STEP (ADIM) MOTORLAR Öğr. Gör. M.Uğur DOĞAN

Niçin step motorlar? Elektrik motorlarının kullanım alanlarının teknolojiye bağlı olarak gelişmesinden ve genişlemesinden dolayı ihtiyaca cevap verebilmek için hız-konum kontrolünün önemi artmıştır. Diğer elektrik motorlarından farklı olarak yön, hız ve konum kontrolünün daha basit ve ucuz olmasından dolayı adım motorları tercih edilir.

Kullanıldığı Yerler En basitinden, bilgisayarımızdaki floppy disket sürücüsünde ve bazı hard disklerde bu teknolojiye başvurulmuştur. Pozisyon kontrolü gerektiren robot kolunun hareketinde, yazıcıda kağıdın yazıcı tarafından alınmasında, kartuş kafasının hareketinde ayrıca çiziciler, teypler ve valflerde de kullanılır.

Step (Adım) Motorun Tanımı Hareket ve konumun (posizyonun) hassas olarak kontrol edilmesi gerekli olan yerlerde kullanılan özel motorlardır. Adım motorlar, girişlerine uygulanan lojik sinyalleri istediğiniz yönde ve derecede dönme hareketine çevirirler. İsminden de anlaşılacağı gibi, adım motorları belirli adımlarda dönerler. Bu adımlar, motorun sargılarından uygun olan birisine darbe gerilimi uygulanarak kontrol edilirler. Motorun tasarımına bağlı olarak, adım motoru 90°, 45°, 18°, 7,5° veya daha küçük açı aralıklarında dönebilir. Darbe oranı değiştirilerek motorun bir adımlık hareketi çok yavaşlatılabileceği gibi, 4000 d/d’ ya da yükseltilebilir.

Özellikleri Step motorun statoru, üzerine bobinlerin sarılı olduğu elektromıknatıs kutuplardan oluşur. Rotorda ise demir veya doğal mıknatıs çıkık kutuplar vardır. Adım motorlarında fırça veya bilezik bulunmamaktadır. Adım motorları sayılı adımlarla hareket ederler. Motor, milinin sabit konum almasını sağlayabilmektedir. Yol almaya, durmaya ve ters yönde dönmeye karşı çok iyi cevap vermektedir.

Adım motorların avantajları Geri beslemeye ihtiyaç göstermezler. Açık döngülü olarak kontrol edilebilirler. Motorun hareketlerinde konum hatası olmaz. Sayısal olarak kontrol edilebildikleri gibi bilgisayar veya mikroişlemciler ile de kontrol edilebilirler. Mekanik yapısı basit olduğundan bakım gerektirmezler.

Adım motorların avantajları Step motorun dönüş hızı belirli bir zaman içinde, girişlerine gelen sinyallerin darbe sayısı ile doğru orantılıdır. Herhangi bir hasara yol açmadan defalarca çalıştırılabilirler.

Adım motorların dezavantajları Adım hareketleri sürekli değil darbeli. Sürtünme kaynaklı yük altında ve açık döngülü kontrolde konum hatası ihtimali. Elde edilecek güç ve momentin sınırlı oluşu. Yüksek frekanslarda adım atlama. Sabit adım açısı. Hareket ederken darbeli adımlardan dolayı titreşim üretmesi Diğer motorlara kıyasla daha karmaşık bir devreye ihtiyaç göstermesi.

Temel Çalışma Prensibi Adım motoru sürücü devresinden bir adım darbesi aldığı zaman, motorun özelliğine göre rotor belirli bir açıda döner ve bir sonraki adım darbesini alana kadar durur. Mil konumu adım darbelerini sayısı ile orantılıdır. Çünkü adım motorundaki adım açısı sabittir.

Anahtarların hepsi açık olduğu zaman rotor herhangi bir konumu alabilir. A anahtarı kapatıldığı zaman, kutup-1 tarafından üretilen manyetik akı rotoru çeker. A anahtarı açılır açılmaz B anahtarı kapatılırsa, rotor kutup-2 ile aynı eksene gelir. Yani 60° adımla kutup-2' ye doğru hareket edecektir. Eğer B anahtarı açılıp C anahtarı hemen kapatılırsa, rotor kutup-3' ün eksenine hareket eder.

