DC Servo Motorlar

DC servo motorlar: Servo, herhangi bir mekanizmanın işleyişini ve arızasını algılar. Yani bir geri besleme düzeneğinin yardımı ile denetleyen ve arızayı gideren otomatik cihazdır. Robot teknolojisinde en çok kullanılan servo motor çeşididir.

DC Servo Motor Nedir?

Geri besleme ünitesine sahip olan DC motora, DC servo motor denir. Motor mili kendisine gönderilen kodlu sinyale göre konumlanır. Motora giriş değiştikçe motor milinin (şaft) konumu da değişir. Robot teknolojisinde en çok kullanılan servo motor çeşididir. DC servo motor, fırçasız servo motor olarak da adlandırılır.

DC Servo Motor Yapısı

Klasik DC motorların   yapısı statör, rotor, gövde, fırça ve kollektörlerden oluşurken, DC servo motor yapısı statör, rotor, gövdeden oluşur. Bu motor çeşidi, hız, tork ve yüksek güç ihtiyacına yönelik çalışır. Küçük güçlerden büyük güçlere (0,05 Hp – 1000 Hp’ye) kadar DC veya DA servo motor imalatı yapılır.

Analog ve digital seçenekleri vardır. DC servo motor küçük yapılıdır. Rotorları kutup atalet momentini minimum yapacak şekilde tasarlanırlar. (yükseklik x uzunluk /çap oranıyla). Küçük çaplı ve genellikle içerisinde bir kompanzasyon sargısı bulunur.

Kuvvetli manyetik alanlı, boyu uzun doğru akım motorlarına da servo motor denir. Alan sabit mıknatıslarla (genel olarak ferit) kurulabilir. Motor sabit mıknatıslı DC motor (PMDC) olarak bilinir ve sadece rotoru kontrol eder. PMDC motor küçük yüklerde kullanılır.

DC Servo Motor Uygulamaları

DC servo motor uygulamaları sırasında sabit bir kutup manyetik alanı elde ederken DC kaynak kullanılır. Rotora değişken bir gerilim uygulanır. Bu iki geriliminde dolaştırdığı akımların oluşturdukları manyetik alanlar birbirlerini iterek dönüşü sağlar. DC servo motorların rotorları uzun, çan ve disk biçiminde olabilir.

DC servo motorların rotorları uzun, çan ve disk şeklinde olurlar. Disk rotorlu servo motorlar, kısa ve hafiftir. Böyle oldukları için robot mafsallarında hareketi kolaylaştırmak için kullanılırlar. Uzun ve ince rotorlu servo motorlarda ise boyları küçük olduğundan monte etmek kolaydır. Çan tipi rotorlu servo motorlar ise 3000 d/d gibi yüksek hızlara ulaşabilme özelliğine sahiptirler.

Uzun, Disk, Çan Rotorlu DC Servo Motorların Yapısı

• DA servo motorlarında, yüksek bir dönme momenti ve aşırı yükleme sağlamak için bir manyetik alan meydana getirilmelidir.
• DC servo motor en büyük dönme momentini kısa çalışmalar sırasında kazanır. En küçük devir sayısında ortalama anma dönme momentinin dört katıdır.
• Özellikle hızlı tepkili servo motorlar için motorun mili içinde demir olmayan DA motorları kullanılmaktadır.

DC Servo Motorun Avantajları

• Elektrik kesildiğinde dinamik olarak durdurmak mümkündür.
• Servo sürücü (servo drive) basit bir yapıya sahiptir.
• Düşük kapasitelilerin fiyatı ucuzdur.
• Yüksek güç oranı

DC Servo Motorun Dezavantajları

• Komütatör bakımının düzenli olarak yapılmasını gerektirir.
• Fırçalarında sürtünmesinden meydana gelen toz sebebiyle temiz alanlarda kullanılamaz.
• Komütatörlü olmasından dolayı yüksek hız ve yüksek tork sağlanamaz.

