سرو موتور چیست و چگونه کار می کند؟

سرو موتور چیست ؟ و چگونه کار میکند؟

بهترین محتوا را در ادامه تقدیم حضورتان کرده ایم.

با تشکر

بخش اول: مقدمه

1.1 مقدمه

دوره‌ی سرو بدین منظور طراحی شده است تا علاقه مندان با مفاهیم عملکرد، کارآیی، ساختار و محصولات سروو موتورها آشنا شوند.

به عنوان پیش نیاز این دوره، دوره‌ی حرکت (Motion) را ابتدا سپری کرده و
سپس مطالب این دوره را مطالعه کنید. همچنین مطالعه‌ی دوره‌ی درایو توصیه می‌شود.

این دوره برای تمامی افرادی که علاقمند به ارزیابی و بهبود اندوخته‌های خود در مورد سروو موتورهای و سروو درایوها هستند، طراحی شده است.

برای شروع این دوره توصیه می‌کنیم اگر از افرادی هستید که
آشنایی چندانی با رله‌ها و کنتاکتورها و به‌طورکلی تجهیزت کنترلی کارخانه ها ندارید،
ابتدا دوره ورود به دنیای اتوماسیون صنعتی را مرور کنید.

1.2 مسیر و زمان یادگیری

این دوره به بخش‌های زیر تقسیم‌بندی می‌شود:

• بخش اول: سرو موتورهای الکتریکی
• بخش دوم: تکنولوژی و عملکرد سرو موتور چیست
• بخش سوم: کارایی سرو

1.3 نتایج حاصل از این دوره

بر اساس اطلاعاتی که در این دوره ارائه می‌شود و همچنین منابع پیشنهاد شده، علاقه مندان بصورت صحیح می‌توانند:

1. نقش تجهیزات سرو را در یک سیستم کنترلی مشخص کنند.
2. با اصطلاحات سرو درایو و سیستم سرو آشنا شوند.
3. با اجزای تشکیل‌دهنده و قواعد کاری موتورها، سرو موتورها و سرو درایوها آشنا شوند.
4. مفهوم فیدبک و وسیله‌ای که از آن برای فیدبک گرفتن استفاده می‌شود را بیاموزند.
5. عوامل موثر بر کارایی و انتخاب یک سرو موتور را شناسایی کنند.

بخش دوم: سرو موتورهای الکتریکی

2.1 سرو موتور چیست ؟

یک سرو موتور، ماهیچه‌ی یک سیستم کنترلی است.
این ماهیچه، متناسب با کاربردهای مختلف، نیروی لازم برای به حرکت درآوردن تجهیزات کارخانه را فراهم می‌کند.

خیلی از افراد فکر می‌کنند که سروو یک وسیله‌ای است که به صورت مجزا به کار برده می‌شود.
اما، یک سروو موتور نمی‌تواند به‌تنهایی و بدون یک مجموعه‌ای از وسایل که برای رسیدن به هدفی مشخص درکنار هم قرار گرفته‌اند،استفاده شود.

در این بخش، در مورد چگونگی عملکرد موتورهای الکتریکی خواهیم آموخت، سرو موتور چیست و
با مدل‌های مختلف موتورهای الکتریکی که دارای سرو موتورهای صنعتی هستند، آشنا می‌شویم.

سرو موتور چیست ؟

یک موتور الکتریکی وسیله‌ای است که انرژی الکتریکی را به نیروی مکانیکی تبدیل می‌کند.

در بیشتر موتورهای الکتریکی، این نیروی مکانیکی، یک نیروی چرخشی است.
این نیروی چرخشی را می‌توان برای انجام کارهای مختلف استفاده کرد.

از جمله کاربردهای موتورهای الکتریکی می‌توان به دریل کردن،سنگ‌بری ها،نوارنقاله‌ها، فن‌ها، پمپ‌ها، ربات‌ها و … اشاره کرد.

به نظر شما این موتور، چگونه انرژی الکتریکی را به نیروی چرخشی تبدیل می‌کند؟

چشم‌انداز تاریخی

در سال ۱۸۲۰ میلادی، اورستد (Oersted) کشف کرد که عبور جریان برق از یک سیم، میدانی مغناطیسی را حول آن سیم تولید خواهد کرد.
بعد از او فارادی اثبات کرد که چگونه این میدان مغناطیسی، قادر به تولید کردن یک نیروی مکانیکی است.

وسیله‌ای که او استفاده می‌کرد، شامل یک آهنربای دائمی احاطه شده در یک مخزن جیوه بوده و
یک تکه سیم که به وسیله‌ی یک چنگال، قلاب شده است درون مخزن جیوه معلق است.

با عبور یک جریان الکتریکی از درون سیم، یک نیروی الکترومکانیکی باعث می‌شود که
سیم با حرکتی دورانی به دور آهنربای مغناطیسی به گردش درآید.

البته این وسیله فقط برای مدت محدودی کاربرد دارد، زیرا نیروی گردشی تولید شده، بسیار ضعیف است.

2.2 اصول کاری موتورها

اصل اول

هنگامی‌که یک سیم حامل جریان الکتریکی، درون میدانی مغناطیسی قرار می‌گیرد، نیرویی باعث گردش سیم می‌شود.

جهت این نیروی وارد شده هم بر خطوط میدان و هم بر جهت شار جریان، عمود است.
(جهت میدان مغناطیسی از N به S و جهت جریان از طرف مثبت باتری به طرف منفی باتری است)

جهت نیروی وارد شده با استفاده از قاعده‌ی دست راست بدست می‌ آید؛
چهار انگشت دست راست در جهت جریان، میدان مغناطیسی از کف دست خارج شود،
جهت انگشت شست شما، جهت نیروی وارد شده بر سیم است.

اصل دوم

در اینجا، یک حلقه سیم (روتور موتور) را مشاهده می‌کنیم که می‌تواند آزادانه به گردش درآید.

