5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13 15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye YÜRÜYEN DALGA TİP ULTRASONİK MOTOR HIZ DENETİMİ BENZETİMİ SIMULATION OF SPEED CONTROL FOR TRAVELLING WAVE ULTRASONIC MOTOR Mehmet DEMİRTAŞ a, *, Güngör BAL a, İlhami ÇOLAK a ve Mehmet YEŞİLBUDAK a a Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye E-posta: mehmetd@gazi.edu.tr, gunbal@gazi.edu.tr, icolak@gazi.edu.tr, mehmetyesilbudak@gmail.com Özet Günümüzde teknolojik gelişmelere ve endüstriyel uygulamalara paralel olarak, elektrik motorlarının kalite ve çeşitliliğinin geliştirilmesi konusu önem kazanmıştır. Endüstride kullanılacak yeni motorların yüksek hız, yüksek moment, düşük ağırlık, küçük boyut ve uzun ömürlü olmaları istenmektedir. Ayrıca yarı iletken teknolojisindeki hızlı gelişmeler neticesinde, sürme devreleri daha ucuza mal edilebilmekte ve motor tasarımlarında daha gelişmiş uygulamaları ortaya çıkarmaktadır. Geliştirilen bu yeni motorlardan biri de, yapısında piezoelektrik malzemelerin kullanıldığı ultrasonik motorlardır. Bu çalışmada yürüyen dalga tip ultrasonik motorun hız denetiminin sayısal entegreler ve bir PWM modülatörü yardımıyla yapılabilmesi için gerekli sürücü devresi benzetimi yapılmıştır. Sürücü devresinin bilgisayar ortamında yapılan benzetim çıktıları kontrol sisteminin yürüyen dalga tip ultrasonik motorun hız denetiminde etkin sonuçlar verdiğini ortaya koymuştur. Anahtar kelimeler: Ultrasonik motor, hız denetimi, PWM modülator Abstract Nowadays, the topic of improving quality and variety of electric motors comes into prominence in parallel industrial applications and technologic developments. High speed, high torque, low weight, small dimension and longevity are the features wanted from new motors that will be used in industry. In addition, as a result of development in semiconductor technology, driving circuits are able to cost cheaper and brought out more improved applications in motor designings. One of these new motors is an ultrasonic motor used piezoelectric materials in its structure. In this study, speed control of travelling wave ultrasonic motor has achieved using digital integrated circuits and a PWM modulator in driving circuit simulation. Simulation outputs which has been done in computer medium of driving circuit have exhibited that control system gave effective results in speed control of travelling wave ultrasonic motor. Keywords: Ultrasonic motor, speed control, PWM modulator 1. Giriş Yüksek frekanslı 90 derece faz farklı iki-fazlı sinüzoidal alternatif in bir piezoelektrik seramik parçaya uygulanması sonucunda elde edilen genişleme veya daralma şeklindeki mekanik titreşimi, hareketli parçaya sürtünme kuvvetiyle aktararak çalışan motorlara ultrasonik motorlar (USM) veya piezoelektrik motorlar adı verilir. Elektromanyetik motorların en büyük dezavantajını; kullanılan sabit mıknatısın ağır olması ve de boyutlarının fazla yer kaplaması oluşturmaktadır. Bunun yanı sıra düşük hızlarda yükü döndürebilmesi için dişli sistemine de ihtiyaç duyarlar. Oysaki USM lar esnek tasarım özelliğine sahiptir ve de düşük hız kullanımları için dişli sistemine ihtiyaç göstermezler. USM lar, tasarımlarının uygun