6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Mikrodenetleyici Tabanlı DA Motor Kontrolü ve PC Üzerinden İzlenmesi S. Vadi, S. Reyhanoğlu, S. Çelik Gazi Üniversitesi, Ankara/Türkiye, vadi.seyfettin@gazi.edu.tr MicroController-Based Direct Current Motor Control and Monitoring on PC Abstract In this study, an experimental application of direct current motor has been achieved that includes observing and controlling the motor speed by adjusting the PWM. A PIC 16F877 microcontroller has been used in the system as main hardware units. Experimental operations such as starting and stopping the motor, speed control, changing the direction of rotation, observing the actual operation values can easily be achieved over the user interface designed which is quite simple, user friendly and multi functional. Password-protected login has been added to system to login the experimental operations. Thanks to the study implemented, it has been tested that speed control of the motor was achieved speedily and safely. Furthermore, an educational set has been developed to perform control of direct current motor with PWM experiment for students who have lack of equipment to perform the tests. Keywords PWM, PIC 16F877, DA motor I. GİRİŞ DA motorlarının kolay kontrol edebilme ve yüksek performans gibi üstünlüklere sahiptir. Ayrıca DA motorlarının hızları geniş sınırlar içerisinde ayarlanabilmektedir. Günümüzde teknolojik gelişmelerle birlikte ev aletleri uygulamalarında, düşük güçlü ve düşük maliyet istenen yerlerde ayarlanabilir hız kontrolü olarak yaygın bir kullanım alanı bulmuştur [1]. Geniş uygulama alanı bulmasının diğer bir sebebi de alternatif akım motorlarına göre kontrolünün daha kolay olmasıdır. Alternatif akım motor sürücüleri ile kıyaslandığında DA motor sürücü devreleri hem daha basit hem de maliyeti düşük olmaktadır [2]. DA motorları yüksek moment/akım ve yüksek moment/eylemsizlik oranına sahip olmakla beraber sağlam yapısı, yüksek verim ve yüksek güvenirlilik gibi üstünlüklere sahiptir [3]. DA motorları, hızlarının kontrol altında tutulabilmesi, verimlerinin yüksek olması, küçük boyutlarına rağmen yüksek moment üretebilmeleri, uyartım akımına ihtiyaç duymamaları, güvenilir çalışma ortamı sağlamaları, soğutulmalarının kolay olması, yüksek devirlerde çalışabilmeleri gibi avantajları mevcuttur. Buna karşılık, kontrol devrelerinin karmaşıklığı, pozisyon sensörlerine ihtiyaç duymaları gibi maliyeti de arttıran dezavantajları vardır [4,5]. Diğer bir çalışmada DA motorunu sürmek için NPN tipi transistör kullanılmıştır. NPN tipi transistörün beyz ile emiter arası gerilim 0,6V'un altına inerse, collector ve emiter arasındaki akım geçişi kesilmektedir. Böylece transistöre verdiğimiz sinyali motor üzerinde görebiliriz. Ancak motor üzerinde görülebilecek maksimum gerilim motorun diğer ucunun bağlı olduğu voltaj kaynağına göre değişir. Bu özelliğiyle çıkış gücü +5V olan mikrodenetleyici ile +12V la çalışan bir motor sürülebilir. Başka bir çalışmada ise DA motor gerilimi darbe genişlik modülasyonu (PWM) tekniği kullanılarak ayarlanmıştır. Günümüzde mikrodenetleyicilerin motor sürücü devrelerinde kullanımı gün geçtikçe artmaktadır [6]. Bu sürücüler genellikle motorları çalıştırıp durdurmaya veya yarı iletken bir elemanın tetikleme açısını değiştirerek DA motorların kontrolünde kullanılmaktadır. Mikrodenetleyici tarafından üretilen PWM sinyali kullanılarak kontrol edilen kıyıcı devresi motora giriş gerilimini sağlar [7]. İsteğe bağlı olarak