PID ile Tork Kontrolü Nasıl Yapılır?

Tork kontrolü, bir elektrik motorunun veya mekanik sistemin belirli bir döndürme momenti üretmesini sağlamayı amaçlar. Servo presler, sarıcı-açıcı sistemler, ekstrüderler, sıkma mekanizmaları, robot eksenleri, test tezgâhları ve çekme-germe uygulamalarında hızdan veya pozisyondan çok üretilen mekanik kuvvet önemli olabilir.

Ancak tork kontrolünü yalnızca “istenen tork ile gerçek tork arasındaki hataya PID uygula” şeklinde anlatmak modern servo sistemlerini gereğinden fazla basitleştirir.

Birçok servo motor kontrolünde tork talebi, sürücünün içindeki çok hızlı akım kontrol döngüsüne dönüştürülür.

Servo sistemde motor torku çoğu zaman tork üreten motor akımı üzerinden kontrol edilir; bu nedenle “tork PID'si” ile “akım döngüsü” arasındaki farkı bilmek gerekir.

Motor torku ile akım arasındaki ilişki

Alan yönlendirmeli kontrol veya modern servo sürücülerde motor akımı uygun eksenlere ayrılır. Tork üretiminde özellikle q-axis current, yani Iq önemli rol oynar.

Motorun uygun çalışma bölgesinde elektromanyetik tork yaklaşık olarak:

Tork ≈ Kt × Iq

ilişkisiyle düşünülebilir.

Buradaki Kt motorun tork sabitidir.

Dolayısıyla sürücüye %50 tork referansı verildiğinde sürücü bu talebi uygun motor akımına dönüştürür ve içteki hızlı akım kontrol döngüsü gerçek akımı referansa yaklaştırmaya çalışır.

Rockwell servo yapısında da tork referansı motorun torque-producing Iq current komutuna dönüştürülür. Motorun nominal tork-akım ilişkisi sürücünün motor modeli ve tork sabiti üzerinden kullanılır.

Gerçek tork gerçekten ölçülüyor mu?

Her zaman değil.

Bir servo sürücünün ekranında görülen Torque Actual veya tork yüzdesi, çoğu sistemde şafta takılmış bağımsız bir tork sensörünün doğrudan mekanik ölçümü değildir.

Sürücü çoğu zaman motor akımı, motor modeli ve tork sabitinden hareketle üretilen elektromanyetik torku tahmin eder.

Bu değer motor kontrolü için son derece faydalıdır fakat;

redüktör kayıpları,

rulman sürtünmesi,

kayış-kasnak kayıpları,

mekanik deformasyon

nedeniyle yük tarafındaki gerçek mekanik torkla birebir aynı olmayabilir.

Motor akımından hesaplanan tork ile yük miline yerleştirilmiş gerçek tork transdüserinin ölçtüğü tork aynı ölçüm değildir.

Tork kontrol modunda servo ne yapar?

Tork modunda üst kontrol sistemi sürücüye belirli bir tork referansı gönderir.

Bu referans;

analog sinyal,

endüstriyel haberleşme,

motion network,

veya sürücünün kendi dahili komutu

üzerinden gelebilir.

Örneğin analog tork referansı kullanılan eski veya klasik servo sistemlerinde ±10 V gibi bir analog kontrol sinyali belirli pozitif ve negatif tork değerlerine karşılık gelebilir.

Dijital servo ağlarında ise doğrudan yüzde nominal tork veya üreticiye özgü tork birimi gönderilebilir.

Tork modu neden hız limiti ister?

Bu konu tork kontrolünün en önemli güvenlik ve devreye alma noktalarından biridir.

Bir motor belirli pozitif tork üretirken karşı yük bu torktan küçükse motor hızlanmaya devam eder.

Çünkü:

Net tork → ivme → hız artışı

oluşturur.

Tork modu tek başına belirli bir motor hızını tutmayı garanti etmez.

Bu nedenle birçok servo sürücü tork kontrol modunda ayrıca speed limit kullanır.

Yaskawa'nın tork kontrol modlarında da tork referansının yanında motor hızını sınırlayan ayrı hız limiti bulunur.

Tork kontrolü ile hız kontrolü aynı görev değildir.

Pozisyon, hız ve tork döngüleri nasıl sıralanır?

Klasik bir servo mimarisinde döngüler iç içedir:

Pozisyon döngüsü → Hız referansı

Hız döngüsü → Tork / akım referansı

Akım döngüsü → Motor gerilimi / PWM kontrolü

İç döngü dış döngüden daha hızlı çalışır.

Yani pozisyon PID kontrolü ile tork kontrolünü aynı zaman ölçeğinde düşünmek doğru değildir.

Yaskawa'nın servo blok yapılarında da position loop, speed loop ve current loop ayrı katmanlar olarak gösterilir; en içteki akım döngüsü en hızlı cevabı sağlar.

