|
Hareket Kontrolü ( Motion Control & ROBOTIC )
Endüstride Hareket kontrolü kavramı uzay düzlemde hareket eden bir nesnenin gerekli eksenlerdeki tam kontrolü diye tanımlanan genel bir terimdir. Bu alandaki bir uygulama için gerekli olan ürünler sırasıyla , aktuatör, motor, kontrol devresi, arabağlantı elemanları, motor sürücüleri, mikro kontoller, endüstriyel PC yazılım arabirimi, , güç elektroniği, algılayıcı elemanlar, veri toplama sistemi, makina görme sistemi, taşıyıcı sistem, genel konstrüksiyon ve diğer çevre elemanları şeklinde sıralanabilir. Bütün bu ürünlerin ardaşık olarak ve uygun sırayla konfigüre edilmesi sonucunda imalat otomasyonu, test, ölçüm amaçlı endüstriyel kontrol uygulamaları ve OEM hareket uygulamaları yapılabilmektedir. Bu uygulamalara genelde Robot kontrol (robotics) uygulamalar da denmekredir.
Temel bir hareket sistemi beş ana parçadan oluşur.
• Hareket eden mekanik araçlar
• 
Geribeslemeli (servo veya step) motor
• Motor sürücüsü
• Kontrol donanımı
• Programlama ve arabirim yazılımı
Hareket kontrol uygulamasının başlangıcında amaçlanan fonksiyonlar hareketi istenen malzemeyle doğru orantılıdır.Örneğin hareket edecek malzemenin cam yada metal olmasına göre seçilecek tutma, kaldırma malzemeleri yada sıvı dolu bir kap yada ağır ve hacimli bir parca olmasına göre,yönlendirme rutinleri değişiklik arzeder. Bu tesarımların doğru yapılması işlemin başarısında, kurulum maliyeti ve sonraki bakım masrafları açısından son derece önemlidir. Genellikle bu konuda uzmanlaşmış üreticilerden sağlanan aktuatörlerin kullanılması uygulamanın mekanik riskini azaltır.
Servo ve step motor cihazları birçok elektro-mekanik uygulamada hız ve pozisyon kontrolünde sıkça tercih edilen araçlardır. Belirlenen bir uygulamaya yönelik ürün seçerken hareket sistemindeki temel teknolojileri ve hareket sisteminizin gerektirdiklerini iyi anlamak çok önemlidir. Servo ve stepper motor cihazları teknolojik uygulamalarda geniş bir alanı kapsayan genel terimlerdir. Stepper motorlar uygulanan darbelere bağlı olarak çalışan ayrık hareket motorlarıdır. Hareket pozisyonu darbelerin sayısına, hareketin hızı ise darbelerin hızına doğrudan bağlıdır. Servo motorlar sürekli hareket gösteren motorlardır ve pozisyon ve hız kontrolü için kapalı çevrimde geri besleme işaretleri kullanırlar. Motoru sürmek için gerekli olan akım ve gerilim power drive diye bilinen güç besleme cihazdan sağlanmaktadır. Bu cihaz hareket kontrol birimi ile motor arasında yer alır.
Step motorlarda hareket kontrol donanımından gönderilen step işaretleri motorda harekete çevrilir. Motor her işarette bir ayrık durumdan diğerine hareket eder. Bu tip çalışmada dönüş başına tam adım sayısı (dönel hareket) veya birim uzunluk başına tam adım sayısı (doğrusal hareket) en önemli step motor parametreleridir. Bu değerler motorun çözünürlülüğünü tanımlamaktadır.
Servo motorlarda ise elektrik akımı ile bobinler üzerinde oluşturulan manyetik moment (mıknatıslanma) ile motora itme ve çekme kuvvetleri uygulanır ve motor üzerindeki encoder ile PID kontrol kullanılarak bir kapalı çevrim elde edilir. Bu çevrim motorun hızını ve pozisyonunu doğru ve güvenilir bir şekilde kontrol etmek için kullanılır.
Hareket sistemlerinde hız ve konum kontrolünün sağlanması için geribesleme işaretleri kullanılmaktadır. Step motorlarda geri besleme kullanılmak zorunda değildir. Bunun yerine genelde başlangıç referans noktasının belirlenmesi gerekir. Fakat servo motorlarda doğru bir kontrol, düzgün çalışma, kesin motor pozisyonu ve hızın korunabilmesi için geri besleme şarttır ve her hareket ekseni için ayrı geri besleme işareti kullanılmak zorundadır .Geri besleme cihazları genelde enkoder diye adlandırılır. Bunlar hız ve konum bilgisini taşıyan verileri hareket kontrol donanımına aktarır. İşaretler konum bilgisine karşı düşen değerlere çevrilir. Sabit zaman aralığında ölçülen pozisyon verisinden hız bilgisi elde edilir.
Operatör tarafından yada sistemin diğer parametrelerinden gelen bilgilerle sürücü cihazlara bilgi gönderilir. Çoğu kez bu bilgi aktarımı bir loop çevrimi biçiminde gerçekleşir. Sürücü cihazlar kontrol kartının ürettiği bu işaretleri alırlar ve bu işaretleri motorun istenilen hareketi yapabilmesi için uygun güç işaretlerine çevirirler. Servo veya step motorun kullanılmasına ve istenen tork değerine göre kullanılacak sürücü cihaz da değişmektedir. Zira bu durumda motorun istenilen sabit hızda dönebilmesi için yeterli enerji ihtiyacı belirir. Buda ek güç kaynağı gerektirmektedir. Bu noktada gerilimin veya akımın seviyesi önemlidir. Ayrıca motorun ilk çalışmaya başladığı an ( demeraj anı ) veya hızlanma anındaki maksimum akım ya da gerilim ihtiyacı da hesaba katılmalıdır. Motor güç sürücüleri gerekli tüm düşük gerilimli güç kaynaklarını, bağlantı kablolarını, signal koşullama şartlarını ve hareket sisteminin encoder'lar ile entegrasyonunu, limit switch'lerini ve diğer hareket I/O cihazlarını içermelidir
Yakın geçmişte bütün bu kontrolları tek başına yapan ( Stand Alone) kontrol cihazları artık yerini PC içinde kullanılan PnP kartlara ve mükemmel bir kontrol arayüzü ve esnek bir operatör paneli sağlayan hareket kontrol yazılımlarına bırakmıştır. Günümüzde PC ‘nin operatör arabirimi olarak, lokal kontrol veya uzaktan (remote) kontrol amaçlı kullanımı giderek artmaktadır.
PC-tabanlı hareket kontrol kartlarında kontrol mimarisinin kalbi, üzerinde CPU ( Central Proccessor Unite) ve DSP ( Dynamic Signal Proccessor ) devreler bulunan çift işlemcili kontrol devreleridir. CPU gerçek zamanlı işletim sistemine (RTOS) sahip 32-bitlik bir mikrokontrolördür. Sistem içinde yüksek performanslı hareket kontrolü, yüksek hızlı PC-bus iletişimi, hareket yörünge planlaması (motion trajectory planning), hareket I/O izleme ve kontrol ve çok eksenli DSP,FPGA ile sayıcı/zamanlayıcı (counter/timer) elemanlarının koordinasyonundan sorumludur. DSP, PC ile iletişim yapılırken veya komut aktarımı esnasında kontrolün kesilmemesini ve gerçek zamanlı olarak devam etmesini sağlar. DSP encoder'ın geri besleme verisini, motor komut çıkış işaretlerini, hareketin yörünge, hız ve hızlanma değerlerini eşzamanlı olarak günceller. Noktadan noktaya hareket, çok eksenli koordinatlı kontrol, elektronik donanım ve hız profili, bütün genel amaçlı hareket uygulamalarında kullanılabilen standard özellikleridir.
Dikkatlice seçilmiş bir hareket kontrol donanımında motorları gerçeğe uygun kontrol etmek için karmaşık, koordinatlı, çok eksenli pozisyon kontrol sıraları oluşturulmalıdır. Bu nokta uygulamadan yüksek performans sağlanabilmesi için şarttır. Uzman mühendisler yazılım ve matematik sanatının tüm inceliklerini saferber etmek zorundadırlar. Konusunda deneyimli mühendislerin windows işletim sistemi ve 32-bit işletim mimarisi altında Visual Basic, C veya C++, ve mükemmel hareket kontrol fonksiyonları kütüphanesine sahip LabVIEW, gibi programlama dillerinden birini kullanarak istenen algoritmayı gerçekleştirebilmeleri mümkündür.
Pekçok endüstriyel proje uygulamasında olduğu gibi konusunda tecrübeli, çoklu disiplin çalışmasına yatkın mühendislik ekibiyle çalışmak tasarlanan projenin daha başlama noktasında başarı şansını ciddi oranda arttıracaktır.
Bir hareket kontrol sistemi limit switch lerin yoğun kullanımını ve bunun doğal sonucu olarak veri toplama uygulamasını zorunlu kılar. Bu amaçla tasarlanan sistem DIO konfigürasyonunu içeren bir sensör ağıyla örülmüştür. Günümüzde hareket kontrolünü kullanan birçok sistem görüntü toplama (Machine Vision ) gibi gelişkin ve popüler sistem kontrol rutinlerini de içermektedir.
Glossary of Motion Terms
Absolute Position Mode — All destination or “Target” positions for motion are specified with respect to a zero reference position.
Acceleration / Deceleration — A measurement of the change in Velocity as a function of Time. Acceleration and Deceleration describe the period when velocity is changing from one value to another, from a stop (zero velocity) to a desired speed (Target velocity) or vice versa. Deceleration is also considered negative acceleration.
