ELEKTRİK MOTORLARI VE SÜRÜCÜLER

Transkript

1 BÖLÜM 5 ADIM(STEP)MOTOR VE SÜRÜCÜ DEVRELERİ 5.1.STEP (ADIM) MOTORLAR Şekil 5.1. Step motorların birkaç genel karakteristiği ve geniş bir kullanım alanı bulmalarının nedeni aşağıdaki özellikleri taşımasındandır. 1. Step motorların açık çevrim davranışlarının ±1 step doğruluk pozisyonuna sahip olmaları (rotorun açısal hızı yeterince küçük olduğundan hareket sırasında basamak kaybı olmaz.) Yani kesin açısal mesafe tanımlanırsa motorun dönmesi uygun sayıda steple ( basamakla) kontrol edilebilir ve böylece mekanik sistemde milin hareketi yeterli ölçüde olur. 2. Step motorların yüke yeterli momenti sağlayabilmeleri 3. Step motorlar d.c. uyarmada geniş bir tutma torkuna sahiptirler. Yani step motorların rotor hareketi sabitken (otomatik kilitleme) özelliği vardır. Bu durumda rotor sadece, terminal gerilimi zamanla değiştiği sürece hareket eder. 91

2 Ayrıca bu özelliklerin yanında tasarımcıların, D.C. servo motor yerine step motorları seçmelerinin aşağıdaki avantajları vardır. - Step motorların sayısal kontrollü sistemlerine uygun olması, dolayısıyla sayısal kontrol ve/veya bilgisayarlı uygulamaları mümkündür. - Hata yalnız step hatasıdır.( Genellikle adım başına %5 den daha azdır.) Bu nedenle birimsizdir. Step motorların pozisyonlarında mükemmel doğruluğa sahip olmaları ve daha önemlisi hataları bir yerde toplamasıdır. - Motorda açık-çevrim kontrolünün olması nedeniyle, takometre ve/veya encoderin motorda kullanılması gereksizdir.buna bağlı olarak tasarımın maliyeti düşer. Feedback (geri besleme) ile mil pozisyonunun tayin edilmesi elimine edilir. - Sayısal işareti analog işaret çevirmek gerektiğinden, bir ara birim veya sayısal kompütür elimine edilebilir. - Motor yapısının basit ve kuvvetli olması genellikle motorda iki duruş pozisyonu olması, motor bakımını koplay ve kullanım süresinin uzun olmasını sağlar. Bu nedenlerle maliyet düşmüş olur. - Step motorların ısınma gibi olumsuzluklardan gelen zararları azdır. - Motor, bir güç kaynağı ve motor cevabını ( dikte eden ) değerlendiren sürücü bir devre ile kontrol edilebilir. Step motorlar robot teknolojisinde sıkça kullanım alanı bulmuştur. Ayrıca maliyetinin düşük olması D.C. servo motorlara karşı bir üstünlüğüdür. Step motorları kullanılmasının ikinci bir nedeni de tutma karakteristiğinin robotlarla bağdaşmasıdır. Motor sürücülerinde kullanılan genel güç kuvvetlendiricileri çıkışı kolektörden emitere kısa devre edilmiş bir transistördür. Bu da tüm D.C. geriliminin motor armatürüne uygulanmasına neden olur. Bir servo motor hareketi mekanik veya başka bir engelle karşılaşıncaya kadar devam eder ve sonuçta tehlikeli durum ortaya çıkabilir. Buna karşın, bir step motora uygulanan gerilim ile step hareketi veya tutma ( durdurma) işlemi istendiğinde gerçekleşir. Yani step motor durdurmak istendiğinde bir hareket olamayacak ve servo motorun yol açtığı olumsuzluklar görülmeyecektir. 92

3 5.2.TANIM Bir motora elektrik palsleri uygulanınca mekaniki bir hareket (yani dönme) yapabiliyorsa bu tip motorlara step motorlar denir.şekil 5.l de çeşitli step motorlar ve bunlara ait sürücü devreleri görülmektedir.kısaca; dijital bilgileri mekanik harekete çeviren yani transduser olarak görev yapan motorlara denir. Bir elektrik motoruna enerji verildiği zaman rotorları sürekli olarak dönmektedir. Bu dönme olayının son bulması için enerjinin kesilmesi gerekmektedir. Halbuki bu durum step motorlarda farklıdır. Şekil 5.2. Çeşitli step motorlar ve sürücüleri 93

4 5.3. TİPİK YAPISI Step motor statorunun birçok kutbu (genellikle sekiz) vardır. Bunların polaritesi elektronik anahtarlar yardımıyla değiştirilir.anahtarlama sonucunda statorun ortalama güney ve kuzey kutupları döndürülmektedir. Rotorun güney kutbu, statorun kuzey kutbu sıralıdır. Rotorun mıknatıslığı, bir sürekli mıknatıs veya dış uyarım metotlarıyla oluşturulabilir. Bu arada sürekli mıknatıs oluşacaktır. Adımları (stepler) vasıtasıyla ortalama stator alanı döner ve rotorda bunu benzer (adımlar) stepler arasında takip eder. Daha iyi bir seçicilik elde etmek için rotor ve stator üzerine küçük dişler yapılmaktadır. Bu dişler birbirleriyle temas etmemelidir. Fakat düşük redüktanslı bölümlerde işe yarayabilir. (Şekil 5.3.) Şekil 5.3. Tipik step motor yapıları a) Stator ve rotorları tek parçadan oluşan step motor yapıları b) Stator ve rotorları üzerine dişliler yapılmış step motor yapıları 94

5 5.4.ÇALIŞMA PRENSİBİ Step motora giriş pals uygulandığı zaman belli bir miktar döner ve durur. Bu dönme miktarı motorun yapısına göre belli bir açı ile sınırlandırılmıştır. Step motorda rotorun dönmesi girişe uygulanan pals adedine bağlı olarak değişir. Girişe tek bir pals verildiğinde rotor tek bir adım hareket eder ve durur. Daha fazla pals uygulanınca pals adedi kadar adım hareket eder. Bütün step motorlarının çalışma prensibi bu şekildedir. Şekil 5.4..Step motorun prensip şeması Step motor bir daire içinde elektromanyetik alanların dönüşü ile ifade edilebilir. Şekil 5.4. deki 1 nolu anahtar kapandığı zaman sabit mıknatıs kendiliğinden 1. elektromanyetik alan ile aynı hizaya gelecektir. Bundan sonra 1 nolu anahtar açılıp 2 nolu anahtar kapatılırsa sabit mıknatıs 2.elektromanyetik alanın karşısına gelecektir. Bu olaylar sırasıyla tekrarlanırsa daimi (sabit) mıknatıs yani rotor bir daire içinde düzgün şekilde döner. 95

6 5.5. TERİMLER *Step Açısı (SA) : Bu derece cinsinden açısal bir dönme olup, sargı polaritesinin her bir değişiminde mil döner. Bu tek bir giriş darbesi ile sağlanır. Derece / step veya sadece derece olarak ifade edilir. *Dönme Başına Step (SPR) : Bu 360 lik bir tam dönme için gerekli olan toplam step sayısını gösterir. SPR= 360 /SA *Saniye Başına Step ( SPS ) : Motorun gittiği 1 saniyedeki açısal step sayısı, A.C. ve D.C. motorların dakika başına dönme hızı ile karşılaştırılabilir. SPR(r / min) SPS veya w = 2π ( SPS / SPR) rad/s dir. 60 *Step Doğruluğu : Bu pozisyon doğruluğu hassasiyeti olup genellikle tek step açısının yüzdesi olarak ifade edilir. *Artık Tork(moment) : Bu tork güç uygulanmazken durma durumunda vardır. Sadece sürekli mıknatıslı (permanet-magnet) rotor türündeki motorlarda görülür. *Step Cevabı : Bu tek bir step yardımıyla motor hareket ettirmek için geçen zamanda, motor torkunun atalete oranının ve sürücü devre karakteristiğinin bir fonksiyonudur. *Tork (moment) - Atalet Oranı ( TIR ) : Bir step motor için yararlılığın tanımıdır. Yüksek TIR, daha iyi step cevabı şöyle olmalıdır. Tutmatorku 2 TIR = (1/ sn ) RotorAtaleti *Tutma Torku (momenti): Oransal güç uygulandığında ve sıfır hızda (durma durumu) motor mili tutma torku etkisindedir.motor mili elle döndürülmeye çalışılırsa 96

