Pıc tabanlı fırçasız dc motor tasarımı

Fırçasız motor tarihçesine kısaca değinirsek; 1983' de Demerdash iki farklı malzeme (Samaryum-Kobalt ve Ferrit) kullanarak aynı güçlü iki fırçasız DC motor gerçekleştirmiştir.1985 yılında llzuka, evirici devresindeki güç yarı iletkenlerini bir bilgisayar ile tetikleyerek geri besleme kullanmadan fırçasız DC motorunun hız kontrolünü yapmıştır.1989'da ise Pillay sürekli mıknatıslı senkron motoru iki fazda modellerken, fırçasız DC motorlarını da üç fazda modellemiştir.1992'de Low, moment kontrol yöntemini pozisyon kontrolünde ve hız kontrolünde uygulamıştır.Daha sonra 2003'de Lee ve Ehsani , tarafından yapılan çalışmada, fırçasız DC motor sürücülerin ileri simülasyon modelleri geliştirilmiştir.Ve en sonunda 2008'de Cunshan Zhang ve Dunxin Bian Fırçasız DC motorlarda stator manyetik alanının oluşturduğu moment salınımlarının ortadan kaldırmak için yeni bir PWM kontrol algoritması sunmuştur. Bu zamandan sonra fırçasız DC motorlar piyasada gerek maliyet gereksede sistemde kullanılması gereken elektronik devre karmaşıklığı yüzünden hakettiği yeri alamamış ve piyasaya sunulamamıştır. Ancak teknolojinin hızla gelişmesi, ürün kalite ve ömür sürelerinin artması ve talep edilmesi bu ürünün tekrardan gündeme gelmesine sebep olmuş ve talep edilir hale gelmiştir. Fırçasız Doğru Akım (DC) motorları artık günümüzde, endüstriyel uygulamaların çoğunda, özellikle otomotiv sektörü, uzay teknolojileri, bilgisayar teknolojileri, tıp elektroniği, askeri alanlar, robotik uygulamaları ve ev ürünlerinde fırçalı motorlar yerine sıkça kullanılmaktadır. Bu motorlar, yüksek moment/akım ve yüksek moment/eylemsizlik oranına sahiptir. Ayrıca fırçasız DC motorların, sağlam yapı, yüksek verim ve yüksek güvenirlik gibi üstünlükleri vardır [1]. Mikro denetleyici (PIC) devre elemanları son yıllarda, uygun yapısı nedeniyle tek döngülü sayısal kontrol sistemlerinde sıkça kullanılmaktadır. Ayrıca yaygın kullanımı ve uygun fiyatı nedeniyle popülerliği giderek artmaktadır. PIC'ler, bir bilgisayarın temel özelliklerini içeren tek bir silikon kılıf içerisinde toplanmış tüm devre elemanlarıdır. Genel olarak bir PIC devre elemanı; bir mikroişlemci, program/veri belleği, giriş/çıkış birimleri, saat darbesi üreteçleri, zamanlayıcı/sayıcı birimleri, kesme kontrol birimi, analog/dijital ve dijital/analog çeviriciler, darbe genişlik üreteci, seri haberleşme birimi ve daha özel uygulamalar için kullanılan diğer çevresel birimlerden meydana gelmektedir. Çalışmada kullanılan PIC 30F3010 devre elemanı, yüksek performans RISC CPU teknolojisi, 20 MHz çalışma frekansı, 3 adet giriş/çıkış, 3 adet zamanlayıcı, 2 adet PWM modül, 5 kanallı 10 bitlik ADC, 8Kx14 kelime flash hafıza, 368x8 bayt RAM ve 256x8 bayt EEPROM içermektedir [2]. Bu çalışmada; fırçalı motorda kömürün zamanla ergiyerek oluşturduğu kömür tozlarının motorun ömrünü azaltma, kollektör yüzeyinin aşınarak motorda çalışmama ve kısa devre arkları (elektriksel atlamalar, şase vb. hatalar) oluşturmasını ortadan kaldırma, motorun yapmış olduğu çevrim sayısının (cycle) arttırılması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda motor fırçaları (kömürleri) ve kollektör üzerinde iyileştirme çalışmaları yapılmış olup istenilen sonuçlar elde edilememiştir. Bu veriler ışığında PIC Tabanlı Fırçasız Motor tasarlanmasına karar verilmiş, motordaki kömürler ve kollektör iptal edilerek ferritik mıknatıslar yerine Gauss değeri ve mıknatıslanabilme özelliği daha yüksek olan neodyum mıknatıslar kullanılmasına, sargının rotor üzerinde değil stator üzerine sarılmasına karar verilmiştir. Bu çalışmada ayrıca Fırçasız DC motorlar için PIC tabanlı bir sürücü geliştirilmiştir. Motorun, konum algılayıcı (hall effect) sensörlerinden alınan konum bilgileri PIC tarafından yorumlanarak yazılan program sayesinde uygun komutasyon çıkışları üretilmiş ve bu çıkışlar izolasyon amacıyla optik izolatörlere uygulanmıştır. Gerçekleştirilen sistemde motor akımını karşılamak için uygun MOSFET elemanları kullanılmıştır. MOSFET elemanlarını sürmek için TLP250 sürücü entegreleri tercih edilmiştir. Yazılım olarak Microchip firmasının MPLAB programında derlenen ASM dili kullanılmıştır. Sonuç olarak; fırçalı motorlarda elde edilen maksimum çalışma saati 13.000 ve çevrim sayısı 1-1,5 milyon iken fırçasız motorda yaklaşık 1 yıl süre ile yapılan testler sonucunda bu sayı 2,5-3 milyon çevrim sayısı (cycle) değerlere ulaşmış ve çalışma saati 20.000 saatin üzerine çıkmıştır. Ayrıca yapılan performans testlerinde çap 63mm olan redüktör kapı açma-kapama motorunda fırçalı motor maksimum tork değeri 12,95 Nm iken, fırçasız motor maksimum tork değeri ise 18,45 Nm olarak ölçülmüştür. Çap 76 mm blower motorunda fırçalı motor maksimum tork değeri 0,93 Nm iken, fırçasız motor maksimum tork değeri ise 1,97 Nm olarak belirlenmiştir. Çap 102 mm olan fan motorunda (axiel motoru) fırçalı motor maksimum tork değeri 2,46 Nm iken, fırçasız motor maksimum tork değeri 3,88 Nm olarak belirlenmiştir. Tork testi sonucunda fırçasız motorun tork değerlerin daha yüksek olduğu verilerle tespit edilmiştir. Bununla birlikte fırçalı motorların kömürlerinin ergime (ömür) süresi 1-1,5 yıl arası olduğu gelen iade motorların verilerinden çıkarılmış olup fırçasız motorda kömür kullanılmadığından bu problem doğrudan çözüme kavuşturulmuştur.