BLDC SERVO MOTOR KULLANIMI – 1

Yeni bir adım: BLDC DC servo motorlar

Şimdiye kadar robotik çalışmalarımda “Adım Motor”larını (Stepper Motor) kullanageldim, sanırım geliştirdiğim yazılım kütüphanem de epeyi olgunlaştı.

Yaptığım her yenilik ve iyileştirmeyi de masa üstü CNC projemde uygulamaya koydum. Bu proje benim test alanım haline geldi.

Ancak robotik çalışmaların Servo Motorları kullanmadan tam olgunlaşması mümkün değil. Burada diğer tip motorların sadece adlarını anmakla geçerken, BLDC servo motorların detayına ineceğim.

Servo Motordan söz edilince birbirinden çok farklı iki farklı tip gündeme geliyor :

Tek fazlı PWM kontrollu Servo Motorlar

Bunlar genelde amatör projeler ve eğitim amacı ile kullanılan çok ucuz (1-2 Dolar), küçük motorlar. Sadece 3 tel -besleme, toprak ve sinyal- ile kontrol ediliyor. Çok turlu olanları da var ama genelde 0-360 derece arasında dönerek konumlandırma yapabiliyorlar. Besleme uçları bağlandıktan sonra sinyal telinden 20 ms periyodlu darbe genişlik modülasyonlu bir sinyal verilerek kontrol edilebiliyor. 0-180 derece arasında bir dönüş için darbe genişliğini 1 ms den 2ms ye değiştirilmesi yeterli.

Ben burada bu tipler üzerinde durmayacağım, internette Servo Motor olarak sorgulandığında karşımıza ilk çıkanlar bunlar ve istemediğiniz kadar uygulama örneği ve bilgi var. Kullanımları çok basit, mikrişlemcinizin tek bir çıkışıbı işgal ediyor. Ama iş daha ciddi bir uygulamaya gelince yetersiz kalıyorlar.

BLDC servo motorlar

Bu yazının konusu Brushless DC Motor – Fırçasız DC Motorlar.

Bu motorlar adım motorlar gibi sürekli dönebiliyor, adım motorlara göre çok daha hızlılar, çok daha pahalılar, kontrolları daha zor. Adım motorlara rakip değil ama tamamlayıcı özellikleri var.

Adım motor ile servo motor karşılaştırması

• Adım motorlar düşük hızlarda daha güçlü ve verimliler, hız yükseldikçe güçleri düşüyor. Zaten hızları da 25-30 dolara satılan NEMA 23 motorlarda 150 rpm i aşamıyor.
• BLDC servo motorlar yüksek hızlarda güçlü ve verimliler. 4000 rpm hız sıradan sayılıyor. Adım motorların tersine düşük hızlarda verim ve güçleri düşüyor.
• Adım motorların sürülmesi ve pozisyon kontrolu çok kolay
• Adım motorlar aynı torku veren BLDC motorlara göre 5 de bir fiyatına. Bu karşılaştırmada hız faktörünü gözardı ediyorum.
• Servo motorlarda konumlandırma için bir encoder zorunlu bu encoderin okunması, izlenmesi yazılımı daha karmaşık hale getiriyor.
• Adım motorlar daha sesli ve titreşimli çalışıyor. Rezonans problemleri olabiliyor.
• Sonuç olarak, konum kontrolu önemli olduğunda hız sorunumuz yoksa adım motor, hız gerekli ise servo motor kullanalım diyebiliriz.

SERVO MOTORLARIN YAPISI

Servo motorların sabit mıknatıslı kutupları olan bir rotorları ile faz ve kutup sayısına göre değişen sayılarda bobinleri olan bir statorları oluyor. Tek, iki ve üç fazlı olabiliyorlar. Benim kullandığım ve yaygın olanlar üç fazlı. Bunların stator sargıları üç fazlı asenkron AC motorlara benziyor. Bilindiği gibi 3 fazlı stator bobinlerinin her fazı arasında 120 derece açısal fark oluyor.