7 manyetik alan dönmeye karşı koyacaktır. Ancak mile dışarıdan çok küçük bir tork uygulandığında, tutma pozisyonu terk edilecektir. *Dinamik Tork (moment): Düşük hızda çalıştırılsa bile, bir step motorun geliştirebileceği dinamik tork, her zaman için tutma torkundan daha düşüktür. Örneğin 50 step/sn. hızda sürtünme kuvvetini ve toplam yük ataletini kıracak dinamik tork, yaklaşık olarak tutma torkunun %80 i kadardır. Hız arttıkça tork, Şekil 5.5 deki gibi azalır Step motor moment hız karakteristiği Bu azalmanın sebebi, stator sargılarının endüktif olmasıdır. Bu sargılara uygun D.C. kaynağı bağlandığı zaman, akım, nominal değerine doğru geçici olarak artar. Sargılar çok hızlı olarak açılıp kapatılırsa, nominal akıma hiçbir zaman ulaşılamaz ve bu sebeple motor, düşük hız torkundan daha düşük tork geliştirir. Anahtarlama hızının artırılması, ortalama akımı ve torku daha da azaltacaktır. *Sürücü Devresi : Bu ifade elektronikte motor kontrolü için tanımlanmış genel bir terimdir. Genellikle bir güç kaynağı, ardışık lojik ve güç anahtarlama gibi bölümlerden meydana gelir. 97

8 5.6.STEP MOTORUN ÇEŞİTLERİ 1 Sabit mıknatıslı step motorlar (PM) 2 Değişken relüktanslı step motorlar (VR) a) Tek parçalı b) Çok parçalı 3 Hybrid step motorlar 4 Hidrolik step motorlar 5 Lineer step motorlar Not: Uygulamada en çok Değişken relüktanslı ve Sabit mıknatıslı step motorlar kullanılmaktadır. Şekil 5.6. da çeşitli step motorlar ve sürücüleri görülmektedir SABİT MIKNATISLI (PM) STEP MOTORLAR Şekil 5.6. PMDC Motors Sabit mıknatıslı step motorlar Şekil 5.6 da sabit mıknatıslı step motorlar görülmektedir. En basit olarak sabit mıknatıslı step(adım) motoru ; oyuklu, dört kutuplu stator içinde dönen, iki kutuplu sabit mıknatıslı rotordan meydana gelmiştir. Böyle bir step motorun yapısı Şekil 5.7. de verilmiştir.bu motorun çalışması temel çalışma prensibinde açıklandığı gibidir. 98

9 Birinci sargıya (Faz 1 e) D.C. gerilim uygulandığında rotor, bu sargıların karşısında duracak şekilde hareket eder. Birinci sargı gerilimi kesilip ikinci sargıya (Faz 2 ye) gerilim uygulandığında rotor, bu kez ikinci sargıların karşısında olacak şekilde döner ve durur. Bu şekilde 90 0 lik dönme tamamlanmıştır. (Birinci adım = : 4 = 90 ) Dönmenin devamı için bu kez faz 1 e gerilim. uygulamalıyız. Ancak uygulanacak bu gerilim öncekinin tersi yönünde olmalıdır. Bu dönüşün aynı yönde olması için şarttır. Çünkü faz 1 e gerilim değiştirmeden uygulasaydık rotor, ilk durumuna geri dönecekti. Bir ileri bir geri hareket ise, dönme hareketi vermeyecektir. Şekil 5.7. Sabit mıknatıslı iki fazlı step motor Faz 1 ve faz 2 ye uygulanacak gerilimi değiştirmenin en kolay yolu orta uçlu (merkez uçlu) sargı kullanmaktır. (Şekil 5.8. ) Çünkü orta uca göre yan uçlara uygulanacak aynı gerilim birbirinin zıttı manyetik alanlar oluşturur. Ayrıca iki fazlı orta uçlu bobinlere sahip step motora, orta uç üzerinden ayrı ayrı gerilim uygulanırsa dört fazlı motor gibi çalışması sağlanabilir. Bu durum uyartım metotlarında açıklanmıştır. 99

10 Step motorun sargılarına uygulanacak gerilimin yönüne göre rotorun hareketi, saat ibresi yönünde (CW) veya saat ibresi ters yönünde (CCW) gerçekleştirilebilir. PM motorun stator sargıları, D.C kare dalga ile sürülür. Kare dalga palslar art arda uygulanacak olursa ; rotor, normal motorlardaki gibi sabit hızla döner ORTA UÇLU SARGILARA SAHİP SABİT MIKNATISLI STEP MOTOR Orta uçlu sargılara sahip bir PM step motorun en basit kontrolü, Şekil 5.8. de verilen devre ile gerçekleştirilebilir. Step motorun çalışması için S1, S2, S3 ve S4 anahtarları üzerinden Faz 1 ve Faz 2 sargılarına sırası ile uygun faz ile gerilim uygulanmalıdır. Devrede kullanılan motorun 90 0 'lik adımlarda dönmesini istersek Tablo 5.1. de verilen dört değişik çalışma durumunu (kodlarını) art arda uygulamalıyız. Tablo 5.1. İki fazlı orta uçlu sargılara sahip step motor anahtarlama tablosu Şekil 5.8. deki anahtarların dört değişik çalışma durumunu (kodunu) veren Tablo 5.1. ve bu kodlara göre rotorun hareketleri adım adım çizilmiştir. Bu şekiller üzerinden S1, S2, S3 ve S4 anahtarlarının kapalı (1) ve açık (0) oluşuna göre rotorun iki kutup arasında 90 0 'lik adımlarla ve saat ibresinin ters yönünde (CCW) nasıl döndüğü Şekil 5.9. da görülmektedir. 100

11 Şekil 5.8. PM step motorun anahtarlarla kontrolü Şekil 5.9. Anahtar durumlarına göre PM motorda rotor hareketleri İlk adım yani Kod 1 için S2 ve S4 anahtarları kapatılır. Faz 1 ve Faz 2 sargılarına uygulanan gerilim sonucu rotor, Şekil 5.9. daki kod 1 çalışmasını tamamlar ve durur. 101

12 S4 anahtarı kapalıyken S2 açılıp S1 kapatılırsa rotor bu kez kod 2 çalışmasını tamamlar yani 90 döner ve durur. Kod 3 çalışması için S1 anahtarı kapalıyken S4 açılıp S3 kapatılır. Aynı şekilde Kod 4 çalışması için ise S3 kapalıyken S1 açılıp S2 kapatılmalıdır. Anahtarlar bu sırayla değiştirilmeye devam edildiğinde rotor da dönmeye devam edecektir. Step motorun çalışma durumları değiştirilmeye devam edildiği sürece buna bağlı olarak rotor da dönmeye devam edecektir. Step motorun çalışma durumlarının değişmesinde sadece bir anahtarın değiştiğine dikkat ediniz. Bu durum, rotorun eşit adımlarla ve aynı yönde dönmesini sağlar DİSK TİPİ SABİT MIKNATISLI STEP MOTOR Rotoru ince ve mıknatıslığı seyrek olacak şekilde yapılan step motorlara disk tipi sabit mıknatıslı step motor denir. Disk şeklindeki rotorun ince oluşundan dolayı, bu disk üzerine 100 ün üzerinde sabit manyetik kutuplar yerleştirilebilir. Bu manyetik kutuplar sadece diskin kenarlarına yerleştirilse bile yeterli olacaktır. İlk üretilen step motorlar 30 ar derecelik açılarla kontrol edilebiliyordu. 102

