Delta bağlantılı fırçasız motor için alan odaklı kontrol algoritması FPGA tasarımı ve gerçeklemesi
Design and implementation FPGA of system using field oriented control for delta connection brushless motor
Yazar: MUSTAFA EMRE ÖNCÜLER
Danışman: PROF. DR. COŞKU KASNAKOĞLU
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: FPGA = FPGA ; Fırçasız motor sürücüleri = Brushless motor drives ; VHDL = VHDL

Özet:
Fırçasız doğru akım motorları günümüzde çok yaygın kullanım alanına sahiptir. Özellikle fırçasız doğru akım motorlarının fırçalı doğru akım motorlarına nazaran daha verimli çalışmaları, rotorun dönüşü esnasında kıvılcım oluşturmaması ve operasyon sonucunda karbon parçacıkları oluşturmaması kullanıcılar açısından oldukça değerlidir. Verimlilik her alan için önemli bir özellik iken kıvılcım oluşturmadan çalışabilmesi yanıcı gaz ve sıvı bulunan sistemlerde, karbon parçacıkları açığa çıkarmadan çalışabilmesi vakum içerisindeki ortamlarda veya kirliliğin tehlike oluşturduğu sistemlerde oldukça önem arz etmektedir. Fırçasız doğru akım motorunun kullanım alanına göre özellikleri ile birlikte sürüş şekli de değişmektedir. Bu sürüş şekillerinden biri olan Alan Odaklı Kontrol (FOC - Field Oriented Control) ticari olarak, endüstride, askeri alanlarda, havacılık ve uzay alanlarında oldukça yaygın kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem sistemde eyleyici olarak görev yapan motorun bağlantı noktasında rotorun mekanik açısına göre istenilen referans temel alınarak sabit bir kuvvet oluşturması amacına yönelik olarak çalışır. Bu yöntemin uygulanmasında mikroişlemciler, dijital sinyal işleyiciler ve alan programlanabilir kapı dizisi (FPGA – Field Programmable Gate Array) gibi akıllı birimler kullanılır. Sistem isterlerine göre zamansal kesinlik, eşzamanlı işlem yapma yeteneği ve yüksek hızla hesaplama gibi özellikler FPGA kullanımını ön plana çıkarmaktadır. Yapılan çalışmada FPGA kullanarak alan odaklı kontrol tasarımı yapılmıştır. Tasarım VHDL dili ile gerçeklenmiştir. Yapılan FPGA tasarımının uygulaması için sürücü devre tasarımı yapılmıştır. Çalışma sırasında gerçekleştirilen tasarım aşamaları açıklanmıştır. Kullanılan bileşenlerin özellikleri belirtilmiştir. Uygulama sırasında karşılaşılan hem FPGA tasarım hataları hem de devre tasarım hataları ve bu hataların çözümleri anlatılmıştır. Doğrulama aşamasında yapılan hesaplamalar adım adım incelenmiştir. Yapılan hesaplamaların harici kaynaklar kullanılarak yapılan hesaplamalar ile uyumlu olduğu görülmüştür. Sinyal sıralamalarının doğruluğu daha basit yöntemlerle motor sürüşü ile sağlanmıştır. Konfigürasyon değişikliği yapılırken kolaylık sağlaması ve oluşan ölçümlerin canlı olarak görüntülenmesi açısından bilgisayar üzerinde çalışan bir arayüz programı tasarımı yapılmıştır. Bu uygulama çalışmasında motor sarım şekline göre farklı yöntemler uygulanabilir olup olmamasına göre değerlendirilmiştir ve bu yöntemlerin karşılaştırmaları yapılıp farkları vurgulanmıştır. Çalışmada genel olarak tasarımı yapılmak istenen sistemin uygulama aşamalarında takip edilen yollar anlatılmıştır.

Abstract:
Fırçasız doğru akım motorları günümüzde çok yaygın kullanım alanına sahiptir. Özellikle fırçasız doğru akım motorlarının fırçalı doğru akım motorlarına nazaran daha verimli çalışmaları, rotorun dönüşü esnasında kıvılcım oluşturmaması ve operasyon sonucunda karbon parçacıkları oluşturmaması kullanıcılar açısından oldukça değerlidir. Verimlilik her alan için önemli bir özellik iken kıvılcım oluşturmadan çalışabilmesi yanıcı gaz ve sıvı bulunan sistemlerde, karbon parçacıkları açığa çıkarmadan çalışabilmesi vakum içerisindeki ortamlarda veya kirliliğin tehlike oluşturduğu sistemlerde oldukça önem arz etmektedir. Fırçasız doğru akım motorunun kullanım alanına göre özellikleri ile birlikte sürüş şekli de değişmektedir. Bu sürüş şekillerinden biri olan Alan Odaklı Kontrol (FOC - Field Oriented Control) ticari olarak, endüstride, askeri alanlarda, havacılık ve uzay alanlarında oldukça yaygın kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntem sistemde eyleyici olarak görev yapan motorun bağlantı noktasında rotorun mekanik açısına göre istenilen referans temel alınarak sabit bir kuvvet oluşturması amacına yönelik olarak çalışır. Bu yöntemin uygulanmasında mikroişlemciler, dijital sinyal işleyiciler ve alan programlanabilir kapı dizisi (FPGA – Field Programmable Gate Array) gibi akıllı birimler kullanılır. Sistem isterlerine göre zamansal kesinlik, eşzamanlı işlem yapma yeteneği ve yüksek hızla hesaplama gibi özellikler FPGA kullanımını ön plana çıkarmaktadır. Yapılan çalışmada FPGA kullanarak alan odaklı kontrol tasarımı yapılmıştır. Tasarım VHDL dili ile gerçeklenmiştir. Yapılan FPGA tasarımının uygulaması için sürücü devre tasarımı yapılmıştır. Çalışma sırasında gerçekleştirilen tasarım aşamaları açıklanmıştır. Kullanılan bileşenlerin özellikleri belirtilmiştir. Uygulama sırasında karşılaşılan hem FPGA tasarım hataları hem de devre tasarım hataları ve bu hataların çözümleri anlatılmıştır. Doğrulama aşamasında yapılan hesaplamalar adım adım incelenmiştir. Yapılan hesaplamaların harici kaynaklar kullanılarak yapılan hesaplamalar ile uyumlu olduğu görülmüştür. Sinyal sıralamalarının doğruluğu daha basit yöntemlerle motor sürüşü ile sağlanmıştır. Konfigürasyon değişikliği yapılırken kolaylık sağlaması ve oluşan ölçümlerin canlı olarak görüntülenmesi açısından bilgisayar üzerinde çalışan bir arayüz programı tasarımı yapılmıştır. Bu uygulama çalışmasında motor sarım şekline göre farklı yöntemler uygulanabilir olup olmamasına göre değerlendirilmiştir ve bu yöntemlerin karşılaştırmaları yapılıp farkları vurgulanmıştır. Çalışmada genel olarak tasarımı yapılmak istenen sistemin uygulama aşamalarında takip edilen yollar anlatılmıştır.