Servus Latince kökenli, köle anlamına gelmektedir. Servo Mekanizma istenilen gösterge değerlerine göre hareket eden bir kontrol mekanizmasıdır. yüksek kararlılıkta çalışabilmek için çalışma şartlarını kendi kendine kontrol eden bir mekanizmaya sahiptir.
Servo motor, iç yapısında bir potansiyometre veya encoder ve motor milinin (şaft) konumunu ölçen bir kontrol devresi bulunur. Ayrıca servo motor 3 bağlantı ucuna sahiptir. bunlardan ikisi motoru çalıştırırken diğer ucu ise sistemin giriş birimine motor şaftının konumunu bildirir. Servo motor sürücü devresi, kodlanmış sinyalleri motor mekanizmasına göndererek motorun şaftına açısal pozisyonda döndürme kabiliyeti kazandıran elektronik bir amplifikatör türüdür.
-90 derece ve +90 derece arasında hareket eder DC servo motorlar, -90 derece ve +90 derece arasında olmak üzere 180 derecelik bir açıda hareket edebilme kapasitesine sahiptir. DC servo motorun, çıkış dişlisinin mili mekanik olarak kısıtlaması sebebiyle daha büyük bir açı ile hareket ettirilemez. Motora yazılımsal olarak dönme miktarı ise PWM modülü ile belirlenir. PWM modülü, kare dalgalardan oluşur. Kare dalga 1 konumunda iken motora güç gider. 0 konumuna geldiğinde ise motora güç gitmez. Servo motorlarda açısal hareketin gerçekleşmesi için bir kare dalga 20 mili saniyeden oluşan palse şeklinde gönderilmesi gerekir aksi taktirde çalışmaz.
Servo Motorlar kontrol edilebilirlik mantığına göre üretilmişlerdir. Servo Motorlar yapısal olarak Adım Motorlarla, DA Motorlarının yapısal özelliklerini andırır. Adım motorun adımlama yöntemini DA motorununda döndürme yöntemini çağrıştırır. Ancak sargıları çok daha geliştirilmiş ve hassas konumlandırılmıştır.
Servo motorlar Servo, herhangi bir mekanizmanın işleyişini hatayı algılayarak bir geri besleme düzeneğinin yardımıyla denetleyen ve hatayı gideren otomatik aygıttır. Robot teknolojisinde en çok kullanılan motor çeşididir. Bu sistemler mekanik olabileceği gibi elektronik, hidrolikpnömatik veya başka alanlarda da kullanılabilmektedir. Servo motorlarda mekaniksel konum, hız veya ivme gibi parametreler kontrol edilir. Servo motor içerisinde herhangi bir motor AC, DC veya Step motor bulunur. Sürücü ve kontrol devresini de içerisinde barındırır.
Stator, makinenin duran kısmıdır. Stator saclar ve sargılardan oluşur. Saclar, asenkron veya senkron motorlarda olduğu gibi birer yüzeyi silisli olup üzerlerine stator oyukları açılır. Biçimlendirilen stator sacları sıkıştırılarak perçinlenir veya somunla sabitlenir. STATOR
Rotor Rotor demir-nikel-kobalt yani ferro manyetik yani mıknatıslanabilir malzemeden yapılır. Motorun uyartım akısı rotora yerleştirilen kalıcı mıknatıslar tarafından sağlanmaktadır. Kalıcı mıknatıs malzemelerin kalıcı yüksek mıknatısiyete sahip olmasını sağlar.
Gövde makinenin bütün esas elemanlarını içerisinde barındırır. 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. Yatak Gövde
3 Fazlı asenkron motor son yıllarda yüksek-güç sistem uygulamalarında üç-faz asenkron motorun servo motor olarak kullanımı üzerine yapılan araştırmalar başarıya ulaşmış ve 3 Fazlı asenkron motor yüksekgüç uygulamalarında hızlı bir şekilde yerini almaya başlamıştır. Son yirmi yıldaki çalışmalar, 3 Fazlı asenkron motorun yabancı uyartımlı DA motoru gibi kontrol edileceğini göstermiştir.
Servo Motorların Kullanıldığı Yerler Servo motor birkaç Watt an birkaç yüz Watt a kadar olabilir. 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), yüksek hızlı çip yerleştiricilerinde, tıbbi cihazlarda, anten sürücüleri vb. yerlerde kullanılır.
