Step Motorlar Baglantı şekilleri Resimli Anlatım

Step motorlar hakkında bilgi edinmek veya sunum hazırlaması gerekenler için

“Step Motorlar Hakkında Her Şey!” yazımız ile karşınızdayız. Step motorlar,

 ilk defa 1935 yılında üretilmişlerdir fakat 1970 yıllarına kadar olan gelişim süreci içerisinde, sürücü devrelerinin yetersiz olmasından dolayı yaygın olarak kullanılmamışlardır. Giderek gelişen mikroişlemci ve elektronik teknolojisi sayesinde 1970′lerde yaygın olarak kullanımına başlanan

Step Motor Nedir?

 step motorlar, günümüzde bilgisayardonanımından endüstriyel sistemlere kadar birçok alanda kullanılmaktadır.

adım motorları da denilmektedir. Adım motorlarının tanımını yapacak olursak; Girişlerine uygulanan darbe sinyallerine karşılık olarak analog dönme hareketi yapan yani açısal konumu adımlar halinde değiştiren, çok hassas sinyallerle sürülen, fırçasız, sabit mıknatıs kutuplu DC motorlardır şeklinde açıklayabiliriz. Sabit mıknatıs kutuplar motorun hareketli kısmında yer alır. DC gerilimin uygulandığı sargıların bulunduğu kısım “stator”, dönen kısım ise “rotor” olarak isimlendirilir. Bu açıklamalara motorun yapısı bölümünde ayrıntılı olarak değineceğiz. Step motorların yapmış olduğu adım açısı, motorun yapısına bağlı olarak 90, 45, 18, 7.5, 1.8 derece veya daha değişik açılarda olabilir.

Ayrıca step motorlara uygulanan palslerin (sinyallerin) sırası değiştirilerek dönüş yönü belirlenir. Dönüş yönleri saat ibresi yönü (CW) veya saat ibresinin tersi yönünde (CCW) olabilir.

Step Motor Özellikleri Nelerdir?

• Step motorların hassasiyetlerini mikro step tekniği ile 0.07 dereceye kadar düşürmek mümkündür.
• Step motorların bir devirdeki yapmış olduğu adım sayısı yükseldikçe hassasiyeti artar.
• Yan yana bulunan iki sargı aynı anda enerjilenerek yarım adım şeklinde çalıştırılabilir.
• Yüksek – hassas pozisyonlama alabilirler.
• Basit ve doğru bir şekilde hız kontrolleri yapılabilir.
• Yüksek duyarlılık ve tutma torkuna sahiptirler.

Step Motor Avantajları Nelerdir?

1. Adım motorları geri besleme ihtiyacı göstermezler. Bu sayede açık döngülü olarak kontrol edilebilirler.
2. Motor hareketlerinde konum hatası yoktur.
3. Herhangi bir hasara yol açmadan defalarca durdurulup çalıştırılabilirler.
4. Step motorların mekanik yapıları oldukça basit olduğundan bakım gerektirmezler.
5. Sayısal olarak kontrol edilebildiklerinden bilgisayar veya mikroişlemci ile kontrol edilirler.

Step Motor Dezavantajları Nelerdir?

1. Step motorların adım açıları sabit olduğundan hareketleri sürekli değil darbelidir.
2. Çok yüksek hızlarda kolaylıkla kontrol edilemezler.
3. Sürtünme kaynaklı yükler, açık döngülü kontrolde konum hatası meydana getirirler.
4. Adım motorlarında elde edilebilecek güç ve moment sınırlıdır.
5. Step motorlar, DC ve Servo motorlara göre daha karmaşık sürücü devrelerine ihtiyaç duyabilirler.
6. Yüksek eylemsizlikli yüklerde yetenekleri sınırlıdır.
7. Step motorlar iyi kontrol edilmezse rezonans meydana gelebilir.

Step Motor Tipik Yapısı

Yukarıdaki şekilde tipik yapısını verdiğimiz step motorun temel elemanlarını açıklayacak olursak;

Stator: Step motorun hareketsiz olan ve sargılardan oluşan kısmıdır.
Rotor: Motorun hareketli, N ve S kutbundan oluşan ve tek parça sabit mıknatıs olan kısmıdır.
Dış Zarf (Gövde): Motorun soğumasına da katkıda bulunan bu yapı, motoru dış etkilerden koruyan bir yapıdır.
Rulman: Adım motorlara verilmesi gereken hareketin mümkün olan en az sürtünmeyle yani güçten en az ödün verilerek iletimini sağlamak için olan kısmıdır.

