Hareket Kontrolüne Genel Bakış

Servo nedir?

"Hareket kontrolü" veya "robotik" olarak da adlandırılan servo kontrol, endüstriyel süreçlerde belirli bir yükü kontrollü bir şekilde hareket ettirmek için kullanılır. Bu sistemler pnömatik, hidrolik veya elektromekanik çalıştırma teknolojisini kullanabilir. Aktüatör tipinin (yani yükü hareket ettirmek için enerji sağlayan cihazın) seçimi güç, hız, hassasiyet ve maliyet gereksinimlerine dayanır. Elektromekanik sistemler tipik olarak yüksek hassasiyetli, düşük ila orta güçlü ve yüksek hızlı uygulamalarda kullanılır. Bu sistemler esnek, verimli ve uygun maliyetlidir. Motorlar elektromekanik sistemlerde kullanılan aktüatörlerdir. Elektromanyetik alanların etkileşimi sayesinde güç üretirler. Bu motorlar döner veya doğrusal hareket sağlar. Tipik bir servo sistemin grafiksel gösterimi aşağıda verilmiştir:

servoloop

Bu tür bir sistem, pozisyon, hız ve/veya ivmeyi kontrol etmek için kullanılan bir geri besleme sistemidir. Kontrolör, istenen döngüyü (tipik olarak konum veya hız) kapatmak için algoritmalar içerir ve ayrıca girişler / çıkışlar, terminaller vb. ile makine arayüzünü idare eder. Sürücü veya amplifikatör iç döngü(ler)i (tipik olarak hız veya akım) kapatır ve kontrolör referans sinyallerine göre motoru tahrik eden elektrik güç dönüştürücüsünü temsil eder. Motor fırçalı veya fırçasız tipte, döner veya doğrusal olabilir. Motor, yükü hareket ettirmek için gereken kuvvetleri üreten gerçek elektromanyetik aktüatördür. Takometreler, lvdt'ler, enkoderler ve çözücüler gibi geri besleme elemanları, çeşitli servo döngülerini kapatmak için motora ve/veya yüke monte edilir.

ADVANCED Motion Controls, servo sistemlerde kullanılmak üzere servo sürücüler ve amplifikatörler tasarlar ve üretir. Servo sürücüler ve amplifikatörler, konum ve/veya hızın hassas kontrolünün gerekli olduğu hareket kontrol sistemlerinde yaygın olarak kullanılır. Sürücü/yükseltici, motor gerilimi ve akımı sağlamak için kontrolörden gelen düşük enerjili referans sinyallerini yüksek enerjili sinyallere çevirir. Bazı durumlarda dijital sürücü kullanımı kontrolör/sürücü veya kontrolör/amplifikatör kontrol sisteminin yerini alır. Komut sinyalleri motor torkunu, hızını veya konumunu temsil eder ve analog veya dijital yapıda olabilir. Analog +/-10 VDC komutu hala en yaygın referans sinyalidir ancak yerini hızla dijital ağ komutlarına bırakmaktadır.

Kontrolör

Kontrolör bir servo sistemin "beynidir". Hareket yollarının oluşturulmasından ve dış ortamdaki değişikliklere tepki vermekten sorumludur. Kontrolörler bir AÇMA/KAPAMA anahtarı veya bir operatör tarafından kontrol edilen bir kadran kadar basit bir şey olabilir. Aynı zamanda birden fazla servo eksenini aktif olarak kontrol etme, G/Ç'yi izleme ve makine için tüm programlamayı sürdürme yeteneğine sahip bir bilgisayar kadar karmaşık olabilirler.

