Mikrodenetleyici ile PID kontrollü otomatik yönlendirmeli araç için yumuşak anahtarlama yöntemiyle DC motor sürücü tasarımı
DC motor drive design with soft switching method for PID controlled automatic guided vehicles with microcontroller
Yazar: YAKUP AKSOY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA NİL
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Güç anahtarı = Power switch ; Motor sürücüsü = Motor driver ; PID denetleme = PID control ; Yumuşak anahtarlamalı inverter = Soft switching inverter

Özet:
Bu çalışmada otomatik yönlendirmeli araç (OYA) ve aracın hareketini sağlayan DC motorlar için yumuşak anahtarlama (SS) yöntemiyle sürücü tasarımı gerçekleştirilmiştir. OYA otonom olarak hareket edebilmekte, belirli noktalardan yükleri alıp yine belirlenen noktalara otonom şekilde götürebilmektedir. Tasarlanan sürücü ile DC motorların hız ve yön kontrolü yapılabilmektedir.

Tasarlanan sürücü kartı sıfır gerilimde anahtarlama (ZVS) ve sıfır akımda anahtarlama (ZCS) özelliklerine sahiptir. Sürücü kartı 24V, 10A değerlerine göre tasarlanmıştır. Sürücü kartının tasarımı Altium Designer programında gerçekleştirilmiştir. Simülasyon programı olan LTspice programında detaylı olarak analizler yapılmıştır.

Yapılan analizlerde ZVS devresinin MOSFET'in drain source uçları arasındaki gerilimin dv/dt hızını anlamlı şekilde yavaşlattığı tespit edilmiştir. Analiz sonuçlarına göre ZCS devresinin MOSFET'in drain source uçları arasındaki akımın di/dt hızını yavaşlattığı tespit edilmiştir. Turn-off anında anahtarlama kayıplarının 9W, Turn-on anında ise 3W olduğu görülmüştür. Böylece akım ve gerilim sinyallerinin üst üste binmesi en az düzeyde gerçekleşerek anahtarlama kayıpları azaltılmıştır. MOSFET'ler 32 kHz'lik sürme sinyalinde başarılı şekilde sürülebilmiştir.

Bastırma devrelerinin olmadığı aynı kart aynı şartlar altında denenerek sonuçları incelenmiş ve anahtarlama kayıplarının arttığı gözlenmiştir. Turn-off anında anahtarlama kayıplarının 120W, Turn-on anında ise 63W olduğu görülmüştür.  MOSFET'in drain source uçları arasındaki akım ve gerilimin çok yüksek olan di/dt ve dv/dt hızları MOSFET'lerin ısınmasına ve sürücü entegrenin kendini korumaya alarak devrenin kararsız çalışmasına sebep olmuştur.

Abstract:
In this study, the driver design was carried out using the soft switching (SS) method for the automatic guided vehicle (AGV) and the DC motors that move the vehicle. AGV can act autonomously, picking up loads from certain points and transporting them to certain points autonomously. With the designed driver, the speed and direction of DC motors can be controlled.

The designed driver card has zero voltage switching (ZVS) and zero current switching (ZCS) features. The driver card is designed for 24V, 10A values. The design of the driver board was carried out in the Altium Designer program. Detailed analyzes were made in the LTspice program, which is a simulation program.

In the analysis, it was determined that the ZVS circuit significantly slows down the dv/dt speed of the voltage between the drain source ends of the MOSFET. According to the analysis results, it was determined that the ZCS circuit slowed down the di/dt speed of the current between the drain source terminals of the MOSFET. It was observed that the switching losses were 9W at the turn-off moment and 3W at the turn-on moment. Thus, overlapping of current and voltage signals is minimized and switching losses are reduced. MOSFETs could be successfully driven at a 32 kHz drive signal.

The same card without suppression circuits was tested under the same conditions and the results were examined and it was observed that the switching losses increased. It was observed that the switching losses were 120W at the turn-off moment and 63W at the turn-on moment. The very high di/dt and dv/dt speeds of the current and voltage between the drain source terminals of the MOSFET caused the MOSFETs to heat up and the driver IC protected itself, causing the circuit to operate unstable.