همان‌طور که در اصل اول خواندیم، عبور جریان از روتور و وجود میدان مغناطیسی، نیرویی را به روتور وارد می‌کند.
اگر بادقت مشاهده کنید، نیروی وارده بر یک طرف به سمت بالا و نیروی وارده بر طرف دیگر به سمت پایین
است، درنتیجه‌ی این نیروها و تعاملات، گشتاوری ایجاد شده و حلقه‌ی سیم (روتور) شروع به گردش کرده و
به واسطه‌ی آن موتور به حرکت در می‌آید.

اما با گردش یک نصف دور، چه اتفاقی می‌افتد؟

اصل سوم

برای اینکه روتور همواره در گردش بماند، بایستی جهت جریان حلقه‌ی سیم را تغییر دهیم.
(پس از هر نیم سیکل). اینکار باعث می‌شود که جهت نیروی وارد شده بر سیم در در هر نیم سیکل معکوس شود.

یک حلقه شکاف آهنی یا کموتاتور (Commutator) این کار را برایمان انجام می‌دهد.
اگر جهت جریان را پس از هر نیم سیکل به درستی و به موقع تغییر دهیم، روتور به گردش خود ادامه خواهد داد و موتور بدون هیچ استپی کار خواهد کرد.

به انیمیشن زیر توجه کنید:

2.3 موتور DC

بر اساس قواعد ذکر شده در درس قبل، موتورهای DC امروزی با مغناطیس‌های ثابت بسیار قوی‌ای ساخته‌ می‌شوند.
همچنین سیم‌پیچ‌های مناسبی اطراف روتور پیچیده شده است. (گاهی اوقات به این سیم‌پیچ‌ها آرمیچر می‌گویند)

تعداد دور سیم‌پیچ‌های بیشتر و عبور جریان بیشتر از آرمیچر، میدان مغناطیسی بزرگتری را ایجاد می‌کند.
میدان مغناطیسی قوی‌تر یعنی نیروی چرخشی قوی‌تر و موتور سریع‌تر خواهد چرخید.

موتورهای DC مدرن و امروزی قادر به ایجاد گشتاور مناسب در سرعت‌های پایین بوده و
مواقعی که به سرعت‌های معمولی و کنترل جهت نیاز داریم، کاربرد دارند.

2.4 موتور AC

یک مهندس جوان به نام نیکولا تسلا، مشاهده کرد که کموتاتور در موتورهای DC و
ژنراتورها الکتریکی یکی از عوامل مشکل‌زا، هزینه‌آور و کاهنده‌ی بهره‌وری است.

تسلا، کموتاتور مکانیکی را از ژنراتورهای DC الکتریکی حذف کرده و
به‌نحوی برنامه‌ریزی کرد که شبیه به موتورهای DC عمل کنند.

(ژنراتور، ماشینی است که برعکس موتورهای الکتریکی عمل می‌کنند، یعنی
از طریق القای الکترومغناطیسی، انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.)

ژنراتورهایی که امروزه طراحی می‌شوند، از جریان‌های AC بهره‌مند بوده که کاربردهای فراوانی را
از جمله توزیع توان در مسافت‌های بالا را دارا هستند. البته هنوز موتورهای الکتریکی قدیمی قادر به استفاده از این جریان‌های AC تولیدی نبوده اند.

برای حل کردن این مشکل و قابل استفاده کردن جریان‎‌های متناوب برای اهداف صنعتی،
تسلا تعدادی از موتورهای AC را طراحی و ثبت اختراع کرد که با جریان‌های سینوسی متناوب کار می‌کردند.

تسلا میدان مغناطیسی ثابت درون موتورهای DC را با میدان‌ مغناطیسی گردانی که
با جریان‌های متناوب تولید می‌شوند، جایگزین کرد تا روتور بتواند بدون کموتاتور به گردش خود ادامه دهد.

در موتور AC، روتور، فرکانس و فاز توان AC را دنبال می‌کند تا به کویل استاتورش برسد.
در این مثال، کویل‌های بالایی و پایینی با توان ACیی که دارای اختلاف فاز ۹۰ درجه‌ای با کویل‌های سمت چپ و راست دارند، تغذیه شده‌اند.
روتور در هر لحظه به طرف میدانی می‌رود که قوی‌تر باشد.

ساختار موتورهای AC

موتورهای AC امروزی که شاید با اسم موتورهای القایی با آنها آشنا باشید،
از یک روتور داخلی و یک استاتور خارجی تشکیل شده‌اند.

هنگامی‌که سیم‌پیچی استاتور، با جریان متناوب تغذیه می‌شود، یک میدان مغناطیسی گردشی ایجاد می‌شود.
همچنین استاتور بدون هیچ تماس فیزیکی الکتریکی، جریانی را در روتور القاء می‌کند.

متناسب با طراحی استاتور و روتور، اگر طراحی بسیار مناسب و محکمی صورت گرفته باشد،
تقابل بین روتور و استاتور بسیار قوی خواهد بود و موتور را موتور سنکرون (همزمان) می‌گویند.

پس موتورهای AC به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شوند؛ موتور القایی یا آسنکرون (ناهمزمان) و موتور سنکرون (همزمان)

موتورهای سنکرون در کاربردهایی که به سرعت بالا و ثابت نیاز داریم، استفاده می‌شوند.

2.5 موتورهای بدون جاروبک

موتورهای بدون‌ جاروبک (Brushless Motors) ساختمانی شبیه به موتورهای سنکرون AC دارند ولیکن با کمی تفاوت‌ها عملیاتی.

موتور بِراش لِس (بدون جاروبک) (همچنین بدون کموتاتور مکانیکی) دارای سیم‌پیچی استاتور بوده و برای روتور دارای یک مغناطیس دائم است.

در موتورهای پیشین استفاده از مغناطیس دائم برای روتور مرسوم نبوده است.

برای ایجاد یک میدان مغناطیسی گردان، سیم‌پیچی‌های استاتور با یک توالی مشخص (از نظر فرکانس، ولتاژ، جریان و فاز)
تغذیه شده تا متناسب با کاربردمان از موتور استفاده کنیم.

کنترل توان در طراحی موتور بدون جاروبک بسیار پیچیده بوده و با یک میکروپروسسور که به الکترونیک نیز بسیار وابسته است،
برنامه‌ریزی شده است. این وسیله‌ی کنترل توان را درایور موتور یا درایو می‌نامند.