Tipik olarak, kontrolör sürücüye bir sinyal gönderir; sürücü motora güç sağlar; ve motordan gelen geri bildirim kontrolöre ve sürücüye geri gönderilir. Yükten gelen geri bildirim de kontrolöre yönlendirilir. Kontrolör geri beslemeyi analiz eder ve amplifikatöre giden sinyali güncelleyerek hataları düzeltir. Kontrolör servonun akıllı parçası olarak kabul edilir, amplifikatör akım döngüsünü kapatırken hız ve/veya pozisyon döngülerini kapatır. Bununla birlikte, birçok amplifikatör hız ve/veya konum döngülerini kapatarak kontrolörden hesaplama taleplerini azaltır.

Kontrolörlerin Fiziksel Formları

Kontrolörler, insanların maliyet, performans, rahatlık ve kullanım kolaylığına göre seçtikleri çeşitli formlarda gelir. Çoğu kontrolör Mikrodenetleyiciler, PLC'ler ve Hareket Kontrolörleri kategorisine girer. Her biri aşağıda açıklanmıştır.

Mikrodenetleyiciler

mikrodenetleyiciBu, uçucu olmayan bellekte saklanan bir programı çalıştıran küçük ve düşük maliyetli bir bilgisayar türüdür. Bir mikrodenetleyiciyi bir sistem için yapılandırmak genellikle deneyimli bir programcı gerektirir ve konum ve hız gibi döngüleri kapatmak oldukça zor olabilir. Genellikle, bir mikrodenetleyici kullanarak bir servo sistemi tasarlandığında, mikrodenetleyici sadece belirli komutları amplifikatöre geri gönderirken, amplifikatörün / sürücünün istenen döngüleri kapatması sağlanır. Bu komutlar mikrodenetleyiciye gelen girdilere (sensörler, anahtarlar, vb.) bağlı olabilir.

PLC'ler

plc1960'ların sonlarında, Programlanabilir Mantık Denetleyicileri (PLC'ler) ilk olarak kablo karmaşasını ve sıralı röle devreleriyle ilişkili sorun giderme kabuslarını ortadan kaldırmak için kullanıldı. PLC'ler, sınırlı ömürleri olan mekanik rölelerin yerini alabilir. Bu kontrolörler mikrodenetleyicilerden daha pahalıdır, ancak bunun iyi bir nedeni vardır.

PLC'ler, komutların programlanmasına, kaydedilmesine ve yürütülmesine olanak tanıyan bir işlemciye ve belleğe sahiptir. Ayrıca, gerektiğinde PLC'ye I/O modüllerinin eklenebilmesi için bir raf ve I/O yuvalarına sahiptir. Modüller, yüksek hızlı sayaçlar, gerçek zamanlı saatler veya servo kontrol yetenekleri gibi özellikler ekleyebilir.

PLC'lerin avantajları arasında genişletilebilirlik ve zorlu ortamlara dayanıklılık yer alır. Fiyat genellikle hareket kontrolörlerinden daha düşüktür.

Hareket Kontrolörleri

kontrolörHareket kontrolörleri özellikle hareketin kontrolü için üretilmiştir (adı da buradan gelir). Bu nedenle komutlar ve I/O, hareket endüstrisindekilerin ihtiyaçlarına özeldir. Diğerlerinden farklı olarak, hareket kontrolörleri genellikle PC tabanlıdır ve grafiksel bir kullanıcı arayüzüne izin verir. Genellikle, ayarlama kolaylığı, komutasyon algılama ve diğer işlevleri sağlayan gelişmiş özellikler vardır. Bir hareket kontrolörü, genel olarak, hayatınızı bir PLC veya mikrodenetleyiciden daha kolay hale getirecektir. Eklenen özellikler nedeniyle, genellikle daha pahalıdırlar.

Komuta

Komut, kontrolörden servo sürücüye gönderilen sinyaldir.

Dijital servo sürücüler CANopen, Ethernet, EtherCAT, Ethernet Powerlink, Synqnet, USB, RS232 ve amplifikatörü doğrudan (veya neredeyse doğrudan) bir bilgisayara bağlayarak motoru kontrol etmenizi sağlayan daha birçok ağ üzerinden kontrol edilebilir. Ağ sinyalleri, I/O durumu, sürücü durumu, konum bilgileri ve daha fazlası dahil olmak üzere çıkış komutundan daha fazlasını iletebilme avantajına sahiptir.

