkript:

Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi Science and Eng. J of Fırat Univ. 2 (2), 295-33, 28 2(2), 295-33, 28 Gerçek Dört-Bölgeli Bir DC Motor Sürücüsünün Modellenmesi ve Tasarımı Hüseyin ALTUN, Ömür AYDOĞMUŞ, ve Sedat SÜNTER 2 Fırat Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü 239 Elazığ 2 Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü 239 Elazığ haltun@firat.edu.tr (Geliş/Received: 2..28; Kabul/Accepted: 8.3.28) Özet: Bu da PIC mikrodenetleyici kullanılarak dört-bölgeli çalışabilen sürekli mıknatıslı bir DC motor sürücüsünün kapalı çevrim hız kontrolü gerçekleştirilmiştir. İlk olarak sürekli mıknatıslı bir DC motoru besleyen dört-bölgeli kıyıcı ve yardımcı devreleri tasarlanmıştır. Daha sonra PIC6F877 mikrodenetleyicisi kullanılarak, DC motorun kapalı çevrim hız kontrolü yapılmıştır. Sürekli mıknatıslı DC motorun hızlanması, yavaşlaması ve devir yönü değişimine ilişkin elde edilen benzetim ve deneysel sonuçlar karşılaştırılmış, PIC mikrodenetleyici tabanlı kapalı-çevrim kontrollü ve dört-bölgeli çalışan sürücü sistemin düşük fiyatla ve verimli yapılabileceği gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: DC motor, Kapalı çevrim kontrol, Dört-bölgeli, PIC mikrodenetleyici. Modeling and Implementation of a True Four-Quadrant DC Motor Drive Abstract: In this work, PIC microcontroller based closed-loop speed control of four-quadrant permanent magnet DC motor drive has been designed and implemented. First, a four-quadrant DC chopper circuit supplying a permanent magnet DC motor and its auxiliary circuits were constructed. Then, closed-loop operation of the machine was realized using PIC6F877 microcontroller. By comparison of the simulation and experimental results for acceleration, deceleration and reversal operation modes, it has been shown that a PIC6F877 based closed-loop control of a low cost and efficient four-quadrant DC motor drive is achievable. Key words: DC motor, Closed-loop control, Four-quadrant operation, PIC microcontroller.. Giriş Yarıiletken teknolojisinde meydana gelen son gelişmeler daha küçük, daha hızlı ve daha az maliyetli mikrodenetleyici ve güç anahtarlama elemanlarının üretilmesine olanak sağlayarak AC ve DC motor sürücü sistemlerinin kontrolünde önemli yeniliklere öncülük etmiştir. DC motor sürücüleri basit yapıda ve ucuz olmalarından dolayı sıkça kalkış, durma, frenleme ve devir yönü değişimi gerektiren çeşitli endüstriyel uygulamalarda hala yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ayrıca DC motor sürücüsünün hız ve moment kontrolü indüksiyon motor sürücüsüne göre daha basit olduğundan, endüstride kullanımı önemli avantajlar sağlamaktadır. Bu nedenle, ucuz bir denetleyiciyle arzu edilen kontrol kolayca gerçekleştirilebilir [ 2 3]. DC motor sürücüsü ile anma hızın altındaki hızlarda k için armatür gerilimi kontrol edilirken, anma hızın üzerindeki hızlarda ise manyetik alan zayıflatması yapılır. Sıkça kalkış, devir yönü değişimi, frenleme ve hızlanma gerektiren uygulamalarda dört-bölgeli DC motor sürücü sistemine gereksinim vardır. Böyle bir sürücü devresi ile yapılan hız ayarı ve frenleme ları diğer devrelerinkine göre daha verimli ve daha ekonomik olur [4 5 6]. Bu da, Şekil. de gösterilen ve bir DC