bir şekilde yapılması ile küçük ölçekli hareket sistemlerinde rahatlıkla kullanılabilirler [1]. USM ların yapısında piezoelektrik maddeler kullanıldığı için yüksek kapasitansa sahiptirler. Bu nedenle seri veya paralel rezonans evirici kullanılarak, kapasitansa seri veya paralel endüktans bağlanır ve piezoelektrik titreştirici, rezonans frekansında sürülür [2,3]. Ultrasonik motorun hız ve denetimi için sayısal işaret işlemci PWM tekniği, Shinsie firmasının D6060 sürücü modülü, mikrokontrolörlü ve bilgisayar denetimli sürücü sistemi, kompleks programlanabilir mantıksal cihazlı sürme sistemleri ve web tabanlı gerçek zamanlı hız kontrolü uygulamaları gerçekleştirilmiştir [4 8]. Bu çalışmada ise, hız denetimi için sayısal entegreler aracılığıyla sürme frekansı; bir PWM modülatör aracılığıyla da sürme gerilimi kontrol girişleri olarak kullanılmış ve de tasarlanan sürme devresinin bilgisayar ortamında benzetimi yapılmıştır. Benzetim çıktıları, tasarlanan hız kontrol sisteminin yürüyen dalga tip ultrasonik motorun hız denetiminde etkin sonuçlar verdiğini ortaya koymuştur ve de sürme sistemi daha ucuza mal edilebilmesinin yanında basit bir kontrol mekanizmasına da sahip olmuştur. 2. Ultrasonik Motorlar Ultrasonik motor, sürme kaynağı olarak ultrasonik seviyedeki mekanik titreşimleri kullanan bir motor çeşididir ve yapısında bulunan piezoelektrik seramikler, uygulanan elektrik alanına bağlı olarak genişler veya daralırlar. USM larda üretilen dalganın genliği 1µm gibi oldukça küçük bir değer olmasına rağmen, daha yüksek bir kazanç elde etmek için ultrasonik sınırlarda seramiğin rezonans etkisinden yaralanılır [6]. Sürme frekansı, uygulanan iki faz inin genlikleri ve iki faz i arasındaki faz farkı USM un hız kontrolünde kullanılan parametrelerdir [9]. USM lar duran dalga tip ve yürüyen dalga tip olmak üzere iki türde imal edilirler ve aynı büyüklük ve ağırlıktaki IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
elektromanyetik motorlara göre 10 ile 100 kat daha fazla çıkış momenti üretirler. USM ların bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Bunlar [3,4,6]; Avantajları Birim ağırlık başına üretilen güç ve moment yüksektir. USM larda düşük hızlarda yüksek moment yüksek verim ile birlikte üretilebilir. Dişlilerin oluşturduğu osilasyon hataları olmadığı için motorun pozisyonu hassas olarak kontrol edilebilir. Elektrik enerjisi kesildiğinde stator ve rotorun temas yüzeyleri arasındaki sürtünme kuvvetinden dolayı mevcut konum korunabilir. Motor değişik biçimlerde ve küçük boyutlarda yapılabilir. Doğrusal hareketli (lineer) USM kolaylıkla tasarlanabilir. USM ların sessiz çalışma özelliğine sahiptirler. USM un yapısında sargı olmadığından elektromanyetik alan üretmez ve bunların oluşturduğu parazitlerden etkilenmez. Titreşim üretmek için stator yüzeyine ince bir piezoelektrik seramik tabaka yerleştirilmiştir. Seramik, dokuz adet dalga üretmek için 18 parçaya bölünmüştür. Bu bölmelerden biri şase, biri de geri besleme elemanı olarak kullanılmaktadır. Kalan bölmeler sırasıyla (+) ve (-) uçlarla kutuplanarak, uygulanan e göre uzayıp kısalarak, stator yüzeyinde alternatif bir hareket dalgası oluşturmaktadır. Stator gövdesinde üretilen bu yürüyen dalganın