Analog servo sürücüler +/-10V analog sinyaller ve PWM & Yön sinyalleri ile kontrol edilir.

Sürüş

standart-grup01

Servo sürücü, kontrolör ve motor arasındaki bağlantıdır. Servo amplifikatörler olarak da adlandırılan bu sürücülerin görevi, kontrolörden gelen düşük enerjili referans sinyallerini motora giden yüksek enerjili güç sinyallerine çevirmektir. Başlangıçta, sürücüler sadece bir kontrolörün bir motoru sürmesini sağlayan güç katıydı. Fırçalı motorlara güç veren tek kadranlı modeller olarak başladılar. Daha sonra dört kadran özelliği ve fırçasız motorlara güç verme özelliği eklenmiştir. Dört kadran, bir motoru her iki yönde hem sürme hem de yeniden üretme yeteneği anlamına gelir.

Mevcut eğilim, sürücülere daha fazla özellik ve yetenek eklemektir. Günümüzde sürücülerden enkoderler, çözücüler ve takometrelerin yanı sıra limit anahtarları ve diğer sensörler de dahil olmak üzere tüm sistem geri bildirimlerini işlemesi beklenebilir. Sürücülerden ayrıca tork döngüsünü, hız döngüsünü ve konum döngüsünü kapatmaları istenmekte ve yol oluşturma sorumluluğu verilmektedir. Kontrolör ve sürücü arasındaki çizgi bulanıklaştıkça, sürücü eskiden yalnızca kontrolörün alanı olan daha karmaşık kontrol işlevlerinin çoğunu üstlenecektir.


Tahrik teknolojisinin geleceği, hareket kontrol endüstrisinin talepleri üzerine inşa edilmeye devam edecektir. Bu talepler şunları içermektedir:

  • Üretim verimini artırmak için daha yüksek bant genişliği
  • Daha karmaşık ve minyatürleştirilmiş üretime olanak sağlamak için artırılmış hız ve konum kontrolü
  • Bir makine içindeki eksenleri yakından koordine etmek ve bir fabrika içindeki makineleri koordine etmek için artırılmış ağ kapasitesi
  • Basitleştirilmiş, kullanıcı dostu ve evrensel kullanım

Motor

motor uyumluluğu

Motor, sürücüden gelen akım ve gerilimi mekanik harekete dönüştürür. Çoğu motor döner tiptedir ancak doğrusal motorlar da mevcuttur. Servo uygulamalarında kullanılabilecek birçok motor türü vardır.


Aşağıdaki motor tipleri listesi servo uygulamalarında yaygın olarak bulunur.

Tek Fazlı

Tek fazlı motorların iki güç kablosu vardır ve kurulumu çok kolaydır. Bu kategorideki motorlar fırçalı motorları, endüktif yükleri ve ses bobinlerini içerebilir. Fırçalı motorlar için tasarlanmış amplifikatörler tipik olarak tek fazlı yükleri sürmek için kullanılır, ancak AMC'nin çoğu üç fazlı sürücüsü de bu motorları çalıştırabilir.

Fırça

En yaygın tek fazlı motor. Fırçalar, akımı doğru zamanda doğru bobinlere yönlendiren bir mekanik komütasyon biçimidir.

Lineer Aktüatör

Lineer aktüatörler, lineer bir mili içeri ve dışarı hareket ettirmek için bir dişli kutusuna bağlı bir döner motor kullanır. Aktüatördeki motor genellikle fırçalı bir motordur.

Ses Bobini

Bir ses bobini kavramsal olarak bir ses hoparlörüne benzer. Hareket doğrusaldır ve genellikle 0,5″ (13mm)'den daha az hareketle sınırlıdır. Birçok ses bobini uygulaması yüksek performanslı bir servo sürücü gerektirir ve ADVANCED Hareket Kontrolleri genellikle ilk tercihtir.