2.6 موتورهای استپر (پله‌ای)

موتورهای استپر، یک شکل از موتورهای DC بدون جاروبک هستند.

در موتور استپر، طراحی روتور و استاتور شبیه به تکه‌های بسیار کوچک (step) است که
روتور استپ به استپ (تکه به تکه) می‌گردد و به علت میدان مغناطیسی بسیار قوی در هر تکه، روتور به صورت استپ به استپ حرکت می‌کند.

اگر به فیلم زیر توجه کنید، طراحی روتور و استاتور به صورت لبه‌های شیاری و تیز است؛
علت آن است که با متمرکز کردن میدان مغناطیسی بتوانیم زاویه‌ی گردش روتور را بهتر تنظیم کنیم و
روتور بتواند به درستی در هر ناحیه قفل شده و استپ به استپ به گردش درآید.

دقت زاویه‌ای روتور، جهت گردش و سرعت موتور را می‌توان با کنترل میکروپروسسور متصل به کویل‌های استاتور، تنظیم کرد.

تا اینجا دریافتیم که موتورها را می‌توانیم به دسته‌های زیر تقسیم‌بندی کنیم:

2.7 سرو موتورها

حالا نوبت آن رسیده است که به بررسی این نکته بپردازیم که کدام مدل از موتورها، یک سرو موتور محسوب می‌شود.

یک سرو موتور ممکن است هر یک از این مدل‌ها باشد،
البته با این ویژگی که با یک درایو مناسب، یک سیستم کنترلی و فیدبک مناسبی همراه باشد.

سرو موتورهای صنعتی بایستی سریع و دقیق بوده و قادر به تولید کردن گشتاورهای زیاد در شرایط کاری خود باشند.
از این رو سرو موتورهای صنعتی بر اساس طراحی موتورهای بدون جاروبک، طراحی می‌شوند.

یک موتور فقط یک موتور است اما زمانی که با یک درایو مناسب و فیدبک انکودر ترکیب شود، به صورت یک سرو کار می‌کند.

بخش دوم: تکنولوژی و عملکرد سرو

3.1 معرفی

سرو موتورها یکی از ضروری‌ترین تجهیزات در سیستم کنترل حرکت (موشن کنترل) هستند.

به منظور عملکرد و کارایی بهتر، سرو موتورها را هم از نظر سخت افزاری و
هم از نظر نرم‌افزاری به سیستم کنترل حرکت (موشن کنترل) متصل می‌کنیم.

سروها در قسمت‌های مختلف کارخانه استفاده شده و نیروی لازم برای به حرکت درآوردن اجسام را تولید می‌کنند.

در این بخش به بررسی تکنولوژی و عملکرد سرو، سرو درایو و
روش‌های فیدبک‌گیری برای رسیدن به کارایی و بهره‌وری مناسب را خواهیم پرداخت.

3.2 تکنولوژی سرو

پیکربندی سیستم سرو

سرو موتورها در سیستم موشن کنترل استفاده شده تا باتوجه به زمان، یک نیروی مکانیکی مشخص را تولید کنند.

با کنترل سرو موتورها و تنظیم موقعیت، سرعت و گشتاور، رسیدن به اهدافی که برای کاربردهای مختلف درنظر داریم، دست‌یافتنی می‌شود.

به منظور عملکرد صحیح یک سرو موتور، بایستی آن را به همراه موارد زیر به کار برد:

1. یک کنترلر: معمولا از یک پی‌ال‌سی یا یک موشن کنترلر مشخص به منظور اجرا کردن برنامه‌ی موشن کنترل در کاربردهای مختلف استفاده می‌شود.
2. یک درایو: وسیله‌ای الکترونیکی که توان مورد نیاز موتور را به بهترین شیوه و در زمان مناسب فراهم می‌کند.
3. یک انکودر: از انکور به منظور فیدبک‌گیری از وضعیت موتور استفاده می‌شود.

ساختمان سرو موتور

در ادامه مبحث سرو موتور چیست:
در مصارف صنعتی، رایج‌ترین سرو موتورهایی که استفاده می‌شوند براساس طراحی موتورهای بدون جاروبک هستند.

روتور یک مغنطیس دائم بسیار قوی را دارار است؛
از طرف دیگر استاتور با سیم‌پیچی‌های(کویل) مجزا پوشیده‌ شده است و
با برق‌دار کردن این سیم‌پیچی‌ها با ترتیبی مشخص، می‌توان روتور را به گردش درآورد.

در صورت تنظیم کردن زمان و جریان صحیح در سیم‌پیچی‌های استاتور، آنگاه میزان و
شدت گردش روتور بستگی دارد به فرکانس، فاز، قطب‌ها و میزان جریانی که به استاتور وارد می‌شود.

ساختمان سرو موتور چیست ؟

دیسک انکودر

3.3 سرو درایو چیست

عملکرد سرو درایو

سرو موتورها متناسب با طراحی داخلی‌شان به منبع تغذیه‌ای نیاز دارند.
که این توان (تغذیه) مورد نیاز از طریق سرو درایو فراهم می‌گردد.

درایو، توان مورد نیاز سرو را در زمان نیاز و به میزانی که مورد نیاز است، تولید می‌کند.
همچنین با استفاده از انکودر، از موتور فیدبک گرفته و با بررسی وضعیت موتور از نظر موقعیت یا سرعت یا گشتاور، تغییرات لازم را ایجاد می‌کنیم.

کارکردهای دیگر درایو عبارتند از:

1. ایجاد ارتباط با موشن کنترلر
2. خواندن اطلاعاتی که از طریق انکودر فیدبک گرفته‌ شده است و
   ایجاد تنظیمات مناسب برای رسیدن به کنترل حلقه بسته‌ی مطلوب

کنترل توان سرو درایو

سرو درایوهای امروزی از شبکه‌ای از ترانزیستورهای قدرت که Insulated Gate Bi-Polar Transistors) IGBT)
نامیده‌ می‌شوند به منظور کنترل توان سرو موتور بهره‌مند هستند.

IGBT ها به علت بهره‌مندی از سوئیچیگ قوی در جریان‌های بالا برای این کاربرد بسیار مناسب خواهند بود.

