Fırçasız motor hakkında detaylı bilgi almak istiyorum.

[Logan]

Günaydın arkadaşlar.

Konu başlıkta belirttiğim gibidir.

İlk olarak fırçasız motorlar ile çalışma sürecimi anlatmak istiyorum.

Uzun zamandır aktif olarak fırçasız motor sürücü üzerinde uğraşıyorum. İlk etapta hedefleri yüksek tutup sensörsüz model ile uğraştık. Çünkü sensör extra kablo işçiliği ve arıza oranlarının artması demekti. Yaklaşık 4 ay kadar sürdü. Texas'ın hazır çözümleri üzerine yoğunlaşarak projeyi nihayete erdirdik. PCB, şema, program vs. vs. derken ilk prototipi topladık. Fakat ilk testlerde gözden kaçırdığımız çok önemli bir hata bulduk. Motor ilk kalkış anında aşırı yük altında ise konumunu kaybediyor ve olduğu yerde sayabiliyordu. Nadir rastlanan bir hata olsa da kabul edilebilir bir durum değildi. Birkaç hafta bu arızayı donanımsal ve yazılımsal olarak gidermeye çalıştık. Ancak daha sonraları öğrendik ki küçük çaplı yüksek akımlı motorlarda sargı akımları 5A'in üstünde birbirlerini etkilediği için sensörsüz kontrollerde bazen konum kaybetme ya da düşük devirde düşük tork gibi problemler yaşanabiliyormuş. Sensörsüz projesini bir süre askıya alıp sensörlü yapı üzerine çalışmaya başladık.

Vaktimizin kısıtlı olması bizi yine hazır çözümler aramaya yöneltti. Sensörlü kontrollerde hazır çözümler daha yaygın ve fazla olduğu için kısa vadede projeyi tamamladık.

Fakat ben biraz daha işin içine girerek ilk etapta sensörlü daha sonraları ise sensörsüz olmak üzere programı tamamen bana ait bir proje üzerinde çalışmak istiyorum. Biraz geç oldu ancak fırçasız motor üzerine temelden bir araştırma yapmaya karar verdim. Nette bir sürü doküman buldum fakat biraz hazıra kaçmak istiyorum.

Aramızda bana lise talebesine anlatır gibi motorun ne olduğunu, nasıl çalıştığını, 2 kutuplu motor ile 4 kutuplu motor arasında ne fark olduğunu, kare dalgayla sürmek ile sinüsle sürmek arasında ne fark olduğunu, devir ve tork kontrolünün nasıl yapıldığını detaylı bir şekilde anlatacak birileri var mıdır?

Vereceğiniz bilgiler doğrultusunda PCB çizip deneme bordu yapacağım.

Bilginize.

İyi çalışmalar.

[z]

TI'ın bu konuda dokumanları var. BPRA044 - BPRA055 - BPRA064 - BPRA072 - (BPRA073 AC Motorlar için ama bu da güzel bir doküman)

************** Sinüsel sürme -  kare dalga sürme   ***************

Aslında kare dalga ile sürme terimi yok. Trapez dalga demek gerekiyor.

Her motoru trapez yada sinüsel sürebilirmisin.

Bu tamamen motorun tasarımı ile ilgili. Her motoru sinüsel süremezsin ama trapez sürebilirsin.  (Sürersin de amaca hizmet etmez)

Sinüsel sürülen motorlarda kutup yüzey alanında da sinüsel bir dağılım gerekiyor. Yani tam ortada max genlikte mağnetik alan olacak, yanlara kaydıkça alanın şiddeti sinüsel formda azalacak..
(Bu kısmı bir başka kaynaktan teyid et, belki de değişimin sinüsel değil tam tersi keskin kare dalga formda olması gerekiyor yazarken kafam karıştı ve hangisi doğru emin değilim)

Haliyle bu motor tasarımını daha zorlaştırıyor haklı olarak da fiyatı fırlıyor.

Peki ne işe yarıyor bu sinüsel yada trapezoidal sürüm?

Motor milinin en küçük açı değişimde bile üretilen tork bir öncekinin aynı olması demek. Yani motor acaip vuruntusuz yani sessiz çalışıyor.

