Sahne, sürücü ve kodlayıcı tasarımı.

Yüksek hassasiyetli konumlandırma sisteminizi oluşturan bileşenler – rulmanlar, konum ölçme sistemi, motor ve sürücü sistemi ve kontrol ünitesi – mümkün olduğunca iyi bir şekilde birlikte çalışmalıdır. Bölüm 1, sistem tabanını ve rulmanları ele aldı. Bölüm 2, konum ölçümünü ele aldı. Burada, kademe, sürücü ve enkoder tasarımını; sürücü amplifikatörünü ve kontrol ünitelerini ele alacağız.

Doğrusal kodlayıcılar kullanılırken doğrusal aşamaların montajında ​​yaygın olarak kullanılan üç yöntem şunlardır:
• Sürücü ve kodlayıcı, kızağın kütle merkezine veya mümkün olduğunca yakın bir yere yerleştirilir.
• Tahrik ünitesi kütle merkezinde bulunur; kodlayıcı bir tarafa bağlanır.
• Sürücü bir tarafta, kodlayıcı ise diğer tarafta yer almaktadır.

İdeal sistemde tahrik ünitesi, enkoder ile birlikte kızak kütlesinin merkezinde bulunur. Ancak bu genellikle pratik değildir. Genellikle tercih edilen çözüm, tahrik ünitesini bir tarafa, enkoderi ise diğer tarafa hafifçe yerleştirmektir. Bu, hareket geri beslemesinin tahrik sisteminin yanında olduğu merkezi bir tahrik sistemine iyi bir yaklaşım sağlar. Merkezi tahrik üniteleri tercih edilir çünkü tahrik kuvveti, kızağa bükülme veya eğilmeye neden olacak istenmeyen kuvvet vektörleri getirmez. Yatak sistemi kızağı sıkıca sınırladığı için, eğilme sürtünmeyi, aşınmayı ve yük-konum hassasiyetinde artışı beraberinde getirir.

Alternatif bir yöntem, kızağın her iki tarafında birer tane olmak üzere iki tahrik ünitesine sahip bir portal tipi sistem kullanır. Ortaya çıkan tahrik kuvveti, merkezi bir tahriki taklit eder. Bu yöntemle, konum geri bildirimini merkeze yerleştirebilirsiniz. Bu mümkün değilse, her iki tarafa kodlayıcılar yerleştirip masayı özel portal tahrik yazılımıyla kontrol edebilirsiniz.

Sürücü amplifikatörü
Servo sürücü amplifikatörleri, kontrol ünitesinden genellikle ±10 Vdc olan kontrol sinyallerini alır ve motora çalışma voltajı ve akım çıkışı sağlar. Genel olarak, iki tür güç amplifikatörü vardır: doğrusal amplifikatör ve Darbe Genişliği Modülasyonlu (PWM) amplifikatör.

Doğrusal yükselticiler verimsizdir ve bu nedenle çoğunlukla düşük güçlü sürücülerde kullanılırlar. Doğrusal bir yükselticinin çıkış gücü taşıma kapasitesindeki temel sınırlamalar, çıkış kademesinin termal özellikleri ve çıkış transistörlerinin arıza özellikleridir. Çıkış kademesinin güç dağılımı, çıkış transistörleri üzerindeki akım ve voltajın çarpımıdır. Buna karşılık, PWM yükselticiler verimlidir ve tipik olarak 100 W'ın üzerindeki güç kapasiteleri için kullanılır. Bu yükselticiler, çıkış voltajını 50 MHz'e kadar frekanslarda değiştirir. Çıkış voltajının ortalama değeri, komut voltajıyla orantılıdır. Bu türün avantajı, voltajın açılıp kapatılmasıdır, bu da güç dağılım kapasitesini büyük ölçüde artırır.

Amplifikatör tipini seçtikten sonraki adım, amplifikatörün uygulamanın maksimum motor dönüş hızı (veya doğrusal motorlar için doğrusal hız) için gerekli sürekli akımı ve çıkış voltajını gerekli seviyelerde sağlayabildiğinden emin olmaktır.

Fırçasız lineer motorlar için, yükselticiler arasında başka bir ayrım daha yapılabilir. Genel olarak iki tür motor komütasyonu kullanılır: trapezoidal ve sinüzoidal. Trapezoidal komütasyon, üç fazın her biri için akımın Açık veya Kapalı olarak değiştirildiği dijital bir komütasyon türüdür. Motora yerleştirilen Hall etkisi sensörleri genellikle bunu yapar. Harici mıknatıslar sensörleri tetikler. Bununla birlikte, Hall etkisi sensörleri, bobin sargıları ve mıknatıslar arasındaki ilişki kritiktir ve her zaman küçük bir konum toleransı içerir. Bu nedenle, sensörlerin tepki zamanlaması, gerçek bobin ve mıknatıs konumlarıyla her zaman biraz faz dışı gerçekleşir. Bu, bobinlere uygulanan akımda hafif bir varyasyona yol açarak kaçınılmaz titreşime neden olur.

Trapezoidal komütasyon, çok hassas tarama ve sabit hız uygulamaları için daha az uygundur. Bununla birlikte, sinüzoidal komütasyondan daha ucuzdur, bu nedenle yüksek hızlı, noktadan noktaya sistemlerde veya hareket düzgünlüğünün işlemeyi etkilemeyeceği sistemlerde yaygın olarak kullanılır.