Manyetik Rulman

Manyetik rulmanlar, servolarla kontrol edilen manyetik bir yastık üzerinde dönen bir mili yüzdürür. Düşük sürtünme gerektiğinde veya şaft hızları geleneksel rulmanlar için çok yüksek olduğunda kullanılırlar. Manyetik rulmanlar, dönen şaftı havaya kaldırmak için elektromıknatıslar kullanır, böylece fiziksel olarak hiçbir şey ona dokunmaz. Tipik bir manyetik yatak sistemi 4 veya 5 sürücü gerektirir - dönen şaftın her iki tarafında bir x ve y ve şaftın içeri ve dışarı kaymasını önlemek için isteğe bağlı bir baskı yatağı. Sistemin dinamik yapısı nedeniyle sürücüler için performans gereksinimleri son derece yüksek olabilir.

Endüktif Yük

Endüktif yükler genellikle üniversiteler ve bilim insanları tarafından deneyleri için manyetik alanlar oluşturmak amacıyla kullanılır. ADVANCED Motion Controls sürücüleri 80uH'den daha az endüktansa sahip endüktif yükleri 1H (1.000.000uH) endüktansa kadar başarıyla kontrol etmiştir. Büyük bir indüktörde depolanan enerji için özel hususlar vardır ve teknik destek departmanımız bunları projenizle ilgili olarak tartışmaktan mutluluk duyacaktır.

Üç Fazlı

Fırçasız Döner

Sabit mıknatıslı fırçasız servo motorlar daha yüksek güç yoğunluğuna, daha iyi ısı dağılımına sahiptir ve fırçalı motorlara göre daha az bakım gerektirir. Fırçasız motorların kurulumu artan kablolama nedeniyle biraz daha zor olabilir, bu nedenle dijital hattımız komütasyon sürecini otomatikleştirerek işleri kolaylaştırır.

Doğrusal

Bir lineer motorun yapısı döner motorla aynıdır ancak açılmış ve düzleştirilmiştir. Doğrusal bir motor için bir sürücünün yapılandırılması, döner bir motor için bir sürücünün yapılandırılmasıyla aynıdır. Lineer motorlar, hız ve hassasiyet gereksinimlerinin bir döner motor ve vidalı milin sağlayabileceğinden daha fazla olduğu doğrudan tahrik uygulamalarında kullanılır.

Yükle İlgili Hususlar

YükYük değerlendirmeleri, hareket ettirilen nesneyi, makinedeki hareketli parçaları ve kaplinler ve boşluk gibi istenmeyen dengesizliklere neden olabilecek her şeyi içermelidir. Makinedeki hareketli parçaların toplam kütlesi, motora yansıyacak olan ataletlere sahiptir. Lineer kademeler ve rulmanlar gibi sürtünme noktaları motor yüküne katkıda bulunacaktır. Esnek kaplinler, dikkate alınması gereken rezonanslar ekleyecektir.

Geri bildirim

geri bildirimModern kontrol sistemlerinde, motorun veya yükün komut verilen konuma veya hıza ulaşmasını sağlamak için geri besleme cihazları kullanılır. Servo amplifikatörler ve kontrolörler bu geri beslemeyi kullanarak motora herhangi bir zamanda ne kadar akım verileceğini, mevcut konumuna ve hızına ve olması gereken yere göre belirler. Mutlak ve bağıl ('artımlı' olarak da bilinir) olmak üzere iki ana geri besleme türü vardır.

Mutlak Geri Bildirim

Mutlak cihazlar, güç verildiğinde belirli bir aralıkta kesin konum sağlar (yani bir hedef arama rutini olmadan).