13 Şekil Disk tipi sabit mıknatıslı step motor Özellikleri: 1 Ağırlık olarak diğerlerinden %60 daha hafif ve boyut olarak yarı ağırlığına sahiptir. 2 Disk, antimanyetik bir mesnete monte edilerek rotor olarak çalışması sağlanmıştır. 3 Disk Şekil 5.10 da görüldüğü gibi N, S şeklinde birbirinin zıttı olarak mıknatıslandırılmıştır DÖRT FAZLI SABİT MIKNATISLI STEP MOTOR Şekil de görülen dört fazlı PM step motorun dört fazı ve her faza ait iki kutup bulunmaktadır. Motorun step açısı 45 dir. Buna göre dört fazlı sabit mıknatıslı step motorun çalışmasını şu şekilde açıklayabiliriz; PM step motorun 180 lik bir hareket yapması için faz sargıları sırasıyla enerjilendirilir. 103

14 *Birinci faz enerjilendiğinde: I 1 akımı 1 ve 1 1 deki kutup sargılarından geçerek devresini tamamlar. Rotorun N kutbunun karşısındaki stator kısmı S ile kutuplanır. Rotorun S kutbunun karşısındaki stator kısmı N ile kutuplanır. *Birinci faz enerjisi kesilip Dördüncü faz enerjilendiğinde : 1 4 akımı 4 1 ve 4 nolu kutup sargılarından geçerek devrini tamamlar. 4 nolu kutbun altı S ile 4 1 kutbunun üstü N ile kutuplanır. Böylece rotor stator kutupları hizasına gelerek 45 lik bir hareket gösterir. *Dördüncü faz enerjisi kesilip Üçüncü faz enerjilendiğinde: Rotor 45 lik hareketle stator kutupları hizasına gelir. *Üçüncü faz enerjisi Kesilip İkinci faz enerjilendiğinde: Rotor 45 lik bir hareketle stator kutupları hizasına gelir. Böylece rotor 180 lik hareketini tamamlamış olur. Şekil Dört fazlı sabit mıknatıslı step motor 104

15 5.6.2.DEĞİŞKEN RELÜKTANSLI (VR) STEP MOTORLAR Değişken relüktanslı (VR) adım motorlarında da sabit mıknatıslı step motorlarında da olduğu gibi en az dört kutuplu stator bulunur. Sabit mıknatıslı adım motorlarından tek farkı ise rotorun, sabit mıknatıs yerine artık mıknatıslık özelliği göstermeyen olması ve dişleri açılmış yumuşak demirden yapılmış olmasıdır. Dişler, silindir eksenine paralel olacak şekilde açılmış oluklarda şekillendirilmiştir. Şekil 5.12 de üç fazlı değişken relüktanslı adım motorunun yapısı görülmektedir. Statordaki diş sayısının rotordaki diş sayısından fazla olduğu şekilden görülebilir. Örnekteki statorda 12 diş (kutup), rotorda ise 8 diş (kutup) bulunmaktadır. Stator kutupları arasındaki merkez açı 30 derece (360 :12=30 ) olduğu halde rotor kutupları arasındaki merkez açı 45 derece (360 0 :8=45 0 ) olmaktadır VR MOTORUN ÇALIŞMASI Faz l e ait seri bağlı dört sargıya D.C gerilim uygulandığında bu sargıların etrafında oluşan manyetik alanlar rotor kutuplarını mıknatıslar ve rotoru bu sargıların karşısına getirecek kadar hareket ettirir. Bu anda diğer kutuplar ise stator ve rotordaki diş sayısı eşit olmadığından stator kutuplarının karşısında değildir. Bu durum Şekil 5.12 de görülmektedir. Şekil 5.12 VR Step [adım] motor 105

16 Faz l in enerjisini kesip Faz 2 ye enerji uygularsak bu kez statorda Faz 2 bobinlerinin etrafında meydana gelen manyetik alan kutupları, rotorun Faz 1 karşısındaki kutuplarını kendine çeker. Böylece rotorun dönmesi sağlanır. Uç fazlı (üç sargılı) sistemde rotorun devamlı dönmesi için stator sargıları art arda enerjilendirilmelidir. Faz 2 nin enerjisi kesilip Faz 3 e enerji uygulandığında bu kez rotor kutupları, statordaki Faz 3 sargılarının bulunduğu kutupların karşısına gelecek şekilde döner ve durur. Rotorun dönme yönü (saat ibresi yönü veya tersi) fazlara uygulanacak gerilimlerin yönüne bağlıdır. VR motorlarında rotor, hafif ve küçük boyutlu yapılır. Rotor ölçülerinin küçük olması eylemsizlik momentinin de küçük olmasını sağlar. Bunun sonucu fazlara uygulanan gerilimin meydana getireceği moment sebebi ile rotor çok hızlı hareket eder. VR motorlarının harekete başlama, durma ve dönme adımları PM step motorlarından daha hızlıdır. 106

17 DEĞİŞKEN RELÜKTANSLI STEP MOTORLARIN ÇEŞİTLERİ TEK PARÇALI VR STEP MOTORLAR Şekil 5.13.Tek parçalı değişken relüktanslı step motorun yapısı ve çalışma pozisyonu 107

18 Stator ve rotorları tek dişli olarak yapılan step motorlara tek parçalı VR step motor denir. Tek parçalı step motor kesiti Şekil 5.13.a dadır. Rotorun Başlangıç Pozisyonu:Birinci faz enerjilenirse rotor dişlileri ve 10 numaralı stator dişlilerinin karşısına gelir. (Şekil 5.13.b) Birinci Adım:Üçüncü faz rotor dişlileri 2,5,8 ve 11 numaralı stator dişlilerinin karşısına gelir. (Şekil 5.13.c)Rotor hareketi saat ibresi yönünde 7.5 dir. İkinci Adım:İkinci faz enerjilendiğinde rotor dişlileri 3,6,9 ve 12 numaralı stator dişlilerinin karşısına gelir.(şekil 5.13.d)Rotor hareketi saat ibresi yönünde 7,5 dir. Toplam rotor hareketi 15 dir. Üçüncü Adım:Birinci faz enerjilendiğinde rotor dişlileri 1,4,7 ve 10 numaralı stator dişlilerinin karşısına gelir.(şekil 5.13.e)Rotor hareketi saat ibresi yönünde 7,5 dir. Toplam rotor hareketi ise 22,5 dir.rotorun hareketinin saat ibresi yönünde devam etmesini istiyorsak 1, 3 ve 2 numaralı fazları sırasıyla sürekli olarak enerjilendirmeliyiz ÇOK PARÇALI VR STEP MOTORLAR Stator ve rotorları çok dişli olarak yapılan step motorlara çok parçalı VR step motor denir. Çok parçalı üç fazlı değişken relüktanslı step motorun dizaynı Şekil 5.14 de verilmiştir. Rotor 12 dişli olarak yapılmıştır. Stator ise her kutupta 3 dişli olmak üzere 4 kutuptan ve böylece toplam 12 dişten oluşmuştur.şekil 5.14 de görüldüğü gibi stator dişlerinin arası 10 0, ve her kutupta 3 diş, her faz 3 kutuptan oluştuğu için bir fazda toplam 12 ve 3 faz için toplam 36 kutup bulunmaktadır.buna göre her kutup arasındaki açı / 36 = 10 olarak bulunur. 108

19 Şekil Çok parçalı değişken relüktanslı step motor ve rotor pozisyonları 12 kutuplu stator ve 12 dişli rotordan meydana gelen VR step motorun step açısı 10 0 dir. Rotor 10 lik bir açıyla saat ibresi (CW) yönünde hareket etmekte ve üç faz için toplam 30 lik bir hareket meydana gelmektedir HYBRİD STEP MOTORLAR (HSM) Hybrid step motorlar sabit mıknatıslı ve değişken relüktanslı step motorların birleştirilerek geliştirilmiş şeklidir.şekil 5.15.'de hybrid step motorlar görülmektedir. Şekil 5.17 de hybrid step motorun parçaları görülmektedir. Hybrid step motorlarda rotor, sabit mıknatıslı olup çeşitli dişli (kesit) sayısında yapılmaktadır. Ayrıca her bir dişli(kesit) üzerinde de çeşitli sayıda dişler 109

