Servo Motor Nedir? Çeşitleri Nelerdir? Nasıl Çalışır?

Servo Motor, robotik projelerin olmazsa olmazlarındandır. Peki servo motor nedir? Nasıl çalışıyor? İçindeki mekanizması nedir?

Servo Motor Nedir

Servo, mekanizmalardaki açısal-doğrusal pozisyon, hız ve ivme kontrolünü hatasız bir biçimde yapan tetikleme sistemi olarak tanımlanabilir. Yani hareket kontrolü yapılan bir düzenektir. Servo motorlar, robot teknolojilerinde en çok kullanılan motor çeşidi olmakla beraber, RC (Radio Control) uygulamalarda da kullanılmaktadırlar. RC Servo Motorlar öncelikle uzaktan kumandalı model araçlarda kullanılmışlardır. Servolar, istenen pozisyonu alması ve yeni bir komut gelmediği sürece bulunduğu pozisyonu değiştirmemesi amacı ile dizayn edilmiştir.

Servo Motor Çalışma Prensibi

Servo motorların içerisinde motorun hareketini sağlamayı başaran bir DC motor bulunur. Bu motorun dışında bir dişli mekanizması, potansiyometre ve bir motor sürücü devresi bulunur. Potansiyometre, motor milinin dönüş miktarını ölçmektedir. Servo içindeki DC motor hareket ettikçe potansiyometre döner ve kontrol devresi motorun bulunduğu pozisyon ile istenen pozisyonu karşılaştırarak motor sürme işlemi yapar. Yani, servolar diğer motorlar gibi harici bir motor sürücüye ihtiyaç duymadan çalışmaktadırlar. Genellikle çalışma açıları 180 derece ile sınırlıdır fakat 360 derece çalışma açısına sahip özel amaçlı servo motorlar da vardır. Servolar genelde 4.8-6V gerilim ile çalışmaktadırlar. 7.4V ve daha yüksek gerilimle çalışan servolar da bulunur.

Servo motorlar PWM (Sinyal Genişlik Modülasyonu) sinyal ile çalışmaktadırlar. Bu PWM sinyaller bir mikrokontrolcüden ya da uzaktan kumandadan sağlanabilmektedir. Servo, her 20 ms içerisinde bir pals değeri okumaktadır. Pals uzunluğu motorun dönüşünü belirlemektedir. Örnek olarak 1.5 ms’lik bir pals, motorun 90 derece pozisyonunu almasını sağlayacaktır (Nötr Pozisyon). Servolar hareket etmeleri için bir komut aldıklarında önce istenen pozisyona hareket ederler, sonrasında ise o pozisyonda kalırlar. Servolar bulundukları pozisyonu korurken kendilerine dışarıdan bir güç uygulandığında bu güce direnirler. Bulundukları konumu sonsuza kadar koruyamazlar, pozisyonlarını koruyabilmeleri için palsin tekrar edilmesi gerekebilir. Hareket etmeleri için gerekli olan pals genişliklerinin minimumları ve maksimumları vardır ve bu değerler değişkendir. Fakat genelde minimum pals genişliği 1 ms, maksimum pals genişliği ise 2 ms’dir.

Yukarıdaki şekilde genelde sahip oldukları PWM değerleri vardır. 1 ms duty cycle değerinde 0° , 2 ms değerinde ise 180° pozisyonunu almış olur.

Servo Motor Çeşitleri

AC-DC Servo

Servo motorlar genel itibari ile AC Servo ve DC Servo olarak iki gruba ayrılırlar. AC Servo Motorlar endüstride kullanılıyor. Bu yazımızda bahsettiğimiz RC Servolar, DC Motorlardır.

Dijital-Analog Servo

RC Servolar devre yapılarına göre Analog Servo ve Dijital Servo olmak üzere ikiye ayrılmaktadırlar. Dijital servolar, analog servolara göre daha yüksek frekansta çalışırlar. Bu sayede dijital servolar komutlara daha net ve hızlı tepki verirler, daha iyi bir tutma torku elde ederler. Hızlanmaları daha yumuşak gerçekleşir. Analog servolara göre dezavantajları ise daha fazla enerji harcaması nedeniyle pil ömrünü daha çabuk tüketmeleridir.

