Tork kontrolü nasıl yapılır?
Tork kontrolü nasıl yapılır?
Tork kontrolü, motorun yalnızca dönüş hızını ayarlamak değil, ürettiği döndürme momentini belirlenen değerde tutmaktır. Tork hedefi sürücüye verilir; uygun ölçüm veya motor modeliyle elde edilen geri bildirim, bu hedefle karşılaştırılır. Kontrol sistemi, aradaki farkı azaltacak şekilde motoru sürer. Temel kavram için tork kontrolü nedir sayfasına da bakabilirsiniz.
Hız kontrolü ile tork kontrolü arasındaki fark burada önemlidir: hız modunda motor, hızı korumak için gereken torku üretmeye çalışır; tork modunda ise öncelik tork referansıdır. Dönüş hızı, yükün davranışına ve etkin sınırlara bağlı olarak değişebilir. Sabit tork, sabit hız anlamına gelmez. [2]
Bu sayfada: DC motorlar · AC motorlar · Servo sistemler · Uygulama örneği · Ayar sırası
DC motorlarda tork kontrolü: temel değişken akımdır
Sabit mıknatıslı veya alan akısı sabit tutulan bir DC motorda, elektromanyetik tork yaklaşık olarak T = kt × Ia bağıntısıyla ifade edilir. Burada kt tork sabiti, Ia armatür akımıdır. Bu nedenle hassas kontrolün temelinde, ölçülen armatür akımını istenen değere getiren bir akım döngüsü bulunur. [1, 2]
Gerilimi değiştirmek aynı şey değildir. Motorun besleme gerilimi, akımını ve çalışma noktasını etkiler; ancak hızla değişen ters elektromotor kuvvet nedeniyle tek başına sabit gerilim, sabit tork sağlamaz. PWM de bir anahtarlama yöntemidir: geri beslemesiz görev oranı ayarı, kendiliğinden tork regülasyonuna dönüşmez. Uygun DC sürücü, istenen akımı elde etmek için güç katını yönetir.
Alan kontrolü, ayrı uyartımlı motorlarda ayrıca değerlendirilir. Genel ilişki T ∝ Φ × Ia şeklindedir. Alan akısı Φ değişirse aynı akım farklı tork üretir; alan zayıflatıldığında amper başına tork azalır. Bu yüzden alan akımını değiştirmek, tüm hızlarda aynı torkun korunacağı anlamına gelmez. [2]
AC motorlarda V/f, vektör kontrol ve DTC
V/f kontrolü: İndüksiyon motorlarında gerilim/frekans oranının ayarlanması, motorun akı ve çalışma koşullarını etkiler. Fakat klasik V/f yaklaşımı, belirli bir tork referansını doğrudan izleyen kontrol değildir. Bir uygulamanın sabit tork karakteristiğine sahip olması ile sürücünün tork modunda çalışması da farklı konulardır. [2]
Vektör kontrolü / FOC: Alan yönlü kontrol, stator akımını uygun bir dönen referans sisteminde akıyla ilişkili ve tork üreten bileşenlere ayırır. Sürücü bunları ayrı akım döngüleriyle düzenler. Bu işlem, rotor ve stator sargılarına birbirinden bağımsız iki besleme vermek anlamına gelmez. Rotor akısının veya konumunun bilgisi, motor tipine göre ölçümden ya da modelden elde edilir. [3]
Doğrudan tork kontrolü: DTC, motorun tork ve akısını kontrol değişkenleri olarak kullanır. Tipik uygulamalarda tork, elektriksel ölçümler ve motor modeliyle tahmin edilir; “doğrudan” sözcüğü mutlaka mil üzerinde tork sensörü bulunduğu anlamına gelmez. Kullanılabilir yöntem, frekans sürücüsünün ve motorun desteklediği yapıya bağlıdır. [2, 8]
Servo motorlarda tork modu, PID ve ileri besleme
Bir servo sistemde konum, hız ve akım döngüleri birlikte bulunabilir. Tork modunda komut, temel olarak tork üreten akıma yönelir; hız ve konum düzenlemesi bu komutun dışında, başka bir kontrol katmanında bulunabilir. Bu nedenle servo ile PID kontrolü, tek başına tork kontrolünün tanımı değildir. Akım döngülerinde PI düzenleyiciler yaygındır; dış döngünün yapısı uygulamaya göre değişir. [3, 4]
İleri besleme, beklenen yük veya ivmelenme ihtiyacına göre tork komutuna önceden katkı yapar. Geri beslemenin alternatifi değil, onu destekleyen bir yaklaşımdır. Örneğin bir mekanizmayı hızlandırmak için gereken ek tork tahmin edilebilir; gerçek yükteki sapmalar yine kontrol döngüsüyle ele alınır.
Enkoder ve resolver, konum veya hız bilgisini sağlar; doğrudan tork ölçmez. Akımdan hesaplanan elektromanyetik tork ile yük tarafındaki gerçek mil torku, kayıplar ve ivmelenme sırasında farklılaşabilir. Doğrudan mekanik doğrulama gerekiyorsa tork sensörü ve uygun bir tork ölçüm yöntemi değerlendirilmelidir.