20 bulunmaktadır. Bu dişlilerin arası diskler yardımıyla yalıtılmıştır. Şekil 5.16.a da dört dişli (kesit) ve iki dişli (kesit) step motor rotorları görülmektedir. Hybrid step motorlarda stator, çok parçalı değişken relüktanslı tipindedir Genel olarak stator kutbu 8 kadardır ve her bir kutup 2 8 arası diş sayısına sahiptir. Stator kutupları üzerine sargılar sarılmak suretiyle çeşitli kutup sayıları elde edilir.şekil 5.16.b de boş stator ve sargıları görülmektedir. Şekil 5.15.Hybrid step motorlardan örnekler (b) Şekil Resim 5.16.Hybrid 9.4 : step step motorun a)rotor rotor b)stator dizayn ve ve kesiti 110

21 Şekil 5.17.Hybrid step motorun yapısı 111

22 Şekil de şafta (mile) paralel olarak kesiti yapılmış hybrid tipi step motor şekli verilmiştir. Bu step motorun A ve B kesitlerinde rotor dişli sayısı 30 stator dişli sayısı 24 ve step açısı 3 dir. İki fazlı hybrid step motorun, birinci faz 1,3,5,7 ve ikinci faz 2,4,6,8 kutuplarına yerleştirilir.(şekil 5.18.) Şekil Hybrid step motorun A B kesitlerinin görünüşü Çalışması: Şekil de gösterilen N ve S kutuplarından müteşekkil sayılar sırasıyla enerjilenerek motor uyarılır. Saat ibresi yönü (CW) için faz uçları Şekil de görüldüğü gibi 1 +, 2 -, 1 -, 2 +,1 + şeklinde beslenir. Birinci faz ve ikinci faz sargılarının 112

23 enerjilenme sırası motorun dönüş yönünü ayarlar. Faz sargılarına 1 + düz gerilim, 1 - ise ters gerilim uygulandığını gösterir. Step motorlar senkron çalışan makineler (rotor döner manyetik alanı izler) olup, her uyartımda bir manyetik hareket sağlanmaktadır. Söz konusu motorda, hareket uyartım kademesinden sonra ilk uyartım biçimine dönülerek sürdürülmektedir. Bilinen miktarda hareketin sürdürülmesi, bu andaki rotorun bir diş adımı kadar hareket etmesine bağlıdır. Şekil Hybrid step motorlarda akım devresi 113

24 Şekil 5.18 de verilen step motorun birinci faz sargıları enerjilendiği zamanki manyetik akının takip ettiği yol Şekil 5.19 da gösterilmiştir. Manyetik ıkının yolu; N den S e doğrudur. N kutbundan çıkan akı, A kesitindeki 1 ve 5 numaralı kutup sargılarının olduğu kısımdan çıkar. B kesitindeki 3 ve 7 numaralı kutup sargılarından girerek S kutbuna ulaşır. En fazla manyetik akının olduğu yol rotor ve stator dişlilerindedir. (Şekil 5.19.) Şekil de verilen iki fazlı step motorun, rotor pozisyonları ve dişli adımlarındaki akı dağılımı Şekil de görülmektedir. Stepl de step4 de + φ 2, stepl de + φ1 + φ 1, step2 de φ 2, step3 de φ 1, olacak şekilde enerjilendirilirse Şekil a göre A ve B kesitlerindeki akı giriş-çıkışları Şekil deki gibi olacaktır. 114

25 Şekil İki fazlı hybrid step motorun 4 adımlık hareketi 115

26 Eğer bir step motorunun dört stator sargısı varsa (8 kutup), Şekil de görüldüğü gibi bağlantılıdır. Bu bağlama tekniği dört step anahtarlama dizisi olarak bilinir. Dikkat edilirse anahtarlamanın dört mümkün pozisyonu vardır. φ, φ ve sargılan aynı anda enerji vermezler çünkü oluşturdukları manyetik alan eşit ve zıt yönlüdür Giriş palsi uygulandığında, anahtarlar kendilerinin dört step dizisine uyar. Bu dizi üst üste Şekil de görüldüğü gibi tekrar eder. Her bir zaman dört pals uygulanır ve dizileri vasıtasıyla anahtarlar gider, rotor tam bir dış atımlık döner. Yani rotor her bir diş için döner ve sonraki stator dişi için araya girer. Eğer rotor üzerinde 100 diş varsa rotorun tam dönme yapabilmesi için 400 adım veya her bir diş için 4 step alacaktır. Bu durum şöyle ifade edilebilir. SPR=(SS) (Nr) Burada Nr rotorun diş sayısını, SS de adım dizisini göstermektedir. Şekil kutuplu stator için dört step anahtarlama 116

27 Şekil kutuplu stator için sekiz step anahtarlama devresi Bir sekiz kutuplu statorun sırasıyla bağlanma şekli Şekil de gösterilmiştir. Burada Şekil deki iki anahtar yerine dört anahtar kullanılmıştır. Bu φ ve φ 1 (veya + φ 2 ve φ 2 ) her iki bağlantının aynı anda enerji kesmesini sağlar. + 1 Örnek: Dört step dizilik bir step motorda 180 rotor dişi vardır. 500 Hz lik bir pals katarı ile beslenmektedir. Buna göre; a. Devir başına step, b. Step açısını, c. Dakika başına devirdeki rotor hızını, d. Saniye başına radyandaki rotor hızını hesaplayınız. Çözüm: a. Devir başına step SPR = (SS) (Nr) = 4 (180) = 720 b. Step açısı SA = 360 / SPR = 360/720 = 0,5 / step 117

28 c. Dakika başına devirdeki rotor hızı r/mın = 60 (SPS) / SPR = (60.500) / 720 = 41,67 r / mın d. Saniye başına radyandaki rotor hızı w=2π(sps/spr) =2π(500/720)=4,36 rad/sn Örnek:Şekil 5.22 de görülen motorun 90 rotor dişi vardır. Motor devrinin 0,25 s de 100 olduğu söylenmektedir. Motora kaç pals uygulanmıştır ve frekans nedir? Anahtarlama zamanı sıfır kabul edilecek. Çözüm:Şekil deki motor bir sekiz-step dizili bir motordur.bu nedenle; SPR = (SS) (Nr) = 8.90 = 720 steps / r SA = 360 / SPR = 360 / 720 = 0,5 / step 100 lik devir için alınacak pals: 100 / (0,5 / step) = 200 step veya 200 pals 200 pals / 0,25 s = 800 pals / s Cevap : 80 Hz lik frekans için 200 pals gereklidir şeklindedir. 118

29 Şekil (HSM) Hybrid step motorların; a) İki faz uniflar HSM nın bipolarla sürülmesi ve kodları b) Dört faz bifilar HSM nın unipolarla sürdürülmesi ve kodları 119

30 HİDROLİK STEP MOTOR Bir hidrolik motora ait servo valf inin basınç giriş yolunu translatörlerle (dönebilir lineer çeviriciyle) kontrol eden step motorlara hidrolik step motor denir.kısaca hidrolik motorun basınçlı yağ yolunu denetlemek suretiyle şaftın hareketini ve yönünü tayin eden step motorlara hidrolik step motor denir.hidrolik step motorlara elektrohidrolik step motorlar da denilmektedir. Şekil 5.24.Hidrolik step motor Şekil de kesiti görülen hidrolik step motor başlıca şu parçalardan oluşmaktadır; a) Step motor b) Hidrolik motor c) Valf d) Translatör e) Elektronik konnektör LİNEER STEP MOTORLAR Mekanik hareketi dairesel bir hareket olmayıp da yatay eksen ( x veya y eksenleri ) üzerinde hareket eden motorlara lineer motor denir. Yani lineer motorlar X ve Y yönlerinde veya X ve Y düzleminde herhangi bir vektör yönünde hareket ederler. Bu 120

31 tür motorların tasarımı yapılırsa motor bir gövde üzerinde iki tane ortogonal elektromagnetik alanı içerir. Bu alanı tamamlamak için demir nüve kare şeklinde yapılır. Böylece iki eksenli lineer step motor oluşturulur.bu tip step motorlara örnek olarak 1969 yılında Kaliforniya da gerçekleştirilen sawyer step motoru gösterilebilir. Şekil de lineer step motorlar ve sürücüleri görülmektedir. Şekil Lineer step motorlar ve sürücüleri Bu motor iki ana mekanik bileşenden oluşur. Birinci mekanik bileşen, gücü oluşturan hareketli armatürdür. Armatürün statora sabitlendiği (demir nüve) kısım ikinci bileşendir.(şekil 5.26.) Armatür ve stator arasında sabit bir mil yatağa (hava aralığı) olup, kapalı geometrik şekilde dönmeye izin verir. Yükü harekete geçirmek, demir nüve uzunluğuna bağlı olan güçle değişir. Bu değişim bir yükü getiren motorun rotor hareketine benzemez ayrıca güç iletimi için mekanik avantajlara sahip değildir. 121

