Şekil 1 – Motor Frenleme Devresi ile Birlikte Kullanılan Motor Sürücü Devresi

Motora fren yaptırmak için; Q7 mosfeti, DC barada oluşan motor enerjisi motor fren direnci üzerinde harcanması için açılacaktır. Bununla birlikte, motor fren direnci aktifken, Q8 mosfeti kapatılmasıyla ana DC güç besleme motor beslemesinden ayrılır ve motorda oluşan enerji motor fren direnci üzerinde harcanır. Motor tarafından üretilen BEMF, Q1 – Q6 mosfetlerinde bulunan dahili diyotlar ile doğrultulur ve doğrultulan akım fren direncine aktarılır.

Dinamik frenleme tamamıyla Kirşof yasalarına bağladır ve oluşan frenleme akımı doğrusal olarak motor BEMF’ ye bağlıdır. Bu sebeple, tasarımcı, gerekli maksimum fren torkunu ve

Tablo 1’ de dinamik frenleme devresi ile Tablo 1’ de verilen özelliklere sahip fırçasız bir DC Servo motor kullanılmıştır;

Tablo 1 – Fırçasız Servo Motor Özellikleri

Sistem gereksinimi olarak, 1000 rpm hız değerine kadar tam güçte dinamik frenleme gerekmektedir. 1000 rpm hız değerinde üretilen BEMF, yük uygulanmadan yaklaşık 15 volt olacaktır. Frenleme tam olarak nominal tork değerinde olacaksa, 9A DC baradan çekilmelidir. Dahili mosfet diyotlarının voltaj düşüşü diyot başına 0.7 volt olacaktır. Bu sebeple, toplam devre direnci 1.5 ohm’dan daha yüksek olmamalıdır. Motor 0.33 ohm faz – faz dirence sahiptir. Fren direnciyle birlikte kullanılacak olan tipik bir MOSFET 0.05 ohm civarında dirence sahip olacaktır. Bu nedenle, gerekli frenlemenin sağlanması için kullanılması gereken fren direnci 1 ohm civarında seçilmelidir. Fren direncinin anlık güç tüketimi minimum fren hızında 81 watt olacaktır.

Peki, motor tam hız değerinde çalışırken frenleme karakteristiği nasıl olacaktır? Motor tarafından üretilen BEMF yaklaşık 45 VDC olacaktır ve frenleme MOSFET’ i açıldığında, motor frenleme direnci üzerindeki akım değeri anlık olarak 30 A civarlarında olacaktır. Frenleme esnasında oluşan ortalama fren gücünü sınırlamak için, frenleme MOSFET’ i PWM metoduyla yaklaşık %30 doluluk oranıyla çalıştırılmalıdır. Dolayısıyla, frenleme devresi en az 30 A’ lik anlık akımı kaldırabilecektir. Ayrıca frenleme MOSFET’ inde ek bir anahtarlama kayıpları olacaktır. Grafik 1’ de, maksimum fren torku, motor hızına göre nominal torkun yüzdesi olarak gösterilmiştir.

Grafik 1 – Frenleme Torku (%) vs Motor Hızı (rpm)

Tabi ki, böyle bir frenleme gücü muhtemelen büyük bir yavaşlama sağlayacak ve BEMF ve tepe akımları kısa sürede sönümlenecektir. Bununla birlikte, en yüksek tepe çalışma noktalarında oluşabilecek bir hata sonucunda bileşen arızası oluşabilir ve bu durumda sistemin tamamı arızalanabilir. Tasarımcı, arızaları önlemek için oluşabilecek en yüksek stresleri göz önüne almalıdır.

Gerekli frenleme direnci motorun iç direncinden daha az hesaplanırsa, dinamik frenleme tekniği, kontrolcünün tüm alt taraf MOSFET’lerini açarak motor terminallerinin birlikte kısa devre yapılarak uygulanabilir. Motor terminalleri içinde akım akar ve motor iç direnci bir fren direnci görevi görür.  Bu yöntem dinamik frenlemeyi kolaylaştırmasına rağmen, motor frenleme gücü daha az kontrol edilebilir hale gelir ve tüm frenleme gücü motor üzerindeki ısı enerjisi olarak harcanır.

Dinamik frenlemede bir diğer sistem gereksinimi, Şekil 1’ de Q8 MOSFET’ i olarak gösterilen DC bara kesme anahtarıdır. Frenleme aktif edilmeden önce Q8 MOSFET’ i kapatılmalıdır ve frenleme kapanır kapanmaz Q8 mosfeti, bir sonraki sürüş işlemi için DC bara voltajını elde etmek için açılmalıdır. Frenleme direnci DC baraya bağlantısı olduğundan, azalan motor hızıyla birlikte DC bara voltajı azalır. Bu sebeple, Q8 mosfeti, drain ve source pinleri arasında yüksek voltaj farkı ile açılmalıdır. DC bara, doğası gereği düşük empedanslı ve toplu DC bara kapasitesinden dolayı çok küçük empedansa sahip olduğundan, DC baradaki ani akım, Q8 MOSFET’ i her açıldığında Q8 MOSFET’ i üzerinde büyük bir stres yaratacaktır.

Şekil 2’de tipik bir 500 Watt motor kontrolcünün Q8 MOSFET’ inin, DC bara voltajı 15 VDC’ ye düştüğündeki açılmasının simülasyon sonucu gösterilmiştir.

Şekil 2 – DC Bara Bağlantı Anahtarı Simülasyon Sonucu

Q8 MOSFET’ inden açılışı anında büyük bir ani akım akar, bunun sonucunda Q8 MOSFET’ i üzerinde 5kW’ ın üzerinde anlık güç tüketimi meydana gelir ve toplam açılmada 1mJ enerji harcanır. Fren devresi sıklıkla kullanılıyorsa, Q8 MOSFET’ i sürekli olarak termal o ve akım stresi altında kalır. Stres, ön şarj devreleri ve ani akım sınırlayıcı v.b. ek devre kullanılarak azaltılabilir. Bununla birlikte, eklenecek olan bu ek devreler, sürüş operasyonlarında sistemin verimliliği ve dinamik performansını etkileyecektir.

Dinamik frenleme, sistem tek çeyrek (sadece kaynak) güç kaynağına sahip olduğunda ve frenleme enerjisinin harici olarak dağıtılması gerektiğinde kullanılan basit bir frenleme tekniğidir. Bununla birlikte söz konusu olan frenleme devresinin, sistem seviyesi tasarımında dikkate alınması gereken bazı sınırlamalar vardır.

Bir sonraki makalede, rejeneratif frenlemeyi tartışacağız.