Kutup sayıları faz başına 1 çiftten başlayıp giden sayılarda olabiliyor, benim kullandığım fotodaki motor 2 çift kutuplu tipte.

SERVO MOTORLARIN SÜRÜLMESİ

3 fazlı servo motorların genelde üç faz stator bobinlerinin birer uçları birleştirilmiş yıldız yapıları oluyor. kimlilerinde bu ortak ucu dışarı vermiş oluyorlar ama benim kullandığımda sadece serbest uçları motor dışına verilmiş.

Bu çizimi ST Microelectronics in “Introduction to electric motors” adlı dokümanından aldım, tembelliğim için kusura bakmayın. Ayrıca başlangıçta bu dokümandan çok yararlanmıştım, hararetle tavsiye ederim.

Benim burada ele aldığım ve ilk olarak kullandığım sürüm yöntemi “6 step” olarak anılan yöntem.

Bu yöntemde U-V, U-W ve V-W ikili faz uçlarına her 60 derecede değişen +/- yönlü akımlar veriyoruz. Böylece 6×60 dereceyi 6 adımda dönen bir alan elde ediyoruz.

Bu altı adımın her birinde U V W uçlarından ikisine + ya da – yönlerde gerilim/akım uygulanırken üçüncüsü açık bırakılıyor. Bu açıkta kalan uçtan gerilim (BEMF – Back Electro-Motive Force) ölçümü yapılarak rotor pozisyonunu algılayabiliyoruz.

Saat yönünde dönüş sırasında altı adımın her birisinde U V W uçlarına uygulanan gerilimler aşağıdaki gibi :

ADIM	U	V	W	Akım Yönü
1	+	NC	GND	U->W
2	NC	+	GND	V->W
3	GND	+	NC	V->U
4	GND	NC	+	W->U
5	NC	GND	+	W->V
6	+	GND	NC	U->V

Yukarıdaki tabloda her bir faz ucuna ardışıl iki adım pozitif, bir adım açık bırakıldıktan sonra da izleyen iki adım süresince negatif gerilim uygulandığını görüyoruz.

Yani U V W fazlarına uygulanan gerilimleri aşağıdaki gibi de (Osiloskop ekranında göreceğimiz gibi)  göstermek mümkün :

Burada:

Vpwm : Bobin ucuna uygulanan gerilim. Üst taraftaki MOSFET’in iletimde olduğu periyot. Bunun ortalama değerini PWM ile değiştirerek ayarlıyoruz.

0 : 0 Volt hattına bağladığımız fazlar.  Bu fazda alt taraftaki MOSFET iletimde.

Nc :  Bobin ucunun açıkta bırakıldığı faz. Bu fazda Üst ve alt taraf MOSFET’lerin her ikisi de kesimde.

Bu durumda  U, V, W fazlarının her birinden aşağıdaki gibi iki yönde akımlar akıtılıyor : (Çizimi yine ST Microelectronics’in An Introduction to Electric Motors dokümanından aldım.):

DARBE GENİŞLİK MODÜLASYONUNUN KULLANIMI

Yukarıdaki şekilde fazlara 60 derecelik periyodlarla kare dalga gerilim/akım uygulanıyor olarak görünse de gerçekte motorları böyle sürmüyoruz.

Motora uyguladığımız faz akımlarının efektif büyüklüğünü azaltıp çoğaltarak tork kontrolu sağlıyoruz. Bunun için de yukarıdaki “Positive Power Bus Line” dediğimiz akımı MOSFET sürücüler üzerinden geçirerek anahtarlıyoruz, Darbe Genişlik Modülasyonu PWM uygulayarak motora veriyoruz. Böylece motor üzerinde tam bir hakimiyet kurmuş oluyoruz.

Faz gerilimlerinin -Motor Bağlı Değil İken- osiloskop ekranındaki görünümü de aşağıdaki gibi oluyor.