Trapez dalga motorlarda vuruntu var. Bunu lastik teker süren çocuğun tekeri arada bir dürterek döndürmesine benzetebiliriz. (Biz çocukken çıkma bisiklet hatta otomobil lastiği bulup bunları elimizle vura vura yuvarlar yarışlar düzenlerdik)

İşte bu döndürme şeklinde tork rıpıllı olur. Sinüsel sürüşte tork rıpılsız sabittir.

Sinüsel sürmede de trapez sürmede de dörtgen dalga kullanıldığı için kare dalga sürüş yanlış tabir oluyor. (Birisinde sinüsel akım için modülasyon var diğerinde DC akım için modülasyon var ve her ikisinde de akım kontrolu için dörtgen dalga (pwm) kullanılıyor).

Trapez sürüşte 60 derece açı ile yerleştirilmiş 3 sensör yeterken sinüsel sürüşte yüksek çözünürlüklü encoder da gerekiyor.

************* Kutup sayısının etkisi *****************

Asenkron motorlarda olduğu gibi bu motorlarda da döner alanın hızı kutup sayısına ve frekansa bağlı. Kutupsayısının artması elektriksel redüktör anlamına geliyor.

İki kutupta bir tam dairesel dönüş bir sinüs peryodu ederken, 4 kutupta bu iki sinüs peryoduna denk geliyor. Birinci sinüs peryodu motoru yarım tura kadar, ikinci sinüs peryodu ise yarım turdan bir tura kadar dönüşü oluşturuyor.

************* Nasıl çalışıyor ****************

Sargılardan uygun yön ve şiddette akım akıttığında oluşan akı karşısındaki mıknatıs alanı ile etkileşip itme yada çekme kuvveti oluşturuyor ve bunun sonucunda rotor dönüyor. Bu
rotorun yeni konumuna göre sargı akımının yön ve şiddetine mudahale etmeyi gerektiriyor. Bu da rotor açısını bilmeyi gerektiriyor. Bu amaçla motorlara sensörler yada shaft encoder ekleniyor.

*********** Nasıl sürülüyor ***********

Trapez sürüşün en basit olanında hiç sorun yok. Sensörden gelen sinyale göre hangi bobinlere hangi yönde enerji verilecekse voltaj uyguluyor ve akım regülasyonu yapıyorsun.

Bobinleri sıra ile çift çift sürmek yerine space vektör modülasyonu tekniğini kullanırsan besleme voltajından  max ölçüde yararlanıyorsun. Zira bobinler yıldız bağlı olduğu için
her bir bobindeki voltaj asla besleme voltajına eşit olamıyor. Space vektör modülasyon en büyük gerilimi oluşturuyor.

Devir sayısı doğrudan motor akımı ile orantılı olacağı için düzeneği akım regülatörü olarak süreceksin.

Devir sayısını ve torku kontrol altında tutacaksan bu kezişin içine  FOC (Field Oriented Control) giriyor.

Burada 3 fazdan (sargıdan) iki faza (sargıya) indirgeme amacı güdülüyor. 1. sargı kutup sargılarını 2. sargı da endüvi sargılarını simüle ediyor. Bildiğin gibi kutup sargılı motorlarda kutup akımını değiştirerek torku, endüvi akımını değişitirerek de devir sayısı ile oynayabiliyorsun.

Yada bu dönüşüm motorun sabit gövde ve dönen aksam bileşenlerini bulmak anlamına geliyor. (D-Q dönüşümü)

Yani motorun duragan kısmının sargı akımlarını ve dönen kısmındaki sargı akımlarını bulma işlemi yapılıyor.

Bu sargılarda nerden çıktı fırçasız motorda sadece statorda 3 tane sargı var diyeceksin. Evet öyle de bu motorun eşdeğeri motor modeline dönüşüm yapıyoruz. Bu modelde bir kutup sargısı bir de endüvi sargısı var.


Sabit kutup alanlı motorlarda (mesela küçük oyuncak motorlar vs) sadece endüvi akımı ile oynayabiliyor bu ise hem devir sayısını hem de torku değiştiriyor.

Basit trapez sürümde de aynen böyle oluyor. Ama FOC yaptığında devir ve tork bağımsız ayarlanabiliyor.