مدار IGBT مداری قدرتمند و بسیار دقیق می‌باشد که از طریق درایو کنترل شده تا ولتاژ، جریان، فرکانس، قطبیت و فاز مناسب با طراحی سرو موتور تولید شود.

به همین علت، درایوها عموماً به همراه یک سری از سرو موتورهای خاص ارائه می‌شوند.

سیگنال‌های فرمان سرو درایو

براساس اطلاعاتی که در برنامه‌ی موشن کنترل (برنامه‌ی کنترل حرکت) دخیره‌سازی شده است،
درایو سیگنال‌هایی را دریافت کرده تا موشن پروفایل خاصی را دنبال کند و ما را به نتیجه‌ی مطلوب برساند.

سیگنالی که از موشن کنترلر به سرو درایو ارسال می‌شود ممکن است هریک از حالت‌های زیر باشد:

• ولتاژ آنالوگ DC (مثلا ما بین ۱۲+ و ۱۲- ولت)
• قطار ضربه‌ها (قطار پالس‌ها)
• داده‌های اینترنتی (سریال) (۰ و ۱های سریالی)

3.4 فیدبک سرو موتور چیست؟

سرو موتور و سرو درایو همزمان باهم کار کرده و با بهره‌گیری از یک فیدبک مناسب،
یک چرخه‌ی حلقه بسته را ایجاد می‌کنیم. این کار باعث می‌شود که خطا کاهش یافته و بتوانیم به مقادیر مطلوبمان دست یابیم.

با استفاده از فیدبک، مقدار فعلی سرعت، موقعیت یا گشتاور را با مقدار مطلوبمان مقایسه کرده و
خطای بین این دو مقدار را تشخیص می‌دهیم.

سپس با بهره‌مندی از اطلاعات بدست آمده و خطایی که محاسبه شده است،
سرو درایو، وضعیت سرو موتور را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که به مقادیر مطلوبمان دست یابیم.

چرخه‌ی فیدبک گیری، خطا یابی و تصحیح خطا را حلقه‌ی کنترلی (کنترل حلقه بسته) می‌گوییم.

حلقه‌های کنترلی در سرو موتور چیست ؟

فراهم سازی حلقه‌های کنترلی اینگونه‌ است که با بهره‌مندی از سرو درایو یا
موشن کنترلر یا هردوی اینها (متناسب با کاربردمان و استراتژی‌ای که در نظر داریم)،
اطلاعاتی را بدست آورده و به حلقه‌های کنترلی و فیدبک‌گیری ، دست می‌یابیم.

برای موقعیت، سرعت و گشتاور، حلقه‌های کنترلی مجزایی استفاده شده تا
متناسب با نوع حرکتی که داریم، به مقادیر مطلوبمان دست یابیم.

البته برای تمامی کاربردها، نیازی به تمامی این حلقه‌های کنترلی نداریم.
در برخی کاربردها فقط به حلقه‌ی جریان برای رسیدن به گشتاور مناسب نیاز داریم.
برخی مواقع هم به حلقه‌ی جریان و هم به حلقه‌ی سرعت برای کنترل سرعت نیازمندیم و
در آخر برای برخی از کاربردها به هر سه‌ی این حلقه‌های کنترلی برای کنترل موقعیت نیازمندیم.

کنترل موقعیت (Position Control)

موقعیت بیانگر وضعیت زاویه‌ای شفت سرو موتور یا در برخی موارد تجهیزاتی که به شفت موتور متصل بوده هستند.

هنگامی‌ که به سرو موتور دستور می‌رسد که به موقعیت دیگری برو.
انکودر موقعیت فعلی موتور را به سرو درایو یا گاهی مستقیما به کنترل‌کننده می‌فرستد.

حلقه‌ی موقعیت (position loop)، مقدار دریافتی را با وضعیت فعلی مقایسه
کرده (از طریق پارامترهای تنظیمی و خطا یابی در حلقه‌های کنترلی) و درایو
به طور اتوماتیک موقعیت موتور را به وضعیت مطلوب می‌رساند.

در واقع، سرو موتور دقیقا آنچه را که دستور می‌گیرد، انجام داده و در صورتی که تغییری در موقعیت ایجاد شود یا
مثلا باری با توان بیشتر به موتور متصل گردد، با فیدبک گیری‌های مجدد درایو دستور می‌دهد که نیروی کمتر یا بیشتری به سرو برسد و
همچنین رفتاری آرام‌تر برای رسیدن به وضعیت مطلوب را داشته باشد تا با مقاومت افزوده شده مقابله شود و حادثه‌ای رخ ندهد.

کنترل سرعت (Velocity Control)

سرعت به معنای تندی و جهت حرکت سرو موتور است.

هنگامی که به سرو موتور دستور می‌رسد که سرعت را افزایش یا کاهش بده،
انکودرِ سرو، سیگنالی را از تندی و جهت فعلی موتور به سرو درایو ارسال می‌کند.

حلقه‌ی سرعت (Velocity loop)، مقدار دریافتی را با سرعت فعلی مقایسه کرده (از طریق پارامترهای تنظیمی و خطا یابی در حلقه‌های کنترلی) و
درایو به طور اتوماتیک سرعت موتور را در زمانی واقعی به مقدار مطلوب رسانده تا برنامه به خوبی پیش برود.

سرو موتور برنامه‌ی دریافتی را انجام داده و اگر تغییراتی در سیستم ایجاد شود،
مثلا اگر باری سنگین به موتور متصل شود، دوباره حلقه‌ی کنترلی سرعت طی شده و
درایو با تنظیم کردن شرایط و ارسال فرامین جدید، موتور را به سرعت موطلوب می‌رساند.

کنترل گشتاور (Torque Control)

گشتاور، نیرویی گردشی است که توسط موتور تولید می‌شود.

مقدار گشتاور متناسب است با جریان موثری که در کویلِ استاتورِ موتور وارد می‌شود.
هرچه جریان داده شده به موتور بیشتر باشد، گشتاور تولیدی نیز بیشتر خواهد بود.