32 Şekil da gösterildiği gibi lineer step motor, sabit mıknatıs (PM) ve dört kutuplu iki elektromıknatıs (EM) oluşur. Şekil fazlı lineer step motorun prensip şeması Çalışması: Magnetik alanın alt ve demir nüvenin üst noktaları arasındaki hava aralığı oluşur. Kutup yüzeylerine sawyer motorda olduğu gibi oluklar açılmıştır. Oluklar, örnekteki demir nüvenin şeklinde yapılırlar. Bu olukların en büyük faydası step rezolüsyanu oluşturmasıdır. Ayrıca oluklar arasındaki boşluklar magnetik olmayan maddeler tarafından doldurulmuş olup ve bu düz yüzeyler magnetik alanın alt ve demir nüvenin üst noktasındaki hava aralığını oluşturur. Manyetik alan içerisindeki küçük deliklerden hava basıncı sağlanmasıyla bu iş gerçekleştirilebilir. Bu hava aralığında ihmal edilmeyecek bir hareketli sürtünme yüzeyi oluşturur. Sabit mıknatıs, demir nüve ve manyetik alanın etkisinin olmadığı kısmı birlikte etkiler. (Bu kısma hava aralığı dahil değildir). Buna bağlı olarak demir nüvenin üzerindeki manyetik alanı alta veya üste hareket ettirmek mümkündür. Akım olmadığı durumda PM akışı hava aralığındaki şekli demir nüve ve EM akışı EM nin iki kutbunda da eşit olur. Manyetik kutuplar yaklaşık olarak aynı relüktansa sahip olduklarından PM akışı EM nin iki kutbunda da eşit olur. (Şekil 5.27.a 3. ve 4. kutuplar) Eğer akım elektromıknatıslar tarafından anahtarlanırsa bu durumda değişim olur. Genel olarak 122

33 sabit mıknatıs tarafından oluşturulan akım manyetik alan sargılarında üretilen akıma yaklaşık olarak eşittir. Yani akım değiştiğinde manyetik akı maksimumdan sıfıra kadar değişir. Şekil fazlı lineer step motorun hareketi Elektromagnetik alan ile demir nüve dişleri arasındaki bu değişim demir nüveye paralel, dişlere ise dik şekildedir. EM dişleri bir kutuptan diğerine sıralandığı için PM akışı kutup dişlerinin birleştiği yerde sabit mıknatıs tarafından değiştirilir. Sonuç olarak böyle teğetsel kuvvet, elektromagnetik alan ve demir nüve boyunca hareket eder ayrıca elektromagnetik alan ile demir nüveyi birbirine doğru çeken ve hava aralığı için bir ön yük oluşturan kuvvet vardır.şekil 5.27.(a-d) yukarıda anlatılan işlemleri göstermektedir. Her bir şekilde akım ve magnetik akının yönleri oklarla 123

34 gösterilmiştir. Eğer elektromıknatısta magnetik alan oluşursa maksimum akı yoğunluğu ikinci kutupta aynı hızda oluşur ve bu Şekil 5.27.a da gösterilmiştir. Elektromagnetik mıknatıs enerjilenmeyip (EMA), EMB enerjilenirse maksimum akı yoğunluğu 3. kutupta, minimum yoğunluk ise 4. kutupta oluşur. 3. kutuptaki bu kuvvet demir nüvenin sağ taraftaki kutup ile aynı sıraya gelir, böylece dişin sağa hareketi dörtte bir olarak gerçekleşir. Burada motor ve elektrmagnetik alan ilişkisi Şekil 5.27.b de gösterilmiştir. Eğer EMB enerjilendirmez, EMA enerjilendirilirse (Şekil 5.27.a da gösterilen akımın zıt şekli) bu durumda da hareket tekrar sağa doğru olur. Bu durumda birinci kutbun akı yoğunluğu maksimum, ikincinin ki minimumdur. (3. ve 4. kutuplara ise PM uygulanmıştır). Bu andaki EM alanın şekli 5.27.c de gösterilmiştir. Sonuç olarak EMA enerjilendirilmeyip, EMB enerjilendirilirse 4. kutup maksimum akım, 3. kutupta ise minimum akı yoğunluğu olur (bu durumda 1. ve 2. kutuplara PM uygulanmıştır) Bir devri tamamlamak için Şekil 5.27.a da gösterildiği gibi EMA tekrar enerjilendirilir ve sistem hareketi demir nüvenin bir dişi kadar olur. Bir peryot boyunca akımın frekansı EM alanın hareket hızıyla belirlenir. Elektromagnetik alanın demir nüve ile olan bu pozisyonlarında akımın her peryot boyunca yukarıda tanımlandığı gibi değişmesi bu ikili arasındaki ilişkiyi açıkça gösterir. Bu durumda lineer step motorlar kutup dişleri tarafından bir full step rezolusyonuna sahiptir. Tipik bir örnek olarak bu değer 0.04 tür. Yani Şekil 5.27.a da gösterilen sıralı hareket, her dörtte bir hareket için bu değer 0.01 dır. Bu hareketler bazen kardinal step olarak adlandırılır. Step basamakları arasında daha iyi rezolüsyon elde etmek için full-step modunda çalışmada bu dörtte bir hareketler arasında bir akım değeri bulamamak mümkündür. Her yeni fazda tahrik ile dörtte bir hareket oluşur, böylece toplam ¾ oranında hız hareket sağlanır. 124

35 Daha önce de anlattığımız gibi lineer step motorlar direkt sürücülü motorlardır. Direkt sürücülü, kontrol rezolüsyonu ve yükü sürmek için uygulanan kuvvet motorun yeteneği olarak tanımlanır. Yani herhangi bir uygulama için gerekli dişli rezolüsyonu micro step motor kontrolü için istenilen rezolüsyonda kullanılması daha iyidir. Ayrıca motor sürücü devresi için çizilen hız eğrisi motorun işlem hızı üzerindeki gerekli kuvvetleri üretebilecek durumda olmalıdır. Lineer step motorlarda yukarıda anlatılan aynı özellikler görülür ve senkronize kayıpları step motorun rotorunda olduğu gibidir. Ama bu tür motorların kontrolü iki karakteristik açısından daha zordur. Bunlardan birincisi devrenin kendisinde olan spring dir. Motor armatürü iki dişli aralığı, genişliğe kadar kısma oturur. Bundan dolayı, bu harici kuvvetlerin giderilmesi gerekir. Eğer armatür hareketini engelleyen bu kuvvetlerin etkisi giderilmezse motorun senkronize kayıpları çok olacaktır. Micro step motorların kontrolünü zorlaştıran ikinci karakteristik ise, hava aralığı yüzeyinde armatür rezonansı oluşturan karakteristiktir. Yani spring kütlesinin sönümünü sağlayan armatür ve engelleyici kuvvet tarafından oluşturulan bir etken vardır. Bu şart motorun uyarılması için gereken akım frekansı rezonans frekansına yakındır. Yani hareket boyunca istenmeyen karışıklıktan dolayı motorun rezonans frekansına gelmesi uzun sürebilir. Şekil 5.28 de motor kuvvetine karşı oluşan ve lineer motorun dinamiğini açıklamada faydalı olan karakteristik gösterilmiştir. Bu şekilde P ye kadar hareket ettirilen bir motorun kararsızlık denge noktası gösterilmiştir. Yani kararlı çalışmada armatür hareketine karşı istenmeyen kuvvetler oluşmayacaktır. Fakat P den A veya B ye hareket olursa tekrar B ye dönmede bir enerji depolaması olur. Eğer C ve D ye kadar hareket olursa, enerji depolaması daha fazla olur. A,B,C,D noktalarının her biri dörtte bir diş genişliğine karşı gelir. Eğer armatür P nokta U 1 veya U 2 noktasına doğru hareket ederse, depolanarak enerji artar fakat buna karşılık genlik düşer. 125

36 U 1 ve U 2 noktaları kararsız denge noktaları olup, bu noktalarda kuvvet oluşmaz. Her ne kadar rotor bu noktada biraz hareket etse de bu noktalar arasında karşın devam edecektir. Fakat U 1 ve U 2 noktaları arasındaki hareket P arasına bağlıdır. Şunu da belirtelim ki, step motorun rotor devresindeki tabı sönüm frekansı armatür P noktasına gelmeden osilasyona neden olur. Şekil Lineer step motorda uygulanan kuvvet ile dişliler arasındaki ilişkiyi gösterir Yukarıda anlatılan armatür üzerinde magnetik alan kuvveti sadece denge noktalarında oluşur. Yani sürtünme ve ataletten dolayı armatür hareketi istenen noktalara tam olarak gelmez. Bu noktaların önünde veya gerisinde olur. (Şekil 5.28).Armatür hareketinin sonucunda oluşacak hatanın 1/4 diş genişliği kadar olacağını gösterir. Eğer hata dörtte birden büyük olursa, senkronize kayıplar büyür. Lineer step motor açık çevrim kontrol sisteminde çalıştırılabildiğinden bu motor için önemli olan rezonans frekansında çalışmaktır. Örneğin, micro-step motorlar için önemli olan step doğal frekansında motoru çalıştırmamaktır. Ayrıca motordaki 126

37 osilasyon uygun kuvvetlendirme fonksiyonlarıyla görülebilir. Bu durum özellikle, motor rezonans frekansında bir çevrim oluşturduğundan işaret çok enerji içerirse oluşur. Şekil 5.29 da istenilen armatür pozisyonlarını zamanın bir fonksiyonu olarak gösterir. Ayrıca bu şekilde armatür çalışmasında oluşacak hatalar gösterilmiştir. Bu şekil üzerinde hata sinyallerinde oluşan osilasyonlarda belirtilmiştir. Burada önemli olan armatür için istenilen pozisyonla pratikte oluşan pozisyonlar arasındaki farkı anlamaktır. Şekil Üç fazlı hız için lineer step motorun normal ve hatalı cevaplarının karakteristikleri 127

38 Aynı zamanda bu şekil üzerinde armatürde oluşması istenenle pratik değer arasındaki fark -20 mil olur. U 1 ve U 2 noktaları arasındaki açıklık olması armatürü etkiler ve senkronize kayıplar artar. Motorun ve yükün uygun seçimi ile üç fazlı hızın step basamaklarını düşürmeden kullanmak mümkündür.lineer step motorlarda yukarıda bahsedilen dezavantajları ortadan kaldırmak için Burst adı verilen bir teknik geliştirilmiştir. Fazın hızlanma süresindeki hareket, tetikleme ve gerçek armatür pozisyonu arasındaki farkı temel alan gücün fonksiyonu olarak tanımlanır. Şekil da görüleceği gibi iki step arasındaki fark 5,2 mildir. İşte buna Burst adı verilir. Şunu da belirtelim ki, böyle bir kuvvetlendirme fonksiyonunda motorda osilasyon ve step düşmesi olmaz. Bu teknikte burst işareti kırılma noktasında uygulanmalıdır. (Burada kırılma noktasından kasıt hızın başlangıç ve sonu ve fazın düşme noktasıdır.) Şekil Üç fazlı hız için motor cevabı ve hata fonksiyonunu gösteren grafikler. Burada iki step arasındaki mesafe 5,2 mildir. 128

39 Tipik bir lineer motor için hız kuvvet eğrisi Şekil 5.31 de gösterilmiştir. Şekilden de görüleceği gibi motor hızı yeterince yüksek olursa, mevcut kuvvetin düşmesi hızın artışıyla rotor torkuna eşit olmalıdır. Bu tür motorların uygulamalarda kullanılması için motorun sahip olduğu maksimum hız göz önüne alınmalıdır. Örneğin Şekil 5.31 e bakarsak 50 (in/s) de mevcut maksimum kuvvet 4.3 (Lb) dır. Buna göre bu motorun kullanılacağı sistemlerde hızın düşmesi ve yükselmesine göre kuvvetin 4.3 (Lb) den fazla olması istenmez. Buradan da görüleceği gibi motorun tüm kapasitesi her sistem için kullanılamaz. Şekil Lineer step motorların kuvvet hız değişimi Lineer step motor için hız fazın artması ve azalmasına göre daha da verimli olarak kullanılabilir. Bu teknikle motor hareketi zamana göre oldukça yükseltilebilir. Örneğin eğer faz artışı için hız 0 dan 20 in/s ye, in/s ye, in/s ye kadar 3 bölüme ayrılırsa buna karşılık elde edilecek maksimum kuvvetler, 7,53-5,38 ve 4,3 Lb olur. 129

40 Örneğin 16 Lb lik yük için hızın alacağı Şekil de gösterilmiştir. Motorun tüm kapasitesinin kullanılması ile zaman %25 artırabileceği de görülebilir.yani bu 0,36 saniye yerine 0,481 saniye demektir. Şekil Lb lik yük için gereken 50 in/s lik hız artışını gösteren grafikler a) 4.3 Lb lik kuvvet ve izin verilen maksimum kuvvet b) 7.3 Lb lik kuvvet Lb lik kuvvet kullanılarak lineer motorla 0-20 in/s lik bölümde 5.58 Lb elde edilmesi,20-40 in/s lik bölüm ile in/s lik bölümde 4.3 Lb elde edilmesi Bu tür motorların kuvvet yeteneğini daha iyi kullanabilmeye yuvarlama artışı denir. Bu metotla üsteki dalga formuyla yukarıda bahsedilenler sağlanır. Diğer bir durumda hızlanma boyunca hız artışı ve azalmasını sağlamak için motorun hız-kuvvet eğrisi kullanılarak istenmeyen sürtünme kuvvetleri sabit hale getirilebilir. Fakat hemen şunu da belirtelim ki, bu teknik tüm step motorlar için kullanılamaz. Yukarıda da bahsettiğimiz gibi bu tekniği tam olarak kullanabilmek için kuvvet fonksiyonunu iyi seçmek gerekir. Burst ve yuvarlama için örnek lineer motor için bir örnek Şekil 5.30 da gösterilmiştir. Lineer step motorların en büyük avantajları: 1 Yüksek güvenliği bulunmaktadır. 2 Gerekli işlemleri yerine getirmek için az ve basit devre elemanlarından oluşur. 130

41 3 Uzun mesafeler arasında yüksek hızla hareket ederken, yüksek hassasiyete sahip olmalarıdır. 4 Hava aralığı hemen hemen manyetik alandan bağımsız olduğu için hiç bakım gerektirmezler. Bu tür motorların lineer sürücü katları fiyatı sıkça bilinen de servomotor ve geribesleme katına göre daha yüksektir. Bu tür motorların fiyat dezavantajı anında, gerekli elektronik sürücüler osilasyonu ve senkronize kayıtları azaltır. Ayrıca kuvvet azalması dahil hız artışını sağlar. Lineer step motoru ticari endüstriyel robotlarda kullanılmazlar. Bununla birlikte bunların maliyeti düşürülürse bu tür direkt sürücü motorlar minimum eleman kullanarak güvenilir uygulama alanları bulunabilir MOTOR SEÇİMİ Step motor seçiminde bir çok kriter mevcuttur. En iyi seçimi gerçekleştirebilmek için ekonomik olmasının yanında kapsamlı mekanik yapı, yükün durumu ve elektronik sürücü devre ihtiyaçlarının göz önüne alınması gerekir. En basit seçim, motorun tork ihtiyacı bakımından verimliliği esas alınarak yapılandır.eğer bir motor verilen bir t zamanında, arzulanan bir hıza yükselmesi gerekirse, açısal ivme şu formda ifade edilir. Açısal ivme = (SPS / t) (SA / 57.3) rad / sn STEP MOTORLARIN ÖZELLİKLERİ 1 Hata yalnız step hatasıdır. 2 Motor bakımı kolaydır. 3 Tasarım maliyeti ucuzdur. 4 Otomatik kilitleme özelliğine sahiptir. 5 Yüke yeterli momenti sağlar. 6 Isınma gibi olumsuzluklardan meydana gelen zararlar azdır. 7 Hızı, programlama yoluyla ayarlanabilir. 131