Burada fazlardan birisine uyguladığımız sürüm sinyali sarı renkli ikinci kanalda görünüyor.  Kırmızı izli birinci kanal MOSFET anahtarlama sinyalini gösteriyor. 

Motor sürücünün çıkışı birisi pozitif güç hattına, diğeri de negatif güç hattına bağlı iki MOSFET transistor ile sürülüyor. Bu MOSFET lerden üst taraftaki iletime geçtiğinde bobine pozitif gerilim, alt taraftaki iletime geçtiğinde ise negatif gerilim verilmiş oluyor.

Her iki MOSFET’in birden iletimde olmaması çok önemli. Bunun için sürücü yazılımda önlem alınmış olması şart. Her iki MOSFET’in de kesimde olduğu bu “ölü” periyodlarla yukarıdaki fotoda birinci kanalın “0” olduğu aralıklar. Ölü periyodlarda fazın ucu açık devre, yani yüksek empedans görüyor.

Osiloskop görüntüsünde faza PWM ile uygulanan “Positive Power Bus” sinyali belirgin. Ama bir sonraki iletim periyodunda, MOSFET bu defa “Negative Power Bus” a bağlandığında ekranda sadece devam eden düz “0” seviyesini görüyoruz.

Yani ekranda pozitif akım periyodları görünüyor, ters yöndeki gerilimleri ise osiloskopu diğer fazlara bağladığımızda o fazların PWM gerilimi olarak görüntüleyebiliyoruz. Şimdilik bu resme, akım yokmuş gibi görünen anahtarlama periyodunda ters yönde akım darbelerini hayalimizde canlandırarak bakabiliriz.

FAZ ENABLE SİNYALLERİ İLE PWM SIRALAMASI

Yukarıda anlatılanlara biraz daha açıklama getirmek üzere her üç faza uygulanan “Enable” sinyallerini aynı ekranda gösteren bir görsel koymayı yararlı görüyorum. İlk üç (mavi, sarı, kırmızı) sinyal fazların aktif olduğu zaman aralıklarını faz farkları ile birlikte gösteriyor. belirtmiş olduğum gibi bu sinyallerin “0” seviyesi o faz bobininin ucunu yüksek empedansda bırakıldığını aralıklar. O arada bu fazda BEMF ölçülerek rotor pozisyonu algılanıyor.

Dördünce sinyal ise 2. kanala ait PWM sinyali. Lojik analizörümde daha fazla kanal olmadığından burada sadece bir PWM sinyalini görüntüleyebiliyorum.

PWM ayrıntısının görülmesi için biraz yakından bakalım:

PWM SİNYAL AYRINTILARI

Yukarıdaki fotoda pek ayırt edilemeyen PWM sinyallerine yakından bakarsak :

Bu yüksek (%80 gibi) PWM oranlı sinyal detayı. Eğer 100% PWM uyguluyor olsaydık bu pozitif darbeler kesintisiz biçimde birleşerek uzun bir gerilim darbesi oluşturacaktı.

 

Bu da düşük Duty Cycle ile oluşan PWM. Göründüğü gibi pozitif darbeler iyice incelerek iğneler haline gelmiş. Bu durumda motora uygulanan gerilim ve akımın efektif değeri de çok düşürülmüş oluyor. Bu resimdeki kadar düşük akım değerleriyle motor muhtemelen dönmeyecektir.

GERÇEKTE MOTOR UÇLARINDA GÖRÜNEN GERİLİMLER

Sisteme Motor bağlandığında motor uçlarında yukarıda gördüğümüz güzel dikdörtgen dalga şekillerini değil aşağıdaki gibi, eski bilgisayar oyunlarındaki grafik karakterleri andıran sinyaller görüyoruz. Bunlara ben “gömlek” sinyalleri diyeceğim.

Buradaki gömleğin ortadaki dikdörtgen gövdesi yukarıdaki paragraflarda sözünü ettiğim pozitif akım periyodundaki darbelerden ibaret. Ard arda gelen iki gömleğin kolları arasındaki sıfır volt çizgisi fazın toprağa (GND) bağlandığı negatif akım periyoduna ait.

