MEKATRONİĞİN TEMELLERİ - · PDF fileElektrik-Elektronik Sistemler-1: •Mekatronik sistemlerde, sistemin çalışabilmesi için güç kaynağına ihtiyaç duyulur. ... Ölçme

MEKATRONİĞİN TEMELLERİ

Teknik Bilimler Meslek Yüksek Okulu

Elektronik Teknolojisi Programı

Öğr. Gör. Hüseyin Ulvi Aydoğmuş

11/11/2015 MEKATRONİĞİN TEMELLERİ 1

Mekatronik Nedir?

• Mekatronik, makine, elektronik, yazılım ve kontrolmühendisliğine dayanan, çok kontrollü birmühendislik dalıdır.


Mekatronik Nedir?

• Mekanik ve elektronik bileşenlerden oluşan,verilerialgılayıcılar yardımıyla çevre ortamdan algılayan,

• Toplamış olduğu bu verileri kontroldonanımları(mikroişlemciler v.s.) ve hafızasındakiyazılımlar marifetiyle yorumlayan ve gerekli kararlarıalabilen,

• Tahrik elemanları (aktüatörler) ile de gereklitepkileri veren tüm makineler, cihazlar vesistemler birer mekatroniksistemlerdir.


Mekatronik Nedir?

Algılayabilen, ölçebilen, karar verebilen ve bukararyönünde hareket edebilen otomatik makineler;

• Savunma sanayiinde,

• Güvenlik sistemlerinde,

• Makine sanayinde,

• Endüstriyel otomasyon sistemlerinde,

• Tıpta, tarım, bankacılık, madencilik

gibi birçok alanda kullanılmakta ve her geçen günkullanım alanı artmaktadır .


Mekatroniğin Temel Bileşenleri

Mekanik Sistemler:

• Güç ileten, değiştiren veya biriktiren ve bu şekildefaydalı bir iş yapabilme klabiliyetine sahip olanyapıtlardır.

• Mekanik sistemler, enerji üreten sistemlerden(Örneğin-motor) almış olduğu hareketi işin yapıldığıkısma iletirler. Bu esnada hareketin yönünü, şeklini veözelliklerini değiştirebilirler.


Mil, yatak, kaplin, yay vb. destekleme elemanları


Elektrik-Elektronik Sistemler-1:

• Mekatronik sistemlerde, sistemin çalışabilmesi için güç kaynağına ihtiyaç duyulur.

• Sistemin çalışmaya başlatılması, durdurulması, tekrar çalıştırılması gibi kontrol fonksiyonlarının düzenli olarak yerine getirilmesi gereklidir.

• Bu amaçla, elektrik-elektronik sistemler kullanılır.



• Elektriksel sistemler; yük,akım ve voltajdan oluşan üçtemel büyüklüğün davranışı ile ilgilidir.

• Elektrik-Elektronik sistemler, güç sistemleri ve iletişimsistemleri olarak ikiye ayrılır.

• Güç sistemleri, sistemin fonksiyonunu yerinegetirebilmesi için kullanılan herbir ünitenin harcadığıenerjiyi sağlar.





• Jeneratörler, mekanik enerjiyi elektrik enerjisinedönüştürdüğü gibi, tersi bir işlemle elektrik motorlarıda elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürürler.

• Sisteme sağlanması gereken güç, sistem tarafındanyapılan iş ve kayıp enerjinin toplamına eşittir.

• Bu enerji, güç kaynağı tarafından sağlanmalı veelektrik enerjisi olarak sisteme iletilmelidir.


Bilgi Sistemleri-1:

• Çoğu mekatronik sistem, günümüzde ulaştığı aşamasonucu zeki sistemler şeklinde isimlendirilebilir.

• Temel özellik, alına bilginin değerlendirilmesi vesistemin yapması gereken görev hakkında kararverebilmesidir.

• Örneğin; mobil robotun karşılaştığı bir engelkarşısındaki davranışı.


Bilgi Sistemleri-2:

• Mekatronik sistemlerin değişik durumlar karşısında, çok karmaşık işlemleri anında çözümleyerek karar alabilmesi için Yapay Zeka yöntemleri kullanan bilgi sistemleri geliştirilmiştir.

• Bu yöntemlerde genelde insan beyninin çalışmasından esinlenilmektedir.

• Yapay sinir ağları, makine öğrenmesi, bulanık mantık vb.


Bilgisayar Sistemler-1:

• Mekatronik sistem kontrolünde, yüksek hızlardakarar verebilme ve hassa hesaplar yapabilmekabiliyeti bakımından bilgisayarlar yaygın olarakkullanırlar.

• Sistem çıkışında oluşan değişikliklerin anındaalgılanarak, bunu sistemde istenen değerler ilekarşışaltırıp değerlendirmek ve sistem girişine bilgiyigöndererek en uygun çıkışın elde edilmesiamaçlanmaktadır.



Bilgisayar Sistemler-2:

Sistem, Modelleme ve Simülasyon

Modelleme:

• Modelleme bir sistemi incelemek üzere osistemin basit bir örneği yapılması anlamına gelir.Bu örnek gerçek sistemin yardımcısı vebasitleştirilmiş bir şeklidir. Fakat modelden degerçek sistemden alınacak sonuçlara izin verecekkadar detaylı olması beklenir.

• Modelleme yapılırken matematiksel metotlarkullanılır.


Sistem, Modelleme ve Simülasyon


Simülasyon:

• Benzetim (Simülasyon) ise bir sisteme ait nedensonuç ilişkilerinin bilgisayar ortamına aktarılaraksistemin davranışlarının bilgisayarda izlenmesinisağlayan bir modelleme tekniğidir.


• Örneğin bir uçuş simülatörü, uçuşun kurallarının birbilgisayar üzerinde öğretilmesi için kullanılan birsimülasyon modelidir.


