Güç kaynağının kapasitesi yetersiz bırakılırsa, eksen hızlandığı anda servo sürücü düşük gerilim hatası verir. Geri kazanılan enerjinin gidecek bir yeri kalmazsa, eksen yavaşladığı anda aşırı gerilim hatası verir.

Bu iki arıza türü arasında, dört sayıya dayanan bir boyutlandırma prosedürü yer alır: uygulamanın fiilen çektiği sürekli akım, kısa süreli patlamalarda çektiği tepe akım, motorun maksimum hızda ihtiyaç duyduğu çıkış gerilimi ve yük yavaşladığında sürücü üzerinden geri akan enerji.

Bu kılavuz, gerçek donanım kullanılarak hazırlanmış eksiksiz bir örnekle birlikte, bu dört konuyu da ayrıntılı olarak ele almaktadır.

Amaç

Bir DC güç kaynağının, belirli bir servo eksenini güvenilir bir şekilde çalıştırabilmesi için gerekli olan sürekli akım değeri, tepe akım dayanımı, çıkış gerilimi ve rejeneratif kapasiteyi belirleyin — uygulamanın asla kullanmayacağı yedek kapasite için fazladan maliyet ödemeden.

Doğru güç kaynağını seçmeden önce hangi bilgilere ihtiyacınız var?

Herhangi bir ölçü almadan önce şunları hazırlayın:

• Servo sürücünün teknik veriler belgesinde belirtilen nominal sürekli akımı, tepe akımı ve DC besleme gerilimi aralığı.
• Motorun tork sabiti (Kt) ve ters elektromotor kuvveti sabiti (Ke).
• Uygulamanın hareket profili: her bir aşamanın torku ve süresi — hızlanma, sabit hızda seyir, yavaşlama ve duraklama.
• Yük dahil olmak üzere motor miline yansıtılan toplam atalet; dişli veya kayış oranlarına göre düzeltilmiş değer.
• Eksen, ister önemli bir atalet kuvveti ister aşırı bir yükü yavaşlatsın. Dikey eksenler, hızlı indeksleme ve büyük dönen kütleler, rejenerasyonu bir ayrıntıdan ziyade birincil bir tasarım faktörü haline getirir.

Sürücü ve Kaynak İşi Nasıl Paylaşıyor?

DC besleme gerilimi girişi üzerine tasarlanmış servo sürücüler — bunların arasında AMC’nin AxCent™, DigiFlex® Performance™ ve FlexPro® serileri de yer almaktadır — devre üzerinde üç fazlı şebeke gücünü doğrultmaz. Güç kaynağı, ayrı bir bileşendir ve ayrı olarak belirtilir.

Sürücünün teknik özellik belgesinde bir DC besleme gerilimi aralığı (örneğin, AMC’nin kompakt servo sürücülerinin çoğunda 10–80 VDC) ve sürekli/tepe akım değerleri belirtilmiştir; güç kaynağının görevi, yavaşlama sırasında geri dönen akım da dahil olmak üzere uygulamanın ihtiyaç duyduğu akımı sağlarken gerilimi bu aralık içinde tutmaktır.

Bu konunun büyük bir kısmını iki tedarik mimarisi kapsamaktadır ve ikisi arasında seçim yapmak gerçek bir ödün verme sürecidir.

Aşağıdaki adımlar, hangisinin uygun olduğunu belirler.

1. Adım — Sürekli Akım İhtiyacını Belirleyin

Güç kaynağının sürekli akım değeri, uygulamanın tam bir hareket döngüsü boyunca çektiği RMS akımı karşılamalıdır — sürücünün nominal sürekli akımı değil; zira bu değer, ancak uygulama sürücüyü tam nominal değerinde çalıştırdığında söz konusu rakama denk gelir. 

AMC’nin kendi servo motor boyutlandırma kılavuzu, motor torkunu belirlemek için RMS yöntemini kullanır; aynı yöntem akım için de doğrudan geçerlidir.

IRMS = √[ (I12t1 + I22t2 + … + In2tn) / (t1 + t2 + … + tn) ]

In = n numaralı hareket segmenti sırasındaki akım (A); tn = n numaralı segmentin süresi (s)

Kt = Ke = 0,09 N·m/A (kRPM başına yaklaşık 9,4 V) değerlerine sahip fırçasız bir servo motorla tahrik edilen tek eksenli bir döner mafsalı ele alalım; toplam yansıtılan atalet 2,0×10⁻⁴ kg·m² ve maksimum hız 5.000 RPM (523,6 rad/s) olan tek eksenli bir döner mafsal düşünün. Hareket profili: 1,4 N·m'lik ivmeyle hızlanma, 0,35 N·m'lik torkla çalışma, 1,4 N·m'lik ivmeyle yavaşlama ve ardından bekleme.