motoru besleyen dört-bölgeli H-köprü DC- DC çevirici güç devresi dört adet IGBT yarıiletken anahtar eleman kullanılarak oluşturulmuştur. Yarıiletken anahtarlar uygun bir şekilde kontrol edilerek çıkış gerilimi ve akımı ortalama değerlerinin yanı sıra polariteleri de ayarlanabilir. Böylece, kıyıcının bir DC motoru beslemesi durumunda dört-bölgeli elde edilebilir. Şekil. de gösterilen DC kıyıcı güç devresinde ilave olarak anahtarlara ters paralel bağlı diyotlar kullanılmamıştır. Bunların yerine

H.Altun, Ö.Aydoğmuş ve S.Sünter ters düzelme zamanları yeterince küçük olan IGBT lerin gövde diyotlarından yararlanılmıştır. Bu da 25 A, 2 V luk G25N2RUFD IGBT elemanları kullanılmıştır [7]. Sürücü sistemin kontrolünde mikrodenetleyici olarak PIC6F877 kullanılmıştır [8]. 4 bacaklı 8-bitlik bu işlemci, -bit 8-kanallı A/D çeviriciye sahip hem makine dili ve hem de yüksek seviyeli dillerle programlanabilen ucuz maliyetli bir kontrolördür. Ancak maliyeti ucuz olan bu denetleyicinin sınırlı işlem kapasitesinden dolayı, sayısal işaret işlemcileri gibi yüksek maliyetli denetleyicilerle yapılabilen kontrol işlemleri gerçekleştirilememektedir. Bu yüzden bu da dört-bölgeli DC motor sürücüsünün PIC6F877 kullanılarak sadece kapalı çevrim hız kontrolü yapılmıştır. V S D S 4 D 4 Şekil. Dört-bölgeli DC kıyıcı güç devresi. 2. Sürücü Sistem Tasarımı Tasarlanan sürücü sistemin komple şeması Şekil.2 de görülmektedir. Sistem; güç devresi, kontrol ünitesi, yük olarak üzerinde hız algılayıcısı bulunan DC motor ve izoleli sürme devresinden oluşmaktadır. Açık şeması Şekil. de gösterilen güç devresinin amacı sabit bir DC kaynaktan yüke polaritesi yanı sıra ortalama değeri ayarlanabilen gerilim sağlamaktır. Bu çevirici güç devresi yaygın bir şekilde regüleli DC güç kaynaklarında ve DC motor hız kontrol uygulamalarında kullanılır. Böyle bir güç devresi kullanıldığı takdirde, sistem yönünden hızlı dinamik cevap, kontrol esnekliği, küçük hacim ve ağırlık avantajları elde edilecektir. Çeviricinin çıkış gerilimi, Şekil 3. te verildiği gibi bir anahtarlama yaklaşımı ile kontrol edilmiştir. Dört-bölgeli için kullanılan anahtarlama durumları, V a çevirici çıkış gerilimi ya M D 3 D 2 S 3 S 2 296 da motor uç gerilimi, e c zıt emk ve i a armatür akımı olmak üzere, şu şekilde özetlenebilir: I. Bölge: İleri yönde motor ( V a > e c ve i a > ). Akım S ve D 4 arasında anahtarlanır. S ve S 2 iletimde, S 3 ve S 4 kesimde, motor S 2 ve D 4 iletimde, S ve S 3 kesimde, boşluk II. Bölge: İleri yönde generatör ( V a < e c ve i a < ) Akım S 4 ve D arasında anahtarlanır. S 4 ve D 2 iletimde, S ve S 3 kesimde, boşluk D ve D 2 iletimde, S 3 ve S 4 kesimde, generatör III. Bölge: Ters yönde motor ( V a > e c ve i a < ) Akım S 4 ve D arasında anahtarlanır. S 3 ve S 4 iletimde, S ve S 2 kesimde, motor S 3 ve D iletimde, S 2 ve S 4 kesimde, boşluk IV. Bölge: Ters yönde generatör ( V a < e c ve i a > ) Akım S ve D 4 arasında anahtarlanır. S ve D 3 iletimde, S 2 ve S 4 kesimde, boşluk D 3 ve D 4 iletimde, S ve S 2 kesimde, generatör Böylece, darbe genişlik modülasyon (PWM) tekniği ile denetlenen kıyıcı devre sayesinde sürekli mıknatıslı DC motorun dört-bölgeli hız ayarı yapılabilir. Şekil 2. Kapalı-çevrim kontrollü ve dört-bölgeli DC motor sürücü sistemi.

