"Hareket kontrol sistemleri için servo sürücüler tasarlıyor ve üretiyoruz."
Bu, birisi "ADVANCED Hareket Kontrolleri ne işe yarar?" diye sorduğunda verebileceğimiz bir cevaptır.
Bazı insanlar için bilmeleri gereken tek şey bu. Diğerleri içinse cevaptan çok soru işareti yaratabilir. Herkesin hareket kontrolü veya elektronik, hatta bilim ve mühendislik alanında bir geçmişe sahip olmadığını unutmamalıyız.
Herkesin ne yaptığımızı anlayabilmesi için servo sürücülerin temellerini farklı teknik seviyelerde ele alacağız. Kendinizi rahat hissettiğinizde durabilirsiniz.
Servo Sürücü Temelleri 5 Yaşındaki Bir Çocuğa Açıklandı
Servo sürücüler, motorlara elektrik gönderen ve onların dönmesini sağlayan küçük bilgisayarlar gibidir.
Servo Sürücü Temelleri 12 Yaşındaki Bir Çocuğa Açıklandı
Şimdiye kadar takip ettin mi? Öyle umuyorum. Biraz daha detaya girelim.
Servo sürücüler devre kartları, mikroçipler, kablolar ve konektörlerden oluşan elektronik cihazlardır. Motorun dönüşünü kontrol etmek için elektrik motorlarına bağlanırlar. Motorun herhangi bir zamanda hızlanmasını, yavaşlamasını, durmasını ve hatta geri gitmesini sağlayabilirler.
Bunu, motorun tellerinden geçen elektrik akışını kontrol ederek ve yönlendirerek gerçekleştirirler. Servo sürücü olmadan bir motor kontrolsüz bir şekilde dönebilir veya hiç dönmeyebilir.
Bazı servo sürücüler, bir robot kolunun dirsek ekleminde olduğu gibi küçük motorları kontrol eder. Diğer servo sürücüler, ağır makinelerde veya elektrikli bir aracın tekerleğinde olduğu gibi büyük motorları kontrol eder. Daha güçlü motorlar daha güçlü servo sürücülere ihtiyaç duyar.
Servo Sürücü Temelleri Bir Lise Fizik Öğrencisine Açıklandı
Umarım hepiniz hala bizimlesinizdir, ama işte burada işler biraz daha teknikleşmeye başlıyor.
Servo sürücüler nasıl çalışır ve motoru döndürmek için neler yapılır?
Motorun Sürülmesi
Bir motor nasıl döner?
Bir elektrik motorunun iki ana parçası vardır: dönen ve mile bağlı olan bir rotor ve sabit duran ve çerçeveye bağlı olan bir stator. Bu bileşenlerden biri normal mıknatıslara, diğeri ise içinden elektrik akımı geçirilerek açılabilen tel sargılara veya "elektromıknatıslara" sahip olacaktır.
Farklı sargıları arka arkaya açıp kapatarak dönen bir manyetik etki elde edebilirsiniz. Bu, normal mıknatıslara karşı iter ve rotorun dönmesine neden olur.
Fırçalı motorlarda rotorda sargılar ve statorda mıknatıslar bulunurken, fırçasız motorlarda sargılar statorda ve mıknatıslar rotorda bulunur.
Her iki durumda da, sargılardan geçen akım miktarı tork miktarını (ne kadar sert döndüğünü) kontrol ederken, voltaj motorun hızını (ne kadar hızlı döndüğünü) kontrol eder. Servo sürücü, sağlanan akım ve voltajı düzenleyerek motor milinin torkunu, hızını ve konumunu kontrol eder.
Fırçasız bir motorda, statorda bulunan elektromıknatıslar manyetik rotoru döndürmek için açılıp kapanır.
Komuta ve Kontrol
Ancak servo sürücüye hangi torku, hızı ve konumu hedeflemesi gerektiğini nasıl söylersiniz? Çok kolay. Sadece bir kontrolör kullanırsınız, bu bir kadran kadar basit veya bir bilgisayar kadar karmaşık bir şey olabilir.
Kontrolör, servo sürücünün komut girişine bir sinyal (küçük ama belirli bir voltaj darbesi) gönderir. Servo sürücü daha sonra sinyali motor için istenen akım veya gerilime yükseltir.
Elbette, enerjinin korunumu yasası bize enerjinin durup dururken yaratılamayacağını söyler.
Peki bu güçlendirilmiş güç nereden geliyor?
Servo sürücü, sabit bir voltaj sağlayan bir tür güç kaynağı ünitesine (bir pil veya fişe takılan bir cihaz) bağlıdır. Servo sürücü daha sonra bu besleme voltajını alır ve komut sinyaline göre motora gereken gücü gönderir.
