I-D.C. SERVO MOTORLAR

Transkript

1 I-D.C. SERVO MOTORLAR D.C servo motorları, genel olarak bir D.C. motoru olup, motora gerekli D.C. aşağıdaki metotlardan elde edilir. 1- Bir elektrik yükselteçten. 2- A.C. akımın doyumlu reaktörden geçirilmesinden. 3- A.C. akımın tristörden geçirilmesinden. 4- Amplidin, retotrol, regüleks gibi dönel yükselteçlerden elde edilir. D.C. servo motorlar çok küçük güçlerden çok büyük güçlere kadar imal edilirler(0i05 Hp den 1000 Hp ye kadar). Bu motorlar klasik D.C. motorlar gibi imal edilirler. Bu motorlar küçük yapılıdır ve endüvileri (yükseklik. uzunluk / Çap oranıyla) kutup atalet momentini minimum yapacak şekilde tasarlanırlar. Küçük çaplı ve genellikle içerisinde kompanzasyon sargısı olan, kuvvetli manyetik alanı boyu uzun doğru akım motorlarına da servo motor denir. D.C. servi motor çalışma prensibi açısından aslında, Statoru Daimi Mıknatıs bir D.C. motordur. Daimi mıknatıslar tarafından meydana getirilen manyetik alan Şekil.2.3 de de gösterilmiş olan manyetik alan vektörü ile gösterilmiştir. Manyetik alan ile içinden akım geçirilen iletkenler arasındaki etkileşim nedeniyle bir döndürme momenti meydana gelir. Bu döndürme momenti manyetik alan vektörü ile sargı akım vektörü arasındaki açı 90 olduğunda maksimum değerin alır. Bir D.C. sevromotorda fırçaların konumları, her iki dönüş yönü için de döndürme momenti açısının 90 olmasını sağlayacak şekilde belirlenmiştir. Kolektör segmentlerinin fazla olması neticesinde momentin sıfır bir noktada rotorun hareketsiz kalması engellenmiş olur. Şekil.2.3 de gösterildiği gibi D.C. motorlarda manyetik alan hatları akım doğrultusunu 90 lik bir açı ile keser. Bu çalışma karakteristiği sayesinde, üretilen moment ile rotor sarımlarından geçen akım daima orantılıdır. Sanayide kullanılan çeşitli doğru akım motorları vardır. Servo sistemlerde kullanılan doğru akım motorlarına ise D.C. servomotorlar adı verilir. D.C. servomotorlarda rotor eylemsizlik momenti çok küçüktür. Bu sebepten piyasada çıkış momentinin eylemsizlik momentine oranı çok büyük olan motorlar bulunur. Bazı D.C. Servomotorların çok küçük zaman sabitleri vardır. Düşük güçlü D.C. servomotorlar piyasada genellikle bilgisayar kontrollü cihazlarda (disket sürücüler, teyp sürücüleri, yazıcılar, kelime işlemciler, tarayıcılar vs.) kullanılırlar. Orta ve büyük güçlü servomotorlar ise sanayide genellikle robot sistemleri ile sayısal denetimli hassas diş açma tezgâhlarında kullanılır. D.C. motorlarda alan sargıları rotor sargılarına seri veya paralel bağlanır. Endüvi sargılarından bağımsız olarak uyartılan alan sargılarının akısı Endüvi sargılarından geçen akımın fonksiyonu değildir. Bazı D.C. motorlarda manyetik akı sabittir. Uyarma sargıları endüviden bağımsız olan veya sabit mıknatısla uyartılan motorlarda hız kontrolü endüvi gerilimi ile yapılabilir. Bu tip kontrol yöntemine endüvi kontrol yöntemi denir. Uyarma sargılarının yarattığı akı ile yapılan denetlemede ise endüvi akımı sabit tutulur. Statorda bulunan uyartım sargılarının yarattığı akının kontrolü ile hız ayarlanır. Bu tip motorlara alan kontrollü motorlar denir. Fakat rotor sargılarından geçen akımın sabit tutulabilmesi ciddi bir problemdir. Zira rotor akımı yükün ve kaynağın birer fonksiyonudur. Endüvi kontrollü motorlara göre alan kontrollü motorların alan sabitleri daha büyüktür. Büyük aralıklarda değişen hız ayarlarında rotor geriliminin değiştirilmesi; buna