• Matlab-Simulink

• LabView

• Matrixx

• VisSim


Sistem:

• Birbiriyle ilişkili parçaların oluşturduğu bir bütündür.

• Elemanların ve bunların özelliklerinin arasındakiilişkileri içeren bir elemanlar topluluğudur.

• Belli bir amacın sağlanması için bir araya getirilmişparçalar (elemanlar) dizisidir.

• Bir amacın gerçekleşmesindeki araçlardır. Bunedenle, sistemin belirli amaçlan olmalı ve bunlarbelli işlem ve yöntemler yardımıyla elde edilmelidir.


Belirli bir amaç doğrultusunda girdilere cevap olarak çıktı üreten, aralarında karşılıklı etkileşim olan elemanlar topluluğuna sistem denir.


Sistem Elemanları:


Sistem elemanları: Sistem içersinde aralarındaetkileşim olan birimlerdir (alt sistemler). Alt sistemlergirdileri çıktılara dönüştürmek için sistem sınırları içindebirbirleriyle etkileşimli olarak çalışırlar.

Sistemin çevresi: Sistem faaliyetlerinin oluşturduğualanın dışında olan ve sistem tarafından kontroledilemeyen alandır.

Sistem Sınırı: Bir sistemi diğer bir sistemden ya daçevresinden ayıran alandır. Sistemin sınırları içindekalan elemanlar sistemin dışına göre daha kolaydeğiştirilebilir ve kontrol edilebilirler.


Sistemin Girdileri: Çevreden sisteme verilenenerjilerdir. Bir sistem tarafından talep edilen ve sistemtarafından yönlendirilen kaynaklar (veri, hizmet,malzeme, enerji vb.) sistemin girdilerini oluştururlar.

Sistemin Çıktıları: Sistemden dışarıya verilenenerjilerdir. Sistem faaliyetleri sonucunda üretilenürünler (bilgi, rapor, dokümanlar, malzeme vb.) sisteminçıktılarını oluştururlar.


Sistem Geribeslemesi: Geribeslemenin amacı kontrolüsağlamaktır. Kontrolün amacı ise, önceden belirlenmişstandartlara göre çıktıların karşılaştırmasını yapmaktır.

Geribesleme, sistemdeki karar sürecinin sistemdurumunu düzeltici gerekli eylemleri yaratmasınısağlayan bilgi veya girdi akışıdır. Bu nedenle, sistemdedevamlı akış halinde olan bir döngüyü oluşturur.




Ölçme Sistemleri

• Ölçme sistemleri çoğu mekatronik sisteminbaşlıca kısmını meydana getirir. Ölçmesistemleri genelde 3 temel elemandan oluşur:

– Sensör

– Sinyal işleyici

– Kaydedici


Ölçme Sistemleri

Sensörler:

• Fiziksel bir giriş büyüklüğünü genellikle bir voltaj olan çıktıya dönüştürem biz sezgi elemanıdır.


Ölçme Sistemleri

Sinyal işleyici:

• Sensörden aldığı değeri göstergedeokunabilecek yada kontrol sistemininkullanabileceği şekle dönüştürerek kaydeder.


Ölçme Sistemleri

Gösterge (Kaydedici):

• Sinyal işleyicinin çıktısının görüntülendiği veya kaydedildiği kısımdır.


Ölçme Sistemleri

• Ölçme bir büyüklüğün birim olarak kullanılandeğerlere kıyaslanmasıdır. Çeşitli fizikselbüyüklüklerin sistematik olarak değerlendirilmesibirim sistemiyle sağlanmaktadır.

• Mühendislik çalışmalarında kullanılan fiziksel veteknik tüm boyutların ölçülendirilmesinde aynıbirimlerin kullanılma çabası Uluslarararası BirimSistemini (SI) ortaya çıkarmıştır.


Ölçme Sistemleri


Ölçme Sistemleri

• SI birim sistemi;

– Temel birimler

– Türetilmiş birimlerden oluşmaktadır.


Ölçme Sistemleri-Temel Birimler


Ölçme Sistemleri-Türetilmiş Birimler


Ölçme Sistemleri-Uzunluk Ölçme



Kumpas:


• Kumpas:


Mikrometre:


Mikrometre:


Ölçme Sistemleri-Ağırlık Ölçme

• Ağırlık, bir cisim üzerindeki yerçekimi kuvvetininölçüsüdür. Kuvvetin birimi Newton (N) dir.

• Kütle, bir cisimdeki madde miktarıdır. BirimiKilogram (kg) dır.


Ölçme Sistemleri-Alan Ölçme


Ölçme Sistemleri-Hacim Ölçme


Ölçme Sistemleri-Konum ve Hız Ölçme

• Robot, CNC tezgahı vb. mekatronik sistemlerde ençok karşılaşılan konum ve hız ölçümüdür.

• Sistemin davranışını kontrol edebilmek için onunfarklı kısımlarının hangi konumda ve hızda olduğunubilmemiz gereklidir.


• Yakınlık sensörleri ve sınır anahtarları mekatroniksistemin elemanlarının istenilen sınıra ulaşıpulaşmadığını ölçer.



• Doğrusal yada dairesel konumu analog ölçen diğer bir çözüm potansiyometredir.


Dijital kodlayıcı-enkoder:


Hız ölçümü:

• Belli zaman aralıklarında ardışık konum ölçümlerialınarak ve konumdaki değişim zamanda bölünereelde edilebilir.


Ölçme Sistemleri-Titreşim ve İvme Ölçümü

• Mekatronik sistemlerde titreşimi ölçmek için geneldeivme ölçerler kullanılır.