Step Motor Çalışma Prensibi

Step motora giriş palsi uygulandığı zaman, motorun yapısına göre belli bir açı ile rotor bir miktar döner ve durur. Girişe tek bir pals (sinyal) verildiğinde rotor, tek bir adım hareket eder, daha fazla pals uygulandığında ise pals adedi kadar adım hareket eder.

Yukarıdaki şekilde 1 nolu anahtar (SW1) kapandığında rotor kendiliğinden 1 numaralı sargı ile aynı hizaya gelecektir. 1 numaralı anahtar açılıp 2 numaralı anahtar (SW2) kapatılırsa rotor 2 numaralı sargının karşısına gelecektir.

Bu işlem sırayla tekrarlanırsa rotor bir daire içinde düzgün şekilde döner.

Step Motorlarda Karşılaşılan Terimler

Step Açısı (SA): Step motorun bir adım süresince ilerlediği açıdır ve derece cinsinden ifade edilir.

Dönme Başına Step (SPR): Adım motorlarda, 360 derecelik bir tam dönme için gerekli olan adım sayısını ifade eder.

Saniye Başına Step (SPS): Motorun 1 saniyede aldığı açısal adım sayısıdır.

Step Doğruluğu: Pozisyon doğruluğunun hassasiyetini ifade eder.

Artık Tork (Moment): Step motorun durma anındaki etkisidir.

Tork (Moment) – Atalet Oranı (TIR): Bir step motor için yararlılığın tanımıdır.

Tutma Torku (Moment): Sıfır hızda motor mili, tutma torku etkisindedir. Motor mili elle döndürülmeye çalışılırsa manyetik alan dönmeye karşı koyacaktır.

Dinamik  Tork (Moment): Moment ile Hız arasında ters orantılı bir ilişki vardır. Motor yüksek hızda dönerken tork düşüktür yani döndürme etkisi azalır.

Step Motorun Adım Açısının Hesaplanması

360 derecelik bir dönme hareketi için gerekli adım miktarı, statora sarılan sargıların faz sayısına ve motor rotorunun çıkıntılı kutup sayısına bağlıdır. Bu bağlamda step motorun adım açısı aşağıdaki formülle hesaplanabilir:

Formüldeki;

Qs= Step motorun adım açısını
Ns= Step motor faz sayısını
Nr= Rotorun çıkıntılı kutup sayısını ifade etmektedir.

Step Motorun Bir Devri İçin Gerekli Adım Sayısının Bulunması

Step motorların bir devri için gerekli adım sayısının bulunmasında aşağıdaki formülü kullanabilirsiniz;

Formüldeki;

S= Motorun bir devir (360 derece) için gerekli adım sayısını
Qs= Step motorun adım açısını ifade etmektedir.

Step Motor Çeşitleri Nelerdir?

• Değişken Relüktanslı Step Motorlar
• - Tek Parçalı
• - Çok Parçalı
• Sabit Mıknatıslı Step Motorlar
• Hybrid Step Motorlar
• Lineer Step Motorlar
• Hidrolik Step Motorlar

***Relüktans: Manyetik akının hareketine karşı gösterilen zorluğa denir.

Değişken Relüktanslı Step Motorlar Nedir? Özellikleri Nelerdir?

• Değişken relüktanslı adım motoru, en temel adım motoru tipidir. Dişli yapıdan oluşmuş ve yumuşak demirden yapılmış rotor yapısına sahiptir.
• Bu motorların en az 4 stator kutbu bulunur.
• Diğer step motorlara göre en önemli farkı artık mıknatısiyet özelliği göstermemesidir.
• Hafif yüklerde kullanılırlar.
• 5 ile 15 derece arasında orta adım derecesine sahip, düşük momentli ve yüksek ivmeli motorlardır.
• Tek parçalı tipi çok parçalıdan ayıran özellik stator sargılarının tek parça olmasıdır.

Sabit Mıknatıslı Step Motorlar Nedir? Özellikleri Nelerdir?