tepe noktalarında eliptiksel hareket meydana gelmektedir. Bu durumda da rotor, bir baskı kuvveti ile stator üzerine monte edildiğinden dolayı teğetsel hareket tarafından yürüyen dalganın tersi yönünde döndürülür [6]. Şekil 2 de yürüyen dalga tip USM un çalışma prensibi görülmektedir. Dezavantajları Motoru sürmek için 90 faz farklı yüksek frekanslı iki fazlı sinüzoidal gerilim kaynağına ihtiyaç vardır. Yüksek aşınma direncine sahip piezoelektrik malzemeye ihtiyaç duyar ve piezoelektrik malzeme de pahalıdır. USM larda yüksek güç elde etmek zordur. Stator ve rotor arasındaki sürtünme kuvvetinden kaynaklanan aşınmalardan dolayı motor ömrü kısıtlıdır. USM un parametreleri çalışma koşulları değiştikçe ve sıcaklık arttıkça değişmektedir. 3. Yürüyen Dalga Tip USM un Yapısı ve Çalışma Prensibi USM, stator ve rotor olmak üzere iki temel elemandan oluşmaktadır. Stator ve rotor halka şeklinde tasarlanmıştır. Stator, elastik paslanmaz çelik veya fosfor-bronz malzemeden yapılmaktadır. Titreşimleri yükseltmek için rotorun temas ettiği stator yüzeyine 72 adet tarak şeklinde diş açılmıştır. Böylece dişler sürtünme esnasında oluşan tozların dışarı çıkmasını ve kontak yüzeylerinin tozsuz kalmasını sağlar [6]. Şekil 1 de Shinsei firmasının üretmiş olduğu ve yürüyen dalga tip bir USM olan USR60 ın kesit görünüşü yer almaktadır. Şekil 2. Yürüyen dalga tip USM un çalışma prensibi USM un devir yönünü değiştirmek için fazların sırası yani yürüyen dalganın yönü değiştirilir [10]. 4. Yürüyen Dalga Tip USM Sürme Devresi ve Hız Denetimi USM un sürülebilmesi için tasarlanan sistemlerde, temel olarak, yüksek performansa sahip bir güç kaynağına ve mosfet yarı iletken elemanlara ihtiyaç vardır. USM un yapısında bulunan piezoelektrik titreştiriciyi sürmek yüksek kapasitanstan dolayı zor olduğu için rezonansı sağlayacak bir frekans elde etmek amacıyla kapasitansa seri bir endüktans bağlanır. Bu yaklaşım, piezoelektrik başlatıcının sürülmesi ve motorun çalışması için kolaylık sağlar. Tasarlanan sistemlerde yer alan mosfetler ise, USM un LC rezonans frekansını kullanan yüksek frekanslı seri rezonans evirici olarak kullanılır. USM un mekanik titreşim sisteminin rezonans frekansı 39 40 khz arasındaki ultrasonik frekans bölgesindedir. Güç kaynağı ve evirici, USM un sürülebilmesi için yüksek frekanslı 90 derece faz farklı iki-fazlı sinüzoidal alternatif i, piezoelektrik seramik parçaya sağlamalıdır [3,6,11]. Sürme frekansı, iki faz inin genlikleri ve iki faz i arasındaki faz açısı USM ların hız kontrolünde kullanılan parametrelerdir. Bu çalışmada ise, sürme frekansı ve iki faz inin genlikleri hız denetimi benzetiminde kontrol girişleri olarak kullanılmaktadır. İki faz i arasındaki faz açısı ise 90 derece olarak sabittir. Şekil 1. Shinsei USR60 yürüyen dalga tip USM un kesit Görünüşü USM un sürme sistemine ve hız denetimine ait blok diyagram Şekil 3 de verilmiştir. Blok diyagramdan da görüldüğü gibi, sürme devresinde yer alan sayısal entegreler kullanılarak, iki faz yarım köprü tip seri rezonans invertör devresindeki mosfetlerin anahtarlama frekansı kontrol edilir. Böylece USM a uygulanan iki fazlı sinüzoidal istenilen frekansta ve 90 derece faz farklı olarak elde edilir. İstenilen frekansta ve 90 derece faz farklı olarak elde edilen iki fazlı sinüzoidal in, istenilen genlik seviyesine çıkarılabilmesi için de, tasarlanan sürme