سرو درایو، میزان جریان موثر استاتور را فیدبک گرفته و بررسی کرده و به طور اتوماتیک جریان مناسب و مورد نیاز سرو موتور را تنظیم می‌کند.

به حلقه‌ی جریان (لووپ جریان)، حلقه‌ی گشتاور (لووپ گشتاور) نیز گفته می‌شود.

برای نمونه، همان‌طور که در انیمیشن زیر مشاهده می‌کنید، کنترلر برای کنترل موقعیت موتور، ۳۲ پالس را ارسال می‌کند.

همان‌طور که مشاهده می‌کنید، با مشاهده شدن خطا (error)، بخش خطا باعث می‌شود
که حرکت موتور معکوس شده، تا موتور در موقعیت مطلوب ما قرار گیرد. انیمیشن را با دقت مشاهده کنید.

با بهره‌مندی از این ویژگی، خطا به حداقل می‌رسد.

به تغییر وضعیت موتور و تصحیح خطا در ۵ ثانیه‌ی آخر این انیمیشن توجه نمایید.

3.5 فیدبک انکودر در سرو موتور چیست ؟

انکودر، یک وسیله‌یِ ضروری در طراحی سیستم‌های سرو می‌باشد که فیدبک سرعت و موقعیت را فراهم می‌کند.

معمولا انکودر داخل سرو جاسازی شده یا آنکه به سرو موتورش متصل شده است.
البته در برخی کاربردهای محدود، انکودر به عنوان یک بخش مجزا بوده و دور از سرو موتور نصب می‌شود.
نصب از راه دور، این امکان را به انکودر می‌دهد که پارامترهای دیگری را نیز که بر عملکرد سرو موتور اثر گذار هستند را شناسایی کرده و گزارش دهد.

انکودرها به دو نوع اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند:

1. انکودرهای افزایشی (INCREMENTAL encoders)
2. انکودرهای مطلق (ABSOLUTE encoders)

ساختار فیزیکی انکودر، مشخص کننده‌ی نوع سیگنال فیدبک داده شده می‌باشد. در ادامه به بررسی این موضوع خواهیم پرداخت.

انکودرهای افزایشی (INCREMENTAL encoders)

انکودرهای افزایشی نوری از یک دیسک شیشه‌ای شفاف بهره‌مند بوده که مجموعه‌ای از خطوط شعاعی
با فواصل منظم بر روی آن چاپ شده است. دیسک به محور روتور بسته‌شده است و همزمان با روتور می‌چرخد.

خطوط چاپ‌شده بر روی دیسک از طریق سنسورهای نوری تشخیص داده خواهد شد.
خروجی سنسور هر دفعه تغییر کرده و رفتاری شبیه به روشن و خاموش شدن دارد. سرعت این رفتار تکراری، متناسب با سرعت روتور می‌باشد. خروجی
انکودر یک سیگنال قطاری می‌باشد که متناسب با سرعت روتور است.

تا به اینجا فقط قادر به تشخیص سریع بودن گردش روتور بوده و جهت گردش روتور را تشخیص نمی‌دهیم.

کدامیک سرعت بیشتری دارد؟

به منظور تشخیص جهت گردش، بایستی از یک سنسور نوری دیگر با فاصله‌ای مشخص از سنسور اصلی‌مان استفاده کنیم.

سنسور دیگر به گونه‌ای جایگذاری می‌شود که پالس‌ها (بالا و پایین شدن پالس‌ها) تشخیص داده
شده توسط این سنسور، دارای اختلاف فازی ۹۰ درجه‌ای با سنسور اصلی‌مان باشد. از این طریق، همان‌طور که در
تصویر زیر مشاهده می‌کنید(تقدم یا تاخر فازی)، جهت گردش مشخص می‌شود. این رفتارِ بین پالس‌ها به رفتار کوآدراتوری نیز شناخته‌ می‌شود.

با مقایسه‌ کردن این دو سیگنال، علاوه بر تشخیص سرعت گردش، جهت گردش را نیز می‌توانیم تشخیص دهیم

به جهت گردش روتورها و پالس‌ها دقت نمایید.

علاوه بر مطالب ارئه شده، انکودرها ممکن است از خروجی دیگری هم پشتیبانی کنند.
این خروجی، پالسی می‌باشد که فقط یکبار در هر گردش انکودر، خروجی می‌دهد (ON می‌شود).
از این سیگنال به منظور شناسایی موقعیت شروع (home) یا موقعیت مرجع استفاده می‌شود.

انکودرهای افزایشی از این پالس مرجع به عنوان تشخیص نقطه‌ی شروع استفاده کرده و
با شمارش تعداد پالس‌های عبوری پس از آن، علاوه بر تشخیص سرعت، موقعیت دقیق روتور را هم تشخیص می‌دهند.

انکودرهای مطلق (ABSOLUTE encoders)

انکودرهای مطلق نیز دارای یک دیسک شفاف هستند.
البته به جای خطوط شعاعی، در این انکودرها بر روی دیسک یک الگویی که شامل ناحیه‌های روشن و مات بوده و
براساس کدهای باینری (کدهای ۰ و ۱) مرتب‌ شده‌اند، حک شده است.

هر بیت از این کد، یک شیار مجزایی از دیسک را اشغال کرده و همه‌ی این شیارها (بیت‌ها) با استفاده از
یک سنسور نوری که به موازات این دیسک قرار داده شده است، خوانده می‌شود.

این کدها، سطح روی این دیسک را تشکیل داده و هر کد منحصر به یک موقعیت زاویه‌ای مشخصی از شفت موتور است.
این کدها ممکن است در انکودر استفاده شده یا اینکه به صورت یک سریالی از داده‌ها برای خروجی ارسال شوند.

رزولوشن در اینکدر

تعداد کدهایی که بر روی این دیسک تعبیه ‌شده است، مشخص کننده‌ی میزان رزولوشن زاویه‌ای و
دقت انکودر می‌باشد. از نظر تئوری، یک انکودر با رزولوشن ۱۲ بیت، قادر به فراهم کردن ۴۰۹۶ کد منحصر به فرد
بر روی یک دیسک (۳۶۰ درجه) بوده یا به عبارت دیگر هر ۰٫۰۸۸ درجه‌ دارای یک کد منحصر به فرد است.
(در یک مجموعه کد ۱۲ بیتی، برای هر بیت می‌توان دو حالت ۰ یا ۱ را داشت، پس در مجموع ۲ به توان ۱۲ حالت داشته، که می‌شود ۴۰۹۶ حالت)

عوامل مختلفی در انتخاب انکودرهای مختلف با کدهای مختلف موثر است، ولیکن انکودرهای ۲۰ بیتی یا بیشتر، عملا کاربردی ندارند.