Sonuç:

FOC karışık bir konudur. Okuyarak öğrenemezsin. Boş kağıtları ve kalemi alacaksın. Mekaniki olarak 120 derece açılarla yerleştirilmiş 3 bobinden 120 derece faz farklı sinüsel akımlar geçerken dönen mağnetik alan vektörünü modelleyeceksin.

Bu modelin aynısını bir de mekanik olarak 90 derece açı ile yerleştirilmiş iki bobinin oluşturduğu düzenekte döner alan vektörünü modelleyecekin ve sonuçları birbirine eşitleyeceksin.

Bu 3 fazdan 2 faza geçiş denklemlerini verecek.

Rotor pozisyonunu da encoderdan bildiğin için işin kolay.

2 fazda heaplamalarını yapıp ardından 3 faza geçiş yapmak için daha önce bulduğun dönüşüm denklemlerinin terslerini kullanacaksın.

*********  FOC ne avantaj sağlar? ***********

Her şeyden önce hız ve tork bağımsız ayarlanır. Bir artısı daha var.

AC akımı kontrol altında tutan regülatörler AC sinyallere maruzdur. Kontrol sistemleri genellikle alçak geçiren filitre yapısındadır.
Bu durumda AC akım frekansı arttıkça çıkış genlikleri ister istemez düşer. Bu da kontrol düzeneğinin yüksek frekanslarda motor voltajını kısması demek.

Daha doğrusu kontrol düzeneğinin tepkisinin frekansla değişmesi demek.

Halbuki FOC da D-Q dönüşümü sonucunda elimizde DC bileşenler olur. DC sinyaller üzerinde işlemler yaparı. Mesela hız regülatörü için PID vs kullanırız. Haliyle
DC şartlarda PID motor devr sayısından etkilenmez.

Bu modellemeyi yapmazsan herşey ezberde kalır.

TI'ın hazır FOC kütüphanelerini kullanırsan hiç bunlara gerek kalmadan sonuca da ulaşabilirsin. Ama ne olup bittiği hakkında hiç fikrin olmaz.

[Logan]

Çok güzel.

Yavaş yavaş anlamaya başlıyorum. TI'ın TMS320F28069M işlemcili kontrol kartı ve DRV8301 bordu ile sensörsüz FOC kontrol yaptım. Ancak dediğiniz gibi arka planda neler döndüğünden hiç haberim olmadı.

FOC işi biraz uzun vadeli. Ayrıca sağlam bir arge ve odaklanma gerektiriyor. İlk etapta motoru sensörlü trapez sürsem yeterli olur diye düşünüyorum. Devamında FOC ve sinüs ile uğraşılabilir.

Nette şu animasyonu buldum. Genel olarak motorların bu şekilde çalıştığını düşünüyorum.

https://www.youtube.com/watch?v=oFI7VW6WGR4&list=PLs9pXSDLOquCDO4oqReOJYbQZ-5wcMkbW

Anladığım kadarıyla akım kontrollü trapez sürme ile hemen hemen her motoru sürebiliriz diye düşünüyorum.

Peki kutup sayıları aynı 50W'lık motor ile 5000W'lık motor arasında güç katı dışında herhangi bir fark yok mudur?

[z]

Yüksek güçlerle uğraşmadım. Fakat kontrol algoritmaları değişmez. Yüksek güçlü motor için ilave yazılımsal korumalar eklenebilir. (Referans hızdaki değişim miktarı şu değeri aşamaz, Motor akımları şu süreden fazla şu değeri geçemez gibi...)

[FxDev]

Güç ile motor sürme tekniği pek değişmiyor yalnız akım kontrolün özellikle güçler arttıkça hızlı olması gerekiyor. Genelde görülen ve yaptığım ref. akıma 1ms civarında oturmasıdır.
Bunun yanında sensörsüz sürmeden önce rotorun pozisyonunu bilmek için bir ilk hareket vermek gerekiyor. Daha sonrasında rotorun yeri bilindiği için boşta kalan fazın sıfır geçişinden tetikleme alıp bir sonraki state'e geçiyorsunuz. Bunu zaten yaptığınızı varsayıyorum.

Sensörlü bir kontrol ile 144V, 300A kontrol yapmıştım. Sensörlü kontrolün nedeni bu ilk hareketteki sıkıntı idi. Eğer pompa veya fan yapıyorsanız pek sorun olmuyor fakat konu elektrikli araç gibi bir uygulama ise bu ilk hareket sıkıntı olabiliyor.