Gerçek Dört-Bölgeli Bir DC Motor Sürücüsünün Modellenmesi ve Tasarımı Şekil 3. Tam köprü bir DC kıyıcının dört-bölgeli sı. Sürücü sistemin kontrolünde PIC mikrodenetleyici tabanlı yazılan programın akış diyagramı Şekil.4 te verilmiştir. Burada motora akuple edilmiş hız algılayıcısı takogeneratörden elde edilen analog sinyal, mikrodenetleyicinin -bitlik A/D çeviricisinin girişine uygulanılarak, kullanıcının girişte arzu ettiği referans hız ile karşılaştırılır. Sonuç hız hatası, motorun mekaniksel dinamik parametreleri göz önünde bulundurularak tasarlanan PI kontrolörden geçirilerek gerekli motor gerilimi elde edilir. Bu gerilimin elde edilmesinde mikrodenetleyicinin PWM modüllerinden biri kullanılmıştır. Mikrodenetleyicinin işlem kapasitesi dikkate alınarak 2 MHz clock frekansı ve -bitlik PWM çözünülürlüğü ile anahtarlama frekansı.22 khz seçilmiştir. Gerek duyulan motor gerilimi, ayrık zamanda aşağıdaki gibi hesaplanmıştır. u(k) = u(k ) + (k p + k.t ).e(k)-k.e(k ) () Burada hız hatası e(k) aşağıdaki şekilde hesaplanır. e(k) i s = ω* (k) ω(k) (2) Burada, u armatür gerilimi, k p ve k i sırası ile kontrolörün oransal ve integral katsayılarıdır. T s örnekleme periyodu ω* ve ω sırası ile referans ve ölçülen açısal hız değerleridir. Denklem () ile hesaplanan bu gerilim, motorun anma gerilimi ile sınırlandırılması gerekir. S anahtarının iletimde kalma süresi t on, motor gerilimi cinsinden aşağıdaki ifade ile hesaplanabilir. 2 t on = u(k) (3) nominal gerilim p 297

H.Altun, Ö.Aydoğmuş ve S.Sünter PWM sinyalleri, IGBT lerin kapılarına uygulanmadan önce optik olarak izole edilmiştir. Denklem (3) te verilen t on süresi göz önünde bulundurularak, S anahtarı için üretilen PWM sinyalinin tersiyle S 4 anahtarı sürülmüştür. Bununla birlikte, DC kaynağın kısa devre olma ihtimali göz önünde bulundurularak, S ve S 4 anahtarlarının iletim geçişleri arasına µs lik bir ölü zaman konmuştur. Önceden de tanımlandığı gibi sürücünün I. ve II. bölgelerde durumları için S 2 anahtarı sürekli iletimde S 3 anahtarı ise sürekli kesimde tutulur. III. ve IV. bölgelerde durumunda ise bunun tersi geçerlidir. bir DC kaynaktan beslenir. Sürekli mıknatısın manyetik alanı ile armatürdeki iletkenlerin taşıdığı akımın etkileşmesi sonucu moment üretilir. T L T, J ω M + e c - Ra φ Şekil 5. Sürekli mıknatıslı bir DC motorun eşdeğer devre modeli. La i a V + - Şekil 4. Programın akış diyagramı. 3. DC Motor Modeli Sürekli mıknatıslı DC motorda manyetik alan, duran kısım stator üzerine yerleştirilmiş olan sürekli mıknatıslar tarafından üretilir. Armatür sargısı ise, dönen kısım olan rotor üzerine yerleştirilir. DC motorun armatür sargısı, döner hareketli komütatör ve komütatör ile temas halinde bulunan ancak duran fırçalar üzerinden, 298 DC motorun eşdeğer devre modeli Şekil 5 te verilmiştir. Eşdeğer devrede armatür sargısı indüktansı L a, direnci R a ve besleme gerilimi kaynağına zıt yönde indüklenen elektromotor kuvveti e c ile temsil edilmiştir. Armatürün, stator üzerinde duran sürekli mıknatısın sabit manyetik akı çizgileri içinde döner hareket yapması ile zıt elektromotor kuvveti e c oluşmaktadır. Sürekli mıknatıslı DC motorda manyetik akı sabit olduğu için üretilen moment, armatür iletkenlerinden geçen akım ile orantılı olarak aşağıdaki gibi yazılabilir. T = k m φ i a (4) Burada k m, armatür yapısına bağlı bir sabit ve φ ise Weber olarak sürekli mıknatısların ürettiği alandır. Denklem (4) ten görüldüğü gibi motorun ürettiği T momenti, armatür sargısından geçen i a akımı ile doğru orantılıdır. Bu nedenle, üretilen momentin yönü armatür akımının yönüne bağlıdır. Rotorun döner hareketi ile birlikte armatür sargısını halkalayan manyetik akı zamanla değiştiği için, armatür iletkenleri üzerinde ve armatürü besleyen kaynağa ters yönde bir elektromotor kuvveti indüklenir. Zıt elektromotor kuvveti olarak adlandırılan bu gerilim aşağıdaki gibi ifade edilir. e = k m φ ω (5) c Burada ω, rad/s olarak motor hızıdır. Denklem (5) ten görüldüğü gibi zıt elektromotor kuvveti e c nin polaritesi motor dönüş yönüne bağlıdır. Şekil 5 teki eşdeğer devreden; di a V a = i a R a + L a + ec (6) dt motor gerilim denklemi elde edilir.