PWM görev saykılı ayarlanabilmektedir. DA motor daha verimli olup frekansa bağlı olan alternatif akım bakır ve demir kayıpları yoktur [8,9]. Yapılan bu çalışma ile bir DA motorunun hız ve devir yönü hem deney seti üzerinden hem de bilgisayardan kontrol edilmiştir. Sistem içerisinde mekanik kumanda elemanları kullanılmadığından, mekanik olarak oluşabilecek her türlü sorun ortadan kaldırılmıştır. DA motorunun hassas ve hızlı bir biçimde kontrol edilmesi gerekmektedir. Kontrol edilen DA motoru elektriki karakteristikler olarak özellikleri çok büyük bir yükü tahrik edecek şekilde olmadığından motor genelde boşta çalışmaktadır. Basit yükler olmak şartıyla motor yüklü çalıştırılabilir. Mikrodenetleyici ile yapılan bu sistemin hızlı, verimli, hassas, ekonomik olması gibi avantajları vardır. Bu çalışma PIC16F877 mikrodenetleyicisi ile gerçekleştirilmiş olup sürücü devre içerisinde çift H köprüsü bulunduran L298N entegresiyle oluşturulmuştur. Sürücü devre akımı ve gerilimi 4A, 15V tur. Sistemin mikrodenetleyiciye ait programı CCS C dili ile bilgisayardan kontrol kısmına ait program ise Visual C#.Net 2008 programlama dili ile yazılmıştır.böylece, devre esnek hale gelerek ve hem bilgisayar hem de mikrodenetleyiciye ait yazılım üzerinde kolay bir şekilde kod değişiklikleri yaparak çeşitli uygulamalar geliştirilebilir. II. KULLANILAN DONANIM BİRİMLERİ Gerçekleştirilen sistemde temel donanım birimleri olarak 1 adet denetleyici (PIC), 1 adet ULN-298 motor sürücü entegresi ve 1 adet doğru akım motoru kullanılmıştır. Bu bölümde, gerçekleştirilen çalışmada kullanılan donanım birimleri ve sistemin genel olarak donanım alt yapısı hakkında bilgiler verilmiştir. 211
S. Reyhanoğlu, S. Çelik, S. Vadi A. Denetleyici Birimi Sistemde denetleyici olarak MicroChip firmasınca üretilen PIC-16F877 (Peripheral Interface of Controller) mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Yapılan uygulamada, Şekil.1 de görüldüğü gibi, 40 pinli PIC 16F877 mikrodenetleyici kullanılmıştır. Bu mikrodenetleyicinin 33 pin giriş/çıkış, diğer 7 pin PIC in çalıştırılması için kullanılmaktadır.pic16f877, 6 bitlik A portu, her biri 8 bitlik B,C ve D portları ve 3 bitlik E portu olmak üzere 5 porta sahiptir. Ayrıca 2 adet PWM, 3 adet sayıcı ve 368 byte lık RAM vardır. PIC16F877 ailesi daha az dış eleman kullanma imkânı sağlar. Böylece enerji sarfiyatı ve maliyet azalır ve kullanım kolaylığı sağlanmakla birlikte karmaşık yapı ortadan kaldırılmış olur [10]. oluşturan sargıdır. Burada iki sargının birbirinden bağımsız beslenmesi kontrol açısından kolaylık sağlamaktadır. DA motorlarının genel kontrol prensipleri temel ilişkilerden elde edilmektedir. Şekil.2 de bir DA motoruna ait eşdeğer devre verilmiştir [2]. Şekil 2: Yabancı uyartımlı bir DA motorunun eşdeğer devresi C. DA Motorlarının Hız Kontrolü Doğru akım motorları, değişken kolay hız değiştirme özelliklerine sahip olduğundan hızın kontrol edilmesi istenen yerlerde kullanılırlar. Yüksek yol alma momenti sağladığından, hız kontrolü geniş aralıklarda yapılır. Hız kontrolü alternatif akım motorlarına göre daha kolay ve daha ucuzdur. Kontrollü doğrultucular, sabit AA gerilimden değişken DA gerilimi elde ederken, kıyıcılar ise sabit DA gerilimi değişken DA gerilime çevirir. DA motorun hızı, endüvi devresinin direncini değiştirerek(ra), Uyarma akımını değiştirerek(ia) ve PWM (Darbe Genişlik Modülasyonu) ile kontrol edilebilir. B. Doğru Akım Motorları Şekil 1. PIC16F877 nin Pin Yapısı Kolay kontrol edilebilme ve yüksek