Servo Motorlar

1.1. Servo Motor Tanımı

Servo motor, bir mekanizmada son kontrol elemanı olarak görev yapan motordur. Genellikle güç sağlayan motorlar belirli bir hızda dönmeye göre tasarlanırken servo motorlar çok geniş bir hız komutunu yerine getirecek şekilde tasarlanır. Servo motorlar kullanıcının komutlarını yerine getiren motorlardır. Komutlar, pozisyon ve hız komutları veya hız ve pozisyonun birleşimi olabilir. Bir servo motor şu karakteristiklere sahip olmalıdır:

a.: Geniş bir hız sınırı içinde kararlı olarak çalışabilmelidir.
b.: Devir sayısı, hızlı ve düzgün şekilde değiştirilebilmelidir. Yani küçük boyuttan büyük moment elde edilebilmelidir.

1.2. Servo Motor Çeşitleri

DA Servo motor
AA Servo motor

Servo motor AA ya da DA olarak bulunur. İlk zamanlarda servo motor genelde DA motorlardır. Çünkü uzun yıllar yüksek akımlar için tek kontrol yöntemi tristör kullanılmaktaydı. Transistörler yüksek akımları kontrol etme yeteneği kazandıkça ve yüksek akımları yüksek frekanslarda anahtarlandıkça servo motorlar daha sık kullanılmaya başlandı. İlk servo motor özellikle güçlendiriciler için tasarlanmıştı. Step motor kullanılmayan kapalı devre (çıkışın kontrol edildiği) sistemlere servo sistem diye adlandırılmaktadır. Bu yüzden hız kontrolcüye bağlanmış basit bir AA endüksiyon motorunun da servo motor olarak adlandırmak mümkündür.

Servo motor olarak tasarlanmış bir motorda yapılması gereken değişiklikler; ısıtma yapmadan bir hız aralığında çalışma kabiliyeti, sıfır hızda çalışırken yükü belirli bir pozisyonda tutmaya yeterli torku sağlama yeteneği ve uzun süreler için aşırıısınmadan çok düşük hızlarda çalışma kabiliyetidir. Eski tip motorlarda doğrudan motor şaftına bağlanmış bir motor fanı bulunur. Motor düşük hızda çalışırken fan, motoru soğutmak için yeterli havayı hareket ettiremez. Daha yeni motorlarda ayrı bir fan monte edilmiştir. Bu fan, ideal soğutucu havayı sağlar. Bu fan sabit bir gerilim kaynağıyla güçlendirilmiştir. Böylelikle servo motorun hızından bağımsız olarak her zaman maksimum devirde döner.

1.2.1. DA Servo Motor

Bu motorlar konvansiyonel DA motorlar gibi üretilirler; ancak boyutları minyatürdür ve kutupsal hareketsizlik momentini minimize etmek için endüvide uzunluk/yarıçap oranı yüksektir. Alan sarılabilir, bu durumda ayrık ya da merkeze bitişik olur. Alternatif olarak alan sistemi sabit mıknatıslarla (genellikle ferrit) kurulabilir, bu durumda motor sabit mıknatıslı motor olarak bilinir ve sadece endüvi (armatör) kontrol edilebilir Endüvi ya komütatör iki taraflı baskı devre olabilir ve böyle motorlar DA motor olarak bilinir. Kutupsal eylemsizlik momentini düşük tutmak için düşük endüvi kütlesi düşük uzunluk/yarıçap oranını dengeler.

1.2.2. DA Motorun Yapısı

Klasik tip DA motorlarda komütasyon (DA makinelerinde endüvi sargılarında akımın yönünü değiştirme işlemi) için kullanılan komütatör ve fırçalardan kaynaklanan mekanikselelektriksel problemleri ve sınırlamaları yenmek için fırçasız motorlar tasarlanmıştır. Sonuçta klasik DA motorun performansını sağlaması hedeflenmiştir. Fırçasız motorlar; stator, rotor, sürme devresi (invertör) ve rotor konum algılayıcısından oluşur.

Motor tek olarak ele alındığında, sürücü ve konum algılayıcı motor üzerinde olmayabilir. Fakat fırçasız motorun sürücüsüz ve konum algılayıcısız(geri besleme elemanı) olarak bir DA güç kaynağından çalışması mümkün değildir.