Çekirdeksiz-Fırçasız Servo

RC Servolar, içlerindeki mekanizmada bulunan motorlara göre de değişkenlik göstermektedir. Çekirdeksiz motorlar yapılarında mıknatıs bulundurmadan kablolar yardımı ile manyetik alan oluşturmaktadır. Bu nedenle hafiftirler, daha çabuk tepki verirler ve daha yumuşak hareket ederler. Fırçasız motorların avantajı ise daha verimli ve daha çok güç üretebilmeleridir.

Servo Motoru İç Yapısı

Servo motorun içerisinde bir adet dc motor bulunmasından dolayı dc servo motor ismini almıştır. Fakat DC motora ilave olarak bir kontrol devresi ve çıkışında mil görevi gören bir potansiyometre ile DC motorun milini kontrol eder.

Potansiyometre

Dönme momentine(Tork) göre lineer bir direnç artışına sebebiyet verir. Bu özelliğinden faydalanılarak potansiyometrenin o anki direnç değerine göre servo motorun anlık konumu belirlenir. Tüm bu işlemleri yapan kısım ise servo motorda kontrol devresi olarak anılır.

Kontrol Devresi

Potansiyometrenin direnç değerine göre servo motorun o an hangi açıda bulunduğunu tespit eder. Bu görevinin dışında servo motorun sinyal ucundan gelen bilgiye göre gitmesi gerekli olduğu konumu belirler. Eğer servo mili sinyal ucundan gönderilen açıda ise motor çalışmaz. Çalışıyorsa da içindeki dc motorun çalışmasını durdurur. Fakat kontrol devresi motorun istenen açıda olmadığını tespit ederse doğru açıyı yakalayana kadar motor hareket etmeye başlar. Bu çalışma son derece hassas bir şekilde gerçekleşir; istenen açı yakalandığında çok küçük hata payıyla motor durdurulur. Bu işlemi açıya yaklaşıldıkça dc motorun hızını düşdürerek yapar. Yani büyük bir uzaklık kat edilecekse motor büytün güyle çalışacaktır; küçük bir açı için hareket edecekse daha yavaş döneceğir. Buna orantısal kontrol denir ve bu kontrol potansiyometre ile temin edilmektedir.

Servo Motor Seçiminde Temel Parametreler

Projenize uygun servo motoru seçmek, uygulamanın başarılı olmasının ön koşuludur. Farklı servo modelleri tork, hız, boyut ve kontrol özellikleri açısından önemli ölçüde farklılaşır.

• Durma Torku (Stall Torque): Motorun döndüremeden durduğu yüke karşılık verebileceği maksimum kuvvettir; kg·cm veya N·m cinsinden belirtilir. Önce uygulamanın tork gereksimi hesaplanıp buna uygun servo seçilmelidir.
• Geçiş Hızı (Transit Speed): 60 derecelik dönüş süresi (sn/60°) cinsinden gösterilir. Hızlı tepki gerektiren robotik kollar için düşük süre değeri tercih edilir.
• Çalışma Gerilimi: Servoların çoğu 4,8 V veya 6 V ile çalışır; bazı yüksek güçlü modeller 7,4 V ve üzeri değer ister. Mikrodenetleyici çıkışı ile besleme seviyesini karıştırmamak gerekir.
• Dijital / Analog Seçimi: Hassas ve hızlı tepki gereken uygulamalarda dijital servo; düşük güç tüketiminin öncelikli olduğu uygulamalarda analog servo tercih edilmelidir.
• Dişli Malzemesi: Hafif plastik dişliler tork kapasitesi düşmektedir; yüksek tork veya uzun süre çalışan uygulamalar için metal dişlili modeller daha dayanıklıdır.