performans gibi üstünlüklere sahip olan doğru akım motorlarının hızları geniş sınırlar içerisinde ayarlanabilmektedir. DA motorları endüstride ayarlanabilir hız ve hassas konumlandırma uygulamalarında kullanılırlar. Geniş uygulama alanı bulmasının diğer bir sebebi de alternatif akım motorlarına göre kontrolünün kolay olmasıdır. Alternatif akım motor sürücüleri ile kıyaslandığında, DA motor sürücü devreleri hem basit, hem de ucuzdur. Sürücü tasarımı ile uygulamaya geçirilmenin daha basit olması, ayarlanabilir hız uygulamalarında doğru akım motor sürücülerini ön plana çıkarmıştır. Endüstride değişken hızlı sürücü sistemleri arasında geniş bir uygulama alanı bulabilen DA sürücülerinin uygulamasında kullanılan analog sürücüler, analog devre elemanları ile uygulanan karmaşık kontrol semaları gibi dezavantajlara sahiptir. Yarı iletken teknolojisindeki gelişmeler mevcut olan sistemlerden daha küçük olan, daha hızlı işlem yapabilen, ekonomik ve ayarlanabilir hızlı DA sürücülerin uygulamada kullanılmasına yol açmıştır. Serbest uyartımlı DA motorunda temelde birbirinden bağımsız iki sargı bulunmaktadır. Bunlardan birisi manyetik alanın oluşmasını sağlayan ve statorda bulunan uyarma sargısıdır. Diğeri ise rotora yerleştirilmiş, kollektör ve fırçalar yardımı ile beslenerek manyetik motor kuvvetini D. Besleme Devresi Çıkışındaki gerilimi 5 voltta sabit tutan devre elemanıdır. Girişine ve çıkına uygun değerlerde kondansatör bağlanarak gerilim daha düzgün bir şekle getirilir. Kullanılan gerilim regülâtörü 1.5A akıma kadar dayanıklıdır. Şekil 3: 7805 Entegresi E. Max232 Seri İletişim Entegresi RS232 iletişim standardı TTL entegrelerden daha önce belirlendiğinden gerilim seviyeleri TTL uyumlu değildir. Yani RS232 de lojik 0, +3 ile 25 volt arasında, lojik-1 ise -3 ile 25 volt arasında tanımlanmaktadır. Fakat mikrodenetleyiciler TTL uyumludur. Lojik 1 yaklaşık 3 5 volt, lojik 0 ise yaklaşık 0 2,5 volt arasında tanımlanmaktadır. Dolayısıyla RS232 mikrodenetleyici ile direkt seri iletişim kuramaz. Bu nedenle iletişimi sağlamak amacıyla gerilim dönüştürücü devreler veya entegreler kullanmak gerekir. Bu problemin çözümü için en çok kullanılan entegre ise MAX232 gerilim dönüştürücü 212
Mikrodenetleyici Tabanlı DA Motor Kontrolü ve PC Üzerinden İzlenmesi entegresidir. Şekil 4 de MAX232 entegresinin pinleri ve genel bağlantı şekli görülmektedir. Şekildeki kondansatörlerin hepsi 1uF tır.entegre 2 giriş ve 2 çıkış ucuna sahiptir. RS232 portuna bilgi gönderme (TX) uçları 14 ve 7 ( T1OUT, T2OUT ) uçlarıdır. Bu uçlardan biri RS232 portunun alma ( RX ) ucuna bağlanır. Entegrenin RS232 portundan bilgi alıcı ( RX ) uçları, 13 ve 8 ( R1IN, R2IN ) uçlarıdır. Bu uçlardan biri RS232 portunun veri gönderme ucuna (TX) ucuna bağlıdır. Mikrodenetleyici veya herhangi bir entegreden gelen bilgileri alan uç T1IN veya T2IN, gönderen uç ise R1OUT veya R2OUT uçlarıdır. Gerçekleştirilen sistemde kullanılan bütün donanım birimlerinin bir arada göründüğü deney setine ilişkin bir görünüm Şekil 6 da verilmiştir. Şekil 6: Tasarlanan devrenin üst görünüşü IV. YAZILIM BİRİMLERİ Şekil 4: MAX232 entegresinin içyapısı ve bağlantı şeması III. SÜRÜCÜ DEVRESİNİN ÇALIŞMASI Motora uygulanan akım L298N sürücü entegresi ile ayarlanmaktadır. L298N sürücü entegresi, içinde iki adet transistörlü çift tam köprü sürücü devre barındırmaktadır. Böylece aynı entegre ile 2 adet DA motor kontrol edilebilir. Çalışma gerilimi 46V a kadar olup, çıkış akımı 4A e kadar çıkmaktadır. Ayrıca bu entegre ile