DC Servo Motor Çalışma Prensibi  

DC  servo motor nasıl çalışır? statör daimi mıknatıslı bir DC motordur. Manyetik alanla akım geçirilen iletkenler arasındaki etkileşim ile bir döndürme momenti oluşur. Bu  moment, manyetik alan vektörü ile sargı akım vektörü arasındaki açı 90° olduğunda maksimum değerini alır.

Bir DC sevro motorda fırçaların yerleri, her iki dönüş yönü içinde döndürme momenti açısının 90° olmasını sağlayacak biçimde belirlenmiştir. Kollektör segmentlerinin fazla olması momentin sıfır noktasında rotorun hareketsiz kalmasını önler.

DC motorlarda alan sargıları rotor sargılarına seri veya paralel bağlanır. Rotor sargılarından bağımsız olarak uyartılan alan sargılarının akısı rotor sargılarından geçen akımın görevi değildir. Bazı DC motorlarda manyetik akı sabittir.

Uyarma sargıları rotordan bağımsız olan veya sabit mıknatısla uyartılan motorlarda hız kontrolü rotor gerilimi ile yapılabilir. Buna rotor kontrol yöntemi denir. Uyarma sargılarının yarattığı akı ile yapılan denetlemede rotor akımı sabit tutulur. Statör de bulunan uyartım sargılarının yarattığı akının kontrolü ile hız ayarlanır. Böyle motorlara alan kontrollü motorlar denir.

Fakat rotor sargılarından geçen akımın sabit tutulması önemlidir. Çünkü rotor akımı, yükün ve kaynağın birer görevidir. Rotor kontrollü motorlara oranla, alan kontrollü motorların alan sabitleri daha büyüktür.

Büyük aralıklarda değişen hız ayarlarında rotor gerilimi değiştirilebilir. Ama küçük aralıklarda hassas hız ayarı gereken yerlerde alan sargılarının yarattığı manyetik akı hız kontrolü yöntemi tercih edilir.

Motorun Açısal Hareketi

DC servo motor 0 ile 180º lik açıları kontrol etmek için kullanılır. Motora yazılımsal olarak dönme miktarı, PWM (Darbe Kodlu Modülasyon) modülü ile belirlenir. PWM modülü, kare dalgalardan oluşur. Her pals gelişinde motora güç verilir. Kare dalganın düşen kenarında ise güç kesilir.

Servo motorlarda açısal hareketin olması için bir kare dalga 20 mili saniyeden oluşan pals gönderilmelidir. Aksi taktirde servo çalışmaz. Darbenin uzunluğu, motorun ne kadar döneceğini belirleyecektir. ,

Örneğin 1,5 milisaniyelik bir darbe, motorun 90º  konumuna (genellikle nötr konum denir) dönmesini sağlar. Darbe 1,5 ms’ den daha kısaysa, motor mili 0º ye yaklaştıracaktır. Darbe 1.5 ms’ den uzunsa, şaft 180º ye yaklaşır.

Servo motorların açısal adım sayıları ise iki şekilde tespit edilir. 1-2 ms arasında gönderilen pals veya 1,25-1,75 arasında gönderilen pals miktarı ile belirlenir. Yani açı pals değerleri standarttır. Bu değerlere uygun 20 ms’ lik palsler üreterek dc servo motorların kontrolü sağlanır.

DC Servo Sürücü

“Elektronik hareketli denetleyiciler ”denilen dc servo sürücü ile kontrol edilirler. Bu sürücüler, servo motorun hareketini kontrol eder. Servo kontrol edilen büyüklükler bazen noktadan noktaya konum kontrolü, hız kontrolü ve ivme programlamasıdır.

DC servo motorlar servo kontrolü ile keskin, hassas ve hızlı çalışırlar. PWM tekniği darbe genişlik modülasyonu genellikle robot kontrol sistemlerinde. Sayısal kontrol sistemlerinde ve diğer konum denetleyicilerinde kullanılırlar.