sisteminde yer alan yüksek performanslı güç kaynağı kullanılır. Güç kaynağı içerisinde bulunan NE555 PWM modülatörü aracılığıyla, tam köprü invertör devresindeki mosfetlerin anahtarlama sinyallerinin duty cycle süresi değiştirilir. Bu sayede, yüksek frekans transformatörlerinin ortak ucuna kontrolsüz doğrultucu üzerinden uygulanan iki faz inin genlikleri kontrol edilerek, USM a uygulanan iki faz inin istenilen genlikte olması sağlanır. Böylece USM un hızı, sürme sisteminde yer alan sayısal entegreler ve bir PWM modülatör ile kontrol edilmektedir. 5. Yürüyen Dalga Tip USM Hız Denetimi Benzetimi Bu çalışmada, yürüyen dalga tip USM hız denetimi benzetimi ORCAD Pspice 9.1 programında yapılmıştır ve hız denetimi benzetiminde sürme frekansı ve iki faz inin genlikleri kontrol girişleri olarak kullanılmıştır. Tasarlanan sürme sisteminin hız denetimi benzetiminde etkin sonuçlar verip vermediğini test etmek için Shinsei firmasının üretmiş olduğu, yürüyen dalga tip bir USM olan USR60 motorunun eşdeğer devre parametreleri benzetimde referans olarak alınmıştır. Sayısal Entegreler PWM Modülatör İnvertör-1 Faz 1 Gnd Faz 2 Transformatörler USM USR60 130 V etkin sürme gerilimi, 40 khz sürme frekansı, 5 W anma gücü, 0.5 N.m anma torku ve 100 d/d anma hızı değerlerine sahiptir. USR60 da kullanılan piezoelektrik malzemenin her fazı için ölçülen kapasite değeri (blokaj kapasitesi) 9 nf iken, dielektrik kaybı ise 20 kω olarak alınmıştır [12]. Şekil 5 de benzetimde parametreleri kullanılan USR60 USM unun bir fazına ait basitleştirilmiş eşdeğer devresi görülmektedir. İnvertör-2 Güç Kaynağı Doğrultucu R1 C1 20 k 9nF Şekil 3. USM sürme sistemi ve hız denetimi Blok diyagramda yer alan İnvertör-1 bloğu iki faz yarım köprü tip seri rezonans invertör devresini temsil etmekte iken, İnvertör-2 bloğu tam köprü invertör devresini temsil etmektedir. Transformatörler bloğu ise, içerisinde iki tane yüksek frekans transformatörünün yer aldığı bir bloktur. Tasarlanan sürme sisteminde yüksek frekans transformatörlerinin orta uçları birbirleriyle birleştirilmiştir ve güç kaynağının çıkışı yüksek frekans transformatörlerinin ortak ucuna uygulanmaktadır. İki faz yarım köprü tip seri rezonans invertör devresindeki mosfetlerin çıkışları ise, yüksek frekans transformatörlerinin girişlerine uygulanmaktadır. Bu bağlantı yapısına ait çizim Şekil 4 de yer almaktadır. Kontrol sinyali R1 R2 T1 T2 MOS1 USM Faz 1 MOS3 MOS2 MOS4 Güç Kaynağı USM Faz 2 Şekil 4. Mosfetlerin ve yüksek frekans transformatörlerinin bağlantı yapısı Şekil 5. USR60 ın bir fazına ait eşdeğer devresi 6. Benzetim Sonuçları Şekil 6 da benzetimden elde edilen ve USR60 yürüyen dalga tip USM u sürebilmek için gerekli olan yüksek frekanslı 90 derece faz farklı iki fazlı sinüzoidal in dalga şekilleri görülmektedir. Dalga şekillerinden de görüldüğü gibi, iki fazlı sinüzoidal arasında 90 derece faz farkı vardır ve yaklaşık olarak 184 V tepe değerine (yani 130 V etkin değerine) sahiptirler. Şekil 7 de ise, iki fazlı sinüzoidal e ait frekans tepkisi yer almaktadır. Bu eğriden de anlaşılabileceği gibi, 90 