Tork kontrolünde encoder ne işe yarar?

Encoder yalnızca pozisyon kontrolü için kullanılan bir sensör değildir.

Servo motorlarda encoder veya resolver;

rotor elektriksel konumunun belirlenmesi,

komütasyon,

hız geri bildirimi,

pozisyon geri bildirimi

için kullanılabilir.

Tork kontrolünde doğrudan mekanik torku ölçmek zorunda değildir, fakat motor alanının doğru yönlendirilmesi ve servo sürücünün iç kontrolünün doğru çalışması açısından kritik olabilir.

Bazı sürücüler ve motor tipleri sensörsüz kontrol yöntemleri kullanabilir; ancak yüksek performanslı servo sistemlerinde motor geri bildirimi son derece yaygındır.

Tork kontrolünde PID gerçekten nerede kullanılır?

İç motor akım kontrol döngüsü çoğu sürücüde üretici tarafından hazır olarak tasarlanır ve kullanıcı doğrudan klasik Kp-Ki-Kd değerleriyle bu döngüyü yeniden oluşturmaz.

Birçok servo sisteminde iç akım kontrolü pratikte çok hızlı PI veya vektör akım regülasyonu şeklindedir.

PID veya PI kontrol ise bunun dışında kurulmuş bir outer loop içerisinde kullanılabilir.

Örneğin:

Gerçek tork sensörü → PLC PID → Servo tork referansı

veya:

Germe kuvveti sensörü → PID → Servo tork referansı

yapısı oluşturulabilir.

Burada PLC'deki PID, servo sürücünün içindeki hızlı akım kontrolünü değiştirmez; yalnızca sürücünün tork set değerini daha yavaş bir dış döngüyle ayarlar.

Bu görev ayrımı PLC ile PID kontrolü açısından da önemlidir.

Örnek: web tension kontrolü

Sarma ve açma makinelerinde malzeme gerginliğinin sabit tutulması gerekebilir.

Bir rulonun çapı sürekli değiştiğinden aynı motor torku aynı doğrusal germe kuvvetini oluşturmaz.

Temel ilişki yaklaşık olarak:

Tork = Kuvvet × Rulo yarıçapı

şeklindedir.

Rulo çapı büyüdükçe aynı web tension için gereken motor torku da artabilir.

Bu tür uygulamalarda load-cell veya dancer geri bildirimi üzerinden dış PID kullanılabilir ve servo sürücüye tork referansı gönderilebilir.

Yaskawa da tork modunu web tension kontrolü için uygun uygulamalardan biri olarak tanımlar.

Feedforward tork kontrolünde neden önemlidir?

Makinenin ihtiyaç duyduğu torkun önemli bir bölümü önceden hesaplanabiliyorsa kontrolün tamamını geri besleme hatasına bırakmak gerekmez.

Örneğin;

yük ataleti,

istenen ivme,

yerçekimi etkisi,

rulo çapı

biliniyorsa yaklaşık gerekli tork önceden hesaplanabilir.

Bu torque feedforward değeri ana komuta eklenir, PID veya başka geri besleme döngüsü ise model hatalarını ve beklenmeyen yük değişikliklerini düzeltir.

Bu yaklaşım PID ve diğer kontrol stratejileri arasındaki farkın iyi örneklerinden biridir.

İvme için neden tork gerekir?

Dönen bir sistemde temel ilişki:

Tork = Atalet × Açısal ivme

şeklinde düşünülebilir.

Yük ataleti büyüdükçe aynı ivmeyi elde etmek için daha fazla tork gerekir.

Bu nedenle servo motor seçerken yalnızca sürekli çalışma torkuna bakmak yeterli değildir.

Hızlanma ve yavaşlama sırasında gereken peak torque da değerlendirilmelidir.

Sürekli tork ile peak tork aynı şey değildir

Servo motor ve sürücüler genellikle;

continuous torque

ve

peak torque

sınırlarına sahiptir.

Motor kısa süreli olarak nominal sürekli torkunun üzerinde tork üretebilir, ancak bu durum sürekli sürdürülemez.

Motor sargı sıcaklığı, sürücü akım limiti ve termal model zaman içerisinde izin verilen torku azaltabilir.

Bu nedenle PID'nin sürekli %200 veya %300 tork istemesi, motorun bunu sürekli sağlayabileceği anlamına gelmez.

Tork limiti yalnızca mekanik değil, aynı zamanda elektriksel ve termal bir sınırdır.

Akım limiti tork kontrolünü nasıl etkiler?

Tork motor akımıyla yakından ilişkili olduğu için sürücünün current limit değeri doğrudan kullanılabilir torku sınırlar.

Sürücü;

inverter peak current,

motor peak current,

motor thermal limit,

inverter thermal limit

gibi farklı nedenlerle akımı sınırlayabilir.