röle, selenoid, adım motoru gibi endüktif yükler sürülebilir. Entegrenin aşırı ısı korumasına sahip olması, fiyatının ucuz ve kullanımının kolay olması, gerilim ve akım kapasitesinin yüksek olması gibi özellikleri tercih edilme nedenleridir. Bu bölümde, gerçekleştirilen sistemde donanım birimleri arasındaki haberleşme ve veri iletişiminin sağlanması ile hız kontrolü ve izlenmesi için bilgisayar ara yüzünün oluşturulmasında kullanılan yazılım birimleri tanıtılacaktır. Bu yazılım birimlerinin tercih edilmesinde özellikle hızlı ve güvenilir veri alışverişi yapabilme ve izleme gibi birçok etken göz önüne alınmıştır. A. Arayüz Yazılımı ve Mikrodenetleyici Yazılımı Tasarlanan deney setinin temel elemanı olan PIC16F877 mikrodenetleyicisi CCS C programlama dili ile programlanmıştır.ayrıca deney setinin bilgisayardan kontrolünün gerçekleştirildiği kulalnıcı arayüz programı ise Microsoft un paket programı olan Visual C#.NET ortamında gerçekleştirilmiştir. V. SİSTEMİN TASARIMI ve UYGULAMASI Bu çalışmada DA Motorunun hız kontrolüne ve PC üzerinden izlenmesine ilişkin deneysel çalışma geliştirilmiştir. Şekil 5: L298N Entegresi Entegre, PIC de üretilen PWM sinyalleri ile kontrol edilmektedir. PWM görev saykılı değiştirildiğinde, motor akımının büyüklüğü ve dolayısıyla motor hızı ayarlanmaktadır. PWM görev saykılı hız arttır butonuna basıldığında kademeli olarak artmakta veya hız azalt butonuna basıldığında kademeli olarak azalmaktadır. Çalışmada 9 volt DA motoru kullanılmıştır. Giriş gerilimi ve kullanılan elemanların değerleri motor gerilimine uygun olarak seçilmiştir. A. Tasarım Bu çalışmada PIC 16F877 kullanılarak anahtarlama elemanına gerekli olan PWM tetikleme sinyalleri üretilmiş ve bu elemanların iletim-kesim açısını ayarlayabilen mikrodenetleyici tabanlı PWM modülatör geliştirilmiştir. Yazılım C dilinde hazırlanmıştır. Sistemin sadelik ve geliştirilmeye uygun olması gibi üstünlükleri vardır. Gerçekleştirilen bu uygulamada, kullanıcı tarafından istenilen motor hız değerleri için gerekli anahtarlama süreleri yazılım tarafından üretilerek kontrol ünitesine aktarılmaktadır.. Ara yüz programı ile seri port üzerinden DA Motorunun hızı izlenebilmekte, motorun hızı ve devir yönü 213
S. Reyhanoğlu, S. Çelik, S. Vadi değiştirebilmektedir. Yazılım ara yüzü ile donanım birimleri arasındaki iletişim seri port üzerinden sağlanmaktadır. Yapılan çalışmanın blok diyagramı Şekil 7 de verilmiştir. programı eklenmiştir. Ayrıca gerekli hesaplamaların yapılabilmesi için 7 numaralı butona da tıklayarak hesap makinesi programı çalıştırılır. LCD 5 6 7 DA MOTOR SÜRÜCÜ PIC16F877 PC ara yüz DA MOTOR DA MOTOR KONTROL BUTONLARI Şekil 7: PIC16F877 İle DA motor kontrolü blok diyagramı B. Uygulama ve Deneysel Sonuçlar Uygulamanın yürütüldüğü ve sistemin temel olarak kontrolü için hazırlanan kullanıcı ara yüzü Şekil-8 de verilmiştir. Bu ara yüz kullanılarak deneysel çalışmanın yürütülebilmesi için kullanıcı ismi ve şifresi ile bağlantı kurulması gerekmektedir. Bu işlem, kullanıcı adı ve şifresi girildikten sonra 1 numaralı butona tıklayarak DA motor kontrol programına giriş yapılır. Programdan çıkmak istenirse 2 numara ile gösterilen İPTAL butonuna basılarak program kapatılır. Şekil 8: Arayüz Programı Kullanılarak Kullanıcı Girişi Yapılması Şekil 9 da görüldüğü gibi devrede 10 adet buton bulunmaktadır. 8 numara ile gösterilen ileri butonuna basıldığı zaman motor ileri yönde dönmeye başlayacaktır ve yeşil renkli led yanacaktır. Motorun, hızını arttırmak için 9 numara ile gösterilen hızlandır butonuna, azaltmak için de 13 numara ile gösterilen yavaşlat butonuna basılır. 