derece faz farklı iki fazlı sinüzoidal in temel frekansı 40 khz dir. USR60 ın sürme frekansı ve faz farkı değerlerini sabit tutup, sadece sürme gerilimi ile hız denetimini yapmak istediğimizde, Şekil 8 ve Şekil 9 elde edilecektir. Hem Şekil 8 de hem de Şekil 9 da görüldüğü gibi, iki fazlı sinüzoidal 90 derece faz farklı ve 40 khz sürme frekansına sahiptir fakat iki fazlı sinüzoidal Şekil 8 de 120 V etkin değerine; Şekil 9 da ise 110 V etkin değerine sahiptirler. USR60 ın sürme gerilimi ve faz farkı değerlerini sabit tutup, sadece sürme frekansını ile hız denetimini yapmak istediğimizde ise, Şekil 10 ve Şekil 12 elde edilecektir. Şekil 10 da görüldüğü gibi, iki fazlı sinüzoidal 90 derece faz farkına ve 124 V etkin değerine sahip iken, sürme frekansı ise 40.5 khz dir ve temel frekans olarak Şekil 11 de görülmektedir. Şekil 12 de ise, iki fazlı sinüzoidal 90 derece faz farkına ve 122 V etkin değerine sahip iken, sürme frekansı ise 41 khz dir ve temel frekans olarak Şekil 13 de görülmektedir.
Şekil 6. 184 V tepe değerine sahip iki fazlı sinüzoidal Şekil 9. 156 V tepe değerine sahip iki fazlı sinüzoidal Şekil 7. 184 V tepe değerine sahip iki fazlı sinüzoidal in temel frekansı Şekil 10. 175.4 V tepe değerine sahip iki fazlı sinüzoidal Şekil 8. 170 V tepe değerine sahip iki fazlı sinüzoidal Şekil 11. 175.4 V tepe değerine sahip iki fazlı sinüzoidal in temel frekansı
benzetim çıktılarından da görüldüğü gibi sürme geriliminin değişimi, motorun sabit olan faz farkı ve frekans değerlerini etkilememektedir. Dolayısıyla sürme gerilimi ile yapılan hız denetimi, USR60 ı daha geniş bir bantta kontrol edebilme özelliğini beraberinde getirecektir. Şekil 12. 172.6 V tepe değerine sahip iki fazlı sinüzoidal Sürme frekansı ile hız denetiminin yapılmasında ise, USR60 a uygulanan iki fazlı sinüzoidal in genliklerinin ve faz farklarının sabit tutulması amaçlanmıştır fakat benzetimden elde edilen eğrilerden de görüldüğü gibi, 40 khz de 130V etkin değerine sahip olan iki fazlı sinüzoidal, 40.5 khz de yaklaşık 124 V etkin değerine; 41 khz de ise yaklaşık 122V etkin değerine sahiptir. Gerilimde bir miktar düşme olmakla birlikte sürme frekansı daha fazla arttırıldıkça, elde edilen iki fazlı sinüzoidal in dalga şekillerinde de bozulmalar meydana gelmektedir çünkü frekansın arttırılması ile hem rezonans frekansından uzaklaşılmıştır hem de sürme sitemindeki V/f oranı takip edilmemiştir. Benzetimi yapılan hız denetimi sistemi, sürme gerilimi ile hız kontrolü için geniş bir çalışma aralığı sağlarken; sürme frekansı ile hız kontrolünde ise, dar bir band sunmaktadır. Sürme frekansı ile hız denetimi sisteminde, gerekli bazı geri besleme üniteleri ve kontrol devrelerinin kullanılıp, V/f oranının takip edilmesi ile sürme frekansı aralığı da genişletilebilir. Benzetimi yapılan hız denetimi sisteminin, USM sürme sistemini çok ucuza mal etmesi, kullanım kolaylığı sağlaması ve pratik olması en önemli avantajlarındandır. Kaynaklar Şekil 13. 