Tork referansı, tork limiti ve akım limiti aynı değildir
Tork referansı, ulaşılmak istenen değerdir. Tork limiti, izin verilen sınırdır. Hız modundaki bir motorun tork limitini %50 yapmak, motorun sürekli %50 tork üreteceği anlamına gelmez. Akım limiti ise elektriksel bir sınırdır; özellikle AC motorlarda toplam akımın tamamı tork üretmediği için her koşulda aynı mekanik torka karşılık gelmez. [3–5]
Yük kaybolduğunda motor hızlanabilir. Tork modu, kendi başına bir hız sabitleme veya güvenli durdurma işlevi değildir. İzin verilen hız, yön, tork değişim hızı ve duruş davranışı ayrıca tanımlanmalıdır. Kullanılacak sürücünün tork modunda hız sınırlamasını gerçekten desteklediği kontrol edilmelidir. Sıradan bir parametre limiti, güvenlik işlevi yerine kabul edilmemelidir. [5]
Diğer yöntemler torku nasıl etkiler?
Redüktör ve dişli oranı: Redüktör seçimi, yük tarafındaki hız ve torku değiştirir. Motorun yükü sürdüğü durumda yaklaşık ilişki Tçıkış = Tmotor × i × η şeklindedir; i indirgeme oranı, η verimdir. Redüktör, mekanik dönüşüm sağlar; tek başına geri beslemeli bir tork kontrolörü değildir. [6]
Rotor direnci ve kayma: Bilezikli rotor motorlarında dış rotor direnci, tork–hız karakteristiğini değiştirebilir. Bu yaklaşım, sürücüdeki kayma kompanzasyonu ile aynı işlem değildir. Kayma kompanzasyonu, yük nedeniyle oluşan hız düşümünü azaltmayı hedefleyen bir sürücü fonksiyonudur; rotor devresine fiziksel direnç eklemez.
Hidrolik ve pnömatik sistemler: Akışkan basıncı, bu enerjiyle çalışan motor veya aktüatörün çıkışını etkiler. Hidrolik motorda basınç farkı ve deplasman, torkla ilişkilidir. Ancak bir hidrolik pompa sisteminin basıncını ayarlamak, elektrik motorunda doğrudan tork modunu seçmekle aynı şey değildir. [7]
Üst seviye yazılım: Robotik veya elektrikli araç uygulamalarında yazılım, çalışma koşullarına göre bir tork talebi oluşturabilir. Bu talebin uygulanması yine motorun kontrol yöntemine, geri bildirimlere ve elektriksel–mekanik sınırlara bağlıdır. Algoritma, motorun fiziksel kapasitesini ortadan kaldırmaz.
Örnek: sabit tork, sarımda sabit gerginlik sağlamaz
Bir sarım tamburunda malzemeye 100 N çekme kuvveti uygulamak istediğimizi düşünelim. Sürtünme ve ivmelenmenin ihmal edildiği ideal durumda T = F × r olur. Sarım yarıçapı 0,05 m iken gereken tambur torku 5 N·m; yarıçap 0,15 m olduğunda ise 15 N·m olur.
Tambur torku 5 N·m değerinde sabit bırakılırsa, ikinci durumda çekme kuvveti yaklaşık 33,3 N'a düşer. Dolayısıyla sabit gerginlik için çap değiştikçe tork referansı da değiştirilmelidir. Gerçek sistemde redüktör, sürtünme ve ivmelenme etkileri ayrıca hesaba katılır. Bu sayılar bir cihaz ayarı değil, ilişkiyi gösteren varsayımsal hesap örneğidir.
Tork kontrolü ayarlanırken hangi sıra izlenmeli?
1. Yükün ihtiyacını tanımlayın. İstenen tork hangi milde, hangi hızda ve ne kadar süre gereklidir? Sürekli tork ile kısa süreli tepe torkunu ayırın. Motor seçiminde tork gereksinimi ve tork–hız eğrisi, tek bir kW değerinden daha fazla bilgi verir.
2. Motor–sürücü eşleşmesini doğrulayın. Motor tipini, etiket verilerini, kontrol modunu ve gerekli geri bildirim donanımını kontrol edin. Motor tanıma işlemini yalnızca üreticinin belirttiği koşullarda uygulayın; bazı tanıma yöntemlerinde motor dönebilir.
3. Komutun ölçeğini ve yönünü kontrol edin. Referansın N·m, yüzde veya akım cinsinden mi verildiğini doğrulayın. Yüzde değerinin hangi nominal büyüklüğe dayandığını; akım kullanılıyorsa RMS/tepe tanımını okuyun. Pozitif tork işareti ile motorun o andaki dönüş yönü aynı kavram değildir. [4, 5]
4. Sınırları ve duruş davranışını belirleyin. Hız, tork, akım, termik yük ve tork rampasını uygulamaya göre sınırlandırın. Ani tork artışlarının mekanik etkisini hesaba katın. Normal tork sınırlamasını acil duruş veya güvenli yük tutmanın yerine kullanmayın.
5. Kontrollü yük testiyle doğrulayın. Risk değerlendirmesi ve korumalar tamamlandıktan sonra, uygun düşük başlangıç referansıyla torku, hızı, akımı ve ısınmayı birlikte izleyin. Yük kaybını ve mod değişimini de değerlendirin; boşta, kontrolsüz tork modu denemesi yapmayın. Gereken doğruluk sağlanmıyorsa yalnızca referansı yükseltmek yerine ölçüm, motor modeli ve mekanik kayıpları inceleyin.