14 numara ile gösterilen geri butonuna basıldığı zaman motor ters yönde dönmeye başlar ve mavi renkli led yanar. Motorun, hızını arttırmak için de 9 numara ile gösterilen hızlandır butonuna, azaltmak için de 13 numara ile gösterilen yavaşlat butonuna basılır. Motorun hız durumu LCD ekranda görüntülenir. 10 numara ile gösterilen butona basıldığında DA motoru durdurulur. DA motoru ilk duruma getirmek için 14 numara ile gösterilen reset butonuna basılır. DA motor kontrolü yapılırken gerekli olan ve alınan notlara kolayca ulaşılabilmek amacıyla 5 numara ile gösterilen butona kelime işlemci programı eklenerek ara yüz programına işlevsellik kazandırılmıştır. DA motorlar ile ilgili gerekli istatistiksel bilgilerin yazılıp tablo oluşturma durumunda kolay erişim için 6 numara ile gösterilen butona elektronik işlemci 8 9 10 11 12 13 14 Şekil 9: Hızlı Erişim ve Kontrol Paneli VI. SONUÇ Bu makalede, DA Motorun kontrolü ve bilgisayar ara yüzü üzerinden izlenmesine ilişkin deneysel bir çalışma başarıyla gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan uygulamada PIC 16F877 kullanılarak üretilmiş olan PWM sinyali DA motorun sürme devresine uygulanmıştır. Ara yüz programı kullanılarak bilgisayar kontrolü ile motorlara hız kontrol uygulaması daha kolay ve kullanışlı bir hale getirilmiştir. Ayrıca, kullanıcı girişi ve şifre kısmı eklenerek yetkisiz kişilerin motoru çalıştırmasını engelleyerek sistemi daha güvenli hale getirilmiştir. Geliştirilen uygulama bu alana yönelik mesleki, teknik eğitim ve mühendislik eğitimi sunan her seviyedeki eğitim kurumlarında yardımcı bir ders aracı olarak kullanılabileceği gibi, araştırma amaçlı deneysel çalışmalar içerisine başarıyla adapte edilebilir. VII. TEŞEKKÜR Bu bildiri ELK-410 Mesleki Tasarım Dersi kapsamında hazırlanmıştır. Yazarlar sağladığı katkılardan dolayı ders öğretim üyesi Doç. Dr. Ramazan BAYINDIR a teşekkür eder. KAYNAKLAR [1] C. C. Chan, Low Cost Electronic-Controlled Variable Speed Reluctance Motors, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. IE-34, No. 1, 95-100, 1987. [2] G. Bal, Doğru Akım Makinaları ve Sürücüleri, Ankara, SeçkinYayıncılık, 2001. [3] P. Yedamale, Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals, Microchip Technology Inc. App. Note, USA, 2003. [4] H.A. Toliyat, T. Gopalarathnam, AC Machines Controlled as DC Machines, (Brushless DC Machines/Electronics). The Power Electronic Handbook, New York, 2002. [5] B. Lee, M. Ehsani, Advanced Simulation Model for Brushless DC Motor Drives, Electric Power Component and Systems, 31: 841-868, 2003. [6] L. Davis, E. Jr. Moghbelli and A. AHMED, Microprocessor Control of Dc Motor Drives, Industry Applications Society Annual Meeting, Vol. 2, 1782-1786, 1992. 214
Mikrodenetleyici Tabanlı DA Motor Kontrolü ve PC Üzerinden İzlenmesi [7] S. Havang, A Real-Time Digital Adaptive Tracking Controller For a DC Motor, Industry Applications Conference IAS Annual Meeting, Vol. 2, 1593-1598, 1995. [8] J. Nicolai, T. Castagnet, A Flexible Microcontroller Based Chopper Driving a Permanent DC Motor, Power Electronics and Applications, Fifth European Conference, Vol. 5, 200-203, 1993. [9] N. Gardner, PIC Programlama El Kitabı, Editör: Elk. Müh. Gökhan Dinçer, Bileşim Yayıncılık, İstanbul, 1998.G. R. Faulhaber, Design of service systems with priority reservation, in Conf. Rec. 1995 IEEE Int. Conf. Communications, pp. 3 8. 215