Servo motor etiket değerleri Akım: Burada akım ile kastedilen servo motorun bir yüke maksimum tork uyguladığında çektiği akımdır. DC motorlarda olduğu gibi bu akım değeri yüke göre değişir. Genellikle servo motorların maksimum akım aralığı 100 ma ile 2 A arasıdır. Kararlılık: Kararlılık, bir komut sinyali algılandığında servo motorun şaftının pozisyonunun istenilen açıya göre kesinliğidir. Genellikle servo motorların kararlılık aralığı 1 ile 10 arasındadır.
Standart servo motorların 3 kablosu vardır. Bunlardan biri power (4 V ile 6 V arasında), biri toprak, diğeri ise kontrol girişi içindir. Kabloların renkleri ise genellikle power için kırmızı, toprak için siyah ve kontrol için beyazdır. Servo motorların boyutları ve şekilleri planlanan uygulamaya bağlıdır. Yandaki resimdeki servo motor ve benzerleri robotikte sık kullanılan servo motor tipleridir. Bunlar düşük güçte çalışabilir,
Opamp ve sinyal karşılaştırması Bir DC motor yüksek redüksiyon oranına sahip bir dişli kutusunu hareket ettirir. Sondaki şaft daha yavaş dönerek dönme ekseni üzerindeki potansiyometreyi de çevirir. Potansiyometre geri besleme yaparak servo motorun pozisyon algılanmasını sağlar. Potansiyometre algılanan pozisyona karşılık gelen voltajı, voltaj karşılaştırıcısı olarak kullanılan opampa gönderir. Bu voltaj değerinin, şaftın istenilen pozisyonunu belirleyen giriş voltajı ile karşılaştırılması ile karşılaştırıcının çıkış voltajı belirlenir.
Opamplı karşılaştırıcı devresi örneği
Opamplı karşılaştırıcı çalışma prensibi Devrede fototransistöre gelen ışık, bu elemanı iletim-kesim yaparak 10 kω luk R1 direncinde bir gerilim oluşmasına neden olur. R1 üzerinde oluşan gerilim kıyaslayıcı olarak çalışan op-amp tarafından karşılaştırılır. Op-ampın çıkışındaki gerilim zener diyot tarafından 5,1 V ta sabit tutulur. Pervanenin dönüş sayısı arttıkça op-ampın çıkışında oluşan kare dalganın frekansı da artar. Bu sinyal osilaskopta gözetlenir.
kodlanmış sinyal-kontrol Palsi: Bir servo motorun şaftının pozisyonunu kontrol etmenin bir diğer yolu kodlanmış sinyal kullanmaktır. Bu metot uzaktan kumandalı uygulamalarda sıklıkla kullanılır. Servonun kontrol girişine 18 ms periyotlu palslardan oluşan bir sinyal gönderilir. Palsın süresi servo motorun şaftının pozisyonunu belirler. Eğer pals (pulse) 1 ms uzunlukta ise servo motor 90 sola, 2 ms uzunlukta ise 90 sağa hareket eder. Bazı servo motorların pals uzunluğu aralığı 1,25 ms ile 1,75 ms arasındadır. Bu durumda pals uzunluğu 1,5 ms iken servo motor şaftı ortadadır. Pals uzunluğu 1,25 ms iken 90 sola, 1,75 ms iken ise 90 sağa hareket eder.
1-2 ms Servo Motorların Pals Sürelerine Göre Açıları 1,25-1,75 ms Servo Motorların Pals Sürelerine Göre Açıları Süre (ms) Açı (derece) Süre (ms) Açı (derece) 1,0-90 1,25-90 1,1-72 1,30-72 1,2-54 1,35-54 1,25-45 1,40-36 1,3-36 1,45-18 1,4-18 1,50 0 1,5 0 1,55 18 1,6 18 1,60 36 1,7 36 1,65 54 1,75 45 1,70 72 1,8 54 1,75 90 1,9 72 2,0 90
Robot Kolları için en ideal Elektromekanik Sistem: Servo Motorlar
Soğutucu fan 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 döner.
Servo Motorlar ve Kontrolü Bir Servo Motor biri besleme ( +VCC ), diğeri toprak ( Ground ), diğeri de bilgi girişi ( Data In, SGN ) olmak üzere üç adet giriş ( Input ) birimi içerir. Bu besleme ve toprak girişleri kaynağa bağlanırken, Bilgi girişi bir çeşit Zamanlayıcı Dalga Üretim birimine bağlanır. Kare Dalga üreten dalga üreteci, Motora belirli zaman aralıklarında Darbe ( PULSE ) üretirler. Bu darbelerin sıklığına göre Motor hızlı çalışırken, geniş periyotlu darbelerde yavaş çalışırlar.
