Merhaba, ben F. M. Şeyma UĞUZ. Bu blog yazımda uzun dönem stajım boyunca Elfatek Elektronik’te yapmış olduğum fırçasız DC motorlar için kullanılabilecek ESC projemden bahsedeceğim. Öncelikle ESC’nin ne olduğunu, devamında da bu projede referans aldığım projeyi anlatacağım. Yapılan değişikliklerden, şematik ve PCB tasarımımdan bahsedeceğim ve son olarak da test aşamalarını açıklayarak yazımı sonlandıracağım.

ESC Nedir ve Nasıl Çalışır?

ESC, Elektronik Hız Kontrolcüsü (Electronic Speed Controller) kelimelerinin kısaltmasıdır. Kısaca bir elektrik motorunun hızını kontrol eden ve düzenleyen elektronik devredir. Uzaktan kumandalı araba, model uçak, model tekne veya drone motorlarının kontrol edilmesini sağlarlar.

Çalışma mantığını ise şöyle özetleyebiliriz; gönderilen PWM sinyal alıcıya iletilir ve alıcı sinyali ESC’ye gönderir. Böylece motor ile ilgili gönderilen komutlar gerçekleşir.

Proje Hakkında

-Referans Proje

Bu proje geliştirilirken https://electronoobs.com/ sitesinde bulunan “Open Source ESC” projesi referans alınmıştır.

Projede yapılan değişiklikler şunlardır:

• AP64501 voltaj regülatörü kullanılmıştır.
• İşlemci olarak Atmega328PB kullanılmıştır.
• Buzzer devresine transistor ve diyot eklenmiştir.
• FTDI devresi karttan çıkarılmıştır.
• İşlemcinin çalışma durumunu göstermesi için LED kullanılmıştır.
• Bootloader yüklenebilmesi için kristalin yanına kapasitör eklenmiştir.
• Test noktaları eklenmiştir.

-Şematik

Devrede bulunan bölümler ana hatları ile işlemci ve çevre elemanları, voltaj regülatörü devresi, üç faz köprü devresi, BEMF devresi ve buzzer devresidir.

Voltaj regülatörü devresi ile tüm dijital parçalara 5V verilecektir. Kullanılan AP64501 bir Buck dönüştürücü entegresidir. Ana giriş 40V’a kadar olabilir fakat bu proje boyunca 12V besleme yapılmıştır. Regülatör ile devre çıkışında her zaman 5V görülecektir. Devre, AP64501’in datasheet’inde verilen referans devreye göre çizilmiştir.

Bir sonraki blok, üç faz köprü devresidir. Bunlar, motorun bobinlerine enerji vermek için kullanılan bir köprü konfigürasyonunda 6 MOSFET’tir. Bu MOSFET’lerin her biri, çift sürücü olan IR2101 ile bir sürücü kontrolüne sahiptir, böylece köprünün hem yüksek hem de alçak taraflarını kontrol edebilir.

BEMF gerilim bölücü bloğunda ise motordan gelen voltaj, ATmega328’in giriş olarak verebileceği maksimum voltajdan, bu durumda 5V’dan daha yüksek olacaktır. Bunun için, 10K ve 33K’lık bazı dirençler kullanarak gerilim düşürülür. Böylece ATmega328’in analog girişi bunu okuyabilir. Bu girdiler, rotorun konumunu tespit etmek ve dönme sırasının bir sonraki adımına ne zaman geçileceğini bilmek için kullanılacaktır.

Kullanılan buzzer pasif buzzer olduğu için sadece 5V girişi ile çalışmamaktadır. Sinyal girişiyle çalışabildiğinden diyot ve transistor ile kullanılmıştır.

-PCB

PCB çiziminde kartın iki yönü de kullanılmıştır. Böylece malzemeler arası boşluklar bırakılarak fazla ısınmanın önüne geçilmiştir. ESC 40A olsa da devrede kullanılan MOSFET’ler 25˚C’de 161A ve 100˚C’de 113A akışına izin vermektedir. Bu sebeple de entegrelerin ve dolayısıyla kartın fazla ısınması muhtemeldir. Yüksek akım akacak yollar gerekli hesaplamalar sonucunda uygun kalınlıkta çizilmiştir. GND hattının her yerde korunması için de üst ve alt sıra boydan boya via atılmıştır.

Devreye 12V ve GND girişi için iki ana pad eklenmiştir. Fırçasız motorlar için tasarlanan bu kartta motor faz girişlerine bağlanması için de üç ana pad eklenmiştir.

-Kod

Referans projede paylaşılan kod kullanılmıştır. Küçük değişiklikler dışında bir geliştirme yapılmasına gerek kalmamıştır.

-Lehimleme ve Test Aşamaları

Elektronik elemanlar lehimlendikçe test edilmiştir. Böylece bir sorun tespit edilirse sorunun nereden kaynaklandığının saptanması kolay olmuştur.

Devre kartı Çin’de bastırılmıştır. Kart geldiğinde önce voltaj regülatörü devresi lehimlenmiştir. Böylece kart girişine 12V verildiğinde devrenin çıkışından 5V alınarak diğer devre elemanlarına gidecek gerilim kontrol edilmiştir. Devamında ise işlemci ve çevre elemanları lehimlenmiştir. Böylece işlemciye kod atılarak çalışıp çalışmadığı kontrol edilmiştir. Bu aşamada karşılaşılan en büyük zorluk işlemciye kod atabilmek için öncelikle bootloader yüklenmesi olmuştur. Bootloader kısaca bir bilgisayarı (bu projede işlemciyi) başlatmaktan sorumlu olan yazılımdır. İşlemcinin gerekli bacaklarına jumper kablo lehimlenmiş ve kristalin yanına iki adet 402 kılıf kapasitör lehimlenmiştir. Bootloader Arduino kart ile yüklenmiştir. FTDI kart ile deneme kodu atılmış ve işlemci LED’inin yanması sağlanmıştır.

Devamında üç fazlı köprü için BEMF dirençleri, MOSFET’ler ve MOSFET sürücü devreleri, son olarak da buzzer devresi lehimlenmiştir.

ESC PWM sinyali ile sürülmektedir. Bu projede PWM sinyali için bir potansiyometre kullanılmıştır. PWM çıkışı osiloskop ile kontrol edilmiştir. Böylece sağlıklı bir çıkış alındığından emin olunmuştur. Devamında ise ESC bir motora bağlanarak bu sinyal kontrol edilmiştir. Burada test için Arduino’da bulunan servo.h kütüphanesi kullanılmıştır.

Orijinal kod ile yapılan testlerde edinilen en büyük başarı ESC konfigürasyonunun yapılmasıdır. Ticari ESC’lerde de olduğu gibi eğer kartın bilmediği bir PWM sinyali gelirse; önce maksimum sonra minimum seviyelerde sinyal gönderilerek ESC bu sinyallere göre yapılandırılmaktadır. Bu sayede PWM sinyaline göre motor çalışabilir. Bu aşamada ticari bir ESC ile potansiyometre aracılığıyla PWM sinyali gönderilmiş ve açıya göre hızlı yavaş dönüş yapıldığı görülmüştür. Fakat kendi ESC kartımda bu başarı sağlanamamıştır. Motor tam anlamıyla dönme hareketi yapamamıştır.

Staj sürecim boyunca hem kendimi hem de projemi geliştirmemde yardımcı olan herkese çok teşekkür ederim.

Fadime Merve Şeyma UĞUZ

Selçuk Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği

fmsseyma@gmail.com