شیوه‌‌ای دیگر برای تشخیص دادن دقیق موقعیت، استفاده از یک نوع خاصی از انکودرهای افزایشی
به همراه یک حافظه‌ی سخت‌افزاری و پک نرم‌افزاری ویژه می‌باشد. این نرم‌افزار، موقعیت دیسک انکودر را شبیه سازی کرده و
به نتایج بهتری دست می‌یابیم. به مجموع این‌ها یک انکودر مطلق می‌گویند.

در این مدل، دستگاه از پالس‌ها افزایشی که از انکودر بدست می‌آید،
استفاده کرده و در حافظه، موقعیتی مجازی را شبیه‌سازی و تولید می‌کند.
در نتیجه هر لحظه موقعیت موتور را داشته و این موقعیت حتی اگر توان سیستم قطع شود،
با استفاده از باتری نگهداری می‌شود .

هر دو مدل از انکودرهای مطلق، توانایی فیدبک‌دهی دقیق موقعیت مورد نیاز را داشته و می‌توانند اطلاعات مورد نیاز سرو درایو را فراهم کنند.

3.6 انرژی ترمز

انرژی ترمز در سرو موتور چیست : احتمالا از این که متوجه شوید که سرو موتورها قادر به تولید الکتریسیته نیز می‌باشند، شگفت زده شوید.

اگر یک سرو موتور را با یک نیروی خارجی به حرکت درآوریم (مثلا با دست آن را بچرخانیم)، جریانی الکتریکی در استاتور القاء می‌شود.

هنگامی که یک سرو، تجهیزات را به طور عمودی بالا می‌برد، سرو در حال عمل کردن در خلاف نیروی جاذبه‌ی زمین بوده و به گشتاور بیشتری نیاز دارد.
اما هنگامی که در حال پایین آوردن تجهیزات است، جاذبه به گردش موتور کمک می‌کند.

در تغییر وضعیت اجسام در حالت افقی، هنگامی که درایو یک بار سنگین را سرعتش را کم می‌کند،
اینرسی بار می‌خواهد که با این تغییر وضعیت مقابله کرده و موتور درهمان حالت باقی بماند.
این انرژی الکتریکی اضافی که بسیار هم زیاد می‌باشد را بایستی جذب کرده یا به نحوی حذف کرد.

به این انرژی، انرژی احیا شده یا انرژی ترمز می‌گویند و سرو درایو به گونه‌ای طراحی می‌شود که
مقداری از این نیرو را جذب کند.
اگر این نیرو بیش از حد باشد، بایستی از یک ترمز مقاومت بیرونی نیز برای حذف کردن این انرژی به صورت گرما استفاده شود.

قسمت قرمز رنگ، بیانگر انرژی جذب شده است.

بخش چهارم: کارایی سرو

4.1 عوامل موثر در سرو موتور

کارایی سرو موتورها چیست و به چه عوامل مختلفی وابسته است؟

در این بخش به دو عامل اصلی و اثر گذار بر کارایی سرو ها خواهیم پرداخت:

1. سایز موتور سرو (Servo Motor Sizing)
2. تنظیم سیستم سرو (Servo System Tuning)

سایز سرو (Servo Size)

منظور ما از عبارت سایز سرو چیست؟

1. فقط سایز و ابعاد فیزیکی سرو موتور؟
2. گشتاوری که موتور قادر به تولید کردن آن است؟
3. توانی (ولتاژ یا جریانی) که موتور قادر به کنترل و مدیریت آن خواهد بود؟

در حقیقت، هر سه‌ی این‌ها به هم وابسته بوده و تعریف صحیحی هستند.
اگر هریک از این عبارت‌ها را به عنوان توضیح مناسبی برای سایز موتور انتخاب کنیم به دو مورد دیگر هم اشاره کرده‌ایم.
در اینجا منظورمان از سایز، فقط ابعاد فیزیکی نمی‌باشد، بلکه سایز موتور هرچه بزرگ‌تر باشد،
موتور توان بیشتری را می‌تواند تولید کند و فقط به این معنا نیست که موتور فضای بیشتری را اشغال می‌کند.
این بدان معناست که انتخاب ابعاد یک موتور، کاملا با کاربردی که از موتور انتظار داشته
و گشتاور و توان مورد نیاز در ارتباط است.

در درس‌ بعدی به بررسی عوامل موثر بر سایز موتور خواهیم پرداخت.

تنظیم سیستم سرو (Servo Tuning)

حتی اگر سرو موتور و تجهیزات مرتبط دیگر را به درستی و با
کیفیت بالایی انتخاب کنیم، هیچ ضمانتی برای کارایی سیستم وجود ندارد.

فرض کنید که شما یک پیانو دارید، اگر سال‌ها پیش این پیانو را کوک کرده باشید
ولیکن دیگر به سراغ آن نرفته باشید یا اینکه اصلا آن را کوک نکرده باشید، چه انتظاری از این پیانو دارید؟
آیا می‌توانید امیدوار به داشتن یک موسیقی دلنواز باشید؟

برای دستیابی به بهترین کارایی یک سیستم کنترل سرو،
بایستی حتما این سیستم سرو را تنظیم و یا به عبارت دیگر میزان (میزون) کنیم.

در درس‌های بعدی به تاثیر تنظیم سیستم سرو در کارایی سیستم خواهیم پرداخت.

4.2 سایز موتور

سایز موتور از اصلی‌ترین عوامل موثر بر کارایی سرو است.
اما چه عواملی بر سایز موتور اثر گذارند.

مصرف‌کننده‌ای که سرو به حرکت در می‌آورد و نوع حرکتی که دارد

یک سرو موتور بایستی نیروی لازم برای حرکت تجهیزات کارخانه در سرعت‌های مشخص و برای مسافت‌های معینی را تولید کند.