Şekil 1.1: Fırçasız servo motorun yapısı

Şekil 1.2: Fırçasız servo motor çalışma prensibi

Rotorda sabit mıknatıslar bulunan, modern elektronik sürücüler ile kontrol edilen senkron motorlardır.
DA servo motorlardaki gibi komütatör ve fırça elemanları olmadığından güvenilir, kararlı ve küçük boyutlarda imal edilir.
Üç faz sargılarında uygulanan sinüs şeklindeki akım ile hava aralığında bir döner alan oluşturur.

1.2.2.1. Stator

Stator, makinenin duran kısmıdır. Stator saclar ve sargılardan oluşur. Saclar, asenkron veya senkron motorlarda olduğu gibi birer yüzeyi silisli olup üzerlerine kalıplarlar stator oyukları açılır. Biçimlendirilen stator sacları sıkıştırılarak perçinlenir veya somunla sabitlenir.

Saclara toplu sarıma vedağılımlı sarıma göre şekiller verilmiştir. Sacların kalınlığı kaynak gerilimin frekansı, maliyet ve nüve kayıplarının dikkate alınmasına bağlıdır.

Kalıcı mıknatıslı makinenin büyük çoğunluğunda, özellikle güç uygulamalarında kullanılan makinelerde, bir veya çok fazlı sargıları AA makinelerine benzer. Aşağıdaki Şekil1.3 toplu ve dağılımlı sarım için stator sac şekilleri gösterilmiştir.

Şekil 1.3: Stator sac şekilleri, a)Toplu sarım için, b)Dağılımlı sarım için sac şekli

1.2.2.2. Rotor

Motorun uyartım akısı rotora yerleştirilen kalıcı mıknatıslar tarafından sağlanmaktadır. Kalıcı mıknatıs malzemelerin yüksek kalıcı mıknatısiyet ve yüksek giderici kuvvet özelliklerine sahip olması gerekir. Rotor sinterlenmiş veya bağlanmış ferrit, nadir bulunan malzemeler, nidyum-demir-boron veya alnico (Alüminyum-Nikel-Kobalt) tipi mıknatıs malzemelerden yapılır.

1.2.2.3. Yatak Gövde

Stator, içerisine sabitlendiği bir yatak gövde ile desteklenir ve yatak gövde makinenin manyetik olmayan yapıya sahip kısmı olup bir makinenin bütün esas elemanları içerisinde bulundurur. Yatak gövdeler kapalı veya havalandırmalı olabilir. Yatak gövde makine ısısını kolaylıkla iletecek, rotor yataklarına destek verecek yük ve bağlantılarına uygun olacak özellikte (alüminyum gibi) olmalıdır.

1.2.2.4. Sargılar

Kalıcı mıknatıslı makinelerin büyük çoğunluğunda, özellikle güç uygulamalarında kullanılan makinelerde, bir ve çok faz sargıları AA makinelerine benzer. Sargılar genellikle çift katmanlı (iki sargının birer kenarları bir oyuğa) ve paralel sarım kullanılırken, tek katmanlı toplu sarımlar da kullanılmaktadır. Sargılar, faz grupları ve fazlar oyukların dışında kalan bölgelerinden yalıtılmalıdır. Oyukların içerisine yerleştirilen teller hem yalıtımı güçlendirmek hem de yapısal destek için verniklenir ve fırınlanır.

Komütatör ve fırçaların kaldırılması için sargıların statora yerleştirilmesi gerekmektedir. Statorda genellikle iki tip sarım kullanılmaktadır. Toplu sarım ve dağılımlı sarım.

Şekil 1.4: Stator sarım şekilleri a)Toplu sargılı 3-kutuplu ve 3-oyuklu stator kesiti b-Dağılımlı sargılı 24 oyuklu, 4-kutuplu,3-fazlı stator kesiti

1.2.3. Servo Motorun Çalışması

DA servo motorların iki farklı sargısı vardır. Statora konulan alan sargısı ve rotora konulan endüvi (armatör) sargısı. Her iki sargı da DA gerilim kaynağına bağlıdır. Servo uygulamalarda sargılar farklı DA kaynaktan tarafından beslenir.

