YABANCI UYARTIMLI İLE FIRÇASIZ DC MOTORLARIN HIZ VE TORK KARAKTERİSTİKLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

Abstract

Fırçalı DC (BDC) motorlar, oyuncaklardan araba koltuklarına kadar uzanan geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bu motorlar, ucuz ve çalıştırılması kolaydır. Piyasada tüm boyut ve biçimlerde bulunabilmektedir. Yabancı uyartımlı DC motorlar, düşük hızlarda yüksek tork kapasitesine sahip olmaları nedeniyle tercih edilirler. Bu motorların dış kaynaklarla, hem armatür, hem de alan akımlarının kontrol edilebilmeleri nedeniyle, en esnek bir şekilde kontrolü mümkündür. Armatür kaynağı için, kontrollü doğrultucu ya da kıyıcı gereklidir. PI veya PID gibi kontrolörlerle hız kontrolü sağlanmaktadır. Daha hassas kontrol istendiğinde, adaptif kontrol teknikleri kullanılır. Fırçasız doğru akım motorları (BLDC motorlar), sahip oldukları avantajları dolayısıyla günümüzde daha çok tercih edilir duruma gelmiştir. Avantajlarının başlıcaları; yüksek verim, güvenilir çalışma ortamı, daha az bakım, sessiz çalışma, kolay soğutma, uzun ömür ve kolay kontrol edilebilme şeklinde belirtilebilir. Bununla beraber; karmaşık bir kontrol yapısına sahip olmaları, pahalı bir sistem oluşu, rotor pozisyonunun algılanabilmesi için pozisyon sensörlerine ihtiyaç duyması gibi dezavantajlara da sahiptir. Pozisyon sensörlerinin kullanılmadığı durumlarda ilave algoritmalar gerekir. Ancak günümüzde gelinen noktada geliştirilen yöntemlerle, bu motorların dezavantajları önemsiz duruma gelmeye başlamış ve kullanımları artmıştır. Otomotiv sektörü, uzay ve bilgisayar teknolojileri, tıp elektroniği, askeri alanlar, robotik uygulamalar ve ev ürünlerinde sıkça kullanılmakta ve kullanım alanları gittikçe genişlemektedir. Bir BLDC motor, üç faz sargılı stator, sabit mıknatıslı rotor, geri besleme üniteleri (Hall sensörleri v.b.), evirici ve sürücü katmanı ile denetleyici yapılarından oluşmaktadır. Stator sargılarının enerjilendirilmesi rotor pozisyonuna göre yapılır. Rotor konumu algılayıcılar ile belirlenir. Bunun dışında, sürücü için akım veya gerilim bilgileri de ölçülerek kullanılmalıdır. Hız ve konum denetimi için en çok Hall ya da optik sensörler kullanılır. Rotor pozisyonunun sensörsüz olarak belirlendiği teknikler de giderek yaygınlaşmaktadır. Sensörsüz motorlar, sensörlü motorlar kadar yüksek hızlara ve ivmelere ulaşamazlar. Fırçasız DC motorunun elektromanyetik yapısı, sürekli mıknatıslı senkron motorlara benzemekle birlikte; stator hava aralığında endüklenen zıt-emk, sinüzoidal olmayıp trapezoidal (yamuk) şeklindedir. Fırçasız DC motorlar, rotorun yapısına göre üçe ayrılır. Bunlar dış rotorlu, disk tipi ve iç rotorlu yapılardır. Bunun dışında BLDC motorlar sensörlü ve sensörsüz olarak da ikiye ayrılır. Fırçasız DC motorlarda motorun akımı, torku, rotor konumu ve hızı gibi parametreler çeşitli kontrol yöntemleri kullanılarak kontrol edilir. Bu kontrol şu şekilde olmaktadır; denetleyicinin ürettiği kontrol sinyali, seçilen kontrol algoritmasına göre PWM sinyallerinin durumunu kontrol eder. Bu şekilde denetleyici tarafından motor parametreleri kontrol edilir ki, denetleyici hem yazılım, hem de donanım yapılarından oluşur. BLDC motorların kontrolünde yapılarının basitliği nedeniyle ve birçok uygulamalarda yeterli verimi karşılaması nedeniyle klasik denetleyiciler (PI ve PD tipi) kullanılır. Ancak denetlenecek sistemin modeline ihtiyaç duymaları ve en uygun kazanç değerlerinin deneme yanılmayla belirlenmesi dezavantaj oluşturmakta; sinüzoidal ve ani değişimlerdeki performansları yetersiz olmaktadır. Dolayısıyla, PI ve PD tipi denetleyiciler hassasiyet aranmayan uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Çok hassas denetim gerektiren uygulamalarda ise modern denetim teknikleri tercih edilmektedir. Günümüzde modern denetim tekniklerine, bulanık mantık, yapay sinir ağları, genetik algoritma, sinirsel bulanık denetleyiciler örnek verilebilir. Bu tezde, önce, fırçalı ve fırçasız DC motorların yapıları, çeşitleri, çalışma prensipleri, kullanım alanları, kontrol biçimleri ve ekipmanları hakkında literatüre dayalı açıklayıcı bilgiler verilmiştir. Daha sonra, yabancı uyartımlı DC motorların ve BLDC motorların matematiksel modelleri oluşturulmuş; bu modellerin Matlab/Simulink Programı kullanılarak Simulink modelleri elde edilmiş, PI kontrolü eklenmiş ve step (birim basamak) cevapları incelenmiştir. Son olarak da, bu cevaplar yorumlanmış ve karşılaştırılmıştır