2 karşılık küçük aralıklarda hassas hız ayarı gereken yerlerde ise alan sargılarının yaratmış olduğu manyetik akı hız kontrolü yöntemi tercih edilir. D.C. servomotorlar genellikle "elektronik hareketli denetleyiciler " adı verilen servo sürücüler ile kontrol edilirler. Servo sürücüler servomotorun hareketini kontrol ederler. Kontrol edilen büyüklükler çoğu zaman noktadan noktaya konum kontrolü, hız kontrolü ve ivme programlamasıdır. PWM tekniği adı verilen darbe genişlik modülasyonu genellikle robot kontrol sistemlerinde, sayısal kontrol sistemlerinde ve diğer konum denetleyicilerinde kullanılırlar. Endüvi kontrollü servomotor Şekil 3.4 te görüldüğü gibi sabit D.C. uyartım akımı bir sabit akım kaynağından elde edilir. Daha önce de ifade edildiği gibi bu tip kontrol daha hızlıdır. Endüvi gerilimindeki büyük yada küçük ani değişim aynı anlı olarak torkun değişmesine neden olur. Çünkü, endüvi devresi, endüktörle karşılaştırıldığında daha fazla omiktir. Ayrıca endüktör evresindeki manyetik akının yoğunluğu arttıkça makinenin tork hassasiyeti de artar. Çünkü, T = k. Q. la dır.1000 Hp ye kadar olan D.C. motorlar endüvi geriliminin kontrolü ile çalıştırılırlar. Eğer, hata sinyali ve endüvi geriliminin polaritesi ters çevirilir ise motorun devir yönü de ters çevirilmiş olur. Endüvi kontrollü büyük güçlü şönt motorlar genel olarak, amplidin ve çok alanlı dönel yükselteçlerle kontrol edilirler. Sabit mıknatıslı endüvi kontrollü servomotor Şekil 3.5 te sabit akım kaynaklı uyartım yerine sabit alan uyartımlı sabit mıknatıslı ve küçük güçlü D.C. servo motor görülmektedir. Seri ayrık alanlı servomotor Seri ayrık alanlı servomotorlar şekil 6 da görüldüğü gibi alan kontrollü motorlar gibi çalışırlar. Bu tip motorların iki sargısı vardır. Bu sargılardan birisi ana sargı diğeri de ekstra saygı olarak anılır ve bunların E.M.K. leri eşit alan nüvelerine zıt yönlü polarite üretecek biçimde sarılmışlardır. Şekil 3.6.a da görüldüğü gibi endüvi sabit akım kaynağından beslenirken motor başka kaynaktan uyartılabilir. Sabit akım kaynağı kullanarak endüviyi ayrı olarak uyartmak için kaynak bulma güçlüğü nedeniyle büyük güçlü seri motorlar şekil 3.6.b deki gibi bağlanırlar. Bu tip bağlantıda, ayrık alanlı seri motorun endüvi akımı ana ve ekstra sargılardan geçen akımların toplamıdır. Fakat seri alan akımları eşit ve zıt yönlü oldukları zaman, herhangi bir tork meydana gelmez.ekstra sargının akımındaki çok küçük bir artma ya da azalma ani tork oluşturur ve herhangi bir yönde dönüş sağlar. Seri ayrık alanlı servomotorlar küçük hata sinyallerine karşı çabuk tepkide bulunurlar ve büyük kalkınma torku sağlarlar. Buna karşılık bu tip motorların hız regülasyonu pek iyi değildir. Genel olarak doğru ve alternatif akım makineleri ile karşılaştırıldığında A.C: makinelerinin genel üstünlükleri bu motorların kontrol işlerinde kullanılmalarını çekici hale getirir. Ayrık alanlı alan kontrol yönteminin yararları: 1- Endüvinin dinamik tepkisi artar. Çünkü, alan sürekli olarak uyartılmaktadır. 2- Kontrol çok hassas olarak yapılabilir. Çünkü, ana ve ekstra sargılar arasındaki küçük farklara bile tepkide bulunur. II-A.C. SERVO MOTORLAR

