Servo motor terimi ile son zamanlarda sıklıkla karşılaşmaktayız. Servo basit bir tanımla konumu kontrol edilebilen her motor servo motor ve bu motoru çalıştıran sürücü ise servo sürücüdür diyebiliriz. Servo motor akla farklı bir imalata sahip motormuş gibi gelse de, konumunu kontrol ettiğiniz sürece senkron motor, asenkron motor, fırçalı - fırçasız dc motor, step motor veya relüktans motor servo motor olarak kullanılabilir.

Servo motor olarak kullanılacak motorun sargıları yüksek sıcaklık ve yüksek gerilimlere dayanıklı emaye bakır tellerden sarılır. Boyutları küçültebilmek için saç aksamı yüksek manyetik akı geçirgenlik değerine sahiptir. Ayrıca kalkış ve frenleme süresine etkisini en aza indirmek için özellikle rotor diğer endüstriyel motorlara oranla biraz daha hafiftir. Servo motor sürücüleri temel olarak daha önceki yazı dizimizde bahsettiğimiz sürücüler ile aynı mantık ve altyapıda çalışır. Servo sürücüde kontrol işlemleri normal bir sürücüye göre daha karmaşık olmaktadır.
 

►İlginizi Çekebilir: Servo Motor Sürücüleri

Vektör kontrolde kısaca bahsettiğimiz gibi motor akım değerleri devamlı ölçülmekte, motor sargılarının daha yüksek akım (dolayısı ile ısı) değerlerine müsaade etmesi sayesinde kalkışta veya yük momenti değişimlerinde sürücü tarafından motora verilen darbe gerilimler ile tepki süreleri kısa tutulmaktadır. Yine yüksek dinamik frenleme akımları ile motor duruş süresi çok daha kısa olmaktadır.




Motor devri “0” sıfır yapıldığında motor etiket değeri kadar yükü milinde sabit tutabilir. Enerji kesildiğinde de milindeki yükü tutmasını sürdürmesi isteniyorsa servo motora balatalı (elektromanyetik) fren ilave edilir. Servo motorlarda 1500-3000 dev/dak gibi yüksek hız değerlerine sahiptir. Düşük devirler için redüktörler kullanılır. Servolarda kullanılan redüktörlerde dişliler arası diş boşlukları mümkün olan en küçük değerlerde tutulmuştur. Servo sistemlerde motor mil konumunun bilinmesi gerekmektedir. Bu nedenle motordan (veya bağlı bulunduğu sistemden) bu bilginin alınması için geri besleme elemanına ihtiyaç duyulur.

Kapalı döngü kontrol sistemi anlatılırken geri döngü elemanı olarak tako genaratörden bahsetmiştik. Tako genaratör motor devri ile orantılı olarak gerilim ürettiği için hız bilgisini verse de konum bilgisini veremez servo sistemlerde konum bilgisi resolvers veya encoder dediğimiz elemanlar ile alınır. Bu geri dönüş elemanları motor milinin bir turunu 1024 parçaya bölebilmekte yani 0,35 derece hassasiyetinde konum bilgisi verebilmektedir. Bu hassasiyet ilk bakışta size çok gibi gelse de basit iki örnek ile yapılabilirliğini ve gerekliliğini daha iyi kavramaya çalışalım.

Paketinden çıkarttığınız A4 kağıtlarının boyutları arasında 1mm dahi olsa fark var mı? Aslında 1mm bir servo sistem için oldukça kaba bir hassasiyettir servo sistemler mm'nin altındaki hassasiyetlerde çalışmaktadırlar. Bir göz ameliyatı sırasında lazer tabancası 1 mm'nin 1/10'u kadar dahi hata yapsa ne olur?
 

►İlginizi Çekebilir: PLC Nedir? Ne İşe Yarar?

Resolvers veya encoderden gelen konum bilgisinin ve hızın okunması, motor faz akımlarının alınması bunların değerlendirilmesi, karşılaştırılması ve yeni konuma ait verilen zaman veya hız değeri ile gidilmesi için motor frekansının ve gerilim değerlerinin anlık zaman dilimlerinde kontrolü, çok yüksek çalışma hızı ve matematik işleme kapasitesine sahip kontrol üniteleri gerektirir. Bu işlemlerin yanı sıra servo sürücüler programlanabilme özelliğine de sahiptirler. PLC'lerde olduğu gibi lader, fonksiyon blok veya Visual Basic, C gibi programlama dilleri ile servo sürücüler programlanabilirler. 

Diğer otomasyon sistemleri ile beraber çalıştığı için servo sürücülerin sahadan bilgi alması ve bilgi göndermesi için üzerinde analog ve dijital, giriş-çıkışlara ihtiyaç duyar. Bu giriş çıkışlar üzerinde standart olarak bulunabileceği gibi ihtiyaçlara göre eklenebilir de olabilir. Ayrıca üzerinde bir veya birkaç veri iletişim protokolünü destekleyen haberleşme portları vardır.