172.6 V tepe değerine sahip iki fazlı sinüzoidal in temel frekansı 7. Sonuç ve Öneriler USM ların hız denetiminde kullanılan parametreler sürme frekansı, iki faz inin genlikleri ve iki faz i arasındaki faz açısıdır. Bu çalışmada ise, yürüyen dalga tip USM un hız denetiminin sürme frekansı ve sürme gerilimi ile kontrol edilebilmesi için gerekli benzetim yapılmıştır. Sürme frekansının denetimi sayısal entegreler aracılığıyla; sürme geriliminin denetimi ise bir PWM modülator aracılığıyla yapılmıştır. Benzetim sonuçlarından da görüldüğü gibi, benzetimi yapılan sürme sistemi, USR60 ı sürmek için gerekli olan 90 derece faz farklı, 40 khz frekansa ve 130 V etkin değerine sahip iki fazlı sinüzoidal i sağlamaktadır. Benzetimde öncelikle, sürme frekansı ve faz farkı parametreleri sabit tutulup, sürme gerilimi ile USR60 ın hız denetimini yapabilmek için gerekli iki fazlı sinüzoidal elde edilmiştir. Bu sayede USR60 a uygulanan iki fazlı sinüzoidal in genlik ayarları yapılmıştır. Sürme gerilimi aracılığıyla gerçekleştirilen hız denetiminde [1] Senjyu, T. Uezato, K. and Miyazato, H., Adjustable speed control. of ultrasonic motors by adaptive control, IEEE Transactions on Power Electronics, vol 10, no.5, p.532-538, 1995. [2] Lin, F. J. and Kuo, L. C., Driving circuit for ultrasonic motor servo drive with variable-structure adaptive model-following control, IEEE Proc. Electr. Power Aplicat., vol. 144, no. 2, p. 199-206, 1997. [3] Bekiroğlu, E., Yürüyen dalga ultrasonik motorun hız ve konum denetiminin bulanık mantık denetleyici kullanarak gerçekleştirilmesi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi. [4] Bal, G. and Bekiroğlu, E., A PWM technique for DSP controlled ultrasonic motor drive system, Electric Power Components and Systems, vol. 33, pp. 21 38, 2005. [5] Bal, G. and Bekiroğlu, E., Experimental examination of speed control methods for a travelling wave ultrasonic motor, 3. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu, 2003, Ankara. [6] Bekiroğlu, E., Bal, G., Bayındır, R. ve Görgün, A., Yürüyen dalga tip ultrasonik motor denetimi ve bilgisayarla izlenmesi, Politeknik Dergisi, vol. 9, no.4, pp. 225 231, 2006. [7] El Hagry, M.T., Mahfouz, A.A. and Ahmed, H.S., Experimental investigation of a mathematical model for traveling wave ultrasonic motors, Power Electronic Department, Electronic Research Institute, El Tahrir Str.-Dokki, Cairo, Egypt. [8] Colak, İ., Bayindir, R., Sagiroglu, Ş., Bal, G. and Irmak, E., A web based real time speed control experiment on ultrasonic motor for educational
purposes, International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, Speedam 2008. [9] Lin, F.J., Wai, R.J. and Hong, C.M., Recurrent neural network control for LCC-resonant ultrasonic motor drive, IEEE Transactions on Ultrasonic, Ferroelectrics and Frequency Control, vol. 47, no.3, 737-749. [10] Wajchman, D., Liu, K. C., Friend, J. And Yeo, L., An Ultrasonic Piezoelectric Motor Utilizing Axial-Torsional Coupling in a Pretwisted Non-Circular Cross- Sectioned Prismatic Beam, IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, vol. 55, no. 4, 2008. [11] Bekiroğlu, E. ve Bal, G., Ultrasonik motorlar II: Sürme ve kontrol devrelerinin incelenmesi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, Vol. 14 no. 1, 99-115, 2000. [12] Bal, G., A Digitally Controlled Drive System for travelling wave ultrasonic motor, Turk J Elec Engin, vol. 11, no. 3, 2003. Demirtaş, M., Bal, G., Çolak, İ. ve Yeşilbudak, M.