Fırat DEVECİ

BLDC Motorlar: Geleceğin Hareket Kaynağı

  • 2 sene önce, Fırat DEVECİ tarafından yazılmıştır.
  • 7 Yorum
  • 13.243 Kişi Okudu

BLDC Motorsİlk tasarlandıkları 1820’lerden bu yana bir çok değişim geçiren motorlar, endüstrinin her biriminde, ulaşımdan iletişime, ev elektroniğinden uzay çalışmalarına kadar bir çok alanda kullanılmaktadır.
Michael Faraday ile birlikte gelişimine DC olarak başlayan motorlar Edison’un katkılarıyla da endüstride sıkça kullanılmaya başlamıştır. Nicola Tesla’dan sonra ise AC motorlar güç, fiyat/performans, bakım ve kolay temin oranları ile endüstride sıkça tercih edilen, baskın motorlar olmaya başlamıştır. Özellikle ev elektroniğinde; buzdolabı, klima, çamaşır ve bulaşık makinesi gibi alanlarda sincap kafesli asenkron ve AC seri motorlar sıkça tercih edilmiştir.
a-plus-etiqueta-eficiencia-energeticaFiyat baskısının oldukça yoğun hissedildiği ev elektroniği alanında, bu tür motorlar, verimlerinin düşük olmasına karşın çok fazla tercih edilmiş olsa da, özellikle Avrupa Birliği ve dünyada bir çok ülkenin aldığı son enerji verimlilik ilkeleri doğrultusunda ve boyut/tork oranını yeterince sağlayamamalarından dolayı kullanım alanları, özellikle ev elektroniği dalında, gittikçe daralmaktadır.

Tüm bu istek ve baskılar sonucunda ise bir tip motorun yıldızı parlamaktadır: BLDC Motor.

BLDC Motor Nedir?
BLDC motorlar, fırçalı DC motorların özellikle tork/devir oranına benzer yapıda çalışan (aşağıda görülebilir), sargı enerjilendirme değişiminin fırça-kolektör ile değil, elektronik bir takım devrelerle yapıldığı motor tipine verilen isimdir. Klasik fırçalı DC motorların dış çeperinde sabit mıknatıslar bulunur ve rotordaki sargılar fırça yardımıyla değişik pozisyonlarda enerjilendirilerek birbiriyle zıt kuvvetler oluşturulup, elektrik enerjisinin mekanik enerjiye dönüşü sağlanır. BLDC motorlarda ise rotor stator tam ters durumdadır.
Torque-Speed
Bu özelliğinden dolayı, ilk ortaya çıktıkları 1960’larda çok fazla ilgi görmeyen BLDC motorlar, 1980’lerden sonra özellikle mıknatıs ve yarı iletkenlerin gelişmesiyle, küçük alanda fazla güç isteyen uygulamalar için biçilmiş kaftan oldular.
img_brushless_02Piyasada sıkça kullanılan BLDC motorların iç yapısı yukarıda görülebilmektedir. Rotor kısmında kullanılan mıknatısların yapısına bağlı olarak motorun boyutuna göre verebileceği güç değişeceğinden bu kısımda neodimyum tipi mıknatıslar tercih edilmektedir. BLDC motorlar genellikle 2 (bilgisayar fanları örnek olarak gösterilebilir) ya da 3 fazlı olarak sarılsalar da günümüzde bir çok faz bulunan BLDC motorlara da rastlamak mümkündür. En düşüğü 2 kutuplu olmak koşulu ile 4 ve 8 kutuplu motorlar piyasada oldukça fazla bulunabilmektedir. Uygulamaya göre kutup sayıları arttırılabilir olmakla beraber, arttırılan her kutup, stator bölümünü aynı oranda karmaşıklaşmaktadır.
BLDC Motor PolesBLDC motor kontrolünde rotor pozisyonu bilgisi çok önemli olduğundan bazı motorların içerisinde latch tipi hall effect sensörler bulunmaktadır. Bu sensörler rotorun dönüşü sırasında, üzerinde bulunan mıknatısların kutup değişimi esnasında (N’den S’e ya da S’den N’ye geçişte) dışarıya sinyal vermektedirler. Bu sinyalin yükselen ve düşen kenarların zamanlaması ise bilgi verecekleri sargının sıfır geçişi anında olmalıdır.Hall Effect PositionYukarıda anlattığımız durum için üreticiler, tasarladıkları motoru dışarıdan tahrikleyerek, BEMF sinyallerine bakıp, hall effect sensörlerin pozisyonlarını mekanik olarak ayarlamaktadırlar. Bu pozisyon çok önemli olduğundan üreticiler bu hall effect sensörleri mekanik kaymalardan korumak için çeşitli kalıplar içine sokabilmektedirler.Position DetectionRotor pozisyonunu algılamak için hall effect sensörün yanında üreticiler, resolver ya da incremental encoder de kullanmaktadır. Özellikle günümüzde bobin yerine, motor miline takılı sabit mıknatıs ile birlikte çalışan resolver entegreleri (NXP‘den KMZ60 gibi) oldukça popüler hale gelmektedirler.