Gelelim gömleğin kollarına;

Kollar faza gerilim/akım uygulamayıp açıkta -MOSFET ler kesimde- bıraktığımız ara periyodlar. Burada gördüğümüz gerilimler ise dönmekte olan rotorun bu bobine uygulamakta olduğu BEMF ile o anda akım akıtılmakta olan diğer fazların bobinin diğer ucunun bağlı olduğu ortak uçta oluşturduğu gerilim.

Cümle uzun oldu bir başka şekilde anlatayım:

Eğer bu osiloskop izini alırken diğer fazlardan akım akıtmıyor olsaydık, rotorun dönmeye devam etmesi kaydıyla, gömleğin kollarında aşağı inen ya da yukarı çıkan 330-30 ve 150-210 derecelik sinüs dalga eğrileri görecektik. Yani dönmekte olan Rotorun oluşturduğu BEMF gerilimini. Sinüsün tamamını göremeyeceğiz, zira fazımızın aktif olduğu 120 derecelik periyodlarda bobinin bu ucunu pozitif ya da  negatif güç hatlarına bağlayıp duruyoruz.

Gömlek kollarında temiz bir sinüs eğrisi değil de bir PWM sinyali ile  modüle edilmiş sinyal görmemizin sebebi de şu:

İzlemekte olduğumuz faz bobinin diğer ucu, öteki iki fazın bobinleri ile ortak bir uca bağlı. Motorun içine gizlenmiş olan bu ortak uca biz erişemiyoruz. Bakmakta olduğumuz faza gerilim/akım uygulamadığımız periyodlarda diğer bobin çiftinden PWM akımları akmaya devam ediyor, zira bu aralıkta onları aktif periyotları var. Bu da ortak ucumuzun  “0” V değil, akmakta olan akımların belirlediği başka bir seviyede olması anlamına geliyor.  Dolayısı ile Gömlek kollarında görünen gerilim “Sinüs gerilimi+bir PWM sinyal” şeklinde oluyor.

Gömlek kollarının ortası BEMF geriliminin sıfır geçiş anı oluyor. Bu gerilimi ölçerek sıfır geçiş anını yakalayıp rotorumuzun bulunduğu açıyı algılayabiliyoruz. Böylece ayrıca bir sensöre ihtiyaç olmadan rotor pozisyon kontrolu yapabiliyoruz.

MOTORU AÇIK ÇEVRİM MODUNDA ÇALIŞTIRMAK

Buraya kadar motoru döndürmek için bobin uçlarına yukarıda anlattığımız 6 adımdan oluşan gerilimleri sırayla uygulamamız gerektiğini açıkladım. Gözümüzün önünde olması için U-V-W uçlarına uyguladığımız gerilimleri buraya tekrar koyalım.

Bu defa, U bobini ucunda endüklenen BEMF yi de grafiğe ekleyelim, kapalı çevrim kontrolunda bobinin ucundan bu gerilimi ölçerek faz değiştireceğiz.

Şimdilik grafiğin tepesindeki BEMF sinyalini gözardı edelim, açık çevrim kontrolunda ona ihtiyacımız olmayacak.

Burada görüldüğü gibi, 6 adımın her birinden bir sonrakine “komütasyon” dediğimiz anahtarlama işlemi ile geçiyoruz. Motora pozitif fazlarda uyguladığımız gerilimin ortalamasını da PWM ile değiştiriyoruz.

