Bu yazıda Arduino’dan PWM sinyali alarak basit bir DC motoru
nasıl kontrol edebileceğimizi göstereceğim. Transistörün anahtar işlevinden,
diyotu koruyucu olarak kullanmaktan ve PWM’den bahsedeceğim.
İlk önce devrede kullanılan transistörün ve diyotun işlevinden bahsedelim.
Transistörün Anahtar Olarak Kullanılması
Bir BJT transistörün üç farklı çalışma aralığı vardır:
1-) Kesim Bölgesi (Cut off state):
Transistörün kapı girişine (Base pini) herhangi bir akım
gelmediğinde transistör kesim bölgesindedir kısaca çalışmadığını
söyleyebiliriz.
2-) Aktif Bölge (active state):
Bu bölgede çalışan transistörün kapı girişine Ib
akımı akmaktadır. Transistörün kazancı ß ise toplayıcıdan, Ic = ßxIb
kadar akım akar. Devre çeşitlerine göre gerilim kazancı ve/veya akım kazancı
sağlayabilir. Sinyal yükselteci olarak kullanılmak istenildiğinde aktif bölgede
çalıştırılır. Fakat biz burada bunu kullanmayacağız.
3-) Doyum Bölgesi (saturation state)
Toplayıcı ve yayıcı gerilimleri birbirine çok yaklaştığında
iki uç arası kısa devre gibi davranır. Kollektör akımı en yüksek değerine
ulaşmıştır ve Ib tarafından ihmal edilecek düzeyde etkilenecek hale
gelmiştir.
Bu uygulamada kesim ve doyum bölgesine ihtiyaç duyuyoruz.
Transistör kesim bölgesinde kapalı olacağından çalışmayacak ve dolayısıyla
devrede açık anahtar gibi davranacaktır. Doyum bölgesinde ise VCE neredeyse
0 V gerilime yaklaşacaktır (genelde 0.2V civarındadır) ve yayıcı ile toplayıcı
arasında ihmal edilebilecek kadar küçük bir direnç oluştuğundan kısa devre
olmuş gibi davranacaktır. Bu halini evrede ise kapalı bir anahtar gibi kullanacağız.
 |
| Transistör Kesim Halinde Açık Anahtar Gibi Davranır |
 |
| Transistör Doyum Halinde Kapalı Anahtar Gibi Davranır |
Motorun Hızını Değiştirme ve PWM
Transistörün bu anahtarlama özelliği sayesinde devreyi
istediğimiz gibi açıp kapatabiliyoruz. Motorun hızının değişmesi de buna bağlı olarak
gerçekleşecektir.
Anahtar kapatıldığında devre kapanacaktır ve motor
hızlanmaya başlayacaktır. Anahtarı açtığımızda ise motor durmaya yönelecektir. Fakat
daha öncesinde devreyi çalıştırdıysak, motor önceden sahip olduğu belli bir
hızdan dolayı anahtarı açtığımızda motora enerji vermeyi kesmemize rağmen motor bu önceden sahip olduğu enerjiyi tüketene
kadar dönmeye devam edecektir.
Eğer motor henüz durmamışken devreyi tekrar çalıştırırsak bu
kez motor yeniden enerji almaya başlayacağı için tekrar hızlanmaya başlayacaktır. Bu yöntem
ile motoru sürekli “hızlan”, “yavaşla” şeklinde yönlendiriyoruz. Bu açma kapama
işlemini çok hızlı bir şekilde defalarca tekrarlayarak motorun hızını
değiştirebiliyoruz.
PWM bize bunu elektronik olarak gerçekleştirme olanağı
sağlıyor. Transistörün kapı girişine sinyal geldiğinde kesim bölgesinden çıkıp
çalışmaya başlayacağı için transistör anahtar görevini yerine getirebilecektir. Sinyal
vermeyi kestiğimiz zaman anahtar açık olacaktır.
Transistörün kapı girişine Arduino’dan T periyotta 5V
gerilim uygulayalım. Bu periyotta motor sabit hızla dönmeye devam edecektir.
Bu kez T kadarlık zamanın t süresi boyunca transistörün girişine 5V uygulayalım, (T-t) zamanlık süre boyunca ise gerilimi keselim yani 0V uygulayalım.
Bunu yaptığımız zaman T süre boyunca iş yapan sinyal artık t kadarlık bir süre zarfında iş yapacaktır. t süresi boyunca motor hızlanmaya başlayacak, kalan (T-t) süresinde ise anahtar açık olduğundan motor enerji alamayacak ve hızlanmayı kesecektir. Motor sinyalin yeni periyoduna göre sabit bir hızla dönecektir.
Grafikle incelemek gerekirse,
MATLAB
programında bir kare dalga üretmek için:
t=0:0.01:5;
y=5*square(2*pi*t,50);
% sinüs
fonksiyonundan kare dalgaya dönüşüm yapıyoruz daha fazla bilgi için
http://www.mathworks.com/help/signal/ref/square.html
k =
length(t);
% t'nin ne kadar
elemanı varsa y'nin de o kadar elemanı olacaktır bu eleman sayısını alıyoruz
for
i=1:k
if(y(i) >= 0)
z(i) = y(i);
end
end
% ve bu elemanları sırasıyla tarayarak sıfırdan büyük olanlarını z dizisine atıyoruz
plot
(t,z, 'Linewidth', 2); % z dizisinin t zamanına göre grafiğini
çiziyoruz
axis ([0 5 0
6]);
% grafikte x ekseni ve y ekseninde gösterilecek olan en büyük ve en küçük değerleri beliriyoruz
xlabel
('Zaman'); % x ekseninin ismi
ylabel
('Gerilim'); % y ekseninin ismi
title ('Kare
Dalga'); % grafiğin ismi
grid
on; %
grafiği karelere bölüyoruz
 |
| Motor % 100 Hız Değerinde |
T süre boyunca gerilim uygulandığında motor kesintisiz bir şekilde % 100'lük bir hızla dönecektir. Sinyalin görev çevrimi (duty cycle) % 100 olur.