BLDC Motor Kontrolü İçin Gerekli Devre Nedir?
BLDC motorlar, diğer DC motorlar gibi Half Bridge yöntemiyle kontrol edilirler. Faz sayısına göre bu Half Bridge’lerin sayısı değişerek, motorun istenilen şekilde kontrolü sağlanır.
BLDC Motor Drives Topology3 fazlı motorları ele alınırsa, günümüzde en çok tercih edilen topoloji yukarıda görülebilecek 3 half bridge’li modeldir. Anahtarlama elemanı olarak düşük gerilim ve yüksek akım değerleri için mosfetler, yüksek gerilim ve yüksek güçler için IGBT’ler tercih edilmektedir. Anahtarlama elemanları ayrı ayrı kullanılıp sistem oluşturulabilse de modül halinde de bir çok modülü aşağıdaki gibi (Fairchild FSB50250S) bulmak mümkündür.Fairchild Mosfet ModuleMotorun çalışma prensibi manyetizma, o da sargılardan geçen akımlar ile ilgili olduğundan, bu akımın ölçümü, motor kontrol için önemli bir yer teşkil etmektedir. Bu ölçüm küçük güçlerde, güç grubunun altına bağlanan tek bir şönt direnç yardımıyla yapılabilmektedir. Güç değerleri yükseldikçe şönt direnç metoduyla ölçüm yüksek miktarda kayıp yaratacağından, akım ölçümü hall effect sensörler ile ölçülebilir. Ayrıca fiyat ve mekaniksel alan sıkıntısı yaşanan durumlarda, akım, anahtarlama elemanın üzerine düşen gerilim ile tahmin edilerek bulunabilmektedir.

Sistemin yüksek verimli çalışabilmesi için insan kulağının duymayacağı kadar düşük frekansta (genellikle 16.6kHz civarı tercih edilir) çalıştırılması gerekmektedir. Ayrıca her anahtarlama elemanı, akıllı yöntemler kullanılarak kontrol edilip ve iletim kayıpları minimum hale getirilerek daha küçük boyuta sığması sağlanabilir. Bunun için kullanılacak olan microcontroller’ın özellikle MCPWM biriminin olmasına ya da bu birimin özelliklerini destekleyici PWM bloğunun bulunmasına ayrıca dikkat edilmelidir. Günümüz işlemcilerin çoğunda, özellikle ARM ailesinde, bu PWM bloğu desteklenmektedir. A4900BLDC motor sürücülerin, diğer motor sürücüleri gibi hataya açık olması, ek kontrol önlemlerinin alınmasına neden olmaktadır. Bu hatalardan en önemlisi ise motor fazlarının kendi arasında kısa devre olma durumudur. Her ne kadar düşük güçlerde bu hata, anahtarlama elemanlarının dayanma sınırlarının büyük olmasından dolayı göz ardı edilse de özellikle akımların büyük olduğu uygulamalarda bu başlı başına sorun teşkil eder. Bu tür bir hatada, anahtarlama elemanı ile besleme uçları arasında herhangi bir endüktans olmadığından (dt*V/L=dI) akım oranları aniden çok yükselir ve anahtarlama elemanı zarar görür. Bunun önüne geçebilmek için anahtarlama anlarında anahtarlama elemanının iletim gerilimini gözlemleyen driverlar (Allegro‘dan A4900 gibi) tercih edilir.