3 a) Giriş: Bu tip servo motorlar genellikle iki fazlı sincap kafesli indüksiyon tipi motorlardır. İki fazlı asenkron motorlar büyük güçlü yapılmakla birlikte, çoğunlukla otomatik kontrol sistemlerinde sevro motorlar olarak kullanılmak amacı ile küçük güçlü yapılır. Fırça ve kolektörü olmadığından arıza yapma ihtimalleri az, bakımları kolaydı. A.C. Servo motorlar iki fazlı ve üç fazlı olmak üzere iki tipte incelenir. b) Yapısı: İki fazlı servo motorun; statorun da eksenleri arasında 90 lik elektriksel açı olan referans ve kontrol sargısı olmak üzere iki adet sargı vardır. Rotoru ise sincap kafesli sargı taşır, fakat yüksek dirence sahip olması gibi bir takım özellikler kazandırılmıştır. A.C. servomotorda (fırçasız D.C. servomotor) D.C. servomotorun tersine sabit manyetik alan statorda değil de rotordadır. Rotorun hareketi içinse değişken bir manyetik alana ihtiyaç vardır. Yukarıda D.C. servomotorların çalışma prensiplerinde anlatılan ve rotor hareketi için gereken değişken manyetik alanın, fırçalar ve kolektörler vasıtası ile değil de statora uygulanan gerilimin değiştirilmesiyle oluşturulduğu servomotorlara A.C. servomotorlar adı verilir. Şekil 2.4. (a) A.C. servomotorlarda sabit manyetik alan ve üç fazlı stator sargıları. (b) A.C. servomotorlarda manyetik alan ile akım arasındaki ilişki. Şekil.2.4 de, üç fazlı stator sargıları 120 lik aralıklarla yerleştirilmiş ve sabit mıknatıslı bir rotora sahip olan bir A.C. servomotor şeması gösterilmiştir. Sabit mıknatısların oluşturduğu manyetik alan vektörü B ile gösterilmiştir. D.C. servomotordan farklı olarak A.C. servomotorda, manyetik alan vektörü sabit mıknatısların rotora bağlı olması nedeni ile hareketlidir. Şimdiye kadar anlatılanlara şöyle bir bakarsak A.C. servomotorun iki temel değeri görülebilir, bunlar; Daimi mıknatıs tarafından meydana getirilen ve motorun rotora senkron olarak dönen sabit büyüklükte bir manyetik alan vektörü. Faz akımlarının açısal frekansına bağlı olarak dönen bir bileşke akım vektörü.(bu bileşke akım vektörünün büyüklüğü sinüzoidal faz akımlarının tepe değerleriyle orantılı olarak değişiklik göstermektedir.) İşte bir A.C. servo motoru istediğimiz şekilde kontrol etmek için Şekil.2.4 te de gösterildiği gibi bileşke akım vektörü ve manyetik akım vektörünün birbirlerine 90 lik bir açı ile hareket etmelerini sağlamak gerekmektedir. Bu işlemin yapılması içinse oldukça kompleks yapıdaki kontrol devreleri kullanılması gerekmektedir. Alana yönelik kontrol stratejisinin en önemli noktası üç fazlı stator akımlarını her zaman alan vektörüne dikey pozisyonda olacak şekilde üretebilmektir. Servo motorların çalışma prensipleri Elektrik motorları temel olarak iki ana kısımdan meydana gelir; sabit kısım (stator) ve hareketli kısım (rotor veya endüvi.) Rotor ve statorun her ikisi de bir gövde ve manyetik alan oluşturmakta kullanılan elemanlar motorun tipine göre, sargılar yada daimi mıknatıslar olabilir. Servomotorlar yapılarında daimi mıknatıs bulunduran elektrik motorlarıdır. DC servo motorlarda daimi mıknatıs statorda, AC servo motorlarda ise rotorda bulunmaktadır. SERVO MOTOR SÜRÜCÜLERİ