Gerçek Dört-Bölgeli Bir DC Motor Sürücüsünün Modellenmesi ve Tasarımı Şekil.6 Sürücü sistem modeli. Denklem (4), (5) ve (6) kullanılarak sürekli durumdaki motor hızı aşağıdaki gibi ifade edilebilir: Va R a ω = T (7) 2 k φ (k φ) m m Denklem (7) den görüldüğü gibi DC motorun hız kontrolü için iki yöntem kullanılabilir. Armatür devresine seri direnç bağlanarak yapılan hız kontrolü, I 2 R kayıplarından dolayı nadiren kullanılmaktadır. Ayrıca bu hız kontrol yöntemi kullanıldığı takdirde, moment değişimine karşın motorun sabit-hız karakteristiği kaybolmaktadır. Bunun yanı sıra bu hız kontrol yöntemi, DC motor boşta da veya hafif yük altında olduğu takdirde istenilen sonucu verememektedir. DC motor hız kontrolü uygulamalarında en çok tercih edilen yöntem, armatür besleme geriliminin değiştirilmesidir. Bu kontrol yöntemi hız, anma değerinin altındaki hızlarda, sabit-hız karakteristiği kaybolmadan istenilen değere ayarlanabilmektedir. Bu durumda motor sabit moment bölgesinde çalışır. Bununla birlikte bu da sürekli mıknatıslı DC motor kullanıldığından dolayı manyetik akıyı zayıflatma yoluyla hız kontrolü yapmak mümkün değildir. Motorun mekaniksel dinamiği, aşağı-daki denklem ile ifade edilebilir: dω J = T TL Bω (8) dt Burada T L yük momenti, B sürtünme katsayısı ve J motorun eylemsizliğidir. Denklem (7) den görüldüğü gibi motor hızı armatür geriliminin bir 299 fonksiyonudur ve bu gerilim basitçe bir DC kıyıcı ile ayarlanabilir. Bu da motor hızını dört bölgede kontrol etmek için, yarı iletken eleman olarak IGBT kullanan tam-köprü DC-DC çevirici tasarlanmıştır. Bu uygulamada kullanılan sürekli mıknatıslı prototip DC motorun parametreleri Tablo. de gösterilmiştir. Denklemler (4-8) kullanılarak DC motora ilişkin Matlab/SimPower Systems ve Matlab/Simulink [9] blokları ile oluşturulan model Şekil.6 da verilmiştir. Tablo. DC motor parametreleri. Açıklama Değer ArmatürDirenci, (Ω) Armatür İndüktansı, (mh).233 Atalet Momenti, (kg.m 2 ) 2.388. -6 Sürtünme Katsayısı, (N.m.s),944. -6 Alan Sabiti (V.s) 32,592. -3 4. Sürücü Sistemin Modellenmesi Tasarlanan sürücü sistemin benzetimini yapmak amacıyla Matlab/SimPowerSystems ve Matlab/Simulink ile Şekil.6 daki gibi bir model oluşturulmuştur. Kurulan bu model dört ana birimden oluşmaktadır. PI biriminde, DC motor bloğundan hesaplanan motor hızı referans hız ile karşılaştırılmakta ve elde edilen hız hatası oransal-integral (PI) kontrolörüyle motor referans gerilimine dönüştürülmektedir. Bu gerilim motorun anma gerilimi ile sınırlandırılmıştır. PWM Generatör birimi ise bu gerilimi üçgen bir taşıyıcı dalga ile karşılaştırarak çeviricideki anahtarlar için PWM kontrol sinyalleri üretir. Şekil.6 da gösterilen H-Köprü ile DC Motor bloklarının detaylı gösterimleri sırasıyla Şekil.7 ve Şekil.8 de