تجهیزاتی که به سرو موتور متصل می‌باشند را لود (load) (مصرف کننده) می‌نامند.

اگر سرو موتور به اندازه‌ی کافی بزرگ نباشد، ممکن است قادر به پاسخ‌گویی به نیازهای برنامه نباشد.
برای مثال، موتور ممکن است جسم را به حرکت درآورد ولیکن نتواند جسم را به سرعت موردنظر برساند
یا اینکه حتی قادر به حرکت دادن موتور در سرعت مناسبی باشد اما مسافت موردنظر را نتواند جابه‌جا کند.

مثلا در کاربردهایی مانند کاربرد زیر، عواقب اختلالی که در بالا ذکر شد، ممکن است بسیار خسارت آور باشد.
یه شرکت معروف تولید کننده‌ی بیسکویت که بسته‌های خالی به مشتری می‌دهد.

قطعا میزان نیرویی که سرو بایستی تولید کند، مسئله‌ی بسیار مهمی است.

نیروی حرکت‌دهنده‌ی بار

یک سرو موتور گردشی تمامی تجهیزاتی را که به قسمت خروجی موتور،
یعنی شفت (محور) موتور، متصل هستند را به حرکت در می‌آورد.

برای حرکت‌های گردشی همانند حرکت شفت موتور، نیرویی که لازم است از رابطه‌ی زیر بدست می‌آید:

T = J * a

T یعنی گشتاور (Torque) اسمی است که به این نیروی گردشی می‌گویند.
گشتاور، نیرویی است که سرو موتور برای به حرکت درآوردن بار نیاز به تولید آن دارد.

a یعنی شتاب زاویه‌ای (angular acceleration).
بیانگر چگونگی و میزان سرعتی است که مصرف کننده برای یک مسافت مشخص داشته باشد. (از نماد w “امگا” نیز استفاده می‌شود)

J یعنی اینرسی (moment of inertia)،
شاید اینرسی برای شما چندان آشنا نباشد. فلذا به بررسی مفهوم اینرسی و اینرسی لحظه‌ای می‌پردازیم.

اینرسی و اینرسی لحظه‌ای
اینرسی یکی از ویژگی‌های جرم است که بیانگر مقاومت در برابر تغییر در حرکت است.

یک قطار باربری طویل، بسیار بزرگ و سنگین است.
این قطار به نیروی بسیار زیادی برای راه‌اندازی و شروع به حرکت نیاز دارد.

هنگامی که دیگر قطار شتاب گرفته و به شتابی نیاز ندارد، نیروی لازم
برای ماندن در همان سرعت و نگه‌داری این وضعیت بسیار کمتر است.

هنگامی‌که تصمیم بر کاهش سرعت و توقف را داریم، دوباره به
نیروی نسبتا زیادی نیاز داریم. این قطار بزرگ می‌خواهد که با کاهش سرعت مخالفت کرده و
در همان حالت قبلی بماند (مقاومت در برابر تغیر در حرکت) که به این مقاومت در برابر تغییر وضعیت، اینرسی می‌گوییم.

اینرسی لحظه‌ای، بیانگر مقاومت یک شیء گردان در برابر تغییر در حرکت در هر لحظه است.

اینرسی لحظه‌ای فقط از جرم جسم ناشی نشده بلکه میزان توزیع جرم جسم با توجه به مرکز ثقل و مرکز گردش نیز حائز اهمیت است.

سایز مناسب سرو (Correct Servo Size)

سرو موتورهای مدل‌های مختلف، گشتاورهایی با مقادیر متفاوت را برای کاربردهای متنوعی، تولید می‌کنند.

یک سرو موتور بایستی بر اینرسی تمام تجهیزاتی که به آن متصل شده است غلبه کند.
بنابراین نیاز به تولید گشتاور کافی (نیروی کافی) برای شتاب گرفتن، حرکت، توقف، استارت در سرعت مورد نیاز برای هر کاربرد است.

مهندسین کنترل و حرکت آموزش می‌بینند که هم اینرسی کل و هم گشتاور کل مورد نیاز را محاسبه کنند.
نرم‌افزارهایی نیز برای محاسبه‌ی آسان‌تر این مقادیر وجود دارد.

در هر صورت قبل از انتخاب سایز مناسب برای یک موتور بایستی
اینرسی کل و گشتاور کل مجاسبه شوند.

همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، نرم‌افزارهایی برای محاسبه‌ی
سایز مناسب موتور وجود دارند که این کار را به راحتی انجام می‌دهند.

4.3 رنج توان و نمودار سرعت

رنج توان

رنج توان یکی از رایج‌ترین معیارهای اندازه‌گیری برای بیان توانایی سرو موتور است.

این رنج گذاری و تقسیم بندی بدان خاطر است که شار بیشتر جریان منجر به ایجاد میدان مغناطیسی قوی‌تری شده و
این جریان بیشتر یعنی توان بیشتر (وات) این یعنی ایجاد گشتاور بیشتر.

به طور کلی رنج کیلو واتی که برای یک موتور بیان می‌شود رابطه‌ی
مستقیمی با گشتاور تولید شده دارد. یعنی هر چه این رنج توان بزرگتر باشد، گشتاور بزرگ‌تری نیز تولید می‌شود.
این نکته در تصویر زیر و در ستون‌ها گشتاور (Rated torque) و ظرفیت توان (Capacity) قابل مشاهده است.

در کاربردهای عمومی، اولین نکته‌ای که بدان توجه می‌شود، ولتاژی است که
برای یک کاربرد در اختیار داریم. سپس با محاسبه‌ی گشتاور و RPM (دور در دقیقه) که برای آن کاربرد نیاز است،
به نتیجه‌ای تقریبی و سریع برای انتخاب یک موتور می‌توان دست یافت.

نمودار گشتاور و سرعت

گشتاور تولیدی از یک سرو موتور چیست و به چه عواملی وابسته است ؟
به دو عامل:

1. رنج توان سرو موتور (Kilo Watts) (بر حسب کیلو وات)
2. سرعت مودر نیاز در شرایط کاری (RPM) (دور در هر دقیقه)

به طور کلی، هرچه رنج توان یک موتور بیشتر باشد، گشتاور بیشتری را نیز می‌تواند تولید کند.