4 Servomotor sürücüler, 90 * 190 mm ebatlarında sac kutu içinde, DIN normlarına uygun, kontrol akımı ve motor durumu belirten göstergelere sahip, otomatik ve elle kumanda olanağı sağlayan tamamen katı hal (Solid state) tekniği ile tasarlanmış elektronik cihazlardır. Servomotor sürücüleri ile sürülen bek ve brülörler, vanaya bağlantı yapılabilen servo motorlar, servo motor kullanılan ve oransal kontrol istenilen her türlü endüstriyel sistemin kontrolünde kullanılmaktadır. Resim 3.7 de servo motor çeşitleri ve sürücüleri görülmektedir. DC Servomotor ve AC Servomotorun karşılaştırılması Fırçasız servomotorlar D.C. servomotorların bakım gereksinimlerini ortadan kaldırmak amacıyla getirilmiştir. Modern servo sistemlerde kullanılan fırçasız servomotorların en önemli üstünlüğü fırça ve komütatör elemanlarının bulunmasıdır. Bu nedenle fırçaların bakımı diye bir olaydan bahsedilemez ve fırçalardan birçok problem önlenmiş olur. Kolektörlü D.C. servomotorlarda oluşan problemler bazen çok açık bir şekilde belli olmaz. Bazen fırçalarda olan kirlenme bile problem oluşturabilir. Fırçaların performansı ve ömrü atmosferlik şartlarla bile değiştiğinden dolayı değişik ortam koşullarında değişik yapılı fırçalar kullanılabilmektedir. Fırçasız servomotorlarda verim, eş ölçüdeki bir D.C. servomotora oranla daha yüksektir ve fırçaların sürtünme etkisi olmadığından dolayı sürtünme kuvveti verime katkıda bulunur. Kolektör ve fırça aksamının yokluğu motor boyunu düşürür. Bu sadece motor hacmini düşürmekle kalmaz rotor destek rulmanları arasındaki mesafe ve rotor boyunun kısalması dolayısıyla rotorun yanal rijitliği de arttırılmış olmaktadır. Bu özellik hız/eylemsizlik oranına gereksinim duyulan uygulamalarda önemlidir. Fırçasız konfigürasyonda sarımların sabit stator içine sarılması sebebi ile ısı yalıtımı için daha fazla en kesit alanı sağlanabilmekte ve sargılarda oluşabilmek ısı artışı algılama elemanları vasıtasıyla kolayca algılanabilmektedir. Şekil 2.7 de bir A.C. servomotorun (Fırçasız D.C. servomotor) iç yapısı görülmektedir. Modern servo sistemlerde pozisyon sinyalinin belirlenmesi amacı ile bir kodlayıcı (encoder) veya resolver kullanılır. Kodlayıcı ve motorun tek bir ana iskelet üzerinde toplanması ile sistem daha kompakt bir yapıda olmaktadır. Bu motor yapısında manyetik akıyı üretmek için gerekli olan mıknatıs rotora monte edildiğinden dolayı döner-alan tipli motor yapısındadır. Senkron motor tipli fırçasız servomotorların yapıları doğru akım servomotorlarından farklı olması nedeniyle bu tipteki servomotorlar fırçasız D.C. servomotor olarak adlandırılır. D.C. servomotorlardaki kolektörün aksine Fırçasız D.C. servomotorlar akımı yarıiletken güç elektroniği elemanları ile doğrulturlar. Diğer yönden rotor manyetik alanının kodlayıcı vasıtası ile algılanıp, algılanan bu pozisyona uygun düşecek şekilde stator sarımlarına üç fazlı alternatif akım akım verilmesi dolayısı ile kalıcı mıknatıslı senkron motor tipindeki fıçasız servomotorlar aynı zamanda A.C. servomotorlar olarak da adlandırılır. Fırçasız servomotorlarda rotor manyetik alanı ile statora verilen akımlar dikey şekilde kontrol edildiği taktirde D.C. servomotorlarla aynı olan hız-moment karakteristikleri elde edilir. Servomotorlar kullanımları gereği çok sık şekilde ivmelenme ve yavaşlama işlemlerine maruz kaldıklarından dolayı, maksimum moment değeri anma momentlerinin katlarca fazlası olmalıdır. D.C. servomotorlarda anma momentlerinin aşılması durumunda komütatör aksamında kıvılcımlaşma olayı meydana gelir. Aynı şekilde hız arttıkça moment değeri de çok hızlı bir şekilde düşer.