R/C Servo Motor R/C Servo Motor dediğimiz şey dc akımla çalışan ve istenilen açı aralığında dönen motorlardır. R/C, Radio Controlled anlamına gelir. Servo motorlar DC Motorların temel mantığını kullanırlar. Fakat buna karşın elektronik pozisyon kontrol devresi ve elektronik şaft gibi ekstra bileşenleri vardır. Servo motor şaftın kaç derece ve hangi hızda döndüğünü algılar ve girişe bunu geri besleme olarak verir. Motorun pozisyonunu algılamak için rotora takılı bir potansiyometre bulunur. Bu potansiyometreden gelen analog değer ile inputtaki sinyal karşılaştırılır ve output olarak motorun yeni pozisyonu kontrol edilir.
R/C Servo Motor R/C servo motorun pozisyonunu kontrol etmek için PWM sinyali kullanılır. Motorun inputuna gelen PWM sinyalinin görev çevrimine(duty cycle) göre motor, pozisyon değiştirir. R/C Servo Motorlarda pozisyon açısal derece esasına göre kontrol edilir. Pozisyon kontrol devresi PWM sinyalinin görev çevrimine göre döneceği dereceyi hesaplar. PWM sinyalinin çevrim süresi aynı kaldığı müddetçe motor pozisyon değiştirmez. Yalnız önemli olan nokta şudur ki; servo motorda dönmenin gerçekleşebilmesi için PWM siyalinin frekansı 50 Hz olmalıdır. Yani kontrol sinyalinin periodu 20 ms olmalıdır. -
Servo motorun 555 ile sürülmesi Motorun darbe üretici birimi Nano Saniye ( saniyenin milyarda biri) mertebelerinde çalışabilirler. Bu da çok hassas bir konum ve hız kontrolü demektir. Örnek olarak aşağıdaki devrede Kare Dalga Üreteci 555 kullanılmıştır. Burada P1 ile gösterilen Ayarlı Direnç ( Potansiyometre ) üretilen darbelerin sık ya da seyrek olmasını sağlamaktadır.
Servo motorun 555 ile sürülmesi R5 10k R1 220R 8 U1 R4 BAT1 6V 73% RV1 10k 4 5 R CV VCC Q DC 3 7 10k Q1 BD135 +88.8 2 TR GND TH 6 A R3 15k 1 555 B C C2 100nF C1 100nF D
Potansiyometre üretilen darbelerin sık ya da seyrek olmasını sağlar
R4(1) 5VDC R5 33k 8 U1 R4 47k R1 68k R2 10k 4 5 2 R CV TR GND VCC Q DC TH 3 7 6 R3 1k Q1 BC547 +88.8 1 555 C1 100nF
enkoderler
ENCODERLER (ŞAFT POZİSYON ALGILAYICI) Encoderler robot ve otomasyon projelerinde açısal dönme hızını ve düzeneğin açısal pozisyonunu belirlemek amacıyla kullanılır. Encoder diskinin üzerinde belirli aralıkla delikler vardır. Encoder diski dönerken IR LEDin yaydığı ışık deliklerden geçer ve karşı taraftaki fototransistörü tetikler.
ENCODERLER Delik olmayan kısımlarda ise IR ışık fototransistörü tetikleyemez. Bu şekilde alınan sinyaller sayılabilir ve mikrodenetleyiciye gönderilebilir. Mikrodenetleyicide yazılı program ile sinyaller işlenerek gerekli işlemlerin gerçekleştirilmesi sağlanır.
Alan Etkili Sensör (Hall effect sensör)
Alan Etkili Sensör (Hall effect sensör) Alan etkili sensörler, manyetik alanın varlığını algılar. Herhangi bir manyetik alan olmadığı durumda bir potansiyel fark yoktur. Hall gerilimi 30 mv değerinde bir gerilim olduğundan bir yükselteç ile yükseltilmelidir. Bazı Hall sensörler tek çıkışlı olarak imal edilirken bazı sensörler iki çıkışlı yapılır. Tek çıkışlı Hall sensörü motor dönerken N kutbundan S kutbuna geçişi algıladığında sinyal verir. Diğeri S kutbundan N kutbuna geçişinde de sinyal verir.
