Pıc tabanlı fırçasız dc motor tasarımı
Pic based designed of brushless dc motor
Yazar: CANER YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. ONURALP YÜCEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Metalurjisi ve Teknolojileri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Fırçasız motor tarihçesine kısaca değinirsek; 1983' de Demerdash iki farklı malzeme (Samaryum-Kobalt ve Ferrit) kullanarak aynı güçlü iki fırçasız DC motor gerçekleştirmiştir.1985 yılında llzuka, evirici devresindeki güç yarı iletkenlerini bir bilgisayar ile tetikleyerek geri besleme kullanmadan fırçasız DC motorunun hız kontrolünü yapmıştır.1989'da ise Pillay sürekli mıknatıslı senkron motoru iki fazda modellerken, fırçasız DC motorlarını da üç fazda modellemiştir.1992'de Low, moment kontrol yöntemini pozisyon kontrolünde ve hız kontrolünde uygulamıştır.Daha sonra 2003'de Lee ve Ehsani , tarafından yapılan çalışmada, fırçasız DC motor sürücülerin ileri simülasyon modelleri geliştirilmiştir.Ve en sonunda 2008'de Cunshan Zhang ve Dunxin Bian Fırçasız DC motorlarda stator manyetik alanının oluşturduğu moment salınımlarının ortadan kaldırmak için yeni bir PWM kontrol algoritması sunmuştur. Bu zamandan sonra fırçasız DC motorlar piyasada gerek maliyet gereksede sistemde kullanılması gereken elektronik devre karmaşıklığı yüzünden hakettiği yeri alamamış ve piyasaya sunulamamıştır. Ancak teknolojinin hızla gelişmesi, ürün kalite ve ömür sürelerinin artması ve talep edilmesi bu ürünün tekrardan gündeme gelmesine sebep olmuş ve talep edilir hale gelmiştir.
Fırçasız Doğru Akım (DC) motorları artık günümüzde, endüstriyel  uygulamaların  çoğunda,  özellikle  otomotiv sektörü, uzay teknolojileri, bilgisayar teknolojileri, tıp elektroniği, askeri alanlar, robotik uygulamaları ve ev ürünlerinde fırçalı motorlar yerine sıkça kullanılmaktadır. Bu motorlar, yüksek moment/akım ve yüksek moment/eylemsizlik oranına sahiptir. Ayrıca fırçasız DC motorların, sağlam yapı, yüksek verim ve yüksek güvenirlik gibi üstünlükleri vardır [1].
Mikro denetleyici (PIC) devre elemanları son yıllarda, uygun yapısı  nedeniyle  tek  döngülü  sayısal  kontrol  sistemlerinde sıkça  kullanılmaktadır.  Ayrıca  yaygın  kullanımı  ve  uygun fiyatı nedeniyle popülerliği giderek artmaktadır. PIC'ler, bir bilgisayarın temel özelliklerini içeren tek bir silikon kılıf içerisinde toplanmış tüm devre elemanlarıdır. Genel olarak bir PIC devre elemanı; bir mikroişlemci, program/veri belleği, giriş/çıkış birimleri, saat darbesi üreteçleri, zamanlayıcı/sayıcı birimleri, kesme kontrol birimi, analog/dijital ve dijital/analog çeviriciler, darbe genişlik üreteci, seri haberleşme birimi ve daha özel uygulamalar için kullanılan diğer çevresel birimlerden meydana gelmektedir. Çalışmada kullanılan PIC 30F3010 devre elemanı, yüksek performans RISC CPU teknolojisi, 20 MHz çalışma frekansı, 3 adet giriş/çıkış, 3 adet zamanlayıcı, 2 adet PWM modül, 5 kanallı 10 bitlik ADC, 8Kx14 kelime flash hafıza, 368x8 bayt RAM ve 256x8 bayt EEPROM içermektedir [2]. 
Bu çalışmada; fırçalı motorda kömürün zamanla ergiyerek oluşturduğu kömür tozlarının motorun ömrünü azaltma, kollektör yüzeyinin aşınarak motorda çalışmama ve kısa devre arkları (elektriksel atlamalar, şase vb. hatalar) oluşturmasını ortadan kaldırma, motorun yapmış olduğu çevrim sayısının (cycle) arttırılması amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda motor fırçaları (kömürleri) ve kollektör üzerinde iyileştirme çalışmaları yapılmış olup istenilen sonuçlar elde edilememiştir. Bu veriler ışığında PIC Tabanlı Fırçasız Motor tasarlanmasına karar verilmiş, motordaki kömürler ve kollektör iptal edilerek ferritik mıknatıslar yerine Gauss değeri ve mıknatıslanabilme özelliği daha yüksek olan neodyum mıknatıslar kullanılmasına, sargının rotor üzerinde değil stator üzerine sarılmasına karar verilmiştir.
Bu çalışmada ayrıca Fırçasız DC motorlar için PIC tabanlı bir sürücü geliştirilmiştir. Motorun, konum algılayıcı (hall effect) sensörlerinden alınan konum bilgileri PIC tarafından yorumlanarak yazılan program sayesinde uygun komutasyon çıkışları üretilmiş ve bu çıkışlar izolasyon amacıyla optik izolatörlere uygulanmıştır. Gerçekleştirilen   sistemde   motor   akımını   karşılamak   için uygun MOSFET elemanları kullanılmıştır. MOSFET elemanlarını sürmek için TLP250 sürücü entegreleri tercih edilmiştir. Yazılım olarak Microchip firmasının MPLAB programında derlenen ASM dili kullanılmıştır.