H.Altun, Ö.Aydoğmuş ve S.Sünter verilmiştir. Çevirici ve motor modelleri SimPower Systems ile kurulmuştur. çeviricinin giriş akımının sırasıyla benzetim ve deneysel sonuçları verilmiştir. Bu durumda motor boşta çalıştığından ortalama armatür akımı hemen hemen sıfırdır (Şekil. (b), (e) ). Şekil. (c) ve (f) den görüldüğü gibi armatür akımının negatif değerlere sahip olmasından dolayı çevirici giriş akımı da negatif değerlere sahiptir. S iletimde S 4 kesimdeyken DC motor akımı negatiftir ve çevirici, boşluk dan regeneratif moduna geçer (II. Bölge). Bu durumda kaynak akımı (çevirici giriş akımı) negatiftir ve güç Şekil. (c),(f) den görüldüğü gibi kaynağa geri verilir. Şekil.7 H-köprü DC-DC çevirici modeli. Şekil.8 DC motor modeli. 5. Benzetim ve Deneysel Sonuçlar Farklı durumları için benzetim ve deneysel sonuçlar elde edilmiştir. Şekil 9 da verilen benzetim ve deneysel sonuçları, ilk anda motorun 3d/d ya kadar boşta yol almasını ve 3,2 saniye sonra motor %25 anma yük ile yüklendikten 2 saniye sonra yükün kaldırılması durumları için verilmiştir. Şekil 9(a) ve (c) sırasıyla motorun benzetim ve deneysel hız sonuçlarını, Şekil.9(b) ve (d) ise motorun armatür akımlarını göstermektedir. Sonuçlardan görüleceği gibi motor yüklendiği anda motorun hızı düşmekte ancak kontrolör kısa süre içinde motor hızını referans değere çıkarmaktadır. Motor yükünün kaldırıldığı durumda ise motor hızı artmakta ancak yine kontrolörün tepkisiyle motor hızı kısa bir sürede referans değerine düşmektedir. Şekil. motorun 3d/d da boşta ve sürekli rejim altında armatür gerilimi ile akımının ve çevirici giriş akımının benzetim ve deneysel sonuçlarını göstermektedir. Şekil. (a) ve (d) de motorun armatür geriliminin, (b) ve (e) de armatür akımının, (c) ve (f) de ise 3

Gerçek Dört-Bölgeli Bir DC Motor Sürücüsünün Modellenmesi ve Tasarımı n (d/d) 5 4 3 2.6.5.4.3.2. 2 3 4 5 6 7 t (sn.) (a) 2 3 4 5 6 7 t (sn.) (b) n (d/d) 5 4 3 2.3.25.2.5..5 2 3 4 5 6 7 t (sn.) (c) 2 3 4 5 6 7 t (sn.) (d) Şekil 9. 3 d/d referans hız için motorun hız ve armatür akım sonuçları (a-b) Benzetim sonuçları (c-d) Deneysel sonuçlar 2 2 5 5 U a (V) 5 U a (V) 5-5 8 µs/div. (a) -5 8 µs/div. (d).5.5 -.5 -.5-8 µs/div. (b) - 8 µs/div. (e).5.5 i s (A) i s (A) -.5 -.5-8 µs/div. (c) - 8 µs/div. (f) Şekil. DC motorun 3 d/d ile sürekli rejimde boşta durumu için (a,d) Armatür gerilimi (b,e) Armatür akımı (c,f) Çevirici giriş akımı benzetim ve deneysel sonuçları 3

H.Altun, Ö.Aydoğmuş ve S.Sünter n (d/d) 4 3 2 - -2-3 -4 2 3 4 5 6 7 8 (a).5.5 -.5 - -.5 2 3 4 5 6 7 8 (b).6.4.2 -.2 -.4 -.6 2 3 4 5 6 7 8 (c) n (d/d) 4 3 2 - -2-3 -4 2 3 4 5 6 7 8 (d).5.5 -.5 - -.5 2 3 4 5 6 7 8 (e).6.4.2 -.2 -.4 -.6 2 3 4 5 6 7 8 (f) Şekil. DC motorun yüksüz durumda dört-bölgeli için (a,d) Motor hızı (b,e) Filtresiz armatür akımı (c,f) Filtre edilmiş armatür akımı benzetim ve deneysel sonuçları 32