Geri bildirim
Eğer takip ediyorsanız, şu ana kadar servo sürücülerin bağlı olduğu 3 ana bileşenden bahsettik: Motor sargıları, kontrolör ve güç kaynağı. Ancak servo sürücülerin bağlı olduğu ve onları bu kadar etkili kılan 4. bir unsur daha var: Motor geri besleme cihazı.
İnsanlar olarak geri bildirim cihazlarını her zaman kullanırız. Arabamızdaki hız göstergesi bize ne kadar hızlı gittiğimizi söyler, böylece hızlanmamız ya da yavaşlamamız gerektiğini biliriz. Bir pişirme termometresi etimizin ne zaman pişmeye yakın olduğunu bilmemizi sağlar. Bir basınç göstergesi, bisikletimizin lastiğinin ne zaman daha fazla havaya ya da daha az havaya ihtiyacı olduğunu bilmemizi sağlar. Bir müşteri geri bildirim anketi, bir şirkete nerede ayarlamalar yapması gerektiğini söyler. Geri bildirim, düzeltici eylemde bulunmayı çok daha kolay hale getirir.
Çoğu servo motor, doğrudan bir servo sürücüye bağlanabilen enkoder gibi bir tür geri besleme cihazıyla donatılmıştır.
Bir geri besleme döngüsüne sahip olmak, servo sürücünün motora gönderdiği akım ve voltajda gerçek zamanlı düzeltmeler yapmasını sağlar. Bu, motorun istenen torkla, istenen hızda ve parazitten bağımsız olarak istenen konuma dönmesini sağlar.
Örneğin, diyelim ki motor miline bir dış kuvvet etki etmeye başladı ve istenen hızdan yavaşlamasına neden oldu. Motordan gelen geri besleme sinyali gerçek motor hızını gösterir. Servo sürücü daha sonra gerçek hızı hedef hız ile karşılaştıracak ve uygun hıza ulaşana kadar telafi etmek için motora sağlanan gücü artıracaktır.
Bu, bir otomobilde hız sabitleyici kullanırken yokuş yukarı çıkmaya başlamanıza benzer. Araç bilgisayarınız hiçbir şeye dokunmadan, eğime rağmen aracınızın aynı hızda gitmesini sağlamak için gerekli tüm değişiklikleri yapar. Bir servo sürücüde, tüm bunlar saniyede binlerce ayarlama ile insanların algılayabileceğinden daha hızlı gerçekleşir.
Servo Sürücü Temelleri Üniversite Seviyesindeki Bir Mühendislik Öğrencisine Açıklandı
Pekala zeki çocuk, iyi şeyler mi istiyorsun? Al bakalım.
Şimdiye kadar servo sürücülere elektrik ve kabloların girip çıktığı küçük sihirli kutular olarak baktık. Ne yaptıklarını biliyoruz ama nasıl yaptıklarını bilmiyoruz. Şimdi içeride gerçekte neler olup bittiğine bakalım.
Negatif Geri Besleme Döngüleri
Servo sürücüler genellikle servo amplifikatörler olarak bilinir, çünkü özünde yaptıkları şey budur. Bir komut sinyalini yükseltirler. Ancak onları daha sofistike ve kullanışlı cihazlar haline getiren geri bildirim tabanlı kontrolün geliştirilmesidir.
Bahsettiğimiz gibi, servo sürücüler hatayı düzeltmek için geri besleme döngüleri kullanır.
Hareket kontrolünde ve diğer kontrol süreçlerinin çoğunda, hatalar negatif geri besleme döngüleri kullanılarak düzeltilir.
Negatif geri besleme döngüsünde, sistem çıkış sinyali (ölçülen değerden) yeni giriş değerini (hata sinyali) oluşturmak için sistem referans girişinden (hedef değer) çıkarılır.
Bu basit blok diyagramına bir göz atın.
Örneğin, hedefinizin 5 ve ölçülen değerinizin 3 olduğunu varsayalım. Hata sinyali +2 olarak sonuçlanacaktır. Hedefiniz 5 ve ölçtüğünüz değer 7 ise, hata sinyali -2 olur.
Dolayısıyla, bir sistemin çıkışı çok yüksekse, hata sinyali negatif olacaktır ve sistem çıkışı düşürmek için negatif yönde tepki verecektir. Sistemin çıkışı çok düşükse, hata pozitif olacak ve sistem çıkışı yükseltmek için pozitif yönde tepki verecektir.
Bu işlem, hatayı mümkün olduğunca sıfıra yakın tutarak sürekli olarak devam eder.
Bu olumsuz geri bildirim çok önemlidir. Geri besleme pozitif olsaydı (başka bir deyişle, ölçülen değeri çıkarmak yerine hedefe ekleseydiniz), çok hızlı giden bir sistem daha da hızlı giderek telafi ederdi veya çok yavaş giden bir sistem durur veya sonunda tersine çalışırdı.