• İvme ölçerler, titreşimi ölçülmek istenen yapınınuygun bir yerine mekanik olarak tutturulur. İvmeölçer, eksen yönünde titreşimleri alır, eksene dikdiğer yönde titreşimlerden etkilenmez.



Ölçme Sistemler-Sıcaklık Ölçümü

• Sıcaklık, mekatronik sistemlerde kontroledilmesi gereken önemli parametrelerdenbiridir.

• Özellikle kimyasal prosesler, ısıtma tesisleri,taşıtlar gibi birçok sistemde kullanılır.


Termokupl:

Termokupl veya ısıl çift, bir tür sıcaklık sensörüdür.Farklı iki iletken malzemeden oluşur. Bumalzemelerin iki ucu birleştirilir (sıcak nokta) veısıtılırsa, diğer uçlarda (soğuk nokta) gerilim eldeedilir. Bu gerilimin değeri kullanılan malzemenincinsine ve birleşim noktasının ısınma miktarınabağlıdır. Sıcak nokta ile soğuk nokta sıcaklık dağılımınasıl olursa olsun üretilen gerilim sıcak ile soğuknokta arasındaki sıcaklık farkıyla orantılıdır.


https://tr.wikipedia.org/wiki/Sens%C3%B6r

https://tr.wikipedia.org/wiki/%C4%B0letken

https://tr.wikipedia.org/wiki/Gerilim_(elektrik)


Kuvvet, Gerilme ve Şekil Değiştirme Ölçümü

Gerilme ve şekil değiştirme:

• Dış yükler etkisindeki zorlamalar karşısında makine elemanlarının maruz kalacağı şekil değştirmelerin ölçülmesi gerekir.

• Bu dış kuvvetleirn ölçülmesinde «strain gage » kullanılır.



• Strain-Gage, üzerine bağlandığı metalin genleşmesisonucu oluşan uzama miktarını ölçmek için kullanılır.Bu ölçüm işlemi yapılırken Strain-Gagemalzemesinin direnç değişimi hesaplanarakmalzemenin uzama katsayısı ortaya çıkartılır.

http://www.teknokoliker.com/2011/12/direncnedirnasilkullanilir.html

• Gerilmeye bağlı olarak strain gage üzerinde bir kaçmili voltluk değişim gözlenir.

• İyi bir ölçüm için strain-gage sensörü genleşenmalzemeye çok iyi bir şekilde sabitlenmelidir. Buyüzden folyo kağıdı kadar çok ince bir yapıda imaledilir.

• İnceliği yaklaşık olarak 1/1000 inch yani 25,4 mikronseviyelerindedir.



Kapasitif gerilme ölçüm sensörleri:

• Kondasatörler yapıları gereği elektrik yüküdepolayabilir. Kondansatörlerin yük depolayabilmekapasiteleri ise kondansatör plakalarının boyutlarına,bu plakalar arasındaki mesafenin uzaklığına ve ikiplaka arasındaki yalıtkan malzemenin özelliğinebağlıdır.


• Sonuç olarak kondansatör plakaları birbirindenuzaklaştırılırsa ya da esnetilirse veya iki plakaarasındaki dielektrik malzeme hareket ettirilirse,kondansatörün kapasitesi değişir. Kondansatörünkapasitesi ile beraber alternatif akıma gösterdiğidirenç de değişir. İşte bu prensipten hareketlekapasitif basınç sensörleri üretilmiştir.


Kuvvet ölçümü:

• Kuvvet ölçümü için genellikle loadcell hücrelerikullanılır.

• Loadcell, yüzeyine birkaç tane strain gage yapıştrılmışesnek elemanlardan oluşmaktadır.

• Yük hücresi çıkışında yük ile oranlılı bir voltaj üretilir.




Sensörler

• Sensor – Fiziksel sinyalleri elektrik sinyallerineçevirir.

• Transducer – Bir enerji formunu diğer birenerji formuna dönüştürür.

• Örnek: Mikrofon sesi algılayan bir sensördür. Öte yandan, sesdalgalarını, içindeki bobin aracılığıyla elektrik akımınadönüştürdü ğü için bir transdüserdir. Bu yüzden bu iki kelimeyieş anlamlı kabul edilebilir.


Isı Sensörleri

• Termistörler ;

• PTC (Pozitif Isı Katsayılı Termistör) ve

• NTC (Negatif Isı Katsayılı Termistör) olmak üzere

ikiye ayrılır.

– Sıcaklığın artmasıyla direnci artan termistörlere PTCdenir

– Sıcaklığın artmasıyla direnci azalan termistörlere NTCdenir


• Sıcaklığın artmasıyla direnci artan termistörlere PTCdenir


PTC (Pozitif Isı Katsayılı Termistör):

• PTC’ler - 60 ºC ile +150 ºC arasındaki sıcaklıklar dakararlı bir şekilde çalışır.

• 0.1 ºC’ ye kadar duyarlılıkta olanları vardır.

• Daha çok elektrik motorlarını fazla ısınmaya karşıkorumak için tasarlanan devrelerde kullanılır.

• Ayrıca ısı seviyesini belirli bir değer aralığındatutulması gereken tüm işlemlerde kullanılabilir.



NTC (Negatif Isı Katsayılı Termistör) :

Sıcaklığın artmasıyla direnci azalan termistörlere NTCdenir


• NTC’ler - 300° C ile +50° C arasındaki sıcaklıklar dakararlı bir şekilde çalışırlar.

• 0.1 Cº’ye kadar duyarlılıkta olanları vardır. Daha çokelektronik termometrelerde, arabaların radyatörlerinde, amplifikatörlerin çıkış güç katlarında, ısı denetimlihavyalarda kullanılırlar.