42 8 Mikro bilgisayarlarla kolaylıkla kontrol edilebilir. 9 Çalışma sırasında hızı sabit kalır, değişmez. 10 Kullanım ömrü uzundur STEP MOTORLARIN KULLANILDIĞI YERLER Bant sürücüler, imalat tezgahları, printer (yazıcı), teyp sürücüleri, hafıza işlemlerinde, tıbbi cihazlarda, makine tezgahlarında, dikiş makinelerinde, kameralarda, taksimetrelerde, kart okuyucularında, ayar ve kontrol tekniğinde, uzaktan kumanda göstergelerinde kullanılır. Sonuç olarak step motorlar; her türlü kontrol edilmiş hareket veya pozisyon gerekli olan yerlerde, dijital bilgileri mekanik harekete çeviren bir transduser olarak görev yapar. Şekil de step motor kullanım alanlarından örnekler verilmiştir. 132

43 Şekil Step motor kullanım alanlarından örnekler 133

44 5.10.STEP MOTORUN SÜRÜCÜ DEVRESİ Step motorun dönmesi için statordaki sargılara, besleme kaynağının gerilimi, gerekli olan sıra ile uygulanmalıdır. Bu uygulama, faz işaretlerinin sıralanması olarak da bilinir. Motor için gerekli olan faz işaretlerinin sırası, bir kontrol devresi veya programı ile sağlanır. Motor ile kontrol birimi arasında uyarlayıcı devrenin olması gerekir. Bir step motor kontrol sisteminin sürücü kısmı en az motor kadar önemlidir. Günümüzde step motorların fazlarına istenilen sırada ve hızla pals uygulama işlemi elektronik devrelerde rahatça yapılabilmektedir. Bu devrelere step motor sürücü devresi ve kontrolor adı verilmektedir. Bir step motor ve sürücü devresine ait blok diyagramı Şekil de gösterilmiştir. Şekil de deney amaçlı step motor ve sürücü ünitesi verilmiştir. 134

45 Şekil Step motor ve sürücü devresine ait blok diyagramı Şekil Deney amaçlı step motor ve sürücü ünitesi Bir step motor için basit türden bir sürücü devresi, dış resistan olmaksızın ve bir tek güç kaynağı ile gerçekleştirilebilir. Şekil da step motoru sürmek için kullanılabilecek bir devre gösterilmiştir. Devre pals şeklinde işaretlerle sürülmektedir. Devre lojik kayıplar, flip-floplar anahtarlama amaçlı transistörler kullanılmıştır. Stator sargılarının indüktans ve rezistan içermesinden dolayı I s akımı, sargının L/R zaman sabitiyle ekpotansiyel olarak yükselir. 135

46 Şekil Basit bir step-motor sürücü devresi Motorun statoru faz kutuplanmasına bağlı olarak değişir. Rotor kontrolü de çift kutuplu (bipolar) işaretlere yönlü olarak sağlanabilir. Şekil 5.3.a daki gibi PM step motoru için sadece iki faz için çalışma sağlanmıştı. Oysa, VR step motor için dört fazın gerekliliği hatırlanmalıdır. Şekil 5.3.a da görülen motorun full-step modu esnasında (Şekil 5.37.a da olduğu gibi) çift uçlu güç kaynağı ile sürülebilir. Bunu sağlamak içinde sw 1 ve sw 2 gibi iki tane anahtarın olması gerekir. Bahsedilen şekilde A fazının yükseldiğini, B fazının ise başta kaldığını söyleyebiliriz. Bu devrelerin senkronize çalışmalarını sağlayan devre de Şekil 5.37.b de gösterilmiştir. Bu devrede kullanılan diyotlar güç transistörlerini, gerilim taşmalarını ters polarlanmalara karşı korumak amacıyla kullanılmış hızlı diyotlardır. Bu koruma sistemi olmaz ise anahtarlama esnasında armatürün kollektöremiter arasına uygulanacak aşırı gerilim sonucu transistör yanabilir. 136

47 Şekil 5.37.a) İki fazlı step motorun çift kutbunun anahtarlamalı sürücüsü b) a yı gerçekleştiren devre Şekil 5.3.a da gösterilen motorda her bir step için 18 lik açı olup 20 step/devir vardır. Toplam olarak dört rotor devri oluşturmak için transistöre uygulanabilecek lojik seviyeli işaretlerin şekli Şekil 5.38 de gösterilmiştir. Bu şekilde her bir stepin aldığı 137

48 lojik işaretlerinin oluşturacağı hızlandırma ya da yavaşlama, oluşacak yük farklılığına rağmen aynıdır. Genel çalışmalarda, bir yükün hareket miktarının ihtiyacı olduğu step sayısı mikroişlemciler kullanılarak gerçekleştirilir. Mikroişlemciler robot eklemlerinin hareketinin hassas olması için kullanılır. Bu durumda işlemci, yönü, step zamanını ve sayısını en uygun hareketi sağlayacak şekilde lojik seviyede işaretlerle karar bölümüne iletir. Bu işlem, step sayısına uygun, ardışık anahtarlamanın olmasıyla, istenen hareketin yapılmasını sağlar. Bu işlemleri açık-çevrim eklem kontrollü şeklinde düşünüp değerlendirme ona göre yapılmalıdır. Daha önceden belirtildiği gibi step motorun servo motora üstünlüğü açık-çevrim kontrolünde kullanılabilirliğidir. Şekil a) Transistörün lojik sinyali b) Motor faz akımı c) Şekil 5.3.a daki ve sürücüsü Şekil 5.37.a da olan motorun rotor hareketi 138

49 Örnek : Bir robot ekleminde kullanılan step motor π radyanlık yolu 400 ms de almaktadır. Bu eklemin önüne J L = 0,004 oz-in.s 2 lik bir engel çıkarsa (yükün motordan aldığı tork 10,1 oranındadır). J M =0,03 oz.in.s 2 Step açısı: 1,8 0 (200 step/devir) rms tork = 7 oz-in. Maksimum step oranı : 4000 step / s olan bir sistem düşünelim. Buradaki step motorun açısal hızı Şekil 5.39.a daki gibidir. Bu hızın artışı ve ta-tg arasındaki eğrilerin değişimi Şekil 5.39.b ve Şekil 5.39.c de gösterilmiştir. Çözüm: Yükün motor milinden getirdiği oran 10,1 olduğundan, rotor hareketinin 10π radyan olacağı açıktır. Şekil 5.39.b ve Şekil 5.39.c den w pk =tg/2 = 10π ve α pk = w pk / ta olduğu görülebilir. ta = tg /2 = 200 ms olduğundan bu değeri gerçekleyecek w pk ve α pk değerleri, w pk = 50 π = rad/sn α pk = 157,1/0,2 = 785,5 rad/sn 2 şeklinde olmalıdır. Bu durumda motorun hızlanması ve yavaşlaması esnasında oluşacak torkun tepe değeri birbirine eşittir. Yani T accel = (J L + J M ) α pk = 5,5 oz.in Şekil 5.39.b deki gibi hız eğrisi sabit olduğunda bu şeklin rms ve tepe tork değerleri birbirine eşittir. Bir step hareketi için açı veya 0, rad olduğunda açısal hızın tepe değeri. w pk = 157,1 / 0, = 500 step / s olur. 139

50 Motorun gerekli hıza ulaşması maksimum hızın %25 lik bir oranını geçilmesiyle sağlanır. Bu durum, çeşitli uygulamalarda step sayısını azaltmayı gerektirir. Bu problemlerde gerekli işlemlerin birleştirilmesi gerekir. Bunlardan birincisi, motorla aynı tork değerine sahip bir diğer motor kullanmak diğeri ise hızın yavaşlatılmasıdır. Mesela yukarıdaki örnekte gösterilen 400 ms lik süreyi daha da uzatabilirsek, robot hareketinin hızı Şekil 5.39 daki gibi olur. w pk = 4000 step/s olduğu anda bile hızlanma ve yavaşlama süreleri birbirine eşit olup hızlanma torku 5,5 oz.in seviyesindedir. Bu durumda t a = 160 ms ye olursa tüm açısal hız hareketi T = 410 ms de gerçekleşir. Fakat kabullenme sonucunda değişmez hız değerinden 90 ms lik bir gecikmeyle harekete başlanır. 140