DC Servo Motor Kontrol Karakteristikleri

Bu motor, AC servo motorlardan avantajlıdır. DC servo motorun başka bir avantajı da düşük hızlarda yüksek tork üretmesidir. DC motorun dönme yönü ve hızı rotor akımı ile belirlenir.

Rotor (endüvi) akımındaki artış, hızı da artırır. Rotor akımının yönünün değişmesi motorun dönüş yönünü de değiştirir. DC motorların birçoğu küçük yüklerde kullanılan sabit mıknatıslıdır. Ağır yüklerde kullanılan bazı motorlar ise şönt alan sargılıdır.

DC Servo Motor Seçimi 

Motorun aşağıdaki özelliklerini göz önünde bulundurmalıdır.

• Motor milinin dönüş hızı,
• Sahip olduğu terminal gerilimi oranı,
• Daimî akım seviyesi, tork seviyesi, çıkış gücü seviyesi,

gibi değerler önemlidir. Kataloglarda verilen mil hızı ideal çalışma gerilimindeki yüksüz hızdır. Yük altında hız bir miktar düşer. Terminal gerilimi motorun çalışma gerilimidir. Daimî akım, motor sargılarına aşırı ısınmaya neden olmadan azami çalışma akımıdır. Daimî tork, normal şartlarda motor milinin verdiği döndürme momentidir. Motor tarafından sağlanan mekaniksel güç daimî çıkış gücüdür.

Servo motor kontrol devreleri servo motor sürücüleri olarak bilinirler. Sürücüler motor çeşidi ve gücüne bağlı olarak farklı yapıdadır. Bunlardan en önemlisi motoru sürecek olan gerilimin büyüklüğüdür.

Fırçalı DC servo motorda tek faz, fırçasız DC servo motorda ise 3 fazın yanında rotoru zamanında uyarmak için (alan etkili) Hall sensörler de kontrol edilir. Servo motor sürücüleri çeşitli ebatlarda saç kutu içindedir. Motor durumunu gösteren göstergeleri vardır. Otomatik veya elle motor sürmeye olanak veren cihazlardır.

DC Servo Motor Çeşitleri

DA servo motor yabancı uyartımlı DA motorlar veya kalıcı mıknatıslı DA motorlardır. Servo sistemde çalıştığı zaman, motor alan veya rotor kontrollü olabilir. Rotor ya gerilim (voltaj) kaynağından ya da akım kaynağından beslenir. Her kombinasyon farklı tork hız karakteristiği sunar. Bunların bağlantıları DA servo motor çeşitleri olarak adlandırılabilir. Fakat çok fazla kullanılmadığı için açıklamayacaktır.

Endüstride kullanılan servo motorlar: 

• Alan kontrollü-sabit rotor gerilimli beslemeli servo motorlardır.
• Alan kontrollü-sabit rotor akım beslemeli servo motorlardır.
• Rotor kontrollü-sabit alan beslemeli servo motorlardır.
• Seri ayrık alanlı servo motorlardır.

