Fırçasız Lıneer Doğru Akım Motorunun Yüksek Performanslı Konum Kontrolu

Abstract

Lineer motor teknolojisi 1840’lara dayanmaktadır. Bilinen ilk model bir İngiliz mühendis olan Charles Wheatstone tarafından yapılmıştır, ancak bu model çok kullanışlı ve uygulanabilir olarak hatırlanmamaktadır. Elverişli ilk model, bir Alman mühendis olan Alfred Zehden tarafından 1905’te tasarlanmıştırn [1]. Bu model trenlerde ve asansörlerde kullanılmıştır. Uygulamalar daha da geliştirilerek en ileri şekliyle Herman Kemper tarafından tasarlanmıştır. Yine de herşeye rağmen lineer motorun gelişimine en çok katkıda bulunan ve mucidi olarak tanınan kişi aynı zamanda Imperial College London profösörlerinden biri olan Eric Laithwaite’dir. Günümüzde elektrik motorlarından beklentiler oldukça fazladır. Bunlardan bazıları hafiflik, kontrol edilebilirlik, doğrudan tahrik, yüksek kuvvet/moment ağırlık oranı ve düşük bakım maliyeti olarak sıralanabilir. Bu saydığımız beklentiler, lineer motorlara olan ilgiyi son zamanlarda fazlasyla arttırmıştır. Lineer motorlar üzerine yapılan çalışmalar asenkron lineer motorlarla başlamış olsa da, lineer fırçasız doğru akım makinaları kontrol edilebilirliklerin çok daha kolay olması nedeniyle asenkron motorlarlara olan bu ilgiyi ikinci plana atmayı başarmıştır. Lineer motorlar en basit yapılarıyla, dönel bir motorun yarıçapı boyunca kesilip lineer hale getirilmiş durumu olarak tanımlanabilir. Lineer motorda momentden söz edilmez ve bu büyüklük yerini kuvvete bırakır. Lineer motorlar uzunlukları boyunca kuvvet üretirler. Kısa zamanda yüksek kuvvet değerlerine çıkabilmektedirler. Aktarma elemanlarının olmaması ve yapıları gereği bunlara ihtiyaç dahi olmaması döner hareketi lineer harekete çevirirken kaybedilen enerjiyi ortadan kaldırmaktadır. Dolayısıyla motor sürücüleri için daha hassas kontrol sağlamaktadır. Sanayide çeşitli alanlarda kullanılabilirler. Başlıca uygulama alanmaları, CNC tezgahları, robotik ve otomasyon uygulamaları, füze konumlama sistemleri, gen dizimi, konveyör sistemleri, vinç sistemleri ve manyetik levitasyon olarak sıralanabilir. Lineer motor üzerine yapılan çalışmala çoğunlukla Almanya ve Japonya’da yer almaktadır. Lineer motorların bugünkü en ileri teknolojisi, Japonya‘da bir manyetik levitasyon uygulaması olan Maglev trenlerinde kullanılmaktadır. Bu tren son zamanlarda ulaştığı 600km/sa hız değeriyle dünya rekorunu kırmıştır. Geçmiş uygulamalara bakıldığında, 10 yıl öncesinde bile lineer motorlar yük altında doğrusal olarak sadece 5m/s gibi bir hızla hareket edebiliyorlardı. Bu düşünüldüğünde Japonya’daki uygulamalar lineer motor teknolojisinde devrim yaratmıştır denilebilir. Böylece pek kullanılmamakta olan lineer motor teknolojisi yeniden dünyanın ilgisini çekmeye başlamıştır. Lineer motorlar basit yapılarına ve bunun sayesinde imalat maliyetlerinin düşük olması sebebiyle endüstride çok fazla kullanılmaktadırlar. Fakat, lineer motorların düşük güç faktörlü ve düşük verimli olması da göz önünde bulundurulmalıdır. Modern lineer motor uygulamalarında daha üstün performans talep edilmektedir. Bu kavramı açmak gerekirse bu üstün özellikler yüksek ivmeli, uzun ömürlü, az bakım gerektiren, daha az hareket eden parçaların bulunduğu ve hassas pozisyon kontrollü olması olarak sıralanabilir. DNA sekanslama, sağlık operasyonları ve roket konum kontrolü gibi projelerde hassas konum kontrolü diğer taleplere oranla daha da önceliklidir. Günümüzde lineer motor teknolojisinden beklentiler eskiye göre çok daha ileri düzeydedir. Lineer motor uygulamalarından en dikkat çekenleri gen dizimi, tıp elektroniği ve roket konumlandırma olarak listenebilir. Bu nedenle özellikle hassas konumlandırma, lineer motor teknolojisinde her geçen gün çok daha fazla önem kazanmaktadır. Hassas konumlandırma özellikle belli durumlarda fazlasıyla dikkat edilmesi gereken bir husustur. Özellikle çok yüksek ve çok düşük hız durumu, hızlı ivmelenme ve hızlı yatışma süresi söz konusu olduğunda ön plana çıkar ve verimliliği arttır. Bu