Neredeyse tüm servo sürücüler akım döngüsünü kapatabilir, ancak diğerleri hız döngüsünü ve hatta konum döngüsünü de kapatabilir. Bir sistemde yalnızca akım döngüsünü kapatabilen bir servo sürücü varsa, ancak makinenin hız ve konum döngülerini de kapatması gerekiyorsa, bu ek döngülerin kontrolör tarafından kapatılması gerekecektir.
Kazançlar
Hata sinyali, sistem çıktısını üretmek için sistem girişini alan sistem "kazançlarından", yani amplifikasyon adımından geçer. Bazı sistemlerde bu basit bir oransal kazançtır.
Bunu bir mikrofon ve hoparlör kurulumu gibi düşünelim. Mikrofona konuşuyorsunuz, sesiniz yükseliyor. Bir okul oditoryumunda 20 kişilik bir kalabalığa konuşuyorsanız, sesinizi gerçekte olduğundan iki veya üç kat daha yüksek çıkaran küçük bir kazancınız olabilir. Ancak bir açık hava etkinliğinde yüzlerce kişilik bir kalabalığa konuşuyorsanız, herkesin sizi duyabilmesi için çok daha büyük bir kazanca ihtiyacınız olacaktır, bu nedenle sistemin sesinizi on kat daha yüksek çıkarmasını sağlayabilirsiniz. Her iki durumda da mikrofona ne kadar yüksek sesle konuşursanız, çıkan ses de o kadar yüksek olacaktır.
Dolayısıyla, bir uygulamanın servo sürücüsünde, 1V girişin 5A çıkış verdiği, 2V girişin 10A çıkış verdiği, vb. 5 A/V'lik bir oransal kazanç sabitine sahip olabilirsiniz.
Başka bir uygulamada, 1V girişin 10A çıkış verdiği, 2V girişin 20A çıkış verdiği, vb. 10 A/V'lik bir oransal kazanç sabitine sahip olabilirsiniz.
PID kontrolü
Bazı prosesler için oransal kazanç kontrol için yeterlidir. Ancak robotik gibi çoğu süreç için daha hassas kontrol istenir. En yaygın kontrol şemalarından biri (Oransal, İntegral, Türev) kontroldür.
PID'de, mevcut hata değeriyle çarpılan oransal bir kazancınız vardır, ancak aynı zamanda zaman içindeki hata birikimiyle çarpılan integral kazancınız (integral) ve zaman içindeki hatadaki değişiklikle çarpılan türev kazancınız (türev) vardır. Bu neredeyse her zaman çok daha hassas bir hata düzeltmesi ile sonuçlanır ve aşma ve salınım gibi sorunları azaltır.
Sistem Tasarımcısına Açıklanan Servo Sürücü Temelleri
Buraya kadar gelebildiyseniz tebrikler. Şimdi basit bir kontrolör-sürücü-motor kombinasyonunun ötesine geçelim ve servo sürücülerin tam bir hareket kontrol sistemine nasıl uyduğuna bakalım.
Güç Seviyeleri
Tüm servo sürücüler eşit yaratılmamıştır. Her servo sürücünün nominal bir çalışma voltajı ve maksimum tepe ve sürekli akım değerleri vardır. Güç yoğunluğunu artırmak için birçok ilerleme kaydedilmiş olsa da (özellikle son yıllarda FlexPro sürücü ailemizle), daha büyük servo sürücüler genellikle daha güçlü olacak ve daha düşük akım kontrol çözünürlüğüne sahip olacaktır.
Belki 5 yaşındaki bir çocuk bunu anlayabilir, ancak her ihtimale karşı, 5 amperlik küçük bir motoru 80 amperlik büyük bir servo sürücü ile çalıştırmaya çalışmayın ve 80 amperlik ağır bir motoru 5 amperlik küçük bir servo sürücü ile çalıştırmaya çalışmayın.
Form Faktörü
Servo sürücüler, bazıları farklı uygulamalar için daha uygun olan çeşitli şekil ve boyutlarda gelir.
Panel Montajı
Panel montajlı servo sürücüler metal bir taban plakasına ve PCB'yi çevreleyen plastik veya ince metal bir kapağa sahiptir.
Taban plakasındaki delikler veya çentikler, sürücüleri cıvata veya vida kullanarak düz bir yüzeye monte etmek için kullanılır.
Bunlar, tipik olarak makinelerde kullanılan geleneksel servo sürücülerdir.
PCB Montajı
PCB montajlı servo sürücüler herhangi bir kasa veya kaplama olmadan yapılır. Bir alt bileşenin takılmasına benzer şekilde, pimler veya lehimleme kullanılarak doğrudan başka bir devre kartına monte edilmek üzere tasarlanmıştır.