Sonuç olarak; fırçalı motorlarda elde edilen maksimum çalışma saati 13.000 ve çevrim sayısı 1-1,5 milyon iken fırçasız motorda yaklaşık 1 yıl süre ile yapılan testler sonucunda bu sayı 2,5-3 milyon çevrim sayısı (cycle) değerlere ulaşmış ve çalışma saati 20.000 saatin üzerine çıkmıştır. Ayrıca yapılan performans testlerinde çap 63mm olan redüktör kapı açma-kapama motorunda fırçalı motor maksimum tork değeri 12,95 Nm iken, fırçasız motor maksimum tork değeri ise 18,45 Nm olarak ölçülmüştür. Çap 76 mm blower motorunda fırçalı motor maksimum tork değeri 0,93 Nm iken, fırçasız motor maksimum tork değeri ise 1,97 Nm olarak belirlenmiştir. Çap 102 mm olan fan motorunda (axiel motoru) fırçalı motor maksimum tork değeri 2,46 Nm iken, fırçasız motor maksimum tork değeri 3,88 Nm olarak belirlenmiştir. Tork testi sonucunda fırçasız motorun tork değerlerin daha yüksek olduğu verilerle tespit edilmiştir. Bununla birlikte fırçalı motorların kömürlerinin ergime (ömür) süresi 1-1,5 yıl arası olduğu gelen iade motorların verilerinden çıkarılmış olup fırçasız motorda kömür kullanılmadığından bu problem doğrudan çözüme kavuşturulmuştur.

Abstract:
If we mention about brushless motor; in 1983, Dermadash firm produced two brushless DC motor with same power by using two different materials ( Samarium-Cobalt and ferrite ). In 1985, Ilzuka did speed control of brushless DC motor without using feedback through trigging power semi conductors in invertor circuit by a computer. In 1989, Pillay modeled synchronous motor with permanent magnet in two phases and brushless DC motor in three phases. In 1992, Low implemented momentum control procedure in position and speed controls. Then in 2003, Lee ans Ehsani improved advanced simulation models of brushless DC motor drivers. Eventually, in 2008, Cunshan Zhang and Dunxin Bian submitted a new PWM control algorithm in brushless DC motor to suppress moment oscillation which are occured by stator magnetic field. After this time, brushless DC motors couldn't get a fair shake, because of cost and complication of electronics circuit. However, improving of technology, product quality and increasing of lifecycle induced that product to be at the top of the agenda.
Nowadays, brushless  DC motors are usually used on most of industrial applications, especially on automotive sector, on space sector, on computer sector, on medical electronics, on military zones, on robotic applications and on households.That motors have high torque/current and high torque/inertia.. Besides, Bruhless DC motors have advantages such as solid structure, high efficiency and high safety [1].
In recent years, Microcontroller (PIC) circuit components are used single-loop digital control systems because of available structure. Also, thanks to common usage and suitable price, its popularity increases day by day. PIC's are circuit components that accumulated in one silicon cover that includes the basic characteristics of computer. Generally, a PIC circuit component occures from one microprocessor, program/data memory, input/output units, clock pulse generators, timer/ counter units, cut-off control unit, analog/digital and digital/analog convertors, pulse width moderator, serial communication unit and other environmental units that used for other special applications. PIC 30F3010 circuit component which used in that study has high performans RISC CPU technology, 20 MHz working frequancy, 3 input/outout, 3 timer,2 PWM module, 10 bites ADC with 5 canal, 8Kx14 words flash memory, 368x8 bytes RAM and 256x8 bytes EEPROM [2].
In these project, brush dusts that is composed of melted brush by the time of progress  prevention of decreasing of motor life, not working of motor through abraded of commutator surface and being of spark ( electrical jumping, frame, etc ) prevention, increasing of motor cycle are purposed. In that direction some developing works are done on motor brushes and commutators, however, proper results couldn' t be achieved. With all of that datas, RIC Based Brushless Motor designing is decided, brushes on motor and commutator are canceled, and using neodymium magnets that have high Gauss value and proper magnezitation specification instead of ferritic magnets, winding into the stator instead of armature are decided. Besides, using of M 470 quality ( high silicium rated ) material instead of 6112 quality ( almost none silicium )lamination galvanize is decided. The reason is that, silicium can be magnetized easily.   
In these study also a driver with PIC enabling is realized for Brushless DC motors. Motors location conditions that received from hall effect sensors transformed to commutation outputs by rendered of PIC's and these outputs are applied to optical isolators for isolating. In that performed system, MOSFET devices are used to provide the motor current. TLP250 driver devices are prefered to control MOSFED components. ASM language that is compiled on MPLAB program of Microchip firm is used as software.
Consequently, even though maximum working time on brush motor is 13.000 hours and number of cycles is around 1-1,5 milions, maximum working time on brushless motor is 20.000 hours and number of cycles is around 2,5-3 milions. Also, on performance tests maximum torque value on brush reduction motor that is 63 mm diamater is 12,95 Nm. This value is 18,45 Nm for brushless motor. For the brush blower motors that is 76 mm diameter maximum torque value is 0,93 Nm, brushless blower motor torque value is 1,97 Nm. And, for the brush fan motor that is 102 mm diameter maximum torque value is 2,46 Nm, brushless fan motor value is 3,88 Nm. As a result of these torque tests, torque values of brushless motor is higher than brush motor. In addition of this, defrosting cycle of brushes of brush motors is around 1-1,5 years is found by checking datas of returned motors. Since there is no brush on brushless motors, that problem is solved directly.