DA motorun alan sargısı genelde şematik olarak çekirdek biçiminde gösterilir. Alan sargısı da VF ile gösterilen DA gerilim kaynağına bağlıdır. Endüvi sargısı ise şematik olarak iki kareyle temas eden bir daire ile gösterilir Bu DA endüvinin silindir şeklinde olması ve yüzeyinde iki fırçanın baskı yapmasından dolayıdır. Endüvi sargısı VA gösterilen DA gerilim kaynağına bağlıdır.

DA motorların çoğu büyük yükler için kullanılan sabit mıknatıslı tiptir. DA motorun dönme yönü ve hızı endüvi akımı ile belirlenir. Endüvi akımındaki artış, hızı da artırır Motorun endüvi akımının yönünü değiştirmek motorun dönüş yönünü de değiştirir.

DA servo motorların temel çalışma prensibi klasik DA motorlarla aynıdır. DA servo motor genellikle endüvi gerilimi ile kontrol edilir. Endüvi, büyük dirence sahip olacak şekilde tasarlanır. Böylece moment-hız karakteristikleri doğrusal olmaktadır. Endüvi mmk’i ve uyartım alanı mmk’i bir doğru akım makinesinde diktir. Bu özellik, hızlı moment tepkisi sağlar. Çünkü moment ve akı birbirinden bağımsızdır. Bundan dolayı endüvi gerilimindeki ve akımındaki adım şeklindeki bir değişim sonucunda, rotorun hızında veya konumlamada hızlı değişiklikler gerçekleşir.

Şekil 1.5: a) DA Servo motor alan ve endüvi sargısı b) Kararlı hız-VA grafiği c)Moment-hız grafiği

1.2.4. DA Servo Motor Çeşitleri

DA servo motor yabancı uyartımlı DA motorlar veya kalıcı mıknatıslı DA motorlardır. Servo sistemde çalıştığında, motor alan ya da endüvi kontrollü olabilir ve endüvi ya gerilim kaynağından ya da akım kaynağından beslenir. Her kombinasyon farklı tork hız karakteristiği sunar. Bunların bağlantılarını DA servo motor çeşitleri olarak adlandırabiliriz. Fakat çok fazla kullanılmadığı için açıklamayacaktır.

Bunlar:

Alan Kontrollü-Sabit Endüvi Gerilimli Beslemeli
Alan Kontrollü-Sabit Endüvi Akım Beslemeli
Endüvi Kontrollü-Sabit Alan Beslemeli
Seri Ayrık Alanlı Servo Motorlardır.

Şekil 1.6: DA Servo motor çalışma prensip şeması

1.3. AA Servo Motorlar

DA servo motorların güçleri birkaç Watt’an birkaç yüz Watt’a kadar olabilir. DA servo motorlar, yüksek güçlü uygulamalarda kullanılır. Günümüzde, AA servo motorlar hem düşük hem de yüksek güç uygulamalarda kullanılmaktadır. AA motorların yapıları basit ataletleri düşüktür. Ancak, genellikle doğrusal olmayan özellik gösteren ve yüksek manyetik bağa sahip makinelerdir. Ayrıca moment-hız karakteristikleri DA servo motorlarınki gibi ideal değildir, bunların yanı sıra AA servo motorları aynı boyuttaki DA servo motor ile karşılaştırıldıklarında daha düşük momente sahiptir.

Resim1.3: Çeşitli tip AA servo motorlar

1.3.1. İki-faz Servo Motor

Kontrol sisteminde kullanılan çoğu servo motor AA servo motorlar, iki faz sincap kafesli asenkron makinelerdir. Frekansları normal olarak 60 Hz veya 400 Hz olabilir. Yüksek frekans hava yolu sitemlerinde kullanılmaktadır.