Servo sürücü programlamada öncelikle bir referans konumu verilir ve bu konum servonun başlangıç noktasıdır. Bir sensör veya sınır anahtarının sürücü dijital girişlerine bağlanması ile sağlanır. Bunun anlamı şudur sürücü konum bilgisini kaybettiği zaman (örneğin elektriklerin kesilmesi veya mekanik aksaklıklar) sürücü, motoru ilgili yönde döndürerek bağlı olduğu tezgahı hareket ettirir ve tezgah referans sensörü (hard limit) tarafından algılandığında yani ilgili sürücü dijital girişi aldığında tezgahı durdurur ve başlangıç noktası olarak burayı kabul ederek işlemlerini bu noktaya göre sürdürür. Bazı durumlarda da servo işlemini yaptıktan sonra referans noktasına çekilerek bir sonraki işlem için burada beklemesi istenir.
 

►İlginizi Çekebilir: Temassız Algılayıcılar

Servo sürücünün programlanması birçok parametre değerinin verilmesi, giriş-çıkışların değerlendirilmesi ve yeni giriş-çıkışların atanması, zamanlama ve birçok fonksiyon bloklarının kullanılması ile gerçekleştirilir ve uzmanlık isteyen zor bir konudur. Fakat temel olarak programlama parametrelerine şu şekilde birkaç örnek verebiliriz.

Kalkış rampası: Motorun bir konumdan diğerine ne kadar bir devirle (başlangıç devri–varış devri) veya zamanda hızlanması gerektiği bilgisi girilir.
Duruş rampası: Motorun bir konumdan diğerine ne kadar bir devirle (mevcut devir–duruş devri) veya zamanda yavaşlaması gerektiği bilgisi girilir.
Yol bilgisi: Motorun gitmesi istenen yol lineer veya açısal olarak verilir. Burada dikkat edilmesi gereken motorun gitmesi istenen konumun en son kaldığı konumdan mı yoksa referans noktasına göre mi gideceğidir.
Hız bilgisi: Motorun çıkması veya inmesi istenen devir.
 

Şekil 1:  Servo sürücülerin kullandığı parametreler

Bu parametreler her bir konum için farklı değerlerde defalarca verilebilir. Servo motor eğer verilen bu emirleri yerine getiremeyecek olursa örneğin verilen zaman içerisinde verilen konuma gidemez veya istenen momenti sağlayamaz ise ilgili hataya ait bir hata kodu verir. Servo sürücünün programlanması sırasında motor bilgisinin (güç, akım, devir. vb) ve geri dönüş elemanının özelliklerinin (resolvers – encoder özelliklerinin) programa girilmesi gerekmektedir.

Şimdiye kadar motor seçimlerinde kW veya Hp cinsinden motor gücünü kullansakta, servo motorlar güç değil Nm (Newtonmetre) cinsinden moment olarak sınıflandırılmıştır. Motor seçimleri ve siparişleri Nm olarak yapılmaktadır. Her markanın kendi sürücüleri için özel programlama yazılımları bulunmaktadır. Aşağıda basit bir örnek sistemin çalışmasını programlama dilinde yazmasak ta programlama mantığı olarak ele alacağız.

Bir otomatik matkap tezgahının şu şekilde çalışması isteniyor.

 

Sürücünün ilk çalıştırılması DI1 (1 no'lu dijital giriş) girişi ile olacaktır ve Start butonu ile DI1 den başla sinyali verildiğinde servo motor tezgahı 50 dev/dk lık hız ile ile geri yönde dönerek hareket ettirecektir.
 

Şekil 2: Otomatik matkap tezgahı

Tezgah referans sensörünü gördüğünde sensör sürücünün DI3 girişine sinyal verecek ve motor frenlenecektir. Oparatör delinecek parçayı tezgaha bağladığında DI4 girişine bağlı butona basacak ve servo motor 100 mm ileri hareket edecektir. Bu harekete 0 dev/dak ile başlayıp yol sonunda 80 dev/dk'ya ulaşacaktır. 100 mm yol sonunda DQ1 (1 no'lu dijital çıkış ) sinyal vererek ayrı bir asenkron motor olan matkap motorunu ileri yönde döndürecektir. 100mm konumda 5 sn bekledikten sonra 100 dev/dk lık hızla bulunduğu noktadan 150 mm daha hareket edecek ve 150 mm (yani gerçekte 100+150) sonunda DQ1 çıkışını kesip DQ2'ya çıkış vererek matkap motorunu ters yönde döndürecektir. Servo motorda hızını 50 dev/dk ya düşürerek bulunduğu konumdan 250 mm geri gelecektir. Dönüşte 100 mm den geçişte DQ2 çıkışını keserek matkap motorunu durduracaktır. Tezgaha bir sonraki parça bağlanıp DI3'e bağlı butona basana kadar servo milindeki yükü tutarak bekleyecektir. DI2 acil stop olup basılması halinde matkap motoru ve servo motor hızları “0” sıfır olacaktır. Yukarıdaki örnek çok basit olup gerçekte birçok servonun birbiri ile koordineli çalıştığı sistemler bulunmaktadır.