BLDC Motor Nasıl Sürülür?
BLDC motorlar kolaydan zora doğru, sensörlü, sensörsüz ve field oriented control olmak üzere 3 ana grup altında kontrol edilebilir.

a) Sensörlü Kontrol
Bu uygulamada BLDC motor içerisinde yerleştirilmiş hall effect sensörlerinden, rotor ile ilgili konum bilgisi alınır ve bu bilgiler ışığında 6 adet vektöre rotor yönlendirilmeye çalışılır. Bu şekilde kontrol edilen sistemin tork ripple değeri yüksek olmaktadır. Bunun önüne geçmek için yüksek kutup sayısına sahip BLDC motorlar tercih edilmektedir.

b) Sensörsüz Kontrol
Bu kontrol metodu genellikle düşük güçteki BLDC motorlarda, motorun içerisine hall effect koyma zorluğu ve bunun getirdiği ek maliyet nedeniyle tercih edilir. BLDC motor bu metotla sürülürken her zaman iki adet faza enerji verilir ve boşta kalan fazın BEMF sinyalinin sıfır geçişinde sargı sırası değiştirilerek motorun dönmesi sağlanır. Buradaki en büyük handikaplarından biri, motorun ilk çalışma anında BEMF sinyalinin düşük (BEMF~RPM) olmasıdır. Bu nedenle motora ilk başlangıç vermek için oldukça fazla algoritma geliştirilmiştir.

c) FOC Yöntemi
İlk ortaya çıktığı 1968 yılında, o dönemin işlemcileri yeterli olmadığı için kendine yer bulamayan FOC, 1990’ların başından itibaren mikroişlemcilerin gelişmesiyle birlikte kullanıcılara ulaşma fırsatı buldu. Bu kontrol metodunda stator üzerinde bulunan sargılara uygulanan PWM sinyalleri ile rotor üzerindeki manyetik akı ve tork kontrol edilmektedir. Bu kontrol metodunda rotor pozisyonunun bilinmesi önem teşkil etmektedir.F6_Field Oriented Control and Sinusoidal Control

Yukarıdaki üç yöntemde de faz akımları ve hız için PID algoritmaları koşturulur. Bu yüzden BLDC motor sürücüsünün tasarımında yüksek işlem kapasitesine sahip işlemciler kullanmak gerekebilir. Üreticiler bu yüzden matematiksel işlemleri daha hızlı yapabilmek üzere FPU ve DSP birimlerini işlemcilerin içerisinde koymaktadırlar.

Tüm bunların yanında mikrodeneyleyici üreticileri (Özellikle Texas, ST, Freescale) BLDC motor sürme ile ilgili FOC dahil bir çok yazılımsal kütüphaneyi kullanıcılara sunmakta ve oldukça iyi destek vermektedirler.

Rejeneratif Frenleme Nedir?
BLDC motorlar, dışarıdan tahrik edildiklerinde PMAC alternatör gibi davranırlar ve enerji üretmeye başlarlar. Özellikle frenleme istenen anlarda kontrollü anahtarlama ile milden alınan enerji, DC baraya tekrar basılabilir. Bu, motorun milinde bir frenleme etkisi olarak görülür. Özellikle batarya ile çalışan sistemlerde, bataryaya gidecek maksimum akım ve batarya gerilimi ölçülerek, gerekli kontroller algoritma içine işlenmelidir. Bataryasız sistemlerde ise frenleme için gerilimin kritik seviyelere ulaşmaması için breaker direnci kullanılmaktadır. Bu yapıda bulunan frenlemeler yıllardır elektrikli trenlerde ve araçlarda kullanılmaktadır.

BLDC’nin Geleceği
Dünya nüfusundaki artış, kaynakların az oluşu gibi nedenlerle geleceğin konusu enerji verimliliği olacak ve bu konuda da BLDC’ler teknolojinin bir çok alanında kullanılmaya başlanacak. Bugün buzdolabı, çamaşır ve bulaşık makinesinde gördüğümüz BLDC motorlar, yakın bir gelecekte tüm ev elektroniğinin temelini oluşturacak. Bunun yanında gelecekte entegre üreticilerinin çıkaracağı (ki hali hazırda bazı örnekler mevcut) komple BLDC driver çözümleri ile motor sürme işlemleri oldukça kolaylaşacak.

Motor konusunda sıkıntı yaşayan Türkiye’de bir çok motor üreticisinin BLDC üzerine ARGE yatırımları yapması da bu yönelimin bir göstergesi olarak önümüzde durmaktadır.

Bu konudaki sorularınızı yorum kısmından bana iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

  1. Hakan Koc dedi ki:

    Hocam seri imalatta kullanılan delik ve diş açma ve vida sıkma el aletleri genelde pnömatik (havalı) oluyor, bunların uzun süreli çalışmalarından dolayı (günde 8 saat gibi) çok arıza çıkarıyorlar, 5-6 sene öncesine kadar akülü vidalamaya geçti çoğu firma (bizde dahil), bu yeni şarjlı aletlerdeki motorlar fırçalı DC motor olduğundan uzun sureli çalışmada fırçaları yani kömürleri bitiyor ve bu kömürler sabit olduğundan aletin motoru komple degişmek zorunda kalıyor. Sözün kısası yağmurdan kaçarken doluya tutulduk. Bu vaziyeti alıcıların ve satıcıların anlaması epey uzun surdu. Şimdilerde bakıyorum da DeWalt, Bosch gibi markalar BLDC motorlu aletler piyasaya sürdüler. Şimdi de herkes bu yeni aletlerden edinmeye .alışırken ellerinde patlayan aletleri ne yapacağını düşünür oldu. Madem bu kadar eski, neden bizleri, imalatçıları, bu kadar masraf ve zahmete sokuyorlar. Alan ne aldığını, satan da ne sattığını bilmiyor.