İki faz AA servo motorun şematik diyagramıŞekil 1.7’de gösterilmiştir. Stator birbirinden 90° elektriksel açılı dağıtılmış iki sargıdan oluşur. Sargının biri, referans fazı veya sabitlenmiş faz olarak adlandırılır ve genliği sabit bir AA gerilim kaynağına (Vm<-0) bağlanır. Diğer kontrol fazı olarak adlandırılır ve referans fazı ile aynı frekansa sahip genliği ayarlı bir AA gerilimle beslenir. Ancak kontrol fazı ile referans fazı arasında 90 elektrik derecesi vardır. Kontrol fazının gerilimi genellikle bir servo yükselteçten sağlanır. Motorun dönüş yönü, kontrol fazı ile referans fazı arasında ki faz ilişkisinin ileri veya geri olmasına bağlıdır. Dengeli iki –faz geriliminin genlikleri eşit( Va=Vm ) olduğunda motorun moment – hız karakteristiği üç faz asenkron motora benzerdir. Düşük rotor dirençlerinde bu karakteristik doğrusal değildir (Şekil 1.7.a), Böyle bir moment-hız karakteristiği, kontrol sistemlerinde kabul edilemez. Ancak, rotor direnci yüksek ise moment hız karakteristiği Şekil 1.7.b’deki gibi geniş bir hız aralığında; özellikle sıfır hız seviyelerinde aslında doğrusaldır. İki faz asenkron makineyi kontrol etmek için referans sargısı genliği sabit bir alternatif gerilim ile kontrol sargısı ise genliği ayarlanabilen bir alternatif gerilimle beslenir.

a) b) Şekil 1.7: a) İki-Faz AA Servo motor b) İki faz AA servo motorun moment-hız grafiği

1.3.2. Üç Fazlı Servo Motorlar

DA servo motorlar, yüksek güç servo sistemlerin uygulama alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak son yıllarda yüksek-güç sistem uygulamalarında üç-faz asenkron motorun servo motor olarak kullanımı üzerine yapılan araştırmalar başarıya ulaşmış ve 3 ~ ‘lı asenkron motor yüksek-güç uygulamalarında hızlı bir şekilde yerini almaya başlamıştır. 3 ~’lı asenkron motor yapı olarak dayanıklı olmakla beraber doğrusal olmayan bir özelliğe sahiptir ve bundan dolayı kontrolü karmaşıktır.

Son yirmi yıldaki çalışmalar, 3 ~’lı asenkron motorun yabancı uyartımlı DA motoru gibi kontrol edileceğini göstermiştir. 3 ~’lı asenkron motorun stator akım vektörünün, birbirine dik, birbirinden bağımsız iki bileşenle temsil edildiği ve dik bileşenlerden biriyle momentin, diğeriyle akının kontrol edileceği tekniğe vektör moment tepkisi sağlanmaktadır (Şekil:1.8). Vektör kontrollü 3 ~’lı asenkron motorun servo motor olarak kullanılmasına ilişkin bir blok diyagramı verilmiştir.

Resim1.4: AA servo motor

1.4. Servo Motorların Kullanıldığı Yerler

Servo motorlar, bazen kontrol motorları olarak da adlandırılır, elektrik motorları olup özellikle kontrol sistemlerinde çıkış hareketini kontrol edici olarak kullanılmak üzere tasarlanır ve üretilir.

Servo motor birkaç Watt’an birkaç yüz Watt’a kadar olabilir. Servo motorlar, yüksek hız tepkisine sahiptir. Bu özellik ise servo motorların düşük rotor ataletine sahip olmalarını gerektirir. Bu motorlar daha küçük çaplı ve daha uzundur. Servo motor normal olarak düşük veya sıfır hızda çalışır; bundan dolayı moment veya güç değerleri aynı olan klasik motorlara göre boyutları daha büyüktür. Hassas devir sayısı ayarı yapılabilir, ayrıca devir sayıcı gerekmez.

Servo motorların kullanım alanı çok geniştir. Servo motorlar; robotlar, radarlar, nümerik kontrollü makinelerde (CNC),otomatik kaynak makinelerinde, pres makinelerinde, paketleme makinelerinde, sargı yarı iletken üretim ünitelerinde, yüksek hızlı çip yerleştiricilerinde, tıbbi cihazlarda, anten sürücüleri vb. yerlerde kullanılır.

Dinamik yük ve hız değişikliği
Yüksek kararlılık
Pozisyonlama
Periyodik çalışma

1.5. Servo Motor Sürücülerinin Teknik Özellikleri

1.5.1. Servo Sürücüler

Motor, aktarma organı ve yükten oluşan mekanik servo sistemin hız, moment veya pozisyon değişkenlerinden herhangi birinin bu değişkenle ilgili verilen referans değerine uygun olarak hareket ettirilmesini sağlayan elektronik güç elemanıdır. Servo sürücüleri DA servo sürücüler ve AA servo sürücüler olarak ikiye ayrılır.