Bunun yanında dediğiniz gibi düşük devirlerde, özellikle torkun çok istendiği durumlarda, BEMF gerilimi çok düşük olduğundan, sensörsüz kullanım sıkıntı çıkarabiliyor.

FOC işine hiç dahil olmadım yalnız dahil olan arkadaşımızın ciddi hesaplamalar ile uğraştığını biliyorum.

[irdal]

Motora uygulanacak optimal  pwm (sinüssel vy trapez) frekansını nasıl belirleyebiliriz ? Genel olarak 12khz-16khz arası anahtarlama frekansı uygulanıyor.   
http://www.precisionmicrodrives.com/application-notes-technical-guides/application-bulletins/ab-022-pwm-frequency-for-linear-motion-control . Kaynakta belirttiği üzere motora uygulanan pwm frekansı arttıkça tork azalıyor (ortalama akım daha az,lakin non linear ). Bu özellik kullanılarak, fırçasız motorların kalkış anında çektiği inrush akımı azaltılabilir mi ? Kalkış anında yüksek frekans +soft pwm uygulanır( düşük devir ve tork )  ve daha sonra motor devrini alınca pwm frekansı azaltılarak tork attılabilir mi

[FxDev]

PWM frekansı arttıkça tork azalıyor (ortalama akım daha az,lakin non linear ). Bu özellik kullanılarak, fırçasız motorların kalkış anında çektiği inrush akımı azaltılabilir mi ? Kalkış anında yüksek frekans +soft pwm uygulanır( düşük devir ve tork )  ve daha sonra motor devrini alınca pwm frekansı azaltılarak tork attılabilir mi?

Öncelikle PWM frekansıyla torkun bir alakası yoktur. Bu algı nereden oluştu bilmiyorum yalnız bu bilgi yanlıştır.
Çok basit anlatmak gerekirse tork nedir: uzunluk x ağırlık. Yani motorun miline bir metrelik bir çubuk bağlarsınız ve sonrasında bu çubuğun ucuna da ağırlık asarsınız, motorun kaldırabileceği maksimum ağırlık, motorun maksimum torkunu verir, eskilerin değişiyle döndürebilme kuvvetidir. Peki bu döndürebilme kuvvetini ne sağlar; yine basit anlatalım bir sabit mıknatısınız olsun, bir tane de elektromıknasınız. Elinizle bu iki mıknası ayırmak istediğinizi varsayın. Sabit mıknatısın akısını ya da çekim kuvvetini değiştiremeyeceğinize göre, elektromıknatısın akımı arttırarak mıknatıslığını arttırırsınız ve dolayısı ile çekim kuvvetini arttırarak, mıknatısları birbirinden zor ayırırsınız.

DC motorlarda da olan bundan başka bir şey değildir. Dolayısı ile çekme kuvveti döndürme kuvveti ile orantılı olduğundan, motordan geçen akım da torkla doğru orantılıdır ta ki motorun sargılarından geçen akım, motorun nüvesini doyuruncaya dek.

Dolayısı ile torkun akımla doğru orantılı olduğu ortaya çıktığına göre PWM sadece motor bobini üzerindeki akımın şeklini etkileyen bir parametre olur.

PWM frekansını arttırmanın bir güzel avantajı vardır ki o da akımı hızlıca kontrol edebilirsiniz, kontrol algoritmalarınız dolayısı ile daha hızlı işler.

Yalnız en büyük dezavantajı size verimsizlik olarak gelir bunlar da motorun eddy kayıpları ve güç elemanlarının anahtarlama kayıplarıdır.

O yüzden biz homosapiensler hem verimi arttırmak hem de sesten rahatsız olmamak adına 16kHz civarını kullanıyoruz güç gerektiren uygulamalarda.