51 Şekil Motor milinin a) açısal hızını b) hızlandırılması c) yer değişmesi Sürücü devrelerin genel amacının, akımının düzenlenmesi ve sınırlanmasını sağlamak olduğundan bahsetmiştik. Tepki zamanı kısaltılmak istenmesi büyük bir akım değeri getirir ki, bu da istenmeyen bir durumdur. Akım sınırlamanın en basit yolu kaynağa seri bir dış rezistans yerleştirmektir. Seri rezistans sınırlama metodunun önemli bir dezavantajı vardır. Örneğin, dış rezistans motor rezistansın 4 141

52 katı ise, gücün % 80 i motorun dışında harcanmaktadır. Bu ise düşük verimli bir sisteme neden olur. Akım sınırlamanın diğer bir yolu chopper tekniğidir. Burada yüksek gerilim, motorun aşırı uyarımı için tekrar kullanılır. Fakat akımın belli bir limitin üzerine çıkmaması için gerilim on ve off şeklinde peryodik olarak anahtarlanır. Anahtarlama motor sargısındaki ortalama akımı yükseltir ve sargı enerjisi bitene kadar devam eder. Buradaki avantaj yüksek verim elde edilmesidir. Fakat sürücü devresi daha komplekstir. Diğer bir metot da dual-voltaj (ikili gerilim) tekniğidir. İsminden de anlaşılacağı gibi iki kaynak kullanılır. Başlangıçta motoru uyarmak için yüksek bir gerilim uygulanır. Akım belli bir değere ulaştığında yüksek gerilim anahtarlaması, düşük gerilim anahtarlamasına dönüşür ve bu anda akım mevcut değerini muhafaza eder. Burada verim yüksek olmasına karşılık, sürücü devre komplekstir ve iki güç kaynak gerektirdiğinden maliyet yüksek olur. 142

53 Şekil Step motorlar - sürücüler ve sürücü kartları 555 Entegreli step motor sürücü devresi:şekil deki devrede osilatör olarak kullanılan 555 entegresinin frekansı P1 potansiyometresinin ayarlanması ile değiştirilebilir. Buradan da entegrenin çıkışı hızlanıp transistörlerin sırasıyla sürüm işlemi yavaşlatılıp hızlandırılabilir. Böylece BD 245 transistörleri step motorun faz sargılarını sırasıyla enerjilendirmekte ve step motorun hareketi sağlanmaktadır. Herhangi bir arıza durumunda her blok ayrı test edilmelidir. Bu test işleminde; entegrenin çıkışının olup olmadığı nolu entegrenin çıkışının olup olmadığı 143

54 3 Entegreden pals geldiği halde transistörlerin iletime geçip - geçmediği 4 Transistörlerden gelen palse bağlı olarak step motorun doğru çalışıp çalışmadığı adım adım kontrol edilir. Şekil Entegreli step motor sürücü devresi Mikro denetleyici ile adım motorunun kontrolü:şekil de verilen 8051 mikro denetleyici arabirimi ve sürücü devresi ile kontrol edilebilen, beş uca sahip bir step motorun devresi görülmektedir. Hazırlanacak programla, mikro denetleyici ile adım motorunun kontrolü yapılabilir. Step motora gerekli faz işaretleri için, 8051 in Port 1 uçlarından 4 tanesi ( P1.0, P1.1, Pl.2, P1.3) kullanılmıştır. Bu şekilde her adımda, step motor sargılarından biri aktif edilerek step motorun istenilen yöne dönmesi sağlanabilir. Verilecek programda, kullanıcıdan step motorun parametrelerinin alınması ile ilgili basit bir PC kullanıcı arabirim bağlantısı bulunur. Bu kullanıcı arabirimde, PC ekranına mesajlar bırakılmakta ve kullanıcının PC klavyesi ile istenilen parametreleri girmesi istenir. 144

55 5.11.STEP MOTORLARDA UYARTIM METOTLARI Step motorlar çalışmalarında olduğu gibi uyartımda da fazla esnekliğe sahiptirler. Bu esneklik, maksimum çıkış güç, maksimum etki, maksimum tepki ve minimum giriş gücünde olmaktadır. Step motorlann uyartım metotları faz sayısına göre şöyle sıralanabilir. Şekil Step(adım) motor sürücü devresi ve 8051 sinyalleri 1 İki fazlı motorlarda; a) İki faz uyartım modu b) İki faz düzeltme modu 2 Üç fazlı motorlarda; a) Üç faz uyartım modu b) Üç faz düzeltme modu 3 Dört fazlı motorlarda ya da orta ucu (müşterek ucu) kullanılan iki fazlı motorlarda; a) Dört faz uyartım modu b) Dört faz düzeltme modu kullanılır. Not : Tablolarda step motorun sargılarına uygulanacak gerilimin yönüne göre rotorun hareketi CW: Saat ibresi yönünde CCW: Saat ibresi tersi yönünde döndüğünü ifade etmektedir. 1 İki Fazlı Motorların Çalışma Şekilleri: Bazı step motorlarda Şekil de görüldüğü gibi iki faz sargısı (stator sargısı) bulunur.şekil de her iki sargının da (fazında) orta merkez ucu olduğuna dikkat ediniz. Bu motor her bir uyartım sargısının yarısı bir faz gibi uyartımla çalıştırılacak olursa dört fazlı bir motor olarak çalışabilir. 145

56 Şekil İki fazlı step motor sargıları ve çalışma modları a) İki faz uyartım modu : Bu çalışma şeklinde sargılara gerilim, dış uçlardan ve yönü değiştirilerek uygulanılır. Bunun sonucunda rotor, Şekil 5.43 deki tabloda verildiği aralıklarda ve yönde dönecektir. b) İki faz düzeltme modu : Bu çalışma şeklinde yine orta uçlar kullanılmaz. Ancak her iki sargıda uygun fazlı gerilimler uygulandığında Şekil 5.43 de verilen pozisyon ve yönde dönecektir. 2 Üç Fazlı Motorların Çalışma Şekilleri: Şekil Üç fazlı step motor sargıları ve çalışma modları 146

57 Üç fazlı step motorlar bağımsız üç sargıdan meydana gelir. Üç fazlı motorun, uyartım ve düzeltme modunda saat ibresinin tersi yönünde 60 0 adımlarla hareket etmesi için Şekil 5.44 de verilen tabloda belirtilen sargılara sırayla gerilim uygulanmalıdır. a) Uç faz uyartım modu : Bu metot step motorlarda çok kullanılan bir sistemdir. Bu çalışma şeklinde üç faz, Şekil 5.44 de verildiği gibi sırayla polarılır. Bunun sonucu rotor tabloda görüldüğü pozisyon ve yönde hareket eder. b) Üç faz düzeltme modu : Bu modda üç fazdan yan yana olan ikisi aynı anda polarılır. Bu sargılara gerilim uygulanır. Adım adım gerçekleşen dönme pozisyonu ve yönü aynı tabloda gösterilmiştir. (Şekil 5.44.) 3 Dört Fazlı Motorların Çalışma Şekilleri: Dört fazlı motorlar bağımsız dört sargıdan meydana gelir. Ancak daha önceden açıklandığı gibi müşterek uçlu iki sargıya sahip iki fazlı motor, dört fazlı motor gibi çalıştırılabilir. Bu şekilde dört fazlı bir motor gibi çalıştırılan step motor Şekil de verilmiştir. Dört fazlı motorun, uyartım ve düzeltme modunda saat ibresi yönünde 90 adımlarla hareket etmesi için Şekil 5.45 de verilen tabloda belirtilen sargılara sırayla gerilim uygulanmalıdır. Şekil Dört fazlı step motor sargıları ve çalışma modları 147