durum düzgün hareket ve aşırı hassas ayar gerektiren mekanik ve konumlama elemanlarının başlıca araştırma konusudur. Tüm bu araştırmalar esasında motorun değişken yüke ve uygulanan kontrol sinyaline çabuk cevap verebilmesini amaçlamaktadır. Bu bilgiler dahilinde, bu çalışmada lineer motorun pozisyon kontrolünü sağlayan bir arayüz programı kullanılmıştır. Bu programla hız kontrolü ve hassas konum kontrolü sağlayan algoritma geliştirilmiştir. Bu tezde yüksek hassasiyetli çift taraflı hava çekirdekli lineer motorun pozisyon kontrolü açıklanacak ve kanıtlanacaktır. Örnek olarak kullanılan lineer motorunun 22 çift kutubu ve 6 adet bobini bulunmaktadır. Hassas konum kontrolü yukarıda da listelendiği gibi endüstrinin bir çok alanında kullanılmaya uygundur. Motor kontrolörü gerçek zamanlı ve çevrimiçi bilgi akışını sağlayacak şekilde bir platform üzerine monte edilmiştir. Bu platform taşınabilir ve uygulanabilir en ideal sistem olarak varsayılmaktadır. Lineer motorun çalışma ilkesi Lorentz ve Faraday yasasına dayanır. Lorentz kuvvet yasası içinden akım geçirilen bir iletkenin, akıma dik olarak endüklenmiş bir manyetik alana yerleştirilmesi sonucunda bu iletkene bir kuvvet etkiyeceği ve bu kuvvetin iletkeni hareket ettirmeye çalışacağını söylemektedir. Bunun yanında bu kuvvetin iletkendeki sarım sayısı, sargı akımı ve üretilen akı ile doğru orantılı olduğu bilinmektedir. Faraday yasası ise manyetik alan içerisinde bulunan bir iletken, bu alan içerisinde belirli bir hızla haraket ettirilirse bu iletken üzerinde bir gerilim endüklendiğini söyler. Çalışmanın amacı çift yanlı, hava çekirdekli bir lineer motor için yüksek konum hassasiyetine sahip olan bir kontrol sistemi tasarlamaktır. Uygulama alanları robotik ve otomasyon uygulamaları olarak belirlenmiş ve control sistemi genel olarak tasarlanmıştır. Elektrik makinaları temel olarak ikiye ayrılmaktadırlar. Bunlardan ilki DA (Doğru Akım) makinaları ve ikincisi de AA (Alternatif Akım) makinalarıdır. Alternatif Akım makinalarını Doğru akım makinalarından ayıran özelliği alternatif akımın bobinlere akması ve hava boşluğunda dönen bir manyetik alan yaratmasıdır. Doğru akım makinalarında ise bu manyetik alan düzgündür. Sürekli mıknatıslı fırçasız doğru akım motorlarının isminin içinde doğru akım geçmesine rağmen teknik özelliklerine bakıldığında alternatif makina sınıfına girmektedir. Buradan hareketle üzerine çalışılmış lineer motorumuz fırçasız doğru akım makinası olarak düşünülebilir. Tez kapsamında lineer motorlara dair incelemeler, giriş, literatür taraması, lineer fırçasız doğru akım motorları, lineer fırçasız doğru akım motoru modellenmesi, lineer fırçasız doğru akım motor kontrolörünün tasarımı ve tezde incelenen lineer fırçasız doğru akım motoruna dair sonuçlar bulunmaktadır. Tezin ilk kısmında incelenen konular, lineer motorun tarihçesi, lineer servo motorlar, manyetik levitasyon sistemleri, lineer motorların kontrol yöntemleri, tezle ilgili amaçlar ve araştırma planıdır. İkinci kısımda lineer motorlara dair literatür taraması yapılmıştır. Bu literatür taraması lineer motorların kontrolü üzerine yazılmış makaleleri kapsamaktadır. Üçüncü bölümde lineer firçasız doğru akım motorlarının sürücü sistemlerinin incelemesi, lineer fırçasız doğru akım motorlarının matematiksel formülasyonu, tezde kullanılan motorun deneysel sonuçlarının çıkarılması yapılmıştır. Dördüncü bölümde lineer fırçasız doğru akım motorlarının modellenmesi incelenmiştir. Tezde kullanılan motora uygun blok diyagramı yapılmış, akım kontrol modeli, hız kontrol modeli ve konum kontrol modeli geliştirilmiştir. Son olarak beşinci bölümde kullanılan motora uygun lineer fırçasız doğru akım motor kontrolörü tasarlanmıştır. PID kontrolör Ziegler- Nichols metoduyla Lineer motor kontrolü için özel bir kontrol yontemi geliştirilmiştir ve tasarlanmış ve bunun doğrultusunda motor pozisyonu ve hız kontrol test sonuçlarına ulaşılmıştır. Konum kontrolünde kullanılan sistemin çözünürlüğü belirtilmiş ve bu doğrultuda akım ve gerilim dalga şekilleri saptanmıştır. Bütün deneyler Mekatro Ar-Ge şirketinde yapılmış evirici ile gerçeklenmiştir. Bu proje ise 2014-2015 bahar dönemi sonunda başarı ile sonlanmıştır.