 

• Yapısı, oyuklu dört kutuplu stator içinde dönen iki kutuplu sabit mıknatıslı rotordan meydana gelmiştir.
• Çalışma anında sürekli hareket gerçekleşmesi için kutupların 2. turunda yönü değiştirilmelidir.
• Orta uçlu sargı yapısında tek sargı iki kutup yönü oluşmuş gibi davranır.
• S1, S2, S3, S4 anahtarının konumuna göre uygun kısım enerjilenir.
• Disk tipi adım motorlarında disk şeklinde sabit manyetik mıknatıs bulunur.
• 4 kutuplu yapıları da bulunmaktadır.

Hybrid Step Motorlar Nedir? Özellikleri Nelerdir?

• Sabit mıknatıslı değişken relüktanslı motor özelliklerinin birleşiminden oluşur.
• Stator kısmı sabit mıknatıslı yapının, rotor kısmı ise değişken relüktanslı yapının özelliklerini kullanır.
• Bu motorlar geri beslemeye ihtiyaç duymazlar ve yüksek hassasiyete sahiptirler.

Lineer Step Motorlar Nedir? Özellikleri Nelerdir?

• Mekanik hareketi diğer step motor tipleri gibi dairesel bir hareket olmayıp, yatay eksen (x veya y eksenleri) üzerinde hareket eden motorlara denir.
• Yüksek güvenlikleri bulunur.
• Hava aralığı, manyetik alandan bağımsız olduğu için hiç bakım gerektirmezler.
• Yüksek hassasiyete sahiptirler.
• Az ve basit devre elemanlarından oluşur.

Hidrolik Step Motorlar Nedir? Özellikleri Nelerdir?

• Hidrolik motorun basınçlı yağ yolunu denetlemek suretiyle şaftın hareketini ve yönünü tayin eden adım motorlara hidrolik adım motoru denir.
• Hidrolik adım motorlara elektrohidrolik adım motorlar da denilmektedir

Duty Cycle – Overshoot Nedir?

Duty Cycle’a Türkçe olarak “kullanım oranı” diyebiliriz. Aşağıda formülünü ve grafiğini inceleyebilirsiniz.

Yukarıdaki animasyonumuzda servo motorun kullanıldığı, lazer ile harf yazma işlemi görülmektedir. Yukarda da belirttiğimiz gibi servo motorlar step motorlara göre daha hızlı uygulamalarda tercih edilmektedir.

On Time: Yüksekte kalma süresi.
Off Time: Düşükte kalma süresi.

Step motora gönderilen palslerin frekansı arttırılırsa, step motorun adımları hızlanır ve step motor istenmeyen bir karakteristik gösterir. Buna “overshoot” denir.

Step Motorların Denetimi

Açık Döngü Denetim

Aşağıdaki blok diyagramında da gördüğünüz gibi denetleyici tarafından üretilen sayısal kontrol sinyalleri, sürücü devre tarafından da yükseltilip step motorun sargılarına uygulanmaktadır. Denetleyici ile kontrol edilecek adım motorları 3, 4 veya daha farklı faz sayısına sahip olabilir. Ayrıca kullanılacak uyartım metodu için de bir sonraki konuda anlattığımız tek fazlı, iki fazlı veya karma adım uyartımlarından herhangi biri, motorun kullanılacağı sisteme göre seçilebilir.

Açık döngülü denetimde motorun konumu bilinmediği için motorun gönderilen bütün adım komutlarını yerine getirdiği varsayılmaktadır. Örneğin motorumuza vermiş olduğumuz bir pozisyonun, servo motorların arkasında bulunan encoder step motorlarda olmadığı için (Açık döngü denetimde) doğru olduğunu farz ederiz. Kalıcı hataların önüne geçmek için motor yükünün en büyük olduğu durum göz önüne alınarak hata yapılmayan en yüksek hız belirlenip, bu hızın üzerindeki hızlarda uyartım yapılmamalıdır.