Sinüzoidal komütasyonda, açma-kapama anahtarlaması gerçekleşmez. Bunun yerine, elektronik anahtarlama yoluyla, üç fazın 360 derecelik akım faz kayması sinüzoidal bir şekilde modüle edilir. Bu, motordan düzgün ve sabit bir kuvvet elde edilmesini sağlar. Bu nedenle, sinüzoidal şekilli komütasyon, hassas konturlar oluşturmak ve tarama ve görüntüleme gibi hassas sabit hız gerektiren uygulamalar için oldukça uygundur.

Kontrolörler
Burada yeterince ele alabileceğimizden çok daha fazla kontrolör sınıfı bulunmaktadır. Temel olarak, kontrolörler programlama diline ve kontrol mantığına bağlı olarak çeşitli kategorilere ayrılabilir.

Programlanabilir Mantık Kontrol Cihazları (PLC'ler) "merdiven" mantığı şemasını kullanır. Çoğunlukla birden fazla ayrık Giriş/Çıkış (G/Ç) fonksiyonunu kontrol etmek için kullanılırlar, ancak bazıları sınırlı hareket kontrol yetenekleri de sunar.

Sayısal kontrol (NC) sistemleri, endüstri standardı bir dil olan RS274D veya bir varyantı aracılığıyla programlanır. Çok eksenli kontrol ile küresel ve helisel şekiller gibi karmaşık hareketleri gerçekleştirebilirler.

NC olmayan sistemler, temel hareket profilleri için kullanımı kolay arayüz programları da dahil olmak üzere çeşitli tescilli işletim sistemleri kullanır. Bu kontrolörlerin çoğu, monitör veya klavye içermeyen temel bir kontrolör modülünden oluşur. Kontrolör, bir RS-232 portu aracılığıyla bir ana bilgisayarla iletişim kurar. Ana bilgisayar bir Kişisel Bilgisayar (PC), basit bir terminal veya elde taşınabilir bir iletişim ünitesi olabilir.

Günümüzdeki kontrol ünitelerinin neredeyse tamamı dijital kontrol üniteleridir. Analog kontrol ünitelerinde eşi benzeri görülmemiş bir güvenilirlik ve kullanım kolaylığı sağlarlar. Hız geri bildirim bilgisi genellikle eksen konum sinyalinden elde edilir. Tüm servo parametreleri, kullanım ve sıcaklık değişimleriyle sapma eğiliminde olan sürücü amplifikatörünün "potansiyometrelerini" zahmetli bir şekilde ayarlamak yerine yazılım aracılığıyla ayarlanır. Çoğu modern kontrol ünitesi ayrıca tüm eksen servo parametrelerinin otomatik ayarlanmasını da sunar.

Daha gelişmiş kontrolcüler ayrıca dağıtılmış işlemeyi ve Dijital Sinyal İşlemcisi (DSP) eksen kontrolünü de içerir. DSP, özünde matematiksel hesaplamaları çok hızlı (en az bir mikroişlemciden on kat daha hızlı) yapmak için özel olarak tasarlanmış bir işlemcidir. Bu, 125 milisaniye mertebesinde servo örnekleme süreleri sağlayabilir. Avantajı, sabit hız kontrolü ve düzgün konturlama için eksenin hassas kontrolüdür.

Oransal-İntegral-Türev (PID) filtre algoritması ve hız ve ivme ileri beslemesi, eksenin servo kontrolünü iyileştirir. Ek olarak, ivme ve yavaşlama profillerinin S-eğrisi programlaması, genellikle masa hareketinin başlatılması ve durdurulmasıyla birlikte gelen sarsıntıyı kontrol eder. Bu, daha düzgün ve kontrollü bir çalışma sağlayarak hem konum hem de hız için daha hızlı yerleşme sürelerine yol açar.

Kontrol üniteleri ayrıca kapsamlı dijital veya analog giriş/çıkış yetenekleri de içerir. Kullanıcı programı veya alt programı, konum, zaman veya durum bilgilerine, değişken değerlerine, matematiksel işlemlere, harici veya dahili G/Ç olaylarına veya hata kesintilerine bağlı olarak değiştirilebilir. Kullanıcının süreci kolayca otomatikleştirilebilir.

Ek olarak, çoğu kontrol ünitesi elektronik çarpma yoluyla konum geri bildirim çözünürlüğünü artırabilir. 4 kat çarpma yaygın olsa da, bazı gelişmiş kontrol üniteleri 256 kata kadar çarpma yapabilir. Bu, doğrulukta bir iyileşme sağlamasa da, eksen konum kararlılığında ve -birçok kullanımda daha da önemlisi- tekrarlanabilirlikte gerçek bir artış sağlar.

Genel yaklaşımınızda, yukarıda belirtilen faktörlere ek olarak, bütçe, çevre, kullanım ömrü, bakım kolaylığı, arıza arası ortalama süre (MTBF) ve son kullanıcı tercihleri ​​gibi bileşen kararlarını değiştirebilecek diğer faktörleri de göz önünde bulundurmalısınız. Modüler yaklaşım, sistemin genel bileşen uyumluluğu açısından temelden analiz edilmesi durumunda, en zorlu uygulama gereksinimlerini bile karşılayacak standart, kolayca temin edilebilen bileşenlerden sistem montajına olanak tanır.