Fırçasız (Brushless) Dc Motorlar ve Hız Kontrol Devreleri (ESC’ler)

Fırçasız motor

Brushless (fırçasız) motorlar gelişen teknolojiyle birlikte birçok alanda olduğu gibi robotikte de kullanım alanı bulmuştur.
Standart motorlara göre yeni sayılabilecek bir motor teknolojisi olmalarına rağmen bugün fırçasız motorlarla her yerde karşılaşıyoruz. Bu dc motor türleri iç yapı olarak birebir AC senkron motorlara benzerler. Gelin fırçasız motorları biraz daha yakından tanıyalım..

Kullanım alanları

Bu motorlar özellikle Hobi radyo kontrollü projeler için sıkça kullanılırlar. Birim enerji yoğunlukları daha iyi olduğu için RC arabalarda, Helikopterlerde…yüksek performans için fırçasız motorlar tercih edilmektedir.

Brushless motorların genel fırçalı motorlara göre birçok avantajı ve dezavantajı vardır.

Dezavantajları

Pahalı sistemler
Kompleks Kontrol
Isınma

 Avantajları

Sessiz çalışma
Elektriksel gürültü oluşturmaması
Bakım kolaylığı
Uzun Ömür
Daha yüksek hızlar
Daha çok tork

Fırçasız motorları iç yapılarına göre 2’ye ayırabiliriz.


Fırçasız motor Inrunner

Inrunner (Inline) Fırçasız Motorlar

Motorun dönen kısmı yani rotoru motorun iç kısmındadır. Gövde (stator) sabittir. Bu motorların genellikle hızları diğer tür olan outrunner’a göre daha yüksektir. Buna karşılık motorların volt başına ürettikleri tork daha azdır. Rotorun içte olması birçok kullanım kolaylığı sağlar. Görünüş olarak standart fırçalı motorlara benzerler.

Outrunner fırçasız brushless dc motor

Outrunner (Outline) Fırçasız

Motorun Rotoru dış kısımdadır. Yani motorun gövdesi döner sabit kısımsa içerdedir. Soğutulmaları bobin kısmının merkezde olması nedeniyle daha zordur. Outrunner motorların hızlarının daha düşük toklarının daha yüksek olmaları nedeniyle uçan projelerde (helikopter,quadrotor,uçak..) daha sıklıkla kullanılırlar.

 

 

 Fırçasız motorlar Sensörlü ve sensörsüz olarak da 2 ‘ye ayrılabilir.

Sensörlü
Sensörlü fırçasız motorlar bobinin gövde içinde nerde olduğunu tam olarak hassas bir şekilde algılayabilirler. Uygun bir esc ile birlikte motordan hiç bir kayıp güç oluşmaz.

Sensörsüz
Sensörsüz fırçasız motorlar yaygın olarak bulunan motorlardır. ESC’ler bobine gönderilen dalganın değiştirileceğine, akım yollanmamış bobinde oluşan elektrik sinyaliyle (indüksüyon akımıyla oluşan sinyal) karar verirler. Sensörsüz motorlar sensörlü motorlar kadar yüksek hızlara ve ivmelere ulaşamazlar.

 

Novak Brushless 5.5R Motor
Test amaçlı kullandığım motor Novak Firmasının ürettiği 190 Gramlık inrunner, sensörlü fırçasız motor.
7400KRPMV : Volt başına 7400 devir
5.5 Turn : 5,5 tur sarımlı fırçalı motora denk gelen güç-akım değeri.
540 Size : Motor gövdesi boyut standartı
420 Watt : Watt: Volt x amper : Motordan örneğin 7V akım geçerken 60 amper akım çektiğini belirtiyor.
4-6 Cell : Bir cell(hücre) 1.2 V olduğu için 4,8V ile 7,2V arasında çalışabilir.

 

Fırçasız motorların Robotikte kullanım alanları
Bu motorlar fırçalı motorların kullanıldığı bütün yerlerde kullanılabilirler bunlara ek olarak, Motor komütatörlerinden oluşabilecek arkların  (kıvılcımların) tehlike oluşturduğu sistemlerde, daha yüksek enerji yoğunluğu gerektiren işlerde, yüksek hız isteyen sistemlerde kullanılırlar.

Pratik olarak bakarsak Örneğin bir Dönen silaha (örneğin dönen bir testere) sahip bir savaş robotunun enerjisi

E= ½ x m x V^2 + ½ x I x V^2 /R^2 ‘dir.
Formülde m = kütle
V = çizgisel hız
I = Eylemsizlik momenti
R= dönen sitemin yarıçapıdır.

Hızı 2 katına çıkartmak enerji yoğunluğunu 4 katına çıkarır. Ve bir fırçasız motorun hızı özel durumlar dışında genellikle 10.000 Rpm’i (*) geçmezken Fırçasız motorun hızı 100.000 devire kadar çıkabilir. Bu da yüksek enerji demektir. Dönen testere rakibe çok daha yüksek bir güçle çarpacaktır.

* Fırçasız motorların daha yüksek devirlerde çalıştığı durumlarda motorun ömrü çok azalır. Ve fırçalar çok hızlıca aşınmaya başlar. Uzun süreli kullanımlar için hiç uygun değildir.
KV (rpm/V)
Fırçasız motorların devir birimi Volt başına Rpm yani rpm/V’dir (KV). Örneğin 1200Rpm/V’luk bir Fırçasız DC motora 8V verirsek motor 9600 Rpm’de dönecektir.