Kapalı Döngü Denetim

Kapalı döngü sistemlerde ani rotor konumu sezilerek denetim birimine iletilir ve bir sonraki adım hareketi, bir önceki komutun gerçekleştirildiği adım bilgisi alınarak gerçekleştirilir. Servo motorlarda arkalarında bulunan encoder devresiyle birlikte bu sistem ile çalışmaktadır. Kapalı döngü sistemlerde bu sayede motor ile denetleyici arasında herhangi bir adım kaybı olmaz. Motora vermiş olduğumuz herhangi bir pozisyon komutunun doğru bir şekilde gerçekleşip gerçekleşmediğini, hata varsa da nerede olduğunu tam olarak bilebiliriz.

Ağır yükler için adım komutları arası sürenin daha büyük olması nedeniyle adım komutlarının ard arda gelmesi istenmez. Adım motoru istenilen pozisyona gelince denetim birimi dur komutu ile uyarılarak yeni adım komutu üretilmesi engellenir. Kapalı döngü sistemi, adım motorunu yük durumunu da göz önüne alarak uyartım sürelerini ayarlar ve en uygun hız profilinde çalıştırır.

Adım Motorlarının Uyartımı

Adım motorlarının uyartımı üç çeşittir. Bunlar Tek faz, iki faz ve karma uyartımdır. Bunları inceleyecek olursak;

Tek Faz Uyartım (Başla-Dur Adımlama Oranı)

Motor sargılarının sadece birisinin uyarıldığı uyartım cinsine tek-faz (single coil) uyartım denir. Aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi motorun stator sargıları tek tek uyarılmaktadır.

İki Faz Uyartım (Düzgün Hız)

Motor sargılarının ikisinin sıra ile aynı anda uyartıldığı şekline iki faz uyartım denir. Bu uyartımda rotorun geçici durum tepkisi, tek-faz uyartıma göre daha hızlıdır ancak burada çekilen güç, iki katına çıkmıştır.

Karma Uyartım (Rampalama)

Bu uyartım modunda tek faz ve iki faz ard arda uygulanır. ve rotor, her bir uyartım sinyali için yarım adım hareket yapar. Bu uyartım modu sayesinde örneğin fabrika çıkışı 2 derece olan bir motorun adım açısını 1 dereceye düşürmüş oluruz.

Step Motor Bobin Uçlarının Bulunması

Step motorlarda bobin uçlarının bulunmasına gelecek olursak; İki fazlı step motorlar, 4, 5, 6 veya 8 uçlu olarak imal edilebilirler. Motorlarda bulunan ortak uçlar, kaynağın (+) kutbuna bağlanırlar. Bu ortak uçları bulmak oldukça kolaydır. Ölçü aletimizi ohm (Ω) kademesine aldıktan sonra step motorun kabloları arasındaki direnci ölçeriz. Step motorlar ister 5, ister 6 kablolu olsun tüm uçlar arasında eşit dirence sahip olan tek uç ortak uçtur. Örneğin 6 kablolu step motorlarda kablolar üçerli olarak iki grup halindedir. Ölçüm yapılırken ilk guruba ait üç kablo ayrı ayrı kendi aralarında ölçülür. Tüm uçlar arasında eşit direnç gösteren uç, ortak uçtur. Aynı işlem ikinci grup içinde tekrarlanır. Ölçüm sonucunda elde ettiğimiz bu dirençlerin değerleri, her step motor için farklı olabilir. Step motorlara ait bobin kabloları farklı renklerle temsil edilirler.

Motora adım attırmak için ortak uca motorun cinsine göre (+) 5V ile 12V arası sabit pals uygulanır. Diğer dört uca ise belirli sırada (-) sinyal uygulanır. Ortak uç dışında kullanılan diğer dört ucun kendi arasında bir sırası vardır. Diğer kabloların sıralamasını da bulmak oldukça basittir. Diğer bobin uçlarının uygun sıralaması aşağıdaki gibi tespit edilir:

• Ortak uçlara ait kablolar, kaynağın (+) kutbuna bağlanır.
• Step motorun diğer herhangi bir ucu seçilerek şase (-) uygulanır. Örneğin 1 numaralı bobin ucuna (-) gerilim uygulanarak sabit bırakılır.
• Başka bir bobin ucu seçilerek şase uygulanır. Eğer step motor saat yönünde bir adım atıyor ise bu uç 2 numaralı kablodur.
• Motor saat yönünün tersinde bir adım atıyorsa bu, 4 numaralı kablodur.
• Motor hiç hareket etmiyor ise bu ucun da 3 numaralı kablo olduğunu anlarız.

Sonuç olarak step motoru saat yönünde döndürmek için ortak uca (+); 1, 2, 3 ve 4 numaralı kabloların bağlı olduğu bobinlere sırasıyla (-) gerilim uygulanmalıdır. Step motoru saat yönünün tersine hareket ettirmek için ise bobinlere 4, 3, 2 ve 1 sıralamasında enerji uygulanmalıdır.

Adım (Step) Motorlarında Kullanılan Sargılar

İki fazlı adım motorlarında iki tip sargı kullanılır:

• Bipolar (iki kutuplu) stator sargıları
• Unipolar (tek kutuplu) stator sargıları

Bipolar Sargılar

Bu sargı tipinde motor bobinleri birbirine 180 derece açı ile yerleştirilmiş ve kendi aralarında da seri bağlanmışlardır. Dolayısıyla birbirine seri bağlı bobin gruplarından aynı akım geçmektedir. Ama anahtarlamanın şekline göre bu akımların yönleri değişebilir. Aşağıdaki şekilde dört kutuplu bir statora ait iki ayrı faz sargısının sarıldığı görülmektedir.

Unipolar Sargılar

Unipolar sargı tipinde iki parçalı bobin grubu vardır. Bu sargılar, bipolar sargılarda olduğu gibi birbirlerine 180 derece açıyla yerleştirilmişler ve birbirlerine seri bağlanmışlardır. Aşağıdaki şekilde bu sargıların statora yerleştirilmiş şekli görülmektedir.

Step Motorların Sürücüleri Nelerdir?

• Adım motorun kaç adım atacağı, uygulanan palslere bağlıdır.
• Günümüzde sürme işlemi mikroişlemcilerin bobinlere giden enerjinin anahtarlaması ile sağlanmaktadır.

Step Motor Çalışma İlkeleri

• L/R Sürücüsü: Motor öngörülen voltaj ve akım değerlerinde çalıştırılır. Bu durumda motor bobinlerindeki indüktif etkiden dolayı ufak bir hız artışında motor öngörülen akıma ulaşamayacağı için düşük hızlar dışında motor verimli bir şekilde sürülemeyecektir.
• L/nR Sürücüsü: Akım artışında geçerli olan zaman sabitini (t=L/R) düşürmek için motor bobinlerine seri direnç bağlanarak yapılır. Bu durumda motor öngörülen voltajın n katı değerde çalıştırılır. Bu sayede motorda belirgin bir hız artışı yaşanır. Ancak bu devrelerde gereksiz güç tüketimi yaşanır.
• Chopper Sürücüsü: Motor öngörülen voltaj değerinden 5-20 kat fazla bir voltajla beslenir. Bu sebeple akımın yükselme hızı diğer sürücülere göre oldukça hızlıdır. Ancak yükselen akım belirli bir değerde sınırlanmazsa motor gereğinden fazla akım çekeceği için yanacaktır. İşte bu noktada da akım sınırlama mekanizması chopper sürücüsünün temelini oluşturur. Motor bobinine seri bağlı küçük bir sense direnci üzerindeki voltaj bir komparatör ile karşılaştırılarak, bobine giden akım ayarlanır. Sürücü PWM (Pulse Width Modulation) mantığında çalışır. Kaynak zaman içinde açılıp kapandığı için güç tüketimi minumum düzeydedir. Yüksek voltajla beslemeden dolayı yüksek hızlarda tam tork ile çalışılabilir.

NPN Transistörlü Unipolar Step Motor Sürücü Devresi

Bu devrede transistörlerin sırayla tetiklenmesi sonucu bobinlerin doğru şekilde enerjilenmesi sağlanmış olur. Devredeki diyotlar, ters EMK’dan, transistörleri korumak için kullanılmışlardır. Kullanılan diyotun değerinin herhangi bir önemi yoktur. Yaklaşık 5 Amper civarı akımlar için TIP141 modeli, daha küçük akımlar için ise BC108 veya BC547B tipi transistörler kullanılabilir. Transistörler BC547 seçilirse R=4.7K seçilebilir. Motor akımını sınırlamak için, Rsınır direnci motor sargılarına seri olarak bağlanabilir.