نمودار گشتاور-سرعت نشان می‌دهد که یک موتور خاص در سرعت‌های کاری مختلف چه میزان گشتاور قادر است تولید کند.
تولید کنندگان معمولا از این اطلاعات کمک گرفته تا بتوانند موتور مناسبی را انتخاب کنند.

یک سرو موتور ممکن است در ناحیه‌ی متناوب (momentary region) برای مدت زمان اندکی کار کند.
موتور قادر است این گشتاور را برای مدت زمان اندکی با ایمنی کامل تحمل کند.

یک سرو موتور در ناحیه‌ی ماندگار (continuous region) برای مدت زمان نامحدودی می‌تواند کار کند،
البته تا زمانی که خنک کننده‌ی سرو موتور بتواند کار کند.

4.4 تنظیم سیستم سرو

آموختیم که حتی اگر در یک سیستم سرو از بهترین تجهیزات استفاده کنیم،
درصورتی که سیستم سرو را تنظیم نکنیم ممن است به نتیجه‌ی مطلوبی دست نیابیم.
در ادامه برخی از مواردی که در محاسبه‌ی عملکرد سیستم سرو موثر بوده را معرفی کرده
و چگونگی بهبود کارایی را با تنظیم صحیح سیستم سرو خواهیم آموخت.

معیارهای عملکرد

هنگامی‌که در رابطه با یک سیستم سرو صحبت کرده و از عملکرد و کارایی آن صحبت می‌کنیم، به عوامل زیادی از جمله موارد زیر توجه داریم:

• پایداری (Stability)
• خطاهای سرعت (Velocity Errors)
• خطاهای موقعیت (Position Errors)
• سرعت پاسخ (‎‌ (speed of respone
• تشدید (رزونانس) (Resonance)

برای مثال، اکثر دوربین‌ها از یک سرو موتور کوچک ببه منظور زووم کردن عدسی قبل از گرفتن عکس توسط شما بهره‌مند هستند.
اگر به میزان اندکی خطای موقعیت یا خطای سرعت وجود داشته باشد، نتیجه‌ی
مطلوبی بدست نخواهد آمد و عکسی غیر شفاف و نامناسب خواهیم داشت.

این طور خطاهای در صنعت ممکن است منجر به هدر رفتن مواد، نقص محصولات، یا
فعل و انفعالات خطرناک در یخش‌هایی که تجهیزات سنگین در حال جابه‌جایی و حرکت هستند، شود.

پارامترهای تنظیم‌کننده (Tuning Parameters)

همواره اولین کاری که برای تنظیم یک سیستم انجام می‌شود،
اندازه‌گیری خطا بوده و سپس ایجاد یک فیدبک به منظور رساندن این خطا به صفر.

تقویت کننده‌ای (amplifier) که به منظور تنظیم سیگنال خطا استفاده می‌شود را می‌توان به ‌گونه‌ای تنظیم کرد که
سرعت پاسخ‌ و میزان بهبود خطا را تغییر داده و به مقدار مشخصی از خطا دست یافت.

به این تنظیم‌کننده‌ها، پارامترهای تنظیم‌کننده می‌گویند.

سرعت پاسخ (Speed of Response)

سرعت پاسخ و رسیدن به پاسخ نهایی به واسطه‌ی پارامترهای تنظیم‌کننده مشخص می‌شود.

منحنی C سیستمی را نشان می‌دهد که فوق میرا است.
رفتار این سیستم اورشوت ندارد اما زمان زیادی برای رسیدن به مقدار مطلوب صرف می‌شود.

منحنی B سیستمی را نشان می‌دهد که میرای بحرانی است.
رفتار این سیستم نیز اورشوت ندارد اما منطقی‌تر و با سرعت بهتری به مقدار مطلوب می‌رسد.

منحنی A سیستمی را نشان می‎دهد که نامیرا است.
این سیستم، در نزدیکی مقدار مطلوب نوسان کرده و با هر چرخش، بیشتر به مقدار مطلوب نزدیک می‌شود
ولیکن هیچگاه بر روی مقدار مطلوب ثابت نمی‌شود.

لرزش مکانیکی

در هر سیستم مکانیکی، میزانی از لرزش و تشدید وجود دارد.

لرزش از عوامل متعددی ناشی می‌شود. اتصالات، تسمه، جعبه‌دنده و گیربکس‌ها هریک می‌توانند منجر به
ایجاد لرزش در سرو موتور شوند. همچنین آنها می‌توانند منجر به ایجاد خطای سرعت یا موقعیت در سیستم سرو شوند.

مطابق با آنچه در فیلم فوق مشاهده کردید، حتی ساختار فیزیکی و
خم کردن بار یا حالت شروو بار، تاثیر بسزایی در لرزش و پاسخ نهایی بار دارد.

تنظیم صحیح سیستم، می‌تواند لرزش را از بین برده و ما را به جواب مناسبی برساند.
مثلا در مثال فوق مشاهده کردید که در دفعات آخر، سیستم به میزان کمی لرزش داشت و به پاسخ مناسبی رسیده بودیم.

تشدید (Resonance)

تشدید، حالتی از لرزش است و هنگامی اتفاق می‌افتد که فرکانس لرزش به فرکانس طبیعی سیستم مکانیکی نزدیک باشد.

در سال ۱۹۴۰ بادهایی با سرعت ۴۰ مایل در هر ساعت “mph” منجر به تشدید و چرخش پل Tacoma Narrows در واشنگتن آمریکا شدند.
این پل به سرعت و در اندک زمانی فرو ریخت و برای همیشه ساختار ظاهری آن تغییر کرد.

تشدید در سیستم‌های سرو نیز اتفاق می‌افتد. اما از طریق ترکیب و ساختار صحیح مکانیکی و
تنظیمات صحیح با استفاده از نرم‌افزاری که بر پایه‌ی فیلتر کردن و کاهش فرکانس تشدید شود، کنترل می‌گردد.