Motor çalışma voltajları
Fırçasız motorların elektronik devreleri de olduğu için çalıştıkları voltaj aralıkları standart fırçalı motorlara göre daha dardır.

Verimlilik
Fırçasız motorlarda herhangi bir mekanik kontak olmadığı için ve sürtünme de minimuma indiği için motorlar daha verimlidir. Verim yüzde 70 ile yüzde 90’lara kadar çıkabilir.

Motorun Sualtında Çalıştırılması
Fırçasız motorlarda herhangi bir mekanik kontak olmaması nedeniyle bağlantı noktalarında gerekli yalıtım yapılırsa motorlar sualtında da çalıştırılabilir. Tuzlu su motor bobin tellerine korozif etki yapacak telleri paslandıracaktır. Bu nedenle bu deneyi kaliteli motorunuzla denemenizi önermiyorum :)

Uzun ömür
Fırçasız bir motorda komütatör fırçaları olmadığı için ilk eskiyecek sistemler motor şaftına destek olan bilyalardır. Bilindiği gibi bilyalarında ömürleri çok uzun olduğu için Brushless motorlar çok uzun ömürlüdür.

Maliyet
Bugün fırçasız motorlar yeni bir teknoloji olmanın verdiği mutlulukla standart fırçalı motorlara oranla dah ucuza üretilebilmelerine rağmen dah pahalı fiyatlarda satılıyorlar.

Fırçasız motor kullanan bazı projelerin linkleri.
http://www.wa4dsy.net/robot/omegaforce2-robot

 

 

MAmba hız kontrol devresi

Elektronik Hız Kontrolörleri (ESC’ler)
Fırçasız motorları kontrol etmek için kullanılan elektronik devre sistemleridir. Bu devreler motorların bobinlerine sırasıyla PWM dalgası yollarlar.
Bir esc devresi 3 sistemden oluşur.
– Servo sinyallerini çözücü ve işleyici MCU
– Motor akım yükseltme devresi (Fet, Mosfet Transistorlu devreler)
– Geribildirim Devresi Motorlarda oluşan EMI’yı ölçen devre. Sensörlü motorlar için uygun olan esc’lerde emi’yi ölçen devre yerine sensör bilgilerini çözümleyen decoder bulunur.

ESC Çalışma mantığı
RC Esc’ler Radyo kumandalarda kullanılmak üzere üretilmiş özel motor konrol devreleridir. Radyo kumandalar servoları çalıştırmak için  gereli sinyalleri (PCM yada PPM) üretirler. Bu sinyaller %7 ile %14 arasındaki pwm sinyallaleridir. Bu saykıl saniyede 60-70 hertzlik frekensta oluşur. Esc’ler de bu sinyalleri fırçasız motorlara uygun hale getirirler.

ESC Özellikleri
Genellikle birçok firma ürettikleri ESC’lerden laboratuar koşullarında elde edebildikleri yüksek değerleri etiketlerine yansıtırlar. Örneğin Maksimum 30 ampere dayanıklı ESC’ler bu akım çekimine milisaniyeler mertebesinde dayanabilir.

Çalışma voltajı motorunuza uygun olmalıdır. Örneğin 4–6 cell* Esc demek 4,8V ile 7,2V arasında çalışabilecek esc demektir.
*Cell bir pil hücresi demektir. Ve şarjlı pillerin (NiCd, NiMH) bir hücresinin nominal değeri 1,2V’tur.

Esc’ler genellikle yalnızca tek yönde çalışacak şekilde üretilirler. Bu durum helikopter motorunu hep bir yöne çeviren bir sistem için sorun olmazken Robotik kulanım için uygun olmaz. Eğer hem ileri hem geri döndürmeyi planlıyorsanız esc’nin geri döndürebilir (reversible) esc özellikte olmalıdır.

Birçok esc BEC (battery eliminator circuit) adı verilen bir devreyi de içinde barındırır. Bec kısaca dahil voltaj regülatörüdür. Bec ile bilrikte esc ve alıcı dveresi yada diğer elektronik deverelr tek kaynaktan beslenebilir.

Esc on resistance bilgisi.
Kaliteli esc’ler üstleirndne akım geçtiğinde oluşturdukları direnci katalog bilgilerinde verirler. Bu değer motordan çalınan enerji, kayıptır. Ohm değeri ne kadar düşük olursa esc o kadar az ısınır performansı yükselir.
ESC Seçimi
Motor ve ESC markasının aynı olması size daha uygun bir sistem sağlayacaktır. Motorunuzun çektiği akım değeri maksimum 20 amperse maksimum 20 amper Dayanabilen bir esc yerine 30–40 amperlik ESC almak daha iyi bir fikirdir.

Fırat Dede // Haziran 2008

 

Eğer bu yazıdan memnun kaldıysanız lütfen yorum bırakın ya da solda yer alan sosyal paylaşım butonlarıyla bilgiyi yayın. :)
Profile photo of Fırat Dede
Robots101.com ve Robotus.Net Editörü.

Yorum Bırakın Yaşadığınızı Gösterin!