[irdal]

Öncelikle PWM frekansıyla torkun bir alakası yoktur. Bu algı nereden oluştu bilmiyorum yalnız bu bilgi yanlıştır.
Çok basit anlatmak gerekirse tork nedir: uzunluk x ağırlık. Yani motorun miline bir metrelik bir çubuk bağlarsınız ve sonrasında bu çubuğun ucuna da ağırlık asarsınız, motorun kaldırabileceği maksimum ağırlık, motorun maksimum torkunu verir, eskilerin değişiyle döndürebilme kuvvetidir. Peki bu döndürebilme kuvvetini ne sağlar; yine basit anlatalım bir sabit mıknatısınız olsun, bir tane de elektromıknasınız. Elinizle bu iki mıknası ayırmak istediğinizi varsayın. Sabit mıknatısın akısını ya da çekim kuvvetini değiştiremeyeceğinize göre, elektromıknatısın akımı arttırarak mıknatıslığını arttırırsınız ve dolayısı ile çekim kuvvetini arttırarak, mıknatısları birbirinden zor ayırırsınız.

DC motorlarda da olan bundan başka bir şey değildir. Dolayısı ile çekme kuvveti döndürme kuvveti ile orantılı olduğundan, motordan geçen akım da torkla doğru orantılıdır ta ki motorun sargılarından geçen akım, motorun nüvesini doyuruncaya dek.

Dolayısı ile torkun akımla doğru orantılı olduğu ortaya çıktığına göre PWM sadece motor bobini üzerindeki akımın şeklini etkileyen bir parametre olur.

PWM frekansını arttırmanın bir güzel avantajı vardır ki o da akımı hızlıca kontrol edebilirsiniz, kontrol algoritmalarınız dolayısı ile daha hızlı işler.

Yalnız en büyük dezavantajı size verimsizlik olarak gelir bunlar da motorun eddy kayıpları ve güç elemanlarının anahtarlama kayıplarıdır.

O yüzden biz homosapiensler hem verimi arttırmak hem de sesten rahatsız olmamak adına 16kHz civarını kullanıyoruz güç gerektiren uygulamalarda.

Algı filan oluştuğu yok, torkun akımla ilişkili olduğunu biliyorum, linkini verdiğim kaynakta belirtilen bilgiyi baz alarak böyle bi yorumda bulundum. Verdiğim linkin sonuç kısmında "Switching the PWM frequency when motor is starting, reducing the frequency can give a higher output torque" diye bir cümle var.  Bende bu cümleye istinaden yüksek frekansta motora start verirsek daha az tork ve daha az akım çekilebilir mi diye soru sordum, olay bundan ibaret

[superconductor]

Pwm frekansı arttıkça motor sargılarının indüktansı artacağından motor tarafından çekilen akım, dolayısı ile tork düşecektir kanısındayım. Bu değişim fark edecek kadar büyük olurmu emin değilim.

[z]

http://www.precisionmicrodrives.com/application-notes-technical-guides/application-bulletins/ab-022-pwm-frequency-for-linear-motion-control

Bu adamlar doküman hazırlarlarken nasıl böyle bir hata yapar anlamıyorum.

RL devresinin %50 PWM şartları altında  akımı çizmişler. Soldaki düşük frekanslı olan şekil tamam. 2T kadar enerjili bobin akımı artar. Gerçi 2T boyunca enerjisiz bırakıldığında akımı düşer ama sıfıra değil. Neyse bu gereksiz bir ayrıntı. Fakat sağdaki yüksek frekanslı voltajda duty gene %50 imiş. Akım biraz evel 2T boyunca sıfıra inerken şimdi T kadar aralıkta sıfıra inmiş. Halbuki T (to) frekansın değil L ve R nin fonksiyonu. Sağdaki grafikte akımın sıfıra değil yaklaşık soldaki grafiğe göre konuşursak %30 lara falan inmesi gerekirdi. Dolayısı ile ortalama bir akım oluşacaktı ve sağdaki ve soldaki şartlarda ortalama aynı kalacaktı.

PWM frekansı ile torkun hiç bir alakası yok. İlla alaka kurulacaksa eften püften şeylerden kurulabilir tabiki.

Öte yandan PWM frekansı ile Eddy kayıplarının da çok yakından alakası yok. Şöyleki eğer  PWM regülatörünüz akım kontrolunu her cycle da bir yapıyorsa frekans artınca rıpıl düşücek demektir.

Bu durumda frekans artınca kayıp artarken rıpıl azalınca kayıp düşecek demektir.

Eğer regülatör her cycle regülasyon yapmıyorsa bu durumda frekansın artması eddy kayıplarını artrır.