Göreceli Geri Bildirim (artımlı)

Bu cihazlar yalnızca artımlı konum güncellemeleri sağlar. Motorun veya yükün konumunu bilmek için, ilk konumu belirlemek üzere bir tür mutlak geri besleme (örneğin bir limit anahtarı) ile birlikte artımlı geri beslemenin kullanılması gerekir. İlk konum bilindiğinde, bağıl geri bildirim hareket aralığı boyunca konum bilgisi sağlayabilir.

Bu iki genel geri bildirim türü içinde birçok farklı geri bildirim cihazı bulunmaktadır. İşte hareket kontrolünde en yaygın olarak kullanılan cihazlardan bazıları.

Geri Bildirim Türleri

Dörtlü Kodlayıcı

Enkoderler, hareket kontrolünde en yaygın konum geri bildirim cihazıdır. Doğrusal enkoderler mikron altı çözünürlüklere kadar çıkabilir ve döner enkoderler devir başına 100.000 sayımı aşan çözünürlüklere sahip olabilir. Bunlar göreceli geri besleme cihazlarıdır.

Sinüzoidal Kodlayıcı

Sinüzoidal kodlayıcılar, dörtlü kodlayıcılarda görülen kare dalgalar yerine sinüs dalgaları kullanır. Bu, ara kodlayıcı sayılarının 1024 katın üzerinde enterpole edilmesini sağlar. Çözünürlük başına 4 milyon sayımın üzerinde çözünürlükler mümkündür. Bunlar göreceli geri besleme cihazlarıdır.

Mutlak Sinüzoidal Kodlayıcı

Bunlar, binlerce devir boyunca mutlak konum bilgisini koruyabilen mekanik bir cihaz veya elektrik devresine ek olarak yukarıdaki gibi aynı sinüzoidal kodlayıcıları kullanır. Bu cihazlar konum bilgisini aşağıdaki gibi bir seri protokol üzerinden aktarır: Hiperface®, EnDat® ve BiSS.

Hall Sensörleri

Bu, genellikle komütasyon kontrolü için gerekli olan düşük çözünürlüklü bir geri bildirimdir. Bu, daha yüksek hızlarda hız geri beslemesi için de kullanılabilir. Bunlar her bir elektrik çevriminde 6 birim mutlak geri besleme sağlar.

Resolver

Bir çözümleyici esasen bir döner transformatördür. Bu geri besleme 16bit'in üzerinde çözünürlüklere sahiptir. Çözücüler, yüksek sıcaklık ve yüksek titreşimli ortamlar için tercih edilen geri bildirimdir. Bunlar bir devir içinde mutlak geri bildirim sağlar.

Hareket Profilleri

Tüm servo sistemlerin amacı bir tür yükü hareket ettirmektir. Yükün hareket ettirilme şekli hareket profili olarak bilinir. Bir hareket profili, tek bir eksende A noktasından B noktasına bir hareket kadar basit olabilir veya birden fazla eksenin koordinasyon içinde hassas bir şekilde hareket etmesi gereken karmaşık bir hareket olabilir. Örnek bir profil Şekil 1'de gösterilmektedir. Kat edilen toplam mesafe, D, eğrinin altındaki alan hesaplanarak bulunur. T, hareket için gereken toplam süredir. Hız eğrisinin eğimi, o andaki hızlanma veya yavaşlamayı temsil eder. Servo kontrol sistemlerinde kullanılan çeşitli hareket profilleri vardır. En sık kullanılanlar şunlardır Sabit Hız, Trapezoidalve S-Eğrisi hareket profilleri.

f1-hareket-profili

Unutulmaması gereken şeyler:

  • 1/T ile orantılı hız
  • 1/T ile orantılı ivme2
  • 1/T ile orantılı güç (tepe noktası)3

Son madde başlığının anlamı çok büyüktür. Örneğin, mevcut bir sisteminiz varsa ve hamlelerin iki kat daha hızlı tamamlanmasını istiyorsanız, sistem 8 kat daha fazla güce ihtiyaç duyacaktır!