• PTC’lere göre kullanım alanları daha fazladır


• NTC veya PTC yi avometre uçlarına bağladığınızdaavometrede gördüğümüz değer oda sıcaklığındakidirenç değerleridir. Daha sonra mum veya benzeri biraraç ile ısıttığınızda direnci azalıyor ise bu malzemeNTC artıyor ise PTC dir. Aksi durumlarda kullanılanNTC veya PTC arızalıdır.



Manyetik Sensörler

• Ortamdaki manyetik değişiklikleri algılayan ve bunabağlı olarak çıkışında gerilim üreten elemanlaramanyetik transdüser denir.

• Manyetik sensörlere “Alan Etkili Transdüser” adı daverilir. Manyetik sensörler, endüktif ve yarı iletkenolmak üzere iki çeşit elemandan yapılmaktadır.



Bobinli (endüktif) manteyik sensörler:

• Bobin endüktif bir elemandır ve manyetik alandeğişimi içinde bulunursa uçlarında gerilim üretir.

• Bobin uçlarındaki gerilimin sürekli olması için süreklideğişen bir manyetik alan içinde bulunması yanimıknatısın ya da bobinin sürekli hareket etmesigerekir.

• Hareketin sürekli olmadığı durumlarda bobin pasifolarak kullanılır. Bir bobinin içindeki nüveninkonumuna göre bobinin endüktans değerideğişmektedir. Bu sayede uygulanan gerilime görebobin uçlarına düşen voltaj değişir.

Manyetik temassız kontakt(reed sensör)







Manyetik sensörler


Bağlantı

kablosu

LEDAlgı bobini

Yüksek

frekanslı

manyetik alan




Kapasitif sensörler:


Bağlantı kablosu

Ayar vidası

LED

Aktif yüzey

Aktif elektrod

Toprak elektrodu

Elektrostatik yüzey


Target




Elektronik Devreli Manyetik Sensörler (Yaklaşım

Sensörleri):

• Bir iletkenin içinden akım geçerse o iletkenin etrafındamanyetik bir alan oluşur. Bu manyetik alanın içine metal bircisim girerse bu bobinin indüktans değeri değişir. Bu indüktansdeğişimi sensörün içinde bulunan devrenin denge noktasınıdeğiştirir. Sensörün içinde bulunan ölçüm yapan devresayesinde metalin ne kadar yakın ya da uzak olduğunu tespitedebiliriz.


Alan (Hall) Etkili Transdüserler :

• Hall sensörü hall etkisine dayanır. Bir yarı iletkendenelektronlar akarken akım yönüne dik bir manyetik alanuygulanınca elektronlar belli bir bölgede yoğunlaşır.

• Bu da yarı iletkenin diğer uçlarında gerilim oluşmasına nedenolur. Bu duruma hall etkisi denir. Bu gerilimin değeri manyetikalana, levhanın yakınlığı ile değişir. Bu prensibe göre alan etkilitransdüserler yapılır. Alan etkili transdüserler hassas mesafe,pozisyon ve dönüş algılayıcıları olarak kullanır.



Optik Sensörler

• Işık etkisi ile çalışan elektronik devre elemanlarına genel

olarak optik elemanlar denir.

Foto direnç:

• Kalsiyum sülfat ve kadmiyum selenid gibi bazı maddeler

üzerlerine düşen ışık ile ters orantılı olarak direnç değişimi

gösterir. Bu maddelerden yararlanılarak foto direnç adıverilen

devre elemanları yapılmıştır. Üzerine ışık düştüğünde direnci

azalan, karanlıkta ise yüksek direnç gösteren devre elemanına

foto direnç denir.



Foto diyot:

• Foto diyotlar ışık etkisi ile ters yönde iletken olandiyotlardır. Ters polarma altında kullanılır. Doğrupolarmada normal diyotlar gibi çalışır, ters polarmadaise N ve P maddelerinin birleşim yüzeyine ışık düşenekadar yalıtkandır. Birleşim yüzeyine ışık düştüğündeise birleşim yüzeyindeki elektron ve oyuklar açığaçıkar ve bu şekilde foto diyot üzerinden akım geçer.Bu akımın boyutu yaklaşık 20 mikroampercivarındadır.

Led:

• LED ismi, ingilizce Light Emitting Diode (ışık yayandiyot) kelimelerinin başharflerinden oluşmaktadır.


Optokuplör:

• Işık yayan eleman ile ışık algılayan elemanın aynıgövde içinde birleştirilmesiyle elde edilen elemanlaraoptokuplör denir. Bu elemanlarda ışık yayan elemanolarak "LED", "Enfraruj LED" kullanılırken ışık algılayıcıolarak "foto diyot", "foto transistör" vb. gibielemanlar kullanılır.



Aşağıdaki devrede digital çıkış ile 12 volt kontrolüyapılamaktadır. Optokuplör girişinde led bölümündevoltaj yok iken, çıkışında transistörün kollektörüüzerinde 10K direnç ile sınırlanmış voltaj vardıroptokuplör girişine voltaj uygulandığında transistöriletime geçer ve direncin kollektör ucuna bağlı olanucunu şaseye bağlar, çıkış aktif olur

Aktüatörler

• Bir cismi hareket ettiren veya kontrol eden mekanikcihazlara denir.

• Mekatronik sistemlerde aktüatörler, sisteminsınıflanmış görevlerinden en son aşamayı yerinegetirirler.

• Sensörler tarafından algılanıp , mikroişlemciyegönderilen bilgiler değerlendirilerek bir karara varılır.Bu kararların uygulanması ise aktüatörlerin görevidir.


– Elektrik motorları ve elektrikli sürücüler

– Hidrolik sürücüler

– Pnömatik sürücüler

– İçten yanmalı ve hibrit motorlar

Elektrikli aktuatörler

• Elektriksel enerji mekanik enerjiye dönüştürülür.

– DC motorlar (Doğru akım motorları)

– AC motorlar (Alternatif akım motorları)

– Doğrusal motorlar

– Step (adım) motor

DC motorlar

• Dönel aktuatörlerdir.

• Güç aralığı 1 W -100 kW dır.

• Güç kaynağı olarak güneş, rüzgar.. gibi enerji kaynaklarını elektrik enerjisine dönüştüren Grid, jeneratör veya pil kullanılabilir.

• Doğru olarak kontrol edilmesi kolaydır.


Bir iletkene doğru akım uygulandığı zaman iletken,sabit manyetik alan meydana getirir. Bu manyetik alanN ve S kutuplarını meydana getirir ve kutuplar arasındakuvvetli bir manyetik akı oluşur. Rotorda meydanagelen sabit manyetik alanın itme ve çekmesiyle dönmeoluşur.

Basit çalışma prensibi

Elekrik akımı magnetik alan içindeki sarımlardan geçtiği zaman, sağ el kuralına göre baş parmak akım yönünde işaret parmağı magnetik alan yönünde tutulursa avuç içi yönünde magnetikkuvvet oluşur (F=I*L*B). Sonuçta magnetik kuvvet ile oluşturulan tork DC motor çıkışında dönme hareketinin elde edilmesini sağlar. video

http://www.youtube.com/watch?v=Ue6S8L4On-Y&feature=related

• Armatüre (rotor) voltaj uygulanır.

• Üretilen akım komutatör ile armatür sargılarına aktarılır.

• Armatür, kutuplu stator tarafından üretilen magnetikalan içinde döner.

• Statorün magnetik alan üretmesi için DC akımla tahrik edilen kutupları vardır.

• Armatür voltajı ve magnetik alan gücüyle hız kontrol edilir.

• Hız voltaj ile orantılıdır.

• Tork akım ile orantılıdır.

• Güç=hız * Tork

• Tork:Bir kuvvetin, nesnenin ekseninde, dayanaknoktasında ya da çevresinde dönme eğilimidir.

• EMK: Devreden elektrik akımı çekilmediğidurumlarda devrenin iki ucu arasında oluşanpotansiyel farktır.


DC motor: Temel kurallar• Tork akım ile orantılıdır. T=Kt *

İa

• Kt Tork sabiti, İa armatürde dolaşan akım

• Kb: Ters elektromotor kuvveti (EMK) sabiti

• omega çıktı açısal hızı

• Ters EMK ile Jeneratör gibi manyetik alan içindeki armatür hareketi ile voltaj üretilir.

Tork-hız ilişkisi

Yüksüz hız

Hızın sıfırlandığı tork

Örnek problem DC motor

• Tork sabiti Kt=5, Ters EMK sabiti Kb=0.2 olan 220 voltluk bir DC motor T=100Nm tork üretmektedir. Armatür direnci Ra=10ohm ise çıkış devrini bulunuz? (N=100 d/d)

• Armatür direnci Ra=1ohm olursa aynı devir sayısını elde etmek için armatürden geçmesi gereken akımı ve üretilen torku bulunuz? (T=1000 Nm)

• H köprüsü devreleri transistörler ya da fetler ile DC motorlarındirekt elektrik sinyallerinden kontrol edilmesi için hazırlanandevrelerdir. H köprüsü devresinde iki çift sinyal kaynağıkullanılmaktadır. Birinci çift Q1 ve Q4, ikinci çift ise Q2 ve Q3transistörlerinin baz uçlarından oluşur. Bu uygulamada dörtolasılık bulunmaktadır.


• DC Motorların hız kontrolü Darbe Genişlik Modülasyonu PulseWidth Modulation (PWM) tekniği ile yapılır. Bu teknikte motoruçlarına uygulanan voltaj sabit frekanslı kare dalga (darbe:puls) şeklindedir. Her bir periyotta uygulanan voltaj süresininperiyoda oranına doluluk oranı denir. Doluluk oranı arttıkçaetkin voltaj değeri artmakta ve bununla orantılı olarakmotorun hızı artırılabilmektedir.


DC motor avantajları

• Doğru pozisyon veya hız kontrolü

• Düşük gürültü

• Yüksek etkinlik

• Düşük maliyet

• Hız ve tork ayarının kolay olması

Bazı kullanım örnekleri

• Tüketim ürünleri• CDler

• disk sürücüler

• Fanlar

• Üretim • Robotlar

• CNC tezgahları

• Kaynak makinaları

• matkaplar

• Araçlar• Yakıt iradesi

• Klima

• Geçmişte akü şarj eden dinamolar

AC motorlar• Tek veya 3 fazlıdırlar.• Güç aralığı 100W-1MW• Yüksek güç, yüksek tork uygulamaları

için uygundur.• Yüksek hız uygulamaları için uygundur.• Bazı tipleri fırçasızdır.• Kurulumu kolaydır.• Uzun ömürlü ve dayanıklıdır.• Yapısı karmaşıktır ve ağırlığı fazladır.• Hız kontrolü için özel algoritmalara

ihtiyaç duyar.

• DC motordaki gibi bir akım sarımlardan geçer, ancak bu alternatif akımdır. Sarımda Torküretilir. Akım alternatif olduğu için motor alternatif akım frekansında çalışır.Bu motora senkron motor denir.

• Genelde AC motorlarda motor sarımlarıyla aynı AC voltaj kaynağı ile magnetik alan üretilir.

• Magnetik alan üreten sarımlara stator denir.

• Dönen çekirdek ve sarımlarına armatür (rotor) denir.

• AC motorda magnetik alan sarımlardaki alternatif akım değişimine paralel olarak sinüsoidal olarak değişir.

AC-DC motor karşılaştırması

• Aynı gücün eldesi için kullanılacak bir AC motor maliyet bakımından daha ucuzdur.

• AC motor daha dayanıklı olduğu için bakıma daha az ihtiyaç duyar. DC motorlarda ise sargı ve fırça ark oluşturmak suretiyle sıklıkla arıza çıkarabilir.

• AC motorun devir sayısı yükle çok az bir değişim gösterir. • DC motorda devir sayısı direk gerilim ile kontrol edilebilir.

Eskiden AC motorun devir sayısı DC motor gibi kolaylıkla değiştirilemezdi. Gelişen teknoloji ile birlikte AC motorun devir sayısı AC gerilim Frekansı değişimi ile kontrol edilebilmektedir.

Bazı kullanım örnekleri

• Vinçler, kaldırma sistemleri

• Bantlar, taşıma sistemleri

• Yüksek hız trenleri

Servomotor sistemleri• Motor, dişli, pozisyon sensörü, hata yükseltici, motor sürücüsü ve

istenen pozisyonu kodlayan devreden oluşan sistemlerdir.

• Şekilde tipik bir servomotor ünitesinin blok diyagramı görülmektedir. (RC tipi servomotor)

• Bir kontrolör mili saniye mertebesindeki belli aralıklarla (20ms gibi) puls üretir. Bu pulsların genişliği 1-2 milisaniyedir. Puls genişliği motorun dönmesi gereken pozisyonu belirlemede kullanılır.

DC Servo motorlar• Servo sistemlerde kullanılan doğru

akım motorlarına D.C. servomotorlaradı verilir.

• D.C. servo motor çalışma prensibi açısından aslında, Statoru Daimi Mıknatıs olan bir D.C. motordur. Manyetik alan ile içinden akım geçirilen iletkenler arasındaki etkileşim nedeniyle bir döndürme momenti meydana gelir.

• D.C. servomotorlarda rotor eylemsizlik momenti çok küçüktür. Bu sebepten piyasada çıkış momentinin eylemsizlik momentine oranı çok büyük olan motorlar bulunur.

• Bazı D.C. Servomotorların çok küçük zaman sabitleri vardır. Bu girdiye çok hızlı bir şekilde tepki verebilmesi demektir.

DC servomotor kullanım alanları

• Düşük güçlü D.C. servomotorlar piyasada genellikle bilgisayar kontrollü cihazlarda(disket sürücüler, teyp sürücüleri, yazıcılar, kelime işlemciler, tarayıcılar vs.) kullanılırlar.

• Orta ve büyük güçlü servomotorlar ise sanayide genellikle robot sistemleri ile sayısal denetimli hassas diş açma tezgâhlarında kullanılır.

Step Motorlar

• Step motor,elektrik enerjisini dönme hareketine çeviren elektromekanik bir cihazdır.

• DC gerilimin uygulandığı sargıların bulunduğu kısım ‘stator’,dönen kısım ise ‘rotor’ olarak isim lendirilir.

• Elektrik enerjisi alındığında rotor ve buna bağlı şaft,sabit açısalbirimlerde(adım-adım) dönmeye başlar.


• Step motorları,bir motor turundaki adım sayısı ileanılır.

• Örnek olarak 400 adımlık bir step motor, bir tamdönüşünde 400 adım yapar. Bu durumda bir adımınaçısı 360/400=0.9 derecedir.

• Bu değer,step motorun hassasiyetinin birgöstergesidir. Bir devirdeki adım sayısı yükseldikçestep motorun hassasiyeti de yükselir.

• Dolayısı ile maliyeti de yükselir.


• Adım motorlar temelde fırçasız doğru akım motorlarıdır.

• Ancak hassas konumlandırma için birkaç farklı özelliği vardır.Genel bir adım motor düzeneği yandaki gibidir.

• Ortadaki sabit mıknatıs kendisini çevreleyen sargılardakimanyetik alana göre hareket eder.

• Bu sargılar sırayla güç verilirse o zaman rotor da bu manyetikalanı takip etmek zorunda kalacağı için rotora bağlı şafttanhareket alınmış olur.

• Örneğin,şekilde step motoru döndürmek için S1,S2,S3 ve S4anahtarlarını sırasıyla teker teker devreye sokmaya yeterliolacaktır.

• Mıknatısların N kutbu kendisini çeken elektromıknatıslarıtakip etmek zorunda kalacak ve dönecektir.Şekildekimotorda her bir anahtarlamada motor 90 derece döner.Buaçıya adım açısı denir.


• Step motorların bir anahtarlamada meydana gelendönüş açısına adım açısı denir.

• Adım açısı rotorun üzerindeki kutup sayısına bağlıolarak değişir. Örnekte tek bir anahtarlamada rotor90 derece döneceği için bu motorun adım açısı 90derecedir.

• Motorların adım açıları amaca yönelik olmasınınyanında 90 derece hassas konumlandırma içinyeterince küçük bir açı değildir. Bu nedenlegünümüzde 90, 75, 45, 30 gibi derecelerin yanında,3.6, 1.8 ve 0.9 gibi çok küçük adım açılarına veyüksek konumlandırma hassasiyetine sahip adımmotorlar mevcuttur.


• Avantajları:• Geri beslemeye ihtiyaç duymazlar. Açık döngülü olarak

kontrol edilebilirler.

• Motorun hareketlerinde konum hatası yoktur.

• Mikroişlemci ile kontrol edilirler.

• Mekanik yapısı basit olduğundan bakım gerektirmezler.

• Dezavantajları• Adım açıları sabit olduğundan hareketleri sürekli değil

darbelidir.

• Sürtünme kaynaklı yükler, geri beslemesiz kontrollerde konum hatası doğurabilir.

• Elde edilebilecek güç ve moment sınırlıdır.


Adım motorlarından 4,5,6 veya 8 kablo çıkabilir. Bu sayımotorun özelliklerine bağlı olarak değişir.