Hall etkisi Hall etkisi switch: Hall sensörü ön yüzüne mıknatısın S kutbunun veya arka yüzüne mıknatısın N kutbunun yaklaşmasıyla birlikte ON konumuna gelecektir. Mıknatıs ortamdan uzaklaştığında ise OFF konumuna gelecektir. Hall etkisi latch anahtarı: Hall etkisi anahtar (latch) devresinde sensör bir kez ON olduktan sonra, mıknatıs ortamdan uzaklaştırılsa dahi ON konumunda kalmaya devam edecektir. Mıknatısın ters kutbu yaklaştırıldığında OFF konumuna geçecektir.
Tako generator
takogeneratör Genelde 10 V/ 1000 rpm gibi değer yazar. Bu şu demektir 1000 devirle dönen mile bağlı takojeneratör 10 V üretir. Yada devir başına 0,01 V eder. Takogeneratör voltajın polaritesi değişeceğinden ilerimi yoksa gerimi döndüğünü de gösterir. Elektrik motorlarının hız ölçümlerinde, Dönen makine parçalarının hız ölçümlerinde kullanılır. Yani;üretilen voltaj yerine rpm devir taksimatı yapılır.
N kanal mosfet çıkışı Mosfet çıkışı ile mikrodenetleyici çıkışı aynı fazlıdır. Mosfet kapı girişine lojik-1 seviyeli sinyal geldiğinde mosfet iletime geçer. Mosfet sayesinde servo motor kendisi için gereken akımı gerilim kaynağından çeker.
Servo motorun değişik açılarda döndürülmesi RA0/AN0 2 RA1/AN1 3 RA2/AN2/VREF-/CVREF 4 RA4/T0CKI/C1OUT 6 RA5/AN4/SS/C2OUT 7 RE0/AN5/RD 8 RE1/AN6/WR 9 RE2/AN7/CS 10 OSC1/CLKIN 13 OSC2/CLKOUT 14 RC1/T1OSI/CCP2 16 RC2/CCP1 17 RC3/SCK/SCL 18 RD0/PSP0 19 RD1/PSP1 20 RB7/PGD 40 RB6/PGC 39 RB5 38 RB4 37 RB3/PGM 36 RB2 35 RB1 34 RB0/INT 33 RD7/PSP7 30 RD6/PSP6 29 RD5/PSP5 28 RD4/PSP4 27 RD3/PSP3 22 RD2/PSP2 21 RC7/RX/DT 26 RC6/TX/CK 25 RC5/SDO 24 RC4/SDI/SDA 23 RA3/AN3/VREF+ 5 RC0/T1OSO/T1CKI 15 MCLR/Vpp/THV 1 U1 PIC16F877A +88.8 B1 5V X1 CRYSTAL C1 22pF C2 22pF Q1 IRF640 R1 1k R2 3.3k R3 10k RESET 5VDC SERVO SERVO MOTOR KONTROLU
Servo motorun değişik açılarda döndürülmesi void main() { int i; portd=0x00; trisd=0x00; while(1) { //move CCW saat tersi for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); //output high delay_us(1400); //-18 derece icin portd=(0<<rd7); //output low delay_ms(20); } //move CW saat yonu for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); delay_us(1600); portd=(0<<rd7); //+18 derece donsun delay_ms(20); }
Servo motorun değişik açılarda döndürülmesi //move CCW saat yonu for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); delay_us(1200); portd=(0<<rd7); //-54 der donsun delay_ms(20); } //move CW saat yonu for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); delay_us(1800); portd=(0<<rd7); //+54 derece donsun delay_ms(20); } } }
Servonun ileri geri hareketi RA0/AN0 2 RA1/AN1 3 RA2/AN2/VREF-/CVREF 4 RA4/T0CKI/C1OUT 6 RA5/AN4/SS/C2OUT 7 RE0/AN5/RD 8 RE1/AN6/WR 9 RE2/AN7/CS 10 OSC1/CLKIN 13 OSC2/CLKOUT 14 RC1/T1OSI/CCP2 16 RC2/CCP1 17 RC3/SCK/SCL 18 RD0/PSP0 19 RD1/PSP1 20 RB7/PGD 40 RB6/PGC 39 RB5 38 RB4 37 RB3/PGM 36 RB2 35 RB1 34 RB0/INT 33 RD7/PSP7 30 RD6/PSP6 29 RD5/PSP5 28 RD4/PSP4 27 RD3/PSP3 22 RD2/PSP2 21 RC7/RX/DT 26 RC6/TX/CK 25 RC5/SDO 24 RC4/SDI/SDA 23 RA3/AN3/VREF+ 5 RC0/T1OSO/T1CKI 15 MCLR/Vpp/THV 1 U1 PIC16F877A +88.8 B1 5V X1 CRYSTAL C1 22pF C2 22pF Q1 IRF640 R1 1k R2 3.3k R3 10k RESET 5VDC SERVO SERVO MOTOR KONTROLU