5 Fırçasız servomotorlarda ise yukarıda bahsedilen kıvılcımlaşma olayı fiziksel yapı nedeniyle meydana gelmez. Fırçasız servomotorlar maksimum momenti düşürmeden yüksek hız limitlerinde çalıştırılabilir. Fırçasız servomotorlarda döner kısımda sarımların olmaması nedeni ile ısı oluşmaz, sabit kısım olarak bilinen stator sargılarında oluşan ısı ise kolay bir şekilde monte edilen ısı iletim devresi ile dışarı verilebilir. Bundan dolayı fırçasız servomotorlarda ısınma olayı D.C. servomotorlara oranla daha az problem teşkil eder. Aynı şekilde stator sargıları arasına yerleştirilen bir ısı algılama devresi ile (termik eleman)motorun aşırı ısınması sonucu hasar görmesinin önüne geçebilir. Fırçasız motorların belirtilen üstünlüklerinin yanında dezavantajları olarak; rotor pozisyonun bir kodlayıcı vasıtası ile mutlak olarak algılanması ve motor kontrol devresinin D.C. servomotorlarınkine nazaran oldukça kompleks olması belirtilebilir. Teknolojideki gelişmelere paralel olarak servomotor kontrol sistemlerinde de hızlı bir gelişme olmaktadır, bu sayede daha önce teoride gerçekleştirilebilen ancak pratikte uygulanamayan bazı sistemler, gerçeklenebilmektedir. Servomotor sürücü devreleri de bunun en önemli örneklerinden sayılabilir çünkü bu sistemler özellikle güç elektroniği teorisindeki ilerlemeler sayesinde şimdiki hallerini almıştır. SERVOMOTOR KONTROL DEVRELERİ Servomotor kontrol devreleri genel olarak servomotor sürücüleri olarak tanımlanır. Servomotor sürücüleri kontrol edecek olan servomotorun çeşidine ve yapılacak kontrolün niteliğine bağlı olarak bazı farklılıklar göstermektedir. Servomotor sürücü devrelerindeki en önemli farklılık kontrol edilecek olan motor çeşidine bağlı olarak sürücünün üreteceği gerilimin niteliğidir. Fırçasız servomotorun kontrolü için kullanılan kontrol elemanı, rotor pozisyonuna göre değişen manyetik akı doğrultusu ile motordan geçen akım doğrultusu arasındaki dikey ilişkiyi sağlamalıdır. Fırçasız servomotor sürücü devresi ve D.C. servomotor devresi Şekil 3.9. ve Şekil 3.10 da gösterilmiştir. D.C. servomotorda kontrol edilecek olan faz tek faz, fırçasız servomotor ise üç fazdır. Ayrıca A.C. servomotor sürücü devresi, rotor pozisyonu algılama elemanı, sinüs dalga üretim devresi, DC-SIN dönüşüm devresi, hız algılayıcı devrelerine gereksinim duyar. D.C. servomotor sürücü devresindeyse bu elemanların hiçbirine ihtiyaç yoktur. Bu elemanlar A.C. servomotorda rotor üzerinde bulunan sabit manyetik akı ile sargı akımı arasındaki açının sürekli olarak 90 de tutulmasını sağlamak için gerekmektedir. D.C. servomotorlarda ide statorda bulunan sabit manyetik akı ile sargı arasındaki 90 lik açı fırça ve kolektörler tarafından korunduğundan bu elemanların kullanılmasına gerek duyulmaz. 1- P.M. Servomotorlar : Bu motorların kutupları sabit mıknatıslıdır. P.M. servomotorların kontrol sistemi endüvi kontrollü gerçekleşir. * Endüvi kontrollü makine şu özelliklere sahip olmalıdır. 1- Sistemin alanı sabit veya bobinli olabilir. 2- Endüvi kontrolü yapan yükseltecin gücü yüksek olmalıdır. 3- alan sistem sabiti ve manyetik karakteristik sitemin dinamik performansıyla ilgili değildir. * Endüvi bir voltaj kaynağından beslendiği zaman kaynak içerisinde akım sınırlayıcı olmalıdır. Bunun sebebi zararlı endüvi akımları (zıt E.M.K.) siteme zarar verebilir. Bunun için devreye akım limit devresi konulur.