1,4 N·m’lik bir tork ve 2,0×10⁻⁴ kg·m²’lik bir moment yoğunluğu karşısında açısal ivme 7.000 rad/s²’dir; bu nedenle durma durumundan 523,6 rad/s’ye ulaşmak 75 ms sürer — aynı süre, yavaşlama için de geçerlidir. 150 ms'lik bir çalışma bölümü ve 400 ms'lik bir bekleme süresi eklendiğinde, döngü süresi 700 ms'ye, yani yaklaşık 1,4 Hz'ye ulaşır.

I = T/Kt formülüyle torku akıma dönüştürme: Hızlanma ve yavaşlama sırasında 15,6 A, çalışma aşamasında 3,9 A, durma aşamasında 0 A.

IRMS = √[(15,6² × 0,075 + 3,9² × 0,15 + 15,6² × 0,075) / 0,7] ≈ 7,4 A

Bu 7,4 A değeri — sürücünün 10 A’lık sürekli akım değeri değil — güç kaynağının sürekli akım değerinin karşılaması gereken değerdir.

2. Adım — En Yüksek Akım Talebini Belirleme

Tepe akım, profildeki en yüksek anlık akımdır — bu örnekte, hızlanma ve yavaşlama sırasında ölçülen 15,6 A. Sürekli akımdan farklı olarak, güç kaynağının bu tepe akımı süresiz olarak sağlaması gerekmez: AMC’nin DigiFlex® Performance™ sürücüleri, tepe akımını şarj temelinde sınırlar ve sınırlı bir aralıkta izin verdikten sonra tekrar sürekli değerine geri döner (bkz. AMC Uygulama Notu 003, Tepe Akım Geri Kazanımı). Güç kaynağının ihtiyaç duyduğu şey, bu aralık boyunca veriyolu geriliminin çökmemesi için yeterli marjdır — yetersiz boyutlandırılmış güç kaynağı empedansı veya kablo hatları, nominal akım teknik olarak mevcut olsa bile tepe yük altında veriyolunda gerilme yaratır ve sürücü, gerilme gösteren veriyolunu düşük gerilim olarak algılar.

AMC’nin kendi sürücü seçim kılavuzu, uygulamanın çekmesi beklenen akımdan en az 25% daha fazla akım kapasitesinin hem sürücüye hem de besleme kaynağına sağlanmasını gerektirmektedir. 7,4 A sürekli ve 15,6 A tepe akıma karşılık, 10 A / 20 A nominal değerine sahip bir sürücü — AMC’nin DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 modeli — sırasıyla 35% ve 28% marjıyla bu şartı rahatlıkla karşılamaktadır.

3. Adım — Çıkış Gerilimini Seçin

Çıkış gerilimi, sürücünün nominal maksimum değeri ile değil, motorun maksimum hızdaki ters EMF’si tarafından belirlenir. Motor daha hızlı döndükçe, ürettiği gerilim hızla doğrusal olarak artar; sürücünün akım döngüsünün akımı düzenlemeye devam edebilmesi için besleme geriliminin bu değerin üzerinde yeterli bir marjla kalması gerekir; aksi takdirde eksen, uygulamanın genellikle en çok ihtiyaç duyduğu anda tork ve hız kontrolünü kaybeder.

Vbemf,max = Ke × ωmaksimum

Ke = ters elektromotor kuvveti sabiti, V/(rad/s); ωmax = maksimum motor hızı, rad/s

Örnek motor için: Vbemf,max = 0,09 × 523,6 = 47,1 V.

AMC’nin sürücü seçimi kılavuzunda ayrıca, hedeflenen çalışma gerilimi ile hem düşük gerilim hem de yüksek gerilim sınırları arasında 25%’lik bir marj bırakılması gerektiği belirtilmektedir. Ters EMK taban değerine uygulandığında: Vbus,min = 1,25 × 47,1 V ≈ 58,9 V. 72 VDC besleme kaynağı — AMC’nin PS16H72 modeli, düzenlenmemiş, transformatör yalıtımlı, 11 A sürekli akım derecelendirmeli bir model — ham ters EMF'nin üzerinde 53%'lik bir marj bırakarak bu alt sınırı aşar ve DPRALTE-020B080'in 20–80 VDC nominal aralığı içinde rahatça yer alır.

Ancak bu durumda, sürücünün 80 V’luk üst sınırının altında sadece yaklaşık 10%’lik bir marj kalıyor ve otobüs gerilimini yükselten tek faktör ters EMK değil. Yavaşlama da buna neden oluyor — bu da boyutlandırılması gereken bir sonraki sorun.

4. Adım — Yenilenebilir Enerji için Kapasite Belirleme

Her bir yavaşlama olayı, yükün kinetik enerjisini sürücü üzerinden DC barasına geri aktarır. Düzenlenmemiş bir besleme kaynağının bu enerjiyi emebileceği bir yol yoktur — ters akımı emmek üzere tasarlanmamıştır — bu nedenle bu enerjinin gideceği bir yer olmadığından, baraj voltajı sürücü aşırı gerilim hatası verene kadar yükselir veya en kötü durumda baraj kondansatörleri aşırı yüklenir.

Eregen = 0,5 × Jtoplam × (ωi2 − ωf2)

Jtotal = motor miline yansıyan atalet, kg·m²; ωi, ωf = yavaşlamadan önceki ve sonraki açısal hız, rad/s

Örnek eksen için, 523,6 rad/s'den durma hızına kadar yavaşlama durumunda: Eregen = 0,5 × 2,0×10⁻⁴ × 523,6² ≈ olay başına 27,4 J.

Profilin 1,4 Hz'lik döngü hızında, bu değer yaklaşık 39 W'lık bir ortalama rejeneratif güce karşılık gelir (27,4 J × 1,4 olay/s). Direnç tabanlı bir çözümün sürekli olarak çalışabilmesi için, sadece anlık tepe değerine değil, bu ortalamaya göre boyutlandırılmış bir şönt regülatörü gereklidir.

AMC’nin SRST80 şönt regülatörü, 80 VDC’de sabitlenir — bu değer, DPRALTE-020B080’in nominal maksimum değerine uyarlanmıştır — ve 95 W sürekli güç dağılımı kapasitesine sahiptir. Örnekteki 39 W’lık ortalama yük, bu kapasitenin yarısından çok daha azını kullanır; bu da nominal tasarım durumuna kıyasla daha hızlı döngü veya daha yüksek atalet için marj bırakır.

Bu aynı zamanda 3. Aşamadaki gerilim başlık aralığı yetersizliğine karşı gerçek bir koruma yöntemidir: şönt regülatör, yalnızca başlık aralığına güvenmek yerine, veri yolunu sürücünün aşırı gerilim sınırına ulaşmadan önce bilinen bir gerilimde sabitler.

5. Adım — Besleme Düzenlemesini Uygulamaya Uygun Hale Getirin

Düzenlenmemiş bir besleme kaynağı ile harici bir şönt regülatörün bir araya getirilmesi — yukarıdaki PS16H72/SRST80 ikilisi — sınırlı ve öngörülebilir bir rejenerasyon profiline sahip tek eksenli veya az sayıda eksenli makineler için yaygın ve uygun maliyetli bir kombinasyondur. Ancak, bu düzenleyicinin çıkışı yüke ve giriş hat gerilimine göre değişir: 10% seviyesindeki yüksek bir hat gerilimi, herhangi bir rejenerasyon düşünülmeden önce 10% veriyolunu daha da yükseltir ve bu durum, ayrı bir marj olarak değerlendirilmemeli, 3. Adımdaki gerilim marjı kontrolüne dahil edilmelidir.

AMC’nin PFC2400W375 modeli gibi bir regüle edilmiş güç kaynağı, yük ve hat dalgalanmalarına rağmen çıkış gerilimini büyük ölçüde sabit tutar; ayrıca dahili şönt regülatörü ve güç faktörü düzeltme özelliği, ayrı bir bileşen eklemeye gerek kalmadan rejenerasyon olaylarını emerek giriş akımı harmoniklerini azaltır. Bu özellik, çoğu tek eksenli uygulamanın ihtiyaç duymadığı ek maliyet ve karmaşıklık getirir. Ancak şebeke gerilimindeki dalgalanmaların geniş olduğu durumlarda, birden fazla eksenin tek bir veri yolunu paylaştığı ve rejenerasyon olaylarının çakışabileceği durumlarda ya da harmonik içeriğinin tesisin güç kalitesi açısından önemli olduğu durumlarda bu özellik kendini amorti eder.

Besleme kaynağı ile sürücü arasındaki kablo, tepe akım altında kendine özgü bir voltaj düşüşüne neden olur; uzun veya yetersiz boyutlu kablolar, yetersiz boyutlu bir besleme kaynağı kadar doğrudan yukarıda hesaplanan marjları azaltır.

6. Adım — Başlangıç Akımı ve Ortak Veriyolu Yüklemesini Kontrol Etme

DC barası kapasitansı, sistemin açılışında düşük empedanslı bir yük oluşturur; ilk başlatma öncesinde – fabrika sahasında bir şalterin atmasından sonra değil – besleme kaynağının ani akım yükleme kapasitesini doğrulayın ya da bir ön şarj devresi ekleyin.

Birden fazla sürücü tek bir güç kaynağını paylaştığında, sürekli akımı her eksenin RMS talebinin toplamı olarak belirleyin — bu konuda bir kısayol yoktur. Tepe akımı ise uygulamaya daha özeldir: Tepe değerlerinin toplamına göre boyutlandırın; ancak hareket dizisi, eşzamanlı hızlanmayı ortadan kaldırdığı doğrulanmadıkça. Bu durumda bazı tasarımlarda çeşitlilik faktörü uygulanır — bu, bir karar meselesidir, varsayılan bir varsayım değildir.

Doğrulama

Güvenlik: Gerilim altındaki bir DC barasını kontrol ederken standart barası deşarjı ve kilitleme/etiketleme önlemleri geçerlidir. Sürücünün donanım kılavuzuna göre, temasa geçmeden önce barası geriliminin güvenli sınırlar içinde olduğunu doğrulayın.

Üretime geçmeden önce test tezgahında boyutlandırmayı doğrulayın. En kötü senaryodaki tepe akım durumu sırasında sürücü terminallerinde DC barası gerilimini ölçün — bu değer, sürücünün minimum nominal geriliminin üzerinde bir marjla kalmalıdır. Yük altında maksimum komut hızında tekrar ölçüm yapın; böylece ters EMF marjının sadece teoride değil, pratikte de korunduğunu doğrulayın. Tasarımda bir şönt regülatör varsa, tipik bir sürekli çalışma sırasında görev döngüsünü veya gövde sıcaklığını izleyin; aşırı ısınan veya neredeyse sürekli çalışan bir regülatör, rejenerasyon hesaplamasının yeniden gözden geçirilmesi gerektiğini gösterir.

Boyutu Yetersiz veya Uyumsuz Sarf Malzemeleriyle İlgili Sorunların Giderilmesi

Hata belirtileri, belirli bir boyutlandırma aşamasına işaret etmektedir:

AMC Donanımını Numaralarla Eşleştirme

Yukarıdaki örnek uygulamada üç adet gerçek ve uyumlu AMC parçası kullanılmıştır: bir DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 servo sürücü (10 A sürekli / 20 A tepe, 20–80 VDC), bir regülasyonsuz PS16H72 güç kaynağı (72 VDC, 11 A sürekli akım, transformatör yalıtımlı) ve bir SRST80 şönt regülatörü (80 VDC kelepçe, 95 W sürekli güç dağılımı). Hesaplamadaki her sayı, gerçek bir veri sayfasındaki bir teknik özelliğe karşılık gelir — boyutlandırma prosedürünün güvenilirliği, bu doğrulamanın güvenilirliği ile sınırlıdır.

Hat dalgalanmaları veya çakışan rejenerasyon olaylarının ciddi bir sorun teşkil ettiği yüksek güçlü veya çok eksenli sistemler için, AMC’nin PFC2400W375 — dahili şönt regülatörü bulunan, 375 VDC nominal gerilimli ve 2,4 kW sürekli güç sağlayan, regüle edilmiş ve güç faktörü düzeltmeli bir güç kaynağı — regüle edilmemiş bir güç kaynağının getirdiği ödünlerin artık kabul edilemez hale geldiği durumları karşılar. İkisi arasında seçim yapmak, 5. Adım’daki hangi dezavantaj ve avantaj kombinasyonunun önünüzdeki uygulamaya daha uygun olduğuna bağlıdır.

Sonuç

Bir servo sürücü için güç kaynağının boyutlandırılması dört kontrol unsuruna dayanır: sürekli akım, tepe akım, ters elektromanyetik kuvvet (back-EMF) üzerindeki gerilim marjı ve rejeneratif enerjinin nereye gittiği. Bu kontrolleri, sürücünün nominal maksimum değerleri yerine gerçek teknik özellik tablosundaki rakamlara göre yapın. Bu dört unsurdan herhangi birini atlarsanız, ilk arızalanan parça güç kaynağı olur.