Servonun ileri geri hareketi void main() { int i; portd=0x00; trisd=0x00; while(1) { //move CCW saat tersi for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); //output high delay_us(1000); //-90 derece icin portd=(0<<rd7); //output low delay_ms(20); } //move CW saat yonu for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); delay_us(2000); portd=(0<<rd7); //+90 derece donsun delay_ms(20); } } }
Eğer servonun periyoduna dikkat edersek void main() { int i; portd=0x00; trisd=0; while(1) { //move CCW saat tersi for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); //output high delay_us(1300); //-36 derece icin portd=(0<<rd7); //output low delay_us(18700); } //move CW saat yonu for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); delay_us(1700); portd=(0<<rd7); //+36 derece donsun delay_us(18300); }
Eğer servonun periyoduna dikkat edersek //move CCW saat tersi yonunde - 18 derece for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); //output high delay_us(1400); //-18 derece icin portd=(0<<rd7); //output low delay_us(18600); } //move CW saat yonu for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); delay_us(1600); portd=(0<<rd7); //+18 derece donsun delay_us(18400); }
Eğer servonun periyoduna dikkat edersek //move CCW saat tersi yonunde -45 derece for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); //output high delay_us(1250); //-45 derece icin portd=(0<<rd7); //output low delay_us(18750); } //move CW saat yonunde +45 derece donsun for(i=1;i<=50;i++) { portd=(1<<rd7); delay_us(1750); portd=(0<<rd7); //+45 derece donsun delay_us(18250); } } }
ENCODER KONTROLLÜ SERVO Endüstriyel servolarda motor miline bağlı encoder yada potansiyometre bulunmaktadır. Encoder li tiplerde referans noktası yada başlangıç noktasında encoder değeri sıfır alınarak dönüşlerde encoderden gelen palslar sayılarak uygun değerde motorun durdurulması veya dönen motorda uygun pozisyon yakalandıktan sonra durdurulması sağlanabilir. encoder den gelen A ve B girişleri kullanılır. Bu iki giriş bir birinden yarım faz farkı olan iki sinyal üretirler.
birbirinden yarım faz farkı olan iki sinyal
Yön tayini ilk okumanın (OLD) A biti ile son okumanın (NEW) B biti nin XOR yapılması ile bulunur. Yukarıdan aşağı doğru çizilen kesikli çizgiler encoderin okuma noktalarını gösterir. Bu noktalarda soldan sağa doğru gidişte (diyelimki motor sağ a dönüyor olsun) okunacak bilgi çiftleri şöyle olacaktır; 00 10 11 01 00 Bu seferde motor sağdan sola yani sola dönerken aynı bilgilere bir göz atalım. 00 01 11 10 00 şeklinde olacaklardır. Yön tayini ilk okumanın (OLD) A biti ile son okumanın (NEW) B biti nin XOR yapılması ile bulunur.
yön biti daima aynı değeri alıyor bir yönde dönüşlerde ilgili bitler XOR yapılırsa yön biti daima aynı değeri alıyor. Sola dönüşte 0, sağa dönüşte ise 1 olmaktadır. (bu tersi de olabilir. ) Yani sola dönüşte yön biti 0,sağa dönüşte yön biti 1 olabilir.
XOR KAPISI 0 0 U1 XOR 0 0 1 U2 XOR 1 1 0 U3 XOR 1 1 1 U4 XOR 0
Arabalarda kullanılan sileceklerin kontrolü hakkında İki adet PWM servo motor ve bir adet su püskürtme motoru kullanıldı. PIC 16F877A. 3 farklı buton ile silecekler üç farklı şekilde çalışacaktır. 1. butona basılınca silecekler sadece bir defa çalışıp duracak (+90 ileri ve-90 derece geri). 2. butona basılınca silecekler bu işlemi 3 kez tekrarlar ve bekler. 3. butona basılınca su püskürtme motoru çalışacak,silecek motorları 4 defa gidip gelecektir. Su motoru yerine röle de kullanılabilirdi.