Bunlar çok kompakttır ve güvenilir bağlantı sunar, ancak dış etkenlerden daha az korunurlar. Bunlar genellikle hem sabit hem de mobil robotikte kullanılır.
PCB montajlı sürücüler, kompakt yapılarını korurken teller ve kablolarla daha geleneksel bağlantılar sunmak için bazen bir montaj kartına takılır. Bu, makine tasarımcısını sürücüye tam olarak uyacak pin konektörlerine sahip bir PCB tasarlama zahmetinden kurtarabilir.
Araç montajı
Araç montajlı servo sürücüler kalın bir plastik kabuk ve ağır bir taban plakası ile sıkıca çevrelenmiştir. Yüksek akıma izin vermek için vidalı terminal pabuçları kullanılır. Adından da anlaşılacağı gibi, bunlar mobil uygulamalarda kullanılır.
Form faktörü ne olursa olsun, performans açısından hepsi aynı şekilde çalışır. Aradaki fark daha çok farklı endüstriler ve farklı uygulamalar için kurulum kolaylığı ile ilgilidir.
Ağlar
Robotlarda, mobil araçlarda, makinelerde ve diğer hareket kontrol sistemlerinde birden fazla hareket ekseni olması muhtemeldir. Bu da birden fazla motor anlamına gelir ki bu da tipik olarak birden fazla servo sürücü demektir. Kontrolörün komutları tüm bu servo sürücülere göndermesi gerekir.
Kontrolörün bunu halletmesi için iki yol vardır. Analog servo sürücülerde, kontrolörün her servo sürücüye ayrı ayrı bağlandığı merkezi bir kontrol şeması gereklidir.
Ancak dijital servo sürücülerde, bir ağ kullanılarak dağıtılmış bir kontrol şeması mümkün kılınır. Bir ağ, servo sürücüleri birbirine bağlar. Mesajlar veya veri paketleri ağ üzerinden gönderilebilir ve servo sürücüler kendilerine yöneltilen verilere yanıt verir.
Çeşitli farklı ağ protokolleri vardır. EtherCAT veya EtherNet/IP gibi Gerçek Zamanlı ağlar, bir milisaniyeden daha kısa sürede güncelleme göndererek inanılmaz hızlı yanıt sürelerine olanak tanır. CANopen veya ModBus gibi diğer ağlar o kadar hızlı değildir, ancak uygulanması daha kolay ve daha ucuzdur.
Her ADVANCED Motion Controls dijital servo sürücü modeli, gümrük dahil olmak üzere birçok seçeneğin mevcut olduğu belirli bir ağ protokolü için tasarlanmıştır.
Diğer Motor Türleri
Cep telefonlarının sadece telefon görüşmesi yapmanın çok ötesine geçmesi gibi, servo sürücüler de bugünlerde servo motorları çalıştırmaktan çok daha fazlasını yapabiliyor.
Servo sürücüler, standart fırçalı ve fırçasız servo motorların yanı sıra lineer motorları, iki fazlı ve üç fazlı step motorları, AC endüksiyon motorlarını, ses bobinlerini ve daha fazlasını kontrol etmek için de kullanılabilir.
Sisteminizde birden fazla motor tipi olsa bile, hepsini aynı veya benzer servo sürücü modellerini kullanarak kontrol etmeniz ve tasarımınızı basitleştirmeniz çok olasıdır.
I/O
I/O (Giriş/Çıkış) işlevi, dijital servo sürücülerde sistemdeki diğer cihazlarla yüksek/düşük sinyal alışverişi yapmalarını sağlamak için kullanılır. Bu cihazlar sıcaklık sensörleri, limit anahtarları, basınç sensörleri ve hatta diğer servo sürücüler olabilir.
G/Ç kullanımı, servo sürücünün makinedeki basit işlevleri kontrol etmesine izin vermek ve kontrolör ve/veya ağ üzerindeki yükü almak için harika olabilir.
İzolasyon
Ya servo sürücüleriniz ya da güç kaynağınız elektriksel izolasyona ihtiyaç duyacaktır. Aksi takdirde, servo sürücülerinizi ve sistemdeki diğer bileşenleri kızartan yüzen bir topraklama ile sonuçlanabilirsiniz. Ya dahili optik izolasyona sahip servo sürücülere ya da izolasyon transformatörüne sahip bir güç kaynağına ihtiyacınız vardır. Bu kuralın istisnaları pille çalışan sistemler ve doğrudan AC güç almak üzere tasarlanmış servo sürücülere sahip sistemlerdir.
Bonus: Filozoflar için Servo Sürücü Temelleri
Servo sürücü bir motora akım ve voltaj sağlayan bir cihazsa, sistemle bağlantısını kestiğinizde hala bir servo sürücü müdür?
Jackson McKay tarafından, Pazarlama Mühendisi