Sahne, sürücü ve kodlayıcı tasarımı.

Yüksek hassasiyetli konumlandırma sisteminizi oluşturan bileşenler (rulmanlar, konum ölçüm sistemi, motor ve tahrik sistemi ve kontrolör) mümkün olduğunca iyi bir şekilde birlikte çalışmalıdır. 1. Bölümde sistem tabanı ve rulmanlar ele alınmıştır. 2. Bölümde ise konum ölçümü ele alınmıştır. Burada, aşama, tahrik ve kodlayıcı tasarımını; tahrik amplifikatörünü ve kontrolörleri ele alacağız.

Doğrusal kodlayıcılar kullanıldığında doğrusal aşamaları birleştirmenin yaygın olarak kullanılan üç yöntemi:
• Sürücü ve kodlayıcı, kızak kütle merkezine veya mümkün olduğunca yakınına yerleştirilir.
• Sürücü kütlenin merkezinde yer alır; kodlayıcı bir tarafa bağlanır.
• Sürücü bir tarafta, kodlayıcı ise diğer tarafta yer alır.

İdeal sistemde tahrik, enkoder ile birlikte kızak kütlesinin merkezinde bulunur. Ancak bu genellikle pratik değildir. Alışılmış uzlaşma, tahriki hafifçe bir tarafa, enkoderi ise hafifçe diğer tarafa yerleştirir. Bu, hareket geri bildiriminin tahrik sisteminin yanında olduğu merkezi bir tahrik sistemine iyi bir yaklaşım sağlar. Merkezi tahrikler tercih edilir çünkü tahrik kuvveti, kızağa burulmaya veya gerilmeye neden olabilecek istenmeyen kuvvet vektörleri getirmez. Yatak sistemi kızağı sıkıca sıkıştırdığı için gerilme, artan sürtünmeye, aşınmaya ve yük konumu hassasiyetine yol açar.

Alternatif bir yöntem, kızağın her iki tarafında birer adet olmak üzere iki tahrik ünitesi bulunan bir gantry sistemi kullanır. Ortaya çıkan tahrik kuvveti, merkezi bir tahrik ünitesini taklit eder. Bu yöntemle, konum geri bildirimini merkeze yerleştirebilirsiniz. Bu mümkün değilse, her iki tarafa da kodlayıcılar yerleştirebilir ve masayı özel gantry tahrik yazılımıyla kontrol edebilirsiniz.

Sürücü amplifikatörü
Servo sürücü amplifikatörleri, kontrolörden genellikle ±10 Vdc'lik kontrol sinyalleri 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 amplifikatörler verimsizdir ve bu nedenle çoğunlukla düşük güçlü sürücülerde kullanılırlar. Doğrusal bir amplifikatörün çıkış gücü işleme kapasitesindeki temel sınırlamalar, çıkış katının termal özellikleri ve çıkış transistörlerinin bozulma özellikleridir. Çıkış katının güç dağılımı, çıkış transistörleri üzerindeki akım ve voltajın çarpımıdır. PWM amplifikatörler ise aksine verimlidir ve genellikle 100 W'ın üzerindeki güç kapasiteleri için kullanılır. Bu amplifikatörler, çıkış voltajını 50 MHz'e kadar olan frekanslarda değiştirir. Çıkış voltajının ortalama değeri, komut voltajıyla orantılıdır. Bu türün avantajı, voltajın açılıp kapatılması ve böylece güç dağılım kapasitesinin önemli ölçüde artmasıdır.

Amplifikatör tipini seçtikten sonraki adım, amplifikatörün uygulamanın maksimum motor dönüş hızı (lineer motorlar için doğrusal hız) için gerekli sürekli akımı ve çıkış voltajını gerekli seviyelerde sağlayabilmesini sağlamaktır.

Fırçasız doğrusal motorlar için amplifikatörler arasında başka bir ayrım yapabilirsiniz. Genel olarak iki tip motor komütasyonu kullanılır: trapezoidal ve sinüzoidal. Trapezoidal komütasyon, üç fazın her biri için akımın Açık veya Kapalı konuma getirildiği dijital bir komütasyon türüdür. Motora yerleştirilen Hall Etkisi sensörleri genellikle bunu yapar. Harici mıknatıslar sensörleri tetikler. Ancak, 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 değişikliğe yol açarak kaçınılmaz titreşime neden olur.