Step motorlar iki grupta ele alınır:

1) Bipolar (Çift Kutuplu) Adım Motor

2) Unipolar (Tek Kutuplu) Adım Motor


Bipolar (Çift Kutuplu) Adım Motor:

• Adım motorlarda hareketi statordaki sargılardaki manyetik alan sağlar. Bu manyetik alan da akımın yönüne bağlı olarak değişir.

• Bipolar adım motorlarında 2 sargıya sırayla ve akım yönleri değiştirilecek güç verilir. Aşağıdaki resmi göz önüne alırsak, 1a (+), 1b (-) kutuplara bağlandığında sargılarda manyetik alan oluşacak ve rotor kendini bu manyetik alana göre pozisyonlayacaktır.


• 2. durumda 2a (+), 2b (-)kutuplara bağlanırsa bu seferrotor değişen manyetik alanıtakip edecek ve ok şeklindeki uçkısım 2a’ya, arka kısım 2b’yedönerek yeni pozisyonunualacak ve motor şaftı 90 derecedönmüş olacaktır.

• 3. durumda 1b (+), 1a (-) kutbabağlanacak ve hareketin devamısağlanacaktır.

• 4. durumda da 2b (+), 2a (-)kutba bağlanınca tam bir turhareket tamamlanmış olacaktır.


• Ancak bipolar adım motorlarındaki akım yönünüdeğiştirme zarureti ve bu sebepten kontroldevrelerinin nispeten karışıklığı unipolar adımmotorlarının ortaya çıkmasına neden olmuştur.


Unipolar (tek kutuplu step motor):

Bipolar adım motorlardaki akım yönü değiştirmezaruretine alternatif olarak geliştirilen unipolar adımmotorların temel şematik görüntüsü aşağıdaki gibidir


• Şemadaki tipik bir 6 kablolu unipolar adım motorudur.

• Unipolar yapıda bütün sargının üzerinden geçen akımınyönünü değiştirmek yerine sargının ortasından alınan bir uç ilesargıda 2 yönlü akım akışı sağlanmıştır. Aşağıdaki resimde 1 ve2 numaralı uçlar ortak (common) uçlardır. 5 kablolu unipolarmotorların 6 kabloludan tek farkı 1 ve 2 numaralı ortak uçlarıniçeride birleşerek dışarıya tek kablo olarak çıkmasıdır.


Aşağıdaki resim üzerinden adım adım ilerlersek; 1 ve 2 ortakuçları sürekli pozitif voltaja bağlı olsun. Bu durumda 1a’yı 0 voltaçekersek, 1’den 1a’ya doğru akım geçer ve sargıda manyetik alanoluşur. Bu manyetik alandan etkilenen rotor kendinikonumlandırır. 2. durumda 2a’yı 0 volta çekersek bu kez 2a’nınsarılı olduğu sargıda manyetik alan oluşur ve rotor saat yönünde90 derece döner. 3. durumda 1b’yi ve 4. durumda 2b’yi 0 voltaçekersek motor şaftımız 1 tam tur atmış olur.


• Unipolar motorlar aynı boyutlardaki bipolarmotorlara göre daha düşük torka sahiptir.

• Unipolar adım motorda bipolardaki ile aynı alanabipolardakinin aksine 2 sargı sığdırmak zorundaolduğumuz için sargıları oluşturan iletkenler dahaincedir. Daha ince iletken daha düşük akım demektir.Daha düşük akım da daha düşük tork anlamına gelir.



Kontrol Sistemleri

• Çok genel bir kavram olan kontrol, özgül olarak insan makina etkileşimini simgeler. Kontrol işlemlerinin birçoğu ‘otomatik’ biçimde, yani ‘insan girişimi olmadan’ gerçekleşir.

• Doğada, çevrede, günlük işlerde ve endüstriyel alanda kullanılan, sınırsız sayıda kontrol sistemi örneği vardır.

• Otomatik Kontrol bilimler arası bir konudur


• Termosifon, şofben ya da fırın sıcaklığının belirli bir değer etrafında tutulması.

• Merdiven otomatiği, merdiven-koridor ışıklarının yakıldıktan bir süre sonra kendi kendine sönmesini sağlar.

• Su basıncının hidrofor sistemleri ile ayarlanması.

• Brülör otomatiği, kalorifer kazanı brülörlerinin kazan suyu sıcaklığı düştüğü zaman yanmasını, önceden belirlenmiş bir sıcaklığın üzerine çıktığı zaman durmasını sağlar.

• Depo sıvı seviyelerinin şamandıralı açma-kapama vanaları ile kontrolü de benzer uygulamalardır.


• Toplumsal yaşantımızı doğrudan etkileyen konularda dakontrol uygulamaları vardır : Fiyat artışları (enflasyon),pazardaki talebin azalması veya paranın değerininartırılması ile kontrol edilebilir. Para değerini artırmak içindolaşımdaki para miktarı ve kontrol edilen harcamalarazaltılabilir. Talebi azaltmak için ise kişilerin harcamagüçleri kısıtlanabilir.

• Bugün modern ev ve bürolardaki ısıtma ve havalandırmasistem ya da düzenekleri otomatik kontrol yöntemleriyardımıyla sıcaklığı yada nemi ayarlamaktadır. Endüstrideotomatik kontrol sistemlerinin sayısız uygulama örneklerimevcuttur.


• Kontrol sistemlerinin kullanıldığı vbaşlıcaalanlar:

RobotikUzay teknolojileriSavunmaMontaj hatlarıTarımUlaşım…


• Elektriksel Sistemler• Mekanik Sistemler• Aerodinamik Sistemler• Elektro-mekanik Sistemler• Uzaktan Kontrollü Sistemler• Endüstriyel Sistemler• Isıl Sistemler• Foto - Elektrik Sistemler• Akışkan Sistemler• Elektromanyetik Sis• Bilgi İletim Sistemleri• Ulaşım Sistemleri



Örneğin bir devre: Bu devrede kontrol edilen unsur gerilim ve akımdır.