Motorun dönüş hızı komütasyon hızına bağlı. Ancak, motor fazlarını komütasyon ile istediğimiz kadar hızlı ilerletirsek motor da o kadar hızlı dönecek diyemeyiz. Zira motorun kendi ataleti, üzerindeki yük ve sürtünme kayıpları nedeni ile bir sonraki adım açısına ulaşması vakit alacaktır. Bir sonraki faza geçmek için motorun uygun açıya gelmesini beklemek zorundayız. Motorun bir sonraki adım açısına ulaşma süresi de uyguladığımız gerilime, bunun bobinden akıtabildiği akıma bağlı. Motorun hızını bir noktaya kadar uyguladığımız ortalama gerilim ile arttırabiliyoruz. Bunu da sonsuza kadar arttıramıyoruz, sonra bobinleri yakarız.

Bu açıdan, komütasyon hızı ile motorun hızının uyumlu olması önemli, kapalı çevrim kontrolunu da onun için yapmak zorunda kalıyoruz. Kapalı çevrim çalışırken motor açısını izliyor, uygun açıya geldiysek fazı ilerletiyoruz. Hızı değiştirmek için uyguladığımız gerilimi PWM ile değiştiriyoruz. Böylece değişen yük koşulları altında istediğimiz hızı sürdürebiliyoruz.

Eğer hız ve motor yükü sabit ise kapalı çevrim kontrolu olmadan da çalışmak mümkün. Zaten bu tür bir süreç kontrolunu geliştirirken önce bu adımdan geçmek de zorunlu görünüyor, sistemin doğasını kavramak açısından.

Eğer birer potansiyometre ile komütasyon periyodunu ve uygulanan gerilimin PWM oranını ayarlayabilir duruma geldi isek aşağıdaki açıklamalar ışığında ilerleyebiliriz.

Komütasyon periyodu motorun bir sonraki adıma ulaşmasına yetecek kadar uzun ise sorun yok. Optimum durumda bir sonraki adıma ulaştıktan sonra bir sonraki faza geçmemiz gerekiyor. 

Eğer komütasyon hızını düşük tutarsak, motor bir sonraki adıma geçip orada fazın değişmesini bekleyecektir. Bu durumda servo motorumuz bir adım motoru gibi çalışıyor olacak. Adım değişecek, ilerleyecek, bir sonraki adıma kadar o pozisyonda bekleyecek ve hareket bu şekilde adım adım devam edecektir.

Yani komütasyon hızı düşük iken motor her halükarda çalışacaktır, ama her bir adımdaki bekleme süreleri içinde -hareketsiz kalan rotordan dolayı- BEMF sıfır olacağından bobinlerden yüksek akım akacaktır. Bu durumda akım sınırlamasına ihtiyaç olacağından, akım ölçümü ile PWM i düşürmek gerekecektir. Ama akım bobini yakacak kadar yüksek değilse buna da gerek olmadan adım motoru gibi çalıştırmaya devam edebiliriz. Adım adım ilerlediğinizden biraz titreşimli bir sürüş olur. Uyguladığımız gerilimi rotor dururken bobini yakmayacak şekilde ayarlarsak bu aşamayı, yani komütasyon hızının idealden düşük olması halini kazasız belasız atlatabiliriz.

Dediğim gibi ideal durumda motor bir sonraki adıma ulaştığında komütasyon yapılır. Bunu ancak kapalı çevrim ile yapabilir, ya da motor yükü, hızı vb. değişken değilse bir kere doğru ayarları belirledikten sonra açık çevrimde çalışmaya devam edebiliriz.

Eğer açık çevrimde komütasyon hızı motorun bir sonraki adım açısına ulaşmasına meydan vermeyecek kadar yüksek ise, sorun başlayacaktır. Motor tekleyecek, devir düşecek stabil olmayan bir çalışma durumuna geçecektir.

Bunlar dikkate alınarak uygulanan gerilim PWM ile değiştirerek ve komütasyon frekansını değiştirerek deneyler yapılabilir.

Bu çalışma yapılıp motorumuzun, sürücü devrelerimizin ve yazılımımızın davranışlarından emin olduğumuzda, bir sonraki aşamada kapalı çevrim kontroluna geçebiliriz.