1.5.1.1. DA Servo Sürücüler

Darbe genişlik modülasyonu ile çalışan, genellikle analog ya da dijital sürücülerdir. Geri besleme olarak tako jeneratör, hall sensör veya artırımlı enkoder kullanılır. Dinamik performansı düşük kullanımı kolay ve ucuz sürücülerdir.

Şekil 1.9: DA Servo motor sürücü çalışma prensip şeması Resim1.5: Çeşitli tip DA servo sürücüler

1.5.1.2. AA Servo Sürücüler

Sinüsoidal darbe genişlik modülasyonu ile çalışan, analog veya dijital yapıda sürücülerdir. Geri besleme olarak hall sensör, çözümleyici artırımlı enkoder veya mutlak (sin/cos) encoder kullanılır. Dinamik performansı yüksek kullanımı bilgi gerektiren DA servo sürücülere göre daha pahalıdır.

Resim1.6: AA servo motorlar ve sürücüleri

İnvertörlerde kullanılan transistörler rotor konum bilgisine uygun göre uygun sırada iletime veya kesime geçirilerek motor kontrolü yapılır.

1.5.1.3. Geri Besleme Elemanlarının Seçimi

Servo motorların en önemli özelliği sürücü devresinin olmasıdır. Fakat tek başına sürücünün bulunması bir anlam ifade etmez. Çünkü sürücü, kendisine gelen bilgileri(verileri) servo motora iletir ve pozisyonunun uygun yerde ve hızda olup olmadığını, geri besleme elemanları ile kontrol edilir. Sistemin özelliğine göre bu elmanlar seçilir.

Mutlak pozisyon ölçümü gereksinimi >>> Resolver veya Sin-Cos enkoder

Yüksek hız çalışması >>> Artımlı encoder

Düşük hız çalışması >>> Resolver veya enkoder

Doğruluk(hassasiyet ) >>> Artımlı enkoder

Yüksek sıcaklıkta çalışma >>> Resolver

Resim1.7: Sürücü ve ilave modülleri Resim1.9: Hall sensörü

1.6. Sürücü ile Servo Motorların Bağlantıları

Şekilde 1.14’te görüldüğü gibi servo motor ile sürücü arasında iki bağlantı vardır. Bunlardan güç bağlantısı üçü faz biri nötr iletkeni 4 damarlı iletkenle yapılır. Geri besleme elemanı ile RS-232 veya RS-485 bağlantı kabloları ile bağlanarak veri alış verişinde bulunabilmesi için kontrol bağlantısı yapılır. Motorun mili istenen sisteme bağlanır. Örneğin; dişli kutusu, sonsuz vida, taşıyıcı, kayış-kasnak vb.

1.7. Servo Motor ve Sürücü Seçimi

Servo sistemlerde her firmanın boyutlandırma programı vardır. Bunlardan biri de Control Technıques ‘CTSS’ bir servo sistem programıdır.

Mekanik detayları belirlenen servo sistemler için servo motor boyutları işlemi seçimi gerçekleştirilir.

Belirlenen servo motora uygun servo sürücü seçimi gerçekleştirilir.

- Uygulama Adımları
  - Sistem elemanları çalışma sayfasına eklenir.
  - Elemanlar arası bağlantı kurulur.
  - Seçilen elemanların özellikleri sisteme uygun olarak hesaplanır.
  - Servo sistem detayları dinamik olarak hesaplanır.
  - Kurulan sistem yapısı ile dosya olarak saklanabilir veya yazılı raporlanabilir.
- Sistem Elemanları
  - Dişli kutusu “Gear box”
  - Sonsuz vida “lead Screw”
  - Kayış-kasnak “Belt-dulley”
  - Taşıyıcı dişli “Roct Pinion”
  - Taşıyıcı “Conveyor”
  - Silindir sürücü “Cylinden DRive”
  - Besleme merdanesi “Feed Roll”
  - Mekanik bağlantı “Coupling”
  - Çeşitli eylemsizlik “Misc Inertia”