Bipolar Chopper Driver — A type of stepper motor driver that implements a switch mode technique (chopping) to accurately control motor current and polarity in the phases and windings of the motor. Bipolar control of the current polarity in the motor phases improves efficiency and reduces heating in the motor.
Closed Loop — A motion system that uses a feedback device to provide position and velocity data for status reporting and the accurate control of position and velocity.
Commutation — The sequential control of switched waveforms from the power driver amplifier into the motor phase windings that will cause rotation or linear motion depending on motor type. Brush type motors “auto-commutate” due to the brush contact with the motor windings. Brushless type motors require the advance information of position and direction in order to accurately provide correct waveform switching sequences. Brushless motors typically use hall-effect type sensors to generate the commutation control waveforms.
Control System Bandwidth — This is the measure of a closed loop system's response and is typically represented as a frequency range or an update period for the PID loop in a digital servo controller. For example, if a PID loop has an update rate of 250 ? s, it would have a bandwidth of 4 kHz.
Holding Torque — The force that a motor can provide or withstand while still remaining in a fixed stop location without any rotation, translation, or movement.
Home Position/Home Switch — A physical position determined by the mechanical system or designer as the reference location for system initialization. Frequently, the home position is also regarded as the “zero” position in an absolute position frame of reference.
Hybrid Stepper Motor — A motor type designed to move in discrete step increments, (typically specified in degrees). Hybrid stepper motors have permanent magnet rotor elements with a coil wound stator (outer shell) and no brushes contacting between the two. The current through the coil phases is switched in a predetermined sequence (commutated) to produce desired motion in a given direction.
Limit Switches/End Of Travel Positions — Mechanical or electrical sensors that represent the limitation of motion in a direction for a motion system. Determined by the mechanical system configuration of designer specification. Limit switches provide status to the controller/indexer that an end of travel or limit location has been reached and motion should halt abruptly.
Loop Tuning Bode Plot — A graphical display of the measured or calculated system gain and phase margin versus frequency of a closed loop system for a given range of input frequency. The Tune PID bode plot VI function provides an interactive display of the steady state performance of the closed loop control system, taking into account actual system characteristics.
MicroStepping — The proportional control of energy in the coils of a stepper motor that allow the motor to move to or stop at locations other than the fixed magnetic/mechanical pole positions determined by the motor specifications. This capability facilitates the subdivision of full mechanical steps on a stepper motor into finer microstep locations that greatly smooth motor running operation and increase the resolution or number of discrete positions that a stepper motor can attain in each revolution.
Open Loop — A motion system that does not use a feedback device for position and velocity verification or control.
Phase Angle/Phase Margin — A value presented in PID Loop Tuning Bode Plot analysis that represents the advance or lead of an input signal to the output signal in a closed loop Servo controller. Used in the determination of closed loop system stability at a given crossover frequency.
PID Loop Tuning/Servo Compensation — Flexible adjustment of the Proportional, Integral and Derivative Gain Parameters, along with loop update rate or frequency to assure stable operation and desired dynamic response of a closed loop servo system.
Following Error — The measured error between a desired position or velocity and the actual position or velocity achieved. This measured value is derived from a feedback device and compared to the value provided by the controller/indexer.
Position Resolution — Typically determined by the smallest increment of motion that can be controlled. In stepper motor systems, it is determined by the number of steps per revolution, typically as a limitation of the stepper driver microstepping value or of the feedback device resolution. In Servo Motor systems, it is entirely determined by the resolution of the feedback device in counts per revolution of the motor.
Power Amplifier/Driver — An electronic device that converts low-level command signals to high power voltages and currents, facilitating the operation of a servo or stepper motor. A power amplifier/driver is required between the controller/indexer and a motor.
Relative Position Mode — The destination or “Target” position for motion is specified with respect to the current location regardless of its value.
Step Output Rate — The frequency of the step output control pulses generated by a controller / indexer and provided to an amplifier driver. The combination of step output rate (steps/sec) , steps per revolution (steps/rev) and time (60 sec/ minute) provide a basic representation of motor velocity in RPM. Linear speed may be further derived by additional mechanical data (for example, lead screw revolutions per inch).
Trigger Buffer Inputs — A digital signal that begins the execution of a sequence of motion commands stored on the controller/indexer, allowing the commands to fully execute until the end of the sequence is reached.
Symbol Definitions:
Eff = Efficiency
I = Current
Iemax=Most Efficient Current
Inl = No Load Current
J = Torque (oz-in/A)
Kb = Voltage Constant (Volt/1000 RPM)
Kt = Torque Constant (oz-In/A)
Pi = Power Input (Watts)
Po = Mechanical Power Output (Watts)
Rm = Terminal Resistance
RPM = Revolutions/Minute
V = Voltage