DC Servo Motor ile AC Servo Motor Arasındaki Farklar 

• Fırçasız servo motorlar, DC servo motor tamir ihtiyaçlarını gidermek için geliştirilmiştir. Modern servo sistemlerde fırça ve komütatör yoktur.
• Kollektörlü DC servo motorlarda fırçaların kirlenmesi bile sorun oluşturabilir. Fırçaların gücü ve ömrü atmosferik koşullarla değiştiğinden değişik yapılı fırçalar kullanılmaktadır. Fırçasız servo motorlardaki verim, benzer ölçüdeki bir DC servo motordan daha yüksektir. Fırçaların sürtünme etkisi olmadığından daha verimlidir.
• Fırça ve kollektörün olmaması motor boyunu küçültür ve hacmini düşürür. Rotor destek rulmanları arasındaki mesafe yanal rijitliği de arttırılır. Bu özellik hız/eylemsizlik oranına ihtiyaç duyulan uygulamalarda önemlidir.
• Fırçasız konfigürasyon da sarımlar, sabit statör içine sarılıdır. Böylece ısı yalıtımı için daha fazla kesit alanı oluşturulabilir.
• Modern servo sistemlerde pozisyon sinyali tespiti için resolver veya kodlayıcı encoder kullanılır. Sistem kodlayıcı ve motorun tek bir iskelet üzerinde konumlanması halinde çok daha kompakt bir duruma gelir. Bu yapıda manyetik akı üretimi için bir magnete ihtiyaç vardır. Bu mıknatısın rotora montajı yapılır ve bundan dolayı motor döner-alan tipli motor yapısındadır. Senkron motor tipi fırçasız servo motorların yapıları doğru akım servo motorlarından farklıdır. Bu nedenle bu tipteki servo motorlara fırçasız DC servo motor denilir.
• Fırçasız DC servo motorlar akımı yarı iletken güç elektroniği elemanlarıyla doğrulturlar. Diğer taraftan rotor manyetik alan kodlayıcı yardımıyla algılanan, bu pozisyona uygun düşecek şekilde statör sarımlarına 3 fazlı alternatif akım veren motorlar vardır. Bu motorlar kalıcı mıknatıslı fırçasız servo motorlardır. Senkron motor tipi fırçasız servo motorlara , AC servo motorlar denilir.
• Manyetik alan ile statöre verilen akımların dikey şekilde kontrolleri yapıldığında DC servo motorlar ile aynı olan hız-moment karakteristikleri elde edilir.
• Servo motorlar kullanımları gereği sık şekilde yavaşlama ve ivmelerle karşılaşırlar. Bunun için, motorun maksimum moment değeri anma momentinden çok yüksek olmalıdır. DC servo motorlarda anma momentinin aşılması halinde komütatör aksamında kıvılcım oluşur. Hız arttıkça moment değeri hızlı bir şekilde düşer.

DC Fırçasız Servo Motor Özellikleri

Yüksek güç, tork ve hız ihtiyacına yöneliktir.

• Kalkış momenti küçüktür.
• Motorların boyları uzundur.
• Yüksek tork değerlerine kısa süre çıkabilmektedir.
• Geri beslemeli sisteme sahiptir.
• Çalışma esnasında bobinler sabit kalır ve manyetik alan hareket halindedir.
• Düşük hızlarda dahi yüksek enerji üretebilmektedir.
• DC servo motor az enerji harcar.
• Fırçasız DC servo motorlar, denetleme ve arıza onarım işlemlerini otomatik olarak yapmaktadır.
• PWM ile çalışan DC motorlar analog veya dijital olmaktadır.
• Motor uzunluğu olarak DC motorlar normal elektronik motorlara göre daha uzundur.

DC Servo Motor Kullanım Alanları

Düşük güçlü DC servo motorlar;

• Bilgisayar kontrollü aletlerde (yazıcılar, teyp sürücüleri, tarayıcılar, disket sürücüler. Kelime işlemciler alternatör devir ayar mekanizmaları, pozisyon belirleme sistemleri. Dijital kontrollü makinalar, bellekli makinalar büro makinaları vb). gibi yerlerde kullanılır.

Büyük ve orta güçlü servo motorlar ise;

• Sayısal denetimli diş açma tezgahları.
• X-Ray cihazları, klimalar, fanlar ve otomatik kapılar, robot sistemlerinde kullanılır.

DC Servo Motor Fiyatları

Motorun teknik özelliklerine göre fiyatlar değişim gösterirler. Motorun gücü, torku, devir sayısı ve flanş ölçüsüdür. Kullanım alanına göre uygun seçilen DC motoru, motorun çalışacağı sistemlerde sorun çıkmamasını sağlar.