 

Eksen asıl olarak X-Y-Z koordinat sisteminden gelen ve hareket yönlerini belirtmek için kullanılan bir tabirdir. Servo sistemlerde eksen aynı servo sistem içerisinde çalışan motorlardan her biridir diyebiliriz.
 

Şekil 3: Robot kolundaki eksenler

Birden fazla eksenin kullanıldığı sistemlerde her bir eksen diğer ekseni tamamlayıcı çalışma gerçekleştireceği için sürücüler birbirlerine endüstriyel haberleşme protokolleri ile bağlı olması gerekmektedir.
 

Peki bu sürücülerden hangisi haberleşmeyi başlatacak? veya diğer sürücülerden veri alıp veri aktaracak?

Birden fazla müdürün olduğu bir şirkette koordinasyon nasıl karışacak olursa birden fazla servo sürücünün olduğu sitemlerde koordinasyon ve kontrolün gerçekleştirilebilmesi için sürücülerin yetkilendirilmesi gerekir. İşte bu noktada master ve slave terimleri işin içine girer. Master kelime anlamı olarak yönetici, sahip slave ise çalışan, köle anlamına gelir. Sürücülerden biri master olarak seçilir (ayarlanır). Diğer sürücüler slave olarak ayarlanır ve master sürücüye ve slave sürücülerin her birine bir iletişim adresi verilir (IP – Port numarası). Sistem master sürücünün kontrolü altındadır. Haberleşmeleri master sürücü başlatır ve bitirir. Ayrıca diğer sürücülerden bilgi alabildiği gibi bilgide yazabilir.
 

Senkron çalışmada en az iki servo motor eşzamanlı çalışma gerçekleştirir. Senkron çalışmada slave servo (veya servolar) master servodan alacağı yol bilgisine göre kendi konumunu ayarlayarak master servo ile eş çalışır. Bu çalışmaya en güzel örnek uçan testereler verilebilir. Banttan akan malzemenin kesilmesi için her kesim boyunda bandın durdurulup kesme işlemini yapılması büyük bir zaman kaybıdır ayrıca arkadan devamlı imal edilip gelen malzemenin durdurulması önceki imalatı etkilemesi nedeni ile çok zordur.

 

Şekil 4: Uçan testere

Şekil 4'te banttan akan bir profilin kesilmesi gösterilmiştir. Master servo bandı belirli bir hızda sürmektedir. Daire testereyi ise slave servo ileri geri hareket ettirmektedir. Kesim noktasına gelmeden slave servo master servodan aldığı hız bilgisi ile kendi hızını bandın hızına eşitlemekte ve kesim noktasından itibaren testere profili kesmektedir. Kesim işlemi bitip testere geri çekildiğinde slave servo senkrondan çıkarak daha hızlı bir şekilde geri gelmekte ve yine master servo ile senkron hareket ederek sonraki kesimi gerçekleştirmektedir. Eğer burada bant hızı ve testereyi hareket ettiren hız eşit olmazsa kesim testerenin parçalanması ve malzemenin ziyan olması ile sonuçlanacaktır. Daha öncede söylediğimiz gibi yol bilgisi (veya hız) lineer veya açısal olarak verilebilir. Yol (veya hız) bilgisini verirken motor miline bağlı olan redüktörün dönüştürme oranı,sistemdeki diğer dişliler, sonsuz vidalar veya kramayer dişlilerinin geometrik ve matematik hesaplarının çok iyi yapılarak gerçek yol bilgisine ulaşılması gerekmektedir.
 

Birden fazla servo motorun kullanıldığı sistemlerde sürücüye vermiş olduğumuz yol bilgisi aslında motorların gitmesini istediğimiz konumlardır. Motorların bu konumlardan geçişi (yol alması) sırasında mekaniki açıdan sistemi zorlayacak, tepki süresini düşürecek geçişlerde, istenildiği taktirde yol bilgisi servo sürücü tarafından otomatik olarak optime edilerek sistem hızı arttırılır ve sisteme gerekli mekaniki rahatlama sağlanabilir.
 

Şekil 5: İnterpolasyon yapılmamış yol bilgisi

Program tarafından yapılan interpolasyon sonucu ortaya çıkan yol bilgisi programdaki bazı parametrelerin değiştirilmesi ile kabul edilebilir noktalara getirilebilir. interpolasyon kartezyen robot veya robot kolu gibi uygulamalarında çok büyük kolaylıklar sağlar. Aslında interpolasyon için servo sürücünün birçok matematik işlemleri gerçekleştirmesi gerekmektedir.
 

Şekil 6: İnterpolasyon yapılmış yol bilgisi
 

Şekil 7: Birbiri ile koordineli çalışan kartezyen robot sistemi

Bir sonraki yazımızda “Kapalı Döngü Elemanları - Encoder” konusunu inceleyeceğiz.

Kaynak:
www.kumanda.org