Açık çevrim altında BLDC motor sürmeyi anlattığım proje için aşağıdaki yayınıma bakabilirsiniz:

STM32 İLE AÇIK ÇEVRİM KONTROLUNDA BLDC MOTOR SÜRMEK

KAPALI ÇEVRİM KONTROLU

Kapalı çevrim kontrolu altında çalışıldığında rotor açısını izleyerek komütasyon yapacağız. Rotor pozisyonunu algılamak için optik ya da hall effect sensörlerden yararlanmak bir seçenek. Bir diğer yöntem de fazlardan ikisi aktif iken, açıkta kalan üçüncüsünden BEMF ölçümü yapmak. Burada bu sonuncusunu ele alacağız.

Rotor dönerken, stator üzerindeki bobin sargılarında BEMF dediğimiz bir sinüzoidal gerilim endükler. Bu gerilim, bobine uygulamakta olduğumuz besleme gerilimine ters yöndedir.

Faz bobinine aktif olarak besleme gerilimini uygularken ya da “0” volt besleme hattına bağladığımızda BEMF ‘yi göremeyiz. Ama bu bobinin ucunun açıkta kaldığı fazlarda diğer iki fazın ortak ucundaki gerilime eklenmiş olarak görmek mümkün olur.

Aktif bobinlerin ortak ucundaki gerilim -birisi uygulanan Vn gerilimi, diğeri 0 Volt hattına bağlı olduğu için – Vn/2 değerindedir. Buna açıkta kalan uca endüklenen sinüzoidal BEMF gerilimini ekleyince Vn/2 etrafında salınan bir gerilim ölçülecektir.

BEMF nin sıfır geçiş anında ölçeceğimiz gerilim Vn/2 olacağından, açıktaki faz ucundaki bu gerilimi gözleyerek Vn/2 sıfır geçiş anlarını yakalayabilir, rotorun pozisyonunu bu şekilde algılayabiliriz. Komütasyonumuzu da bu anlarda yapabiliriz.

Şimdi yukarıda vermiş olduğumuz dalga şekillerinden U fazına ait olanına BEMF yi de ekleyerek görünümünün nasıl olacağına bakalım:

Bu şekilde sadece U fazını gösterdim ama diğer fazlar da kendilerine ait BEMF ler eklenince benzeri bir görünüm alacaklar.

Nasıl ? Yazının başlarında sözünü ettiğim “Gömlek” resmine ulaşmaya başladık değil mi?

Görüldüğü gibi, U fazının ucunun boşta kaldığı 60 derecelik “Nc” bölgesinde BEMF nin Vn/2 ye eklenmiş parçasını görüyoruz. Aslında sinüsün bu parçasını böyle kesintisiz olarak değil, komütasyon başlangıcındaki kısa bir geçiş darbesi ile birlikte görürüz, onu gözardı ettim (çizmeye üşendim açıkçası).

İşte rotorun pozisyonunu bu sinüs geriliminin Vn/2 ye eşit olduğu, yani BEMF nin sıfır olduğu anı yakalayarak algılıyoruz.

Bu paragrafa biraz daha ayrıntı ile devam edeceğiz. Devamı gelecek.

KULLANDIĞIM DONANIM ve YAZILIM

Genel kurulum :

ST Microelectronics STM32F302R8 tabanlı Nucleo 64 geliştirme modülü ve bunun üzerine takılı olarak yine STM IHM07M1 motor sürücü modülünü kullanıyorum. Firmware olarak da ST Microelectronics in X Cube STSPN07 paketinden yararlanıyorum.

IHM07M1 Aliexpress de 20 Dolar, Özdisan’da KDV dahil 124 TL ye (Ağustos 2019)

NUCLEO F302R8 Aliexpress de 18 Dolar, Özdisan’da KDV dahil 106 TL (Ağustos 2019)

BLDC Servo Motor: Intechno (MOPA tarafından satılıyor) 85 Euro+KDV (Mayıs 2019)

Devamı için BLDC SERVO MOTOR KULLANIMI – 2 – Buraya tıklayınız