The history of linear motor technology can be traced back to the 1840s. The first model made by Charles Wheatstone was inefficient and impractical. The first feasible linear motor was created by a German engineer called Alfred Zehden in 1905 to drive trains and lifts [1]. A more fundamental model was later developed by Herman Kemper. The best example of usage of linear motors today are in Maglev trains in Japan. Less than a decade ago, linear motors were only able to move 5 meters per second with straightness, load capacity and stiffness. This is a positive sign that linear motor technology is growing rapidly and is the focus of a great amount of research and development. Linear motors are widely used in the industry as they have a simple structure and their cost to produce is becoming much lower. However, linear motors have low power factor and low efficiency. Modern linear motor applications are demanding greater performance. The key demands of a linear motor are high acceleration, long life, low maintenance, few moving parts and precise positioning. Some of the applications include, DNA sequencing, health operations, rocket positioning etc. Therefore, precision of linear motors is becoming significantly more important. From ideas above, the study involves to control position of linear motor with an interface controller module, it has been create a new algorithm to have precise position control and speed control. The thesis is to demonstrate and explain the position control of a high precision double sided air core linear motor. Linear motor has 22 pole pairs and 6 coils. As the application is having high precision that is applicable to many industrial areas that are listed above. The motor controller is mounted on a platform that is help us to have real time, online control on system. This will be the perfect system that can be mobile and be implemented anywhere is needed. The studied linear motor can be considered like a BLDC machine. In recent years, Brushless Direct current (BLDC) motors have achieved rapid popularity. BLDC motors are used in industries such as appliances, automotive, consumer, medical, industrial automation equipment and instrumentation. They are more reliable and can be used in poor environmental conditions. Unlike brushed motors as these motors have no chance of sparking, makes them better suited to environments with volatile chemicals and fuels. In a brush DC motor, the motor assembly contains a physical commutator which is moved by means of actual brushes in order to move the rotor. With a BLDC motor, electrical current powers a permanent magnet that causes the motor to move, so no physical commutator is necessary. Brushless DC electric motor (BLDC motors, BL motors) known as electronically commutated motors, are synchronous motors that are powered by a DC electric source via an integrated inverter/switching power supply, which produces an AC electric signal to drive the motor. The study has two main research areas: electric powertrain and control unit. This study will focus on both the electric powertrain and control parts of the project. Electrical machines can be separated into two types. These are AC Alternative Current and DC Direct Current machines. The specification of the AC machines is that alternative current flows into the coils and creates a turning magnetic field in the air gap. Unlikely in DC machines magnetic field that is created is straight. Permanent magnet brushless DC motor can have DC in its name but when this specification is held in the case, it enters to an AC machine type. For the linear motor a special control method is produced and laboratory tests are made. Motor laboratory tests are made in Mekatro R&D Company with the designed inverter. The project is finished in the second half of 2014-2015.