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

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

Kontrolörler
Burada yeterince tartışabileceğimizden daha fazla denetleyici sınıfı vardır. Denetleyiciler temel olarak, programlama diline ve kontrol mantığına bağlı olarak birkaç kategoriye ayrılabilir.

Programlanabilir Mantık Denetleyicileri (PLC'ler), bir "merdiven" mantık şeması kullanır. Bunlar, esas olarak birden fazla ayrı Giriş/Çıkış (G/Ç) fonksiyonunu kontrol etmek için kullanılır, ancak birkaçı sınırlı hareket kontrol yetenekleri sunar.

Sayısal kontrol (NC) sistemleri, endüstri standardı bir dil olan RS274D veya bir varyantı aracılığıyla programlanır. Küresel ve sarmal şekiller gibi karmaşık hareketleri çok eksenli kontrolle gerçekleştirebilirler.

NC olmayan sistemler, temel hareket profilleri için kullanımı kolay arayüz programları da dahil olmak üzere çeşitli tescilli işletim sistemleri kullanır. Bu denetleyicilerin çoğu, monitör veya klavyesi olmayan temel bir denetleyici modülünden oluşur. Denetleyici, bir ana bilgisayarla RS-232 portu üzerinden iletişim kurar. Ana bilgisayar bir Kişisel Bilgisayar (PC), bir terminal veya taşınabilir bir iletişim ünitesi olabilir.

Güncel kontrolörlerin neredeyse tamamı dijital kontrolörlerdir. Analog kontrolörlerde eşi benzeri görülmemiş bir güvenilirlik ve kullanım kolaylığı sunarlar. Hız geri besleme bilgisi genellikle eksen konum sinyalinden elde edilir. Tüm servo parametreleri, kullanımdan sonra ve sıcaklık değişimleriyle kayma eğiliminde olan sürücü amplifikatörü "potlarını" zahmetli bir şekilde ayarlamak yerine yazılım aracılığıyla ayarlanır. Çoğu modern kontrolör ayrıca tüm eksen servo parametrelerinin otomatik olarak ayarlanmasını sağlar.

Daha gelişmiş kontrolörler, dağıtılmış işleme ve Dijital Sinyal İşlemcisi (DSP) eksen kontrolünü de içerir. DSP, özünde matematiksel hesaplamaları çok hızlı (bir mikroişlemciden en az on kat daha hızlı) yapmak üzere 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 geliştirir. Ayrıca, ivme ve yavaşlama profillerinin S-eğrisi programlaması, genellikle tabla hareketinin başlatılması ve durdurulmasıyla birlikte gelen sarsıntıyı kontrol eder. Bu, daha akıcı ve daha kontrollü bir çalışma sağlayarak hem konum hem de hız için daha hızlı yerleşme sürelerine yol açar.

Denetleyiciler ayrıca kapsamlı dijital veya analog giriş/çıkış yeteneklerine sahiptir. Kullanıcı programı veya alt rutin, 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.

Ayrıca, çoğu kontrolör, elektronik çarpma yoluyla konum geri besleme çözünürlüğünü artırabilir. 4x çarpma yaygın olsa da, bazı gelişmiş kontrolörler 256x'e kadar çarpma yapabilir. Bu, doğrulukta bir iyileştirme sağlamasa da, eksen konum kararlılığında ve daha da önemlisi birçok kullanımda tekrarlanabilirlikte gerçek bir artış sağlar.

Genel yaklaşımınızda, yukarıda belirtilen faktörlerin yanı sıra, bütçe, çevre, kullanım ömrü, bakım kolaylığı, MTBF ve son kullanıcı tercihleri gibi bileşen kararlarını etkileyebilecek diğer faktörleri de göz önünde bulundurmalısınız. Modüler yaklaşım, bir sistem temelden başlayarak genel bileşen uyumluluğu açısından analiz edilirse, en zorlu uygulama gereksinimlerini bile karşılayacak standart, kolayca bulunabilen bileşenlerden sistem montajına olanak tanır.