6 2- P.M. Servomotorlar : Bu motorların kutupları elektromıknatıs yapısına sahiptir. P.C. servomotorların kontrol sistemi, endüviden kontrollü veya kutuplardan kontrollü gerçekleştirilebilinir. * Motoru alan kontrollü çalıştırabilmek için şu şartlar gereklidir. 1- Alan kontrolü sadece parçalı alanlı motorlarda mümkündür. 2- Alanın güç gereksinimi küçüktür. Bu yüzden yükseltecin güçlü olmasına gerek yoktur. 3- Alan zaman sabiti motorun dinamik tepkisine bağımlı olmalıdır. Manyetik karakteristik çalışmanın lineerliğine bağımlıdır. Elektromıknatıslı D.C. Servomotorlarda alan bobinleri birbiriyle bağıntılıdır. Bu bağlantının dışında bobinler özel bir şekilde bir elektronik sürücüye bağlanır. Bobinlerin oluşturacağı manyetik alan bu elektronik devre ile ayarlanır. Bu diyagram B tipi servo amplifikatörün çıkışı için çizilmiştir. Bu diyagram ayrıca her iki manyetik devre için histerezis döngüyü gösterir. Bu diyagram alan sargılarından iki yönde akım dolaştırmakla çizilebilir. Şeklin sağ tarafında ise sol tarafa çizilen manyetik akı değişiminin birleştirilmiş hali görülmektedir. Bu diyagram akıların histerezis döngülerini toplayarak çizilebilir. Alan Kontrollü Sabit endüvi gerilimi beslemeli Şekil 3.9 da görüldüğü gibi kalkınma torku Vf ile orantılıdı.sönümlü tork Vf 2 ile orantılıdır. (Öyleki sönüm etkisi kontrolü sinyal etkisi ile değiştirilir) Şekil 3.12 : Sabit endüvi akımlı alan kontrollü D.C. servomotor için tork ve hız karakteristikleri. Endüvi Kontrollü, Sabit Alan Beslemesi Şekil 3.13 : Sabit alan tahrikli bir D.C. servomotorun endüvi voltaj kontrolünün devre şeması. Endüvi Akım Kontrollü Sabit Alan Beslenmesi Şekil 3.14 : Sabit alan tahrikli bir d.c. servomotorun endüvi akım kontrolünün devre şeması. * A.C. Servo sürücülerin geniş ürün yelpazesi her bir müşterilerin ayrı güç ve uygulama ihtiyacını teknik ve ekonomik açıdan en iyi şekilde karşılayacak çözümü aşağıda sıralanan faydalarla sunmaktadır. 1- Değişik motor boyutları ve modüler sürücü elektronik devreler sayesinde makine tasarımlarının gerçekleştirirken maksimum esneklik. 2- Şebekeye direk bağlana bilenen güç kaynağı sayesinde basit enstalasyon ve düşük kablolama maliyetleri. 3- Hızlı ileri geri hareketlerde motorların yüksek dinamik yükleme kapasitesi ve kısa sürede istenilen noktaya eriştirilmesi sonucu artan verimlilik ve kesintisiz üretim. 4- Pozisyon, hız ve ivmenin tam ve hassas kontrolü ile gelişmiş ürün kalitesi. 5- Aşınmaya maruz elektro mekanik parçaların olmaması ve çok az bakım gerektirilmesi sonucu uzun sürelerle çalışma imkanı.

7 6- Güç kaynaklarının depoladıkları elektrik enerjisini yeniden kullanabilme özelliği ile azalan işletme giderleri. Modüller, bakım ve işlemsel destek için birbirine bağlı izleme ve hata teşhis sistemi ile donatılmıştır. Kaynak modüllü A.C. voltaj girişinden hem servo sürücü modüllü eviricileri için D.C. voltajı hemde işeretleme için kaynak voltajı sağlanır. Servo sürücü modülleri, ayarlanan hız girişi ile uyumlu genlik, frekans ve faza göre kontrol edilen servomotorlar için döner bir alan oluştutur. A.C. ana sürücü ve servo sürücü modüle ortak bir güç kaynağından beslenerek CNC takım tezgahları için maliyet düşürücü kompakt bir yapı oluşturacak şekilde resim 3.10 daki gibi birleştirilebilir. Uygulamaya özgü güç ihtiyaçlarına uygun bir güç kaynağı 10 adete kadar servo sürücü modülü besleyebilir. Sürücü elektroniğinin bu odüler yapısı, makine üreticilerine makine dizaynlarını uygulamaya koyarken maksimum esneklik getirmektedir.