Görüldüğü gibi, rotorun 60° adım aralıkları ile saat yönünün tersine dönme işlemi, anahtarlar A,B,C sırasıyla kapatılıp - açılarak kontrol edilebilir. Rotor dönüş yönünü tersine çevirmek için anahtarların kapama - açma sırasını A,C,B, A,C,B şeklinde değiştirmek gerekir.

Rotoru, en son durduğu konumda tutmak gerekirse, en son kapatılan anahtarın kapalı tutulmasına devam edilmelidir. Bu işlem rotoru en son durumdaki konumda tuttuğu gibi, rotorun dış kuvvetlerle dönmesini de engellemiş olur. Hem mekanik moment hem de atalet momenti adım süresini arttırmaktadır. Hızlı adım tepkisi elde etmek için rotor ve yük atalet momenti mümkün olduğu kadar küçük olmalıdır. normal yük akımı kopma momenti Moment (Nm) 4 3 2 1 8 16 akım (A) derece 90 60 30 4 8 12 16 20 24 açısal pozisyon

Adım motorlarının adım açısı (Q); stator kutup sayısı (Ns) ve rotor kutup sayısı (Nr ) kullanılarak hesaplanır. Bir adımın ölçüsü; Rotorun bir devir yapabilmesi için gerekli adım sayısı; Rotorun hızı;

Adım Motoru Çeşitleri Sabit mıknatıslı Değişken relüktanslı (Variable Reluctance) Hibrit Adım motorları

Değişken Relüktanslı Adım Motorları (VR) Rotorlarında tabii mıknatıs yoktur. Bunun yerine mıknatıslanabilen ferromanyetik malzemeden yapılmış çok kutuplu rotorlar kullanılır. Stator ise bobinli ve elektromıknatıslardan oluşur. Bu tip motorlar genellikle üç fazlı ve (Y) biçimindedir. İsmini kutuplar arasındaki manyetik alan geçirgenliğinin rotor kutuplarının, stator ekseninde olmadan önce ve olduğu anda farklı olmasından alır.

Değişken Relüktanslı Adım Motorları (VR)

Sabit mıknatıslı Adım Motorları Bu tip motorlar değişken relüktanslı motorlara benzerdirler. Ancak, rotorları N ve S olmak üzere kalıcı mıknatıslı kutuplara sahiptirler. Şekilde, kalıcı mıknatıslı bir adım motoru görülmektedir. Statorda 4, rotorda ise kalıcı mıknatıstan yapılmış 6 kutup vardır.

Sabit mıknatıslı Adım Motorları Rotor kalıcı mıknatıstan yapıldığı için sürücü devresi tarafından en son uyartılmış olan stator kutbu altındaki eksende motor bir tutma momenti üretir ve stator sargılarından hiç akım geçmese bile rotorun konumunda kalmasını sağlar. Sargılar A1 ve A2, B1 ve B2 kendi aralarında seri olarak bağlıdırlar. Şekilde gösterilen konumdan başlandığında, B1-B2 sargıları uyartılırsa, rotor 30°' lik bir açıyla ileri doğru hareket edecektir. Hareketin yönü, sargılardan geçen akımın yönüne bağlıdır. Önemli derecede bir güç üretmesi beklenen uygulamalarda adım motoru olarak genellikle kalıcı mıknatıslı olanları tercih edilir.

KarIşIk YapIlI (Hybrid) AdIm Motoru Hybrid kelimesi motorun sabit mıknatıslı ve değişken relüktanslı motorların prensiplerinin birleşmesinden dolayı verilmiştir. Statorun nüve yapısı değişken relüktanslı adım motorunun aynısı veya çok benzeridir. Bu motorların, aynı mil üzerine monte edilmiş birbirinin aynısı olan iki yumuşak demir arasına bir sabit mıknatıs yerleştirilmesiyle endüvisi oluşur. (c)

Bu düzenleme motoru değişken relüktanslı bir motora benzetmektedir. endüvi-1 endüvi-2 mil stator 18 o kalıcı mıknatıs Endüvi her birisi 5-kutba sahip olup 4-kutuplu stator tarafından sürülmektedirler. Bu düzenleme motoru değişken relüktanslı bir motora benzetmektedir. Fakat kalıcı mıknatıs şekildeki gibi iki endüvi arasına yerleştirilmiştir. Kalıcı mıknatıslar kendilerine dik eksende bir manyetik alan üretirler. Bunun sonucu endüvi-1 üzerindeki bütün kutuplar N olurken endüvi-2 üstündeki bütün kutuplar ise S olmaktadırlar.