Gerçek Dört-Bölgeli Bir DC Motor Sürücüsünün Modellenmesi ve Tasarımı Şekil. DC motorun dört bölgeli durumu için motor hızının ve filtrelenmemiş armatür akımının benzetim ve deneysel sonuçları göstermektedir. Burada motor sıfır hızdan referans hız 3 d/d ya yol almaktadır. Bu durumda motor I. bölgede ktadır. 4. saniyeye yaklaşıldığında motor referans hızı - 3 d/d olarak uygulanmıştır. Bu durumda motor, armatür akımının yön değiştirmesiyle (Şekil.(c,f)) II. bölgede generatör olarak çalışacaktır. Motor hızı sıfırdan negatife değiştiği anda motor III. bölgeye geçerek referans hıza ulaşana kadar ters yönde motor sını sürdürecektir. Sonuçlardan da görüldüğü gibi yaklaşık olarak 5 ila 7,5 saniyeler aralığında motor III. bölgede sürekli rejimde sını sürdürecektir. Yaklaşık 7,5. saniyede motor referans hızı tekrar 3 d/d olarak uygulanmaktadır. Bu durumda motor armatür akımı yön değiştireceğinden (Şekil.(c,f)) motor IV. bölgeye geçerek hızı sıfıra ulaşıncaya kadar ters yönde generatör olarak çalışacaktır. Motor hızı pozitif olduğunda ise motor I. bölgeye geçerek sını ileri yönde motor olarak sürdürecektir. 6. Sonuçlar Bu da, PIC6F877 mikrodenetleyici tabanlı kapalı-çevrim dört-bölgeli DC motor sürücü tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Esnek, güvenilir ve verimli bir DC motor sürücü sistemi düşük maliyet ile gerçekleştirilmiştir. Prototip sürücü sistemi tasarlanmadan önce modellenmiş ve benzetim sonuçları farklı şartları için alınmıştır. Tasarlanan prototip sürücü düzeneğinden alınan deneysel sonuçlar ile, sistemin dörtbölgede de hız kontrolünün gerçekleştirilebileceği gösterilmiştir. Ayrıca Matlab kullanılarak gerçekleştirilen modelden elde edilen benzetim sonuçları deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış ve benzer sonuçlar elde edilmiştir. Tasarlanan prototip kolaylıkla yüksek güçlü DC sürücü sistemlere uyarlanabilir. 7. Kaynaklar. Tipsuwanpom, V., Thepsathom, P., Piyarat, W., Numsomran A. and Bunjungjit, S. (2). 4- Quadrant DC Motor Drive Control by BRM Technique, Proceedings of the Third International Power Electronics and Motion Control Conference, 3, 85 88. 2. Attaianese, C., Locci, N., Marongiu, I. and Perfetto, A. (994). A Digitally Controlled DC Drive, IEEE Electrotechnical Conference, 3, 27 274. 3. Kumar N.S.,Sadasivam V.,Muruganandam M., (27), A Low-cost Four-quadrant Chopperfed Embedded DC Drive Using Fuzzy Controller,Electric Power Components and Systems,35,97-92. 4. Ettomi, Y. S., Noor, S. B. M., Bashi S. M. and Hassan, M.K. (23). Micro Controller Based Adjustable Closed-Loop DC Motor Speed Controller, Student Conference on Research and Development Proceedings, 59 63. 5. Leonard E. Davis, Hassan H. Moghbelli, Ashfaq Ahmed. (992). Microprocessor Control of DC Motor Drives, IEEE Industry Appl. Conference, 2, 782 786. 6. Çolak İ., Soysal M., Irmak E., Bayındır R., (27), DA Motorunun Dört Bölge Denetiminin Eğitim Amaçlı Gerçekleştirilmesi, Politeknik Dergisi,, 29-227. 7. Fairchild Semiconductor Corp. (22). Datasheet G25N2RUFD. 8. Microchip Technology Inc., (2). Datasheet PIC6F87xA. 9. Math Works MATLAB for Microsoft Windows (24). Math Works, Massachusetts. 33