    Yazınız kullanım menzili uzun bir teklonojiyi anlattığından çok faydalı.
    Zaman ayırıp bilgilendirdiğiniz için çok teşekkür ederim.

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Hakan Bey merhabalar,

      Öncelikle DC motor yıllardır bilinen, kendisi ve sürücüsü yapımı kolay bir teknoloji. Fiyat ön plana çıktığından, üreticiler doğru olmadıklarını bilmelerine rağmen yanlış veya kolay olanı tercih edebiliyorlar. En büyük üreticiler bunları yapanlar.
      Bir diğer görüşünüze de tamamen katılıyorum; maalesef ülkemizde bilgisiz satış elemanı çok. Daha da kötüsü buna para vererek alım yapacak eleman daha da bilgisiz. Hal böyle olunca ülkemizin, hepimizin parası boş yere harcanıyor; bunun sıkıntısını da ülkemizde zaten bir elin parmaklarını geçmeyen üreticiler yaşıyor.

      İyi günler dilerim.

  2. Onur dedi ki:

    Fırat bey merhabalar;

    Ben asenkron motor yerine BLDC motor kullanmak istiyorum. Asenkron 2 kutuplu olanı bile 3000RPM. Ben daha hızlı olmasını ve hemen hemen asenkron motorun nominal değerlerine yakın olmasını istiyorum? Ama kafamdaki soru, asenkron motorun boyutları büyük ve ağır olması diğer yandan BLDC motorun küçük ve asenkron motora göre baya hafif olması benim kullanacağım yerde sorun yaratır mı?

    Şimdiden teşekkür ederim. İyi çalışmalar.

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Merhabalar Onur Bey,

      Öncelikle asenkron motor yerine direk BLDC motor bağlamanız ile birlikte motorun çalışacağının bir garantisini veremem, burada kullanacağınız driver’ın özelliklerine hakim olmak gerekir. Asenkron motorlar da 3000RPM ve üzeri driverlar ile gayet uyumlu bir şekilde dönebilirler ve yine aynı tork değerini alabilirsiniz. Bunun için vektör kontrol ya da en basit tabir ile V/f kontrol olması yeterlidir. Günümüzün büyük motor sürücüleri bu mantıkla gayet güzel bir şekilde çalışıyorlar.

      BLDC motorun küçük ve torkunun büyük olmasında yatan etmen rotorundaki mıknatıslar. Yalnız asenkron motorlar gibi direk yol verilemediklerinden özel driverlar ile kullanılması gerekiyor. Boyut küçülmesinin ısınma dışında bir sorunu yok. Bunun yanında motor RPM’inin yükselmesi bazı eddy akımlarını arttıracağından motorunuz biraz daha ısınacaktır. Küçük alansa soğutma sorununu çözebilirseniz BLDC kullanmanız için bir mahsur yok. Günümüzün çamaşır makinelerini incelerseniz BLDC motorun oldukça ince ve küçük olduğunu göreceksiniz.

  3. Mustafa Dinçer dedi ki:

    Fırat bey, merhaba.

    Enerji sınıfı uygulaması çıktıktan sonra özellikle Beyaz Eşya sektöründe BLDC Motor kullanımına hızlı bir geçiş oldu. Fakat sanayide hala Universal tip (Induction) motorlar kullanılılıyor. Sanayide kullanılan Universal tip Elektrik motorlarından BLDC Motor kullanımına geçiş süreci için bilgi verebilirmisiniz ? Bu geçiş kısa veya uzun vadede olacakmı ? Başlayan üretici firmalar varmı ?

  4. Hussain dedi ki:

    Hello,

    Can wer use BLDC Motor in Air Conditioner?

    • Fırat DEVECİ dedi ki:

      Hello Hussain,

      Of course you can use BLDC motors in Air Cond. area but I think it will be not cost efficient. Today lots of people use AC motor nowadays.

Yorum Yazınız

error: Content is protected !!