Sürücülerimde 40Khz pwm kullanıyorum. Regülatör döngüm de 25 mikrosaniye peryoda sahip.
Eğer frekansı 40Khz de bırakıp regülatör rutinlerimi 25 us yerine 50us de bir işletirsem bu durumda eddy kayıplarım artar.

[bulut_01]

Frekans ile tork ters orantılıdır 16 khz ile aldıgınız torku 100 khz üstünde frekanslarda alamazsınız.

[Icarus]

@z: +1 aynen
Zaten motorun kendisi çok büyük bir filitre. Bizim PWM'nin zarfı motordan geçecek. Kendisi değil. PWM ile sinüs üretebilmemizin nedeni bu

@superconductor, bulut_01: Sizin söylediğiniz doğru FAKAT bahsetiğiniz frekans PWM'nin frekansı değil.

[FxDev]

Tamam şimdi hiç polemik yaratmadan soralım: 10uH bobinimiz var elimizde. Sargı direnci  10mOhm olan. 48V ile sürüyorum.

Benle iddiaya girecek babayiğit arıyorum!

Bu bobini anahtarlayarak üzerinden 100A akıtacağım.

Yukarıdakinlerin söylediğine göre F=16kHz iken bu akımı akıtabilecekken, F=200kHz iken akıtamam.

Ne demiştik tork akım ile orantılıydı.

Evet bahisleri alalım?

[superconductor]

Benle iddiaya girecek babayiğit arıyorum!

Keşke egonuzu elektriğe çevirebilsek

Dikkat ettiyseniz "kanısındayım" sözcüğünü kullanmışım Bu, "emin değilim ama böyle düşünüyorum" demek güzel kardeşim.

Z hocanın paylaştığı dökümanda aşağıda scope görüntüleri ve bir tablo var bende buradaki gibi düşünüp fikrimi söyledim.

http://www.precisionmicrodrives.com/uploads/media_items/current-in-110-003-with-200-hz-pwm-10-duty.319.234.s.png

http://www.precisionmicrodrives.com/uploads/media_items/current-in-110-003-with-31-25-khz-pwm-10-duty.319.234.s.png

Kimseyle iddalaştığımız yok güzel güzel konuşuyoruz.

[FxDev]

Yok hocam üstünüze alınmayınız, bulut_01'i bekliyorum çok emin konuştu.

Ayrıca ego değil bu inanın, 4 sene önce yukarıda söylediğim projeyi yaparken, terler alnımdan akmıyordu. Etrafta da 300A ile uğraşan yoktu, sanırım saçımdaki 3 tel o dönem beyazladı
İşin garibi o dönem foruma konu hakkında tek kelime de yazmışlığım yok.

O yazıncaya kadar ben görüntüleri paylaşayım.

Yukarıdaki 16kHz, aşağıdaki 200kHz. Oturma süreleri aynı çıktı. E nasıl oldu bu şimdi? Çünkü zaman sabitimiz değişmedi ki
T=L/R.

Yalnız bir şey değişti sanki, o da akımın ripple değeri. Bu nasıl oldu, çünkü frekans artınca, filtreleme oranı kendini belli etti.

Simülasyonda 6ms gibi bir değerde akımın 100A çıktığını gördük, eh 6ms mikrodenetleyici için çok uzun bir süre, dolayısı ile akımı bu şekilde kontrol edebiliyoruz işte.

Elbette burada 16F84 kullanmıyoruz. İşlemlerimizi hızlı yapabilmek için cycle cycle hesap yapıyoruz, PWM ile ADC'leri senkronluyoruz, bu kadar yüksek akım geçerken de akım sensörümüzü yakmıyoruz.

Hani güç elektroniği de ne falan diyenler var ya, örneğin mosfetin miller düzlüğü denen bir meselesi var, onu bile ns ns hesap adip, bu kadar akımları handle ediyorsunuz. Mikroişlemci tarafında ise bir cycle daha fazladan hesap yapmamak için C yeterli kalmıyor da ASM'ye giriyorsunuz.

Tabi benim zamanımda 200MHz FPU olan işlemciler ateş pahası idi. Şimdi baya ucuz işlemciler var bu işi yapabilecek.

Motor sürücü yapmak gerçekten sadece elektronikçilerin işi değil yanız, iyi bir mekanikçiniz yoksa, soğutucu kısmında, zulm gibi bir şey, çin işkencesi tasarım.