• Mekanik Sistemler: Araba. Burada arabanın hızı, konumu, açısı, direksiyon durumu, fren ve gaz pedallarının konumu,ısıtma –havalandırma konumu v.b. bilgiler kontrol edilir.


• Elektromekanik Sistemler : Robot kolu. Buradakonum, açı, hız, gerilim v.b. bilgiler kontrol edilir.



• Kontrol nasıl gerçekleştirilebilir?Kişisel bilgisayar (PC) ilekontrol paneli ilegömülü sistemler ile



Foto – Elektrik Sistemler : Örneğin Güneş paneli.panelin açısı, gerilim v.b.bilgiler kontrol edilir.


Sistem: Bir amacı gerçekleştirmek için beraber hareket eden etkileşimli elemanlar topluluğudur.

u : dışarıdan gelen, gözlemci tarafından değiştirilen işaret,giriş (Input)y : gözlenen işaret, çıkış (Output)w : ölçülebilen dış bozucu (Measured Disturbance)v : ölçülemeyen dış bozucu (Unmeasured Disturbance)



Kontrol: İncelenen davranışların belirli istenen değerleretrafında tutulması veya istenen değişimleri göstermesiiçin yapılanlar kontrol işlemlerini tanımlar.

Kontrol sistemi: Bir sistemin genel olarak davranışınıve çıkışlarını, bozucu değişkenlerin etkisine rağmen,istenen değerlere yöneltmek için gerekli işlemlerigerçekleştiren adımların bileşkesidir. Kontrol sistemi,kontrol edilmek istenen sistemle bir bütün oluşturur.


Otomatik Kontrol:

Kontrol işlemlerinin, kontrol edilmek istenen olayetrafında kurulmuş bir karar mekanizması tarafından,doğrudan insan girişimi olmaksızıngerçekleştirilebilmesidir.

Depo sıvı seviyesinin kontrolü, fırın sıcaklığının kontrolü, hız kontrolü, basınç kontrolü, akış hızı kontrolü, nem kontrolü, yoğunluk kontrolü v.b.


Açık çevrim kontrol:

Bir kontrol çevriminde kontrol ve kumanda, sistemin çıkışları fiziksel (organik) bir bağlantı ile belirlenmiyorsa, kontrol çevrimi ‘açıktır’ denir. Kumanda edilen sistemin yapısının ve sisteme etkiyen diğer girişlerin önceden çok iyi bilindiği uygulamalarda kullanılır.



Zamana göre işlem yapan her sistem, açık çevrimdir. Örnek olarak, trafik sinyalizasyonu, merdiven otomatiği, otomatik çamaşır makineleridir

Kapalı çevrim kontrol:

Kontrol ve kumanda, sistemin çıkışlarındaki değişmelere bağımlı ise kontrol çevrimi ‘kapalıdır’.Sistem çıkışındaki değişmeler, sisteme uygulanacak kumandanın belirlenmesi için, daha önceki adımlara (karşılaştırma - kontrol) ‘geri’ gönderildiği için,bu türden kontrol çevrimlerine ‘geri beslemeli’ kontrol çevrimleri de denir.



Örnek: 23C’de oda sıcaklığının sabit kalması için, kontrol organları daima ayar noktası etrafında, artı veya eksi kabul edilebilir sınırlar içinde çalışırlar. Ayar noktası istediğimiz değer olan 23C’dir. Kontrol noktası ise sahip olduğumuz değerdir. Her ikisi arasındaki fark sapma değeridir.


• Oda sıcaklığına bağlı ısıtma yada soğutma düzeneği,

• Su sıcaklığına bağlı kullanım suyu ısıtma düzeneği,

• Basınç ölçümüne bağlı pompalama düzeneği,

• Yağmur şiddetine bağlı silecek düzeneği,

• Güneş açısına bağlı açısal dönüş yapan kollektörler,

• Gün ışık şiddetine bağlı çalışan aydınlatma araçlarıdır




Açık çevrimli sistem ile kapalı çevrimli sistemibirbirinden ayıran en önemli unsur geri beslemeetkisidir.

Kapalı çevrimli kontrol sisteminin bir avantajı, geri besleme sistem cevabını, dış bozucular ve sistemparametrelerindeki iç değişikliklere karşı duyarsızyapmasıdır.

Kapalı çevrimli kontrolle, verilen bir sistemin hassas kontrolünü, hassas olmayan ve ucuz elemanlarla yapmak mümkün olurken, bu açık çevrimle mümkün değildir.


Kararlılık açısından karşılaştırıldığında, açık çevrimlikontrol sisteminin kurulması kolaydır. Çünkü sistemkararlılığı önemli bir problem değildir. Diğer taraftankapalı çevrimli kontrol sisteminde kararlılık önemli birproblemdir. Çünkü, sabit yada değişen genlikliosilasyonlar meydana gelebilir.

Otomatik Kontrol Sistemlerinde kumanda, kontrolçevrimi elemanlarınca, bu elemanlar üzerindeayarlanabilen kontrol amaç ve sistem çıkışlarındakideğişmelere göre hesaplanır ve sisteme uygulanır.Dolayısıyla Otomatik Kontrol sistemleri genelde Kapalıçevrimli Geri beslemeli Kontrol Sistemleridir.


Documents

MEKATRONİĞİN TEMELLERİ - · PDF fileElektrik-Elektronik Sistemler-1: •Mekatronik sistemlerde, sistemin çalışabilmesi için güç kaynağına ihtiyaç duyulur. ... Ölçme