Bu durumda tork referansı %150 olsa bile gerçek motor akımı daha düşük bir sınırda tutulabilir.

PID çıkışı yükselmeye devam ederken gerçek tork artmıyorsa PID tuning'den önce doygunluk ve limit durumu kontrol edilmelidir.

Integral windup tork döngüsünde de olabilir

Dış PID %200 tork istiyor ancak sürücü termal veya akım limiti nedeniyle yalnızca %100 sağlayabiliyor olsun.

PID integrali bu sırada hatayı toplamaya devam ederse integral windup oluşabilir.

Yük azaldığında veya limit kalktığında biriken integral sistemi gereğinden sert biçimde hızlandırabilir.

Bu nedenle dış tork PID'sinde;

output limit, anti-windup, tracking

ve servo sürücünün gerçek operative torque/current limit durumu birlikte düşünülmelidir.

Negatif tork nedir?

Torkun işareti de önemlidir.

Motor dönme yönüne karşı tork uyguladığında sistem frenleme veya rejeneratif çalışma bölgesine girebilir.

Örneğin yüksek atalete sahip bir makineyi hızla yavaşlatırken servo sürücü negatif tork üretir.

Bu enerji;

DC bara geri dönebilir,

rejeneratif dirençte harcanabilir,

veya uygun sistemlerde şebekeye geri aktarılabilir.

Bu nedenle yüksek dinamikli tork kontrolünde yalnızca motorun pozitif tork kapasitesi değil frenleme ve rejenerasyon kapasitesi de dikkate alınmalıdır.

Tork kontrolünde mekanik rezonans

Tork referansını agresif hale getirmek mekanik sistemin daha hızlı olmasını garanti etmez.

Esnek kaplin, uzun mil, redüktör, kayış veya büyük atalet farkları mekanik rezonans oluşturabilir.

Aşırı yüksek kontrol bant genişliği;

titreşim,

ses,

akım salınımı,

mekanik yorulma

oluşturabilir.

Servo sistemlerinde bu nedenle tork referans filtreleri, notch filtreleri, load observer veya başka titreşim bastırma fonksiyonları kullanılabilir.

Her titreşim “Kd az” problemi değildir.

Backlash tork kontrolünü nasıl etkiler?

Redüktör veya mekanik bağlantıda boşluk varsa motor kısa süre tork üretmesine rağmen yük tarafında hareket veya kuvvet oluşmayabilir.

Boşluk kapandığında yük aniden devreye girer.

Bu durum dış PID'nin gereğinden fazla tork biriktirmesine ve daha sonra darbeli tepkiye yol açabilir.

Motor encoder geri bildirimi mükemmel görünürken yük tarafında mekanik hata bulunabilir.

Bu nedenle hassas mekanik tork veya kuvvet kontrolünde motor tarafı bilgisi ile yük tarafı davranışının ayrılması gerekir.

Tork sensörü kullanmak ne zaman gerekir?

Motor akımından tahmin edilen elektromanyetik tork birçok makine kontrolü için yeterlidir.

Fakat gerçek proses değişkeni;

sıkma torku,

ürüne uygulanan kuvvet,

şaft test torku,

malzeme gerilimi

ise bağımsız ölçüm gerekebilir.

Gerçek tork transdüseri veya uygun kuvvet sensörü yük tarafındaki fiziksel büyüklüğü ölçer.

Bu ölçüm bir dış PID döngüsüne verilerek servo tork referansı düzeltilebilir.

PLC tork kontrolünü ne kadar hızlı yapmalıdır?

Dış PLC'nin servo iç akım döngüsünü yazılımla taklit etmeye çalışması doğru yaklaşım değildir.

İç current loop sürücünün kendi yüksek hızlı kontrol donanımında çalışır.

PLC veya motion controller daha yavaş olan;

germe,

kuvvet,

proses torku,

pozisyon

gibi dış döngüyü yönetebilir.

Bu nedenle gerçek zamanlı PID kontrolünde çevrim süresi, network jitter ve sürücü update rate önem kazanır.

Tork PID'sinde P, I ve D nasıl düşünülmeli?

Dış tork veya kuvvet kontrolünde P mevcut hataya doğrudan tepki verir.

I sürekli yük veya sürtünme nedeniyle kalan kalıcı hatayı azaltabilir.

D bazı mekanik sistemlerde sönüm sağlayabilir ancak tork veya kuvvet sinyalindeki gürültüyü büyütebilir.

Bu nedenle her tork uygulamasında tam PID kullanmak gerekmez.

Birçok dış germe veya kuvvet döngüsünde PI yeterli olabilir; servo sürücünün iç akım döngüsü ise zaten kendi hızlı regülasyonunu gerçekleştirir.