Sabit Hız

Bu hareket profili, noktalar arasında sabit bir hız sağlar (bkz. Şekil 2a). Bu en temel hareket profilidir çünkü sadece bir hız komutu kullanılır.

Sabit hız, konveyör veya fan gibi bir şeyde kullanılır.

Hassas konumlandırma makineleri sabit hız profilini kullanmaz çünkü gerçek dünyadaki bir makine hızı anında değiştiremez. Yük ve sistemdeki değişikliklerle dalgalanacak bir zaman gecikmesi olacaktır. Şekil 2B'de noktalı çizgi yükün alacağı gerçek hız yolunu temsil eder. Ta ve Td hızlanmak ve yavaşlamak için gereken süreyi temsil eder. Bu süreler yükteki dalgalanmalara göre değişebilir.

f2-constant-velocity-motion

Trapezoidal

Trapezoidal hareket profili, öngörülebilir hızlanma ve yavaşlama oranları oluşturmak için hız eğrisini eğimlendirir. Şekil 3'te bir trapezoidal hareket profili gösterilmektedir. Hızlanma ve yavaşlama süresi hassas ve tekrarlanabilirdir. Ta ve Td hala mevcuttur, ancak artık rastgele değerler yerine belirlenmiş değerlerdir.

f3-trapezoidal-hareket

  • Trapezoidal bir hareket profili için ta = td = T/3 ise, kullanılan toplam güç minimumdur
  • Trapezoidal bir hareket için aşım hatası hala mevcuttur, ancak bu hata birçok sistem için ihmal edilebilir düzeydedir.
  • Daha yüksek hassasiyetli makineler farklı bir hareket profili gerektirir.

S-Eğrisi

S-eğrisi hareket profili, hızlanmada kademeli bir değişim sağlar. Bu, aşımdan kaynaklanan sorunların azaltılmasına veya ortadan kaldırılmasına yardımcı olur ve sonuç olarak sistem tarafından çok daha az mekanik titreşim görülür. Minimum hızlanma noktaları hızlanma periyodunun başında ve sonunda meydana gelirken, maksimum hızlanma bu iki nokta arasında gerçekleşir. Bu da hızlı, doğru ve pürüzsüz bir hareket profili sağlar.

f4-s-eğrisi

Tork ve Güç Hesaplamaları

f5-güç-hesaplamaları

Hız profilinden başlayarak, tork profili hızın türevi alınarak türetilebilir. Hız profilindeki pozitif eğim pozitif tork, negatif eğim ise negatif tork olacaktır. Eğimin dikliği torkun büyüklüğüne karşılık gelir.

Daha sonra güç eğrisi, Hız eğrisi ile Tork eğrisinin çarpılmasıyla elde edilebilir (tork x hız = güç).

Bir Sistem Tasarlamak

Bu üç profil içindeki bilgiler sistem tasarımının temelini oluşturur.

  • Hız ve tork profillerinden motor seçiminizi gereken tork ve hızı sağlayabilecek modellerle daraltabilirsiniz
    • Motor verilerine dayanarak (Kt - tork sabiti, Kv - gerilim sabiti, Rm motor direnci) sistem akım ve gerilim gereksinimlerini belirleyebilirsiniz
      • Tepe torkundan tepe akımını (I) hesaplayabilirsiniz. I = T / Kt
      • Tepe hızından tepe gerilimini (V) hesaplayabilirsiniz. V = Hız * Kv + I * Rm
  • Akım ve gerilim gereksinimleri bilindiğinde bir servo sürücü seçebilirsiniz

 

Daha fazla denklem

  • Tork, akım ile orantılıdır.
  • Tork*Hız = Güç
  • KT =Tork sabiti (lb-in/A)
  • RMS torku, besleme ve termal hususlar için önemlidir.

f6-rms denklemi

Bu kadar teori yeter, bunları gerçek makinelerde görelim!