T = 2t için,
 |
| Motor % 50 Hız Değerinde |
Eğer t değeri T'nin yarısı ise motorun hızı yarıya düşecektir ve % 50 olacaktır. Çünkü sinyalin görev çevrimini % 50'ye çektik.
Motorun hızını dörtte birine düşürmek istersek, yani T = 4t için görev çevrimi % 25'e iner.
 |
| Motor % 25 Hız Değerinde |
Bu şekilde gerilimin uygulanma süresini değiştirerek motorun hızını değiştirebiliyoruz. Bunu Arduino'da analogWrite(t); fonksiyonu ile gerçekleştireceğiz. Fakat önce devreyi incelemeye devam edelim.
Diyotun Görevi (flyback diode)
Motor yapısı gereği indüktif özellik gösterir. Motoru çalıştırdığımızda motorun oluşturacağı manyetik alan bir enerji depolar. Motoru çalıştırmayı kestiğimizde bu enerji birden yok olamaz. Manyetik alandan dolayı devre tamamlanamamasına rağmen elektronlar hala bir yöne doğru hareket etmek ister. Bu da motora bağlı olan cihazlara zarar verebilir. Transistörün toplayıcı ucunda oluşabilecek gerilim sıçramaları (Motora bağlı olarak 40V-60V kadar olabilir) transistörün dayanabileceği gerilimden daha büyükse ona zarar verir.
Bunu önlemek için devrede indüktif özellik gösteren cihazlara (burada sadece motor bu özelliğe sahiptir) paralel olarak bir diyot bağlıyoruz. Bu diyot sayesinde devre açık hale geçtiğinde bile motor ile diyot arasında kapalı bir devre oluşacaktır. Manyetik alanda depolanan bu enerji tüketilene kadar diyot ile motor arasında akım akmaya devam edecektir. Bu sayede transistör ve diğer cihazlar gerilim sıçramalarına karşı korunmuş olur.
Arduino ile PWM Kontrolü Yapmak
Öncelikle bu programda kullanacağımız şu fonksiyonları kısaca inceleyelim:
Serial.begin();
Bu fonksiyonu kullanarak Arduino ile bilgisayarın seri haberleşmesini başlatıyoruz
Serial.available();
Bu fonksiyon Arduino'ya seri iletişimle veri gönderilip gönderilmediğini kontrol eder. Örneğin bilgisayar üzerinde Serial Monitor'e klavyeden bir bilgi girdiğimizde bu fonksiyon Arduino'ya gelen bir veri olduğunu tespit edecektir.
Serial.println();
Bu fonksiyon ile Serial Monitor'de yazdırma yapabiliyoruz.
analogWrite(PIN, dutyCycle);
Yukarıda bahsettiğim PWM çevrim sürelerini bu fonksiyon ile değiştiriyoruz. Parantez kısmındaki ilk değişkene PWM kullandığımız çıkışın numarasını giriyoruz, ikinci değişkene ise 0 ile 255 değerleri arasında bir sayı giriyoruz. 255 değeri girersek % 100 görev çevrimi elde ederiz.
Serial.parseInt();
Serial Monitor'e birden fazla basamağa sahip bir sayı girsek bile Serial.read() fonksiyonu yalnızca ilk basamağı okuduğu için 255, 128 gibi üç haneli sayıların tamamını okuyabilmek için böyle bir fonksiyon kullanıyoruz. Kısaca Serial Monitor'e yazıldığında, yazılan tüm satırı okuyor.
Elimde bulunan Arduino Uno modelinin, üzerinde ~ işareti bulunan pinlerinden PWM çıkışı verilebiliyor. 3,5,6,9,10 ve 11 numaralı pinlerde bu işaret var. Bu devrede 11 numaralı çıkışı seçtim.
Kod
Kullanmak isteyenler için: https://gist.github.com/keanhm2/48fe2a0e99e35cca1f75
int pwmDegeri =0;
int pwmCikis = 11;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
analogWrite(pwmCikis, 0);
}
void loop()
{
if(Serial.available()>0)
{
pwmDegeri = Serial.parseInt();
analogWrite(pwmCikis, pwmDegeri);
Serial.print("Girilen PWM Degeri : ");
Serial.println(pwmDegeri);
}
}
Başlangıçta motoru çalıştırmadım, PWM 0 yaparak motoru durur hale getirdim. Void Setup kısmında bir defa çalıştırılan ön ayarlamalarımızı yapıyoruz. Serial.begin(9600) komutu ile Arduino ve Serial Monitor arasında seri iletişimi başlattım.
SM (Serial Monitor) üzerinden bir değer gönderdiğimiz zaman Serial.available() değeri 1 olacağı için "if" kontrol yapısının içerisine girilecektir. Girdiğimiz değeri satır halinde Serial.parseInt() fonksiyonu ile okuyarak pwmDegeri adlı değişkene aktarıyoruz. Son olarak analogWrite ile 11 numaralı çıkış pinine bilgisayardan yazdığımız PWM değerini yollamış oluyoruz ve böylece motorun hızını ayarlıyoruz. Serial.print fonksiyonlarını kullanarak hangi değeri yazdığımızı ekranda gösteriyoruz.
Böylece Serial Monitor'e bilgisayar klavyesinden girilebilecek [0, 255] değerleri ile motorun hızını %0 ile % 100 arasında değiştirebilecektir.