P, I ve D etkileri ile PID kazanç ayarı ayrı sayfalarda ayrıntılı olarak açıklanmaktadır.

SCADA'da hangi tork değerleri izlenmeli?

Bir SCADA veya trend ekranında mümkünse şu sinyaller birlikte görülmelidir:

Tork set değeri

Tork actual / estimated torque

Motor akımı veya Iq

Motor hızı

Speed limit durumu

Positive / negative torque limit

Current limit durumu

Motor ve sürücü termal yükü

Varsa gerçek tork veya kuvvet sensörü

Örneğin tork referansı yükseliyor fakat gerçek akım current limit değerine dayanmışsa tuning değiştirmek yerine limitin nedeni araştırılmalıdır.

Tork kontrolünde yaygın problemler

Motor beklenmedik şekilde hızlanıyor: Tork modunda speed limit veya dış hız kontrolü incelenmelidir.

Tork referansı artıyor ancak gerçek tork artmıyor: Motor/sürücü current limit, thermal limit veya mekanik kapasite kontrol edilmelidir.

Düşük hızda tork düzensiz: Encoder/komütasyon, mekanik sürtünme, cogging ve tuning değerlendirilebilir.

Tork sinyali gürültülü: Gerçek tork sensörü, akım ölçümü, mekanik titreşim ve derivative etkisi incelenmelidir.

Yük değişince sistem salınıyor: Dış PID kazancı, servo iç döngüsü ve mekanik rezonans birlikte düşünülmelidir.

Motor torku doğru ama proses kuvveti yanlış: Redüktör, sürtünme, mekanik kayıplar ve yük tarafı ölçümü araştırılmalıdır.

Hızlanmada sorun yok, yavaşlamada alarm oluşuyor: Negatif tork ve rejeneratif enerji kapasitesi değerlendirilmelidir.

Bir yükte iyi, diğer yükte kötü: Atalet oranı ve mekanik dinamik değişiyor olabilir.

Tork kontrolünün yaygın uygulamaları

Sarıcı ve açıcılar: Malzeme gerginliğinin kontrol edilmesi.

Servo pres ve sıkma sistemleri: Belirli kuvvet veya sıkma torkunun oluşturulması.

Ekstrüder ve karıştırıcılar: Mekanik yük veya proses torkunun izlenmesi.

Robotik: Eklem veya temas kuvvetinin yönetilmesi.

Test tezgâhları: Motor, redüktör ve mekanik ürünlerin kontrollü yük altında denenmesi.

Elektrikli tahrik sistemleri: Hızlanma, rejeneratif frenleme ve çekiş torkunun yönetilmesi.

Robotik PID kontrolünde ise tork döngüsü çoğu zaman pozisyon, hız, dinamik model ve feedforward hesaplarıyla birlikte çalışır.

Tork kontrolü devreye alma kontrolü

1. Tork komutu hangi birimde gönderiliyor?

2. Sürücünün tork modu gerçekten aktif mi?

3. Pozitif ve negatif tork yönü doğrulandı mı?

4. Speed limit doğru ayarlandı mı?

5. Motor continuous ve peak torque sınırları biliniyor mu?

6. Sürücü ve motor current limit değerleri biliniyor mu?

7. Torque Actual gerçek sensör mü, akımdan tahmin mi?

8. Encoder / resolver geri bildirimi sağlıklı mı?

9. Mekanik atalet ve redüktör oranı doğru mu?

10. Rejeneratif frenleme kapasitesi yeterli mi?

11. Dış PID varsa output limit ve anti-windup tanımlı mı?

12. İç servo döngüsü ile dış PLC döngüsünün hızları uygun mu?

13. Mekanik rezonans veya backlash var mı?

14. Tork, akım, hız ve limit durumları aynı trendde izleniyor mu?

15. Ayar gerçek yük altında doğrulandı mı?

İlgili PID, Servo ve Hareket Kontrol Konuları

PID ve servo temelleri: PID Nedir? - P, I ve D Bileşenleri - Servo Motor ile PID - Hareket Kontrolü

İç kontrol döngüleri: PID ile Akım Kontrolü - PID ile Hız Kontrolü - PID ile Pozisyon Kontrolü - Encoderler

Ayar ve gerçek zaman: PID Kazanç Ayarı - Gerçek Zamanlı PID - PID Sorun Giderme

Kontrol platformları ve ileri yöntemler: PLC ile PID - SCADA ile PID - Robotik ile PID - PID ve Diğer Kontrol Stratejileri

Servo tork kontrolünde “actual torque” değeri üretici ve sürücü mimarisine göre gerçek mekanik tork sensörü ölçümü değil, motor akımı ve motor modelinden türetilmiş bir değer olabilir. Torque mode, speed limit, continuous/peak torque, current limits ve regenerative operation ilgili servo sürücünün gerçek teknik dokümanına göre doğrulanmalıdır.