ULN2003 Entegresi İle Unipolar Step Motor Sürücü Devresi

ULN2003 entegresi içerisinde 7 adet NPN transistor ve dâhili diyot vardır. Şekildeki devreyi kurduktan sonra, mikrokontrolörden herhangi bir bacağa +5V uyguladıgımızda, karşısındaki bacak toprağa ulasacaktır. ULN2003 entegresi ile 500mA’e kadar akım çeken motorlar çalıştırılabilir. Ayrıca +12V’a kadar entegreye besleme gerilimi verilebilir.

Mosfet Transistörlü Unipolar Step Motor Sürücü Devresi

Sürücü devresi olarak anahtarlama hızları yüksek olan MOSFET güç transistörleri kullanmak daha iyi bir seçimdir çünkü MOSFET’lerde, BJT transistörlerde olduğu gibi ikinci bir kırılma noktası yoktur. Yukarıdaki şekilde de görüldügü gibi MOSFET’lerin giris dirençleri yüksek olduğu için, kontrol devresine doğrudan bağlanabilirler.

Devredeki güç transistörleri (MOSFET) yerine IRLI520N veya UN40AF ya da BD522 model transistörler kullanılabilir. Bu transistörlerin Drain ve Source bacakları arasında diyot olması nedeniyle, MOSFET’leri korumak için dışardan ayrıca bir diyot başlanmasına gerek yoktur.

Step ve Servo Motor Kıyaslaması

• Step motorlarda hız arttıkça tork düşerken servo motorlarda böyle bir durum yoktur. Bu yüzden yüksek hız ve tork gerektiren uygulamalarda servo motorlar daha çok avantajlıdır. Fakar yüksek ataletin (eylemsizlik) olduğu durumlarda step motorlar daha avantajlıdır ve durması servo motorlara göre daha güvenlidir.
• Step motorlar daha kararlıdır. Servo motorlar sabit duracağı durumlarda fren mekanizmasına ihtiyaç duyarlar.
• Step motorlarda çoğunlukla encoder olmaz ve açık çevrim çalıştırılır. Servo motorlar genelde kapalı çevrim çalıştırılır.
• Step motorlar ile yapılan çözümler servo motorlara göre daha ucuzdur.
• Servo motorlar step motorlara göre daha fazla hız gerektiren uygulamalarda tercih edilir.
• Profesyonel uygulamalarda servo motorlar tercih edilmektedir. Bunun için de piyasada çeşitli özelliklerde servo motor bulmak ve destek almak daha kolaydır.

Step Motorların Bakım-Onarımı Nasıl Yapılır?

• Motorda bir arıza var ise bu arızanın mekanik mi yoksa elektrik arızası mı olduğunu araştırınız.
• Arıza mekanik ise tamiri, parçaların yenilerinin değiştirilmesi ile giderilir.
• Elektrik arızalarında ise öncelikle arızanın motor ya da sürücü devresinde olup olmadığının kontrolünü yapınız.
• Motor elektrik arızalarında sargı uçları ve sargıları kontrol ediniz.
• Sürücü devresinde elektronik kartın kontrolünü yapınız.
• Bakım kontrolünde ise toz, yağ ve diğer çevresel etkenlerden dolayı meydana gelen kirlenmeleri gerekli kimyasallar kullanarak gideriniz.

Step Motorların Kullanım Alanları Nelerdir?

Step motorlar endüstride birçok alanda tercih edilmektedir. Piyasada en çok pay aldığı alan iste robotik sistemlerdir. Çünkü robot teknolojisinde milimetrik hareketlerin kontrolü önem arz ettiği için step motorlar tercih edilmektedir. Diğer kullanım alanlarını aşağıdan inceleyebilirsiniz.

• Bant Sürücülerde
• İmalat Tezgahlarında
• Yazıcı, çizici, disket sürücüler, hard disk sürücüler, kart okuyucular vb. bilgisayar çevre cihazlarında
• Teyp Sürücülerinde
• Hafıza İşlemlerinde
• Tıbbi Cihazlarda
• Dikiş Makinalarında
• Kameralarda
• Pantograf Makinalarında tercih edilmektedirler.

***Pantograf, Fransızca kökenli bir sözcüktür ve pantograf makinaları belirli bir desen ya da yazıyı belirli bir yüzeyin üzerine kopyasını yapmak için kullanılan makinalardır