Statorun A1-A2 ve B1-B2 sargıları kendi aralarında seri bağlıdır Statorun A1-A2 ve B1-B2 sargıları kendi aralarında seri bağlıdır. Kalıcı mıknatıstan dolayı motor küçük bir tutma momenti üretir ve böylece rotorun eski konumunda durması sağlanır. Şimdi B sargıları uyartılırsa, rotor 18° dönerek statorun B kutupları altındaki konuma gelecektir. Hareketin(dönmenin) yönü B sargılarından geçen akımın yönüne bağlıdır.

Step Motorda Atalet Momenti Etkisi Rotorun ileri yönde hareketini düşünelim, kısa süre sonra rotor ikinci konuma ulaşması ve orda durması istenen bir durumdur. Fakat rotor dikkate değer bir hızla dönmekte olup, ikinci konumu ileri doğru geçecektir. Böyle olunca ikinci konumun kutbu rotoru geriye doğru çekecek ve rotoru frenlemeye çalışacaktır. Bunun sonucu rotorda bir titreme oluşacaktır. Bu dalgalanma yatak sürtünmesine bağlı olarak kademeli olarak sönecektir.

Rotor 0 derecede dönmeye başlar ve 60 dereceye 2 ms de ulaşır Rotor 0 derecede dönmeye başlar ve 60 dereceye 2 ms de ulaşır. Sonra ekseni 30 derece ileri geçer ve ileri hareket durur. Daha sonra geriye doğru dönmeye başlar ekseni 4 ms de tekrar geçer. Rotorun bu ileri - geri hareketi 10 ms civarında sönüme ulaşır ve rotor ikinci konuma ulaşır.

Moment-Akım İlişkisi Adım motorunun ürettiği moment stator akımına bağlıdır. Aşağıdaki şekil örnek olarak bir adım motoru için akım-moment eğrisini göstermektedir. Motor akımı 8 A olduğu zaman, motor 3 Nm' lik bir moment üretir. Bu motorun bir konumdan diğerine hareketinde ürettiği moment olup kırılma momenti olarak adlandırılabilir. Motor bir konumda dururken, en son enerji verilen sargıdan geçen akıma "tutma akımı" denilir ve bu akım devam etmelidir. normal yük akımı kopma momenti Moment (Nm) 4 3 2 1 8 16 Akım (A)

Başla-Dur Adımlama Oranı Adım motoru başla-dur prensibinde çalışırken, eğer sargı akımları darbe oranı çok hızlı ise, rotor darbe değişimlerini tam olarak (hassas olarak) izleyemeyecek ve bundan dolayı rotorun adım kontrolü kaybedilecektir. Bu ise adım motorunun kullanılma amacına ters bir durumdur. Darbe ile adım uyumluluğunu (senkronizasyonu) korumak için rotor bir konumda kararlı duruma geçtikten sonra diğer adım darbesi uygulanmalıdır. Yük değeri arttıkça ve atalet momenti büyüdükçe, saniyede elde edilecek adım sayısı azalacaktır. Başla-dur adım yöntemi bazen hatasız başlama modu olarak da tanımlanır ve bu yöntemin karakteristiği eğri-1 ile gösterilmiştir. adım/s Moment(Nm) eğri-3 eğri-2 eğri-1 1 2 3 2.2Nm eğri-1 : başla-dur modu (atalet momenti var) eğri-2 : başla-dur modu (atalet momenti+2kgcm2 yük) eğri-3 : düzgün hız modu (atalet momenti+2kgcm2 yük) 200 400 500 600 800 devir sayısı

Unipolar Step Motor Sürücü Devresi Örnekleri: Aşağıda 4 fazlı örnek bir step motor sürme devresi gösterilmektedir.

Unipolar Step Motor Sürücü Devresi Örnekleri:

Step Motor Sürücü, LCD’li ISIS devresi:

Bipolar Step Motor Sürücü tasarımı (H Köprüsü)

Bipolar Step Motor Sürücü Devresi :

Bilgisayar Kontrollü Step Motor Sürücü Devresi :

Bilgisayar Kontrollü Step Motor Sürücü ISIS tasarımı :

Bilgisayar Kontrollü Step Motor Sürücü Kullanıcı Arayüzü: