Mustafa Kemal Üniversitesi Antakya Meslek Yüksek Okulu ve Elektronik Teknolojisi Bölümü Step Motorların Endüstride Kullanımı

Ad Soyadı : Hüseyin TÖPİZ Numara : 117142016

İÇİNDEKİLERStep motor nedir? Step motorların yapısı Çalışma prensibi Step motorda karşılaşılan terimler Step motorun çeşitleri Step motorun kullanım alanları Step motorun avantajları Step motorun dezavantajları

STEP MOTOR YAPILAR ve ÇALIŞMA ŞEKİLLERİ

Step Motor Nedir? Step motor,elektrik enerjisini dönme hareketine çeviren elektromekanik bir cihazdır.

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

Elektrik enerjisi alındığında rotor ve buna bağlı şaft,sabit açısal birimlerde(adım-adım) dönme- ye başlar.Step motorları,bir motor turundaki adım sayısı ile anılır.

Örnek olarak 400 adımlık bir step motor,bir tam dönüşünde 400 adım yapar.Bu durumda bir adımın açısı 360/400=0.9 derecedir.

Bu değer,step motorun hassası- yetinin bir göstergesidir.Bir devirdeki adım sayısı yüksel-dikçe step motorun hassasiyeti de yükselir.Dolayısı ile maliyeti de yükselir.

Step Motorların Yapısı Step motor statorunun bir çok 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.Adımları vasıtasıyla ortalama stator alanı döner ve rotorda buna benzer stepler arasında takip eder.Daha iyi bir seçicilik elde etmek için rotor ve stator üzerine küçük dişler yapılmaktadır Bu dişler birbiriyle temas etmemelidir.

Çalışma Prensibi 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 sargılardaki manyetik alana göre hareket eder.

Bu sargılar sırayla güç verilirse o zaman rotor da bu manyetik alanı takip etmek zorunda kalacağı için rotora bağlı şafttan hareket alınmış olur.

Örneğin,şekilde step motoru döndürmek için S1,S2,S3 ve S4 anahtarlarını sırasıyla teker teker devreye sokmaya yeterli olacaktır.

Mıknatısların N kutbu kendisini çeken elektromıknatısları takip etmek zorunda kalacak ve dönecektir.Şekildeki motorda her bir anahtarlamada motor 90 derece döner.Bu açıya adım açısı denir.

Step motoru tek fazlı devresi

Çalışma Prensibi Adım motoru,bir daire içindeki elektromanyetik alanların dönüşü ile ifade edilebilir.

Yandaki şekilde kapandığında rotor kendiliğinden 1.elektromanyetik alan ile aynı hizaya gelecektir.

Bundan sonra 1nolu anahtar açılıp 2nolu anahtar kapatılırsa rotor 2. elektromanyetik alanın karşısına gelecektir.

Bu işlem sırayla tekrarlanırsa rotor bir daire içinde düzgün şekilde döner.Bu şekilde verilen elektrik akım vurgularının referansı , rotorun dönme hızını belirler.

Hızlı ivmelenme sonucu step motorda kayma meydana gelebilir.

Bunun önlenmesi için ivmelenme sırasın da vurgu sıklığı ayarlanmalıdır.

step motor yarım adım devresi

Yandaki tablo da sargıların hangisine ve kaç tanesine akım verildiği ve bu akıma göre sürüş yönteminin nasıl değiştiği gözükmektedir.

Step motorlar anahtarlama sırasına göre tek fazda,iki fazda ve yarım adımda sürülürler.

Tek fazda,herhangi bir anda tek sargıdan akım geçtiği için en az enerji harcanır ve torku düşüktür.

İki fazda,iki sargıdan birden akım geçtiği için daha yüksek tork değerlerine ulaşılır.

Yarım adım ise rotora fazladan kararlı konum sağladığından adım sayısı iki katına çıkar.

Örneğin 200 adımlı bir motorun adım açısı 0.9 derece olur. Tork değerinde tam adım sürüş yöntemine göre düşme olur

Step motoru tam adim devresi

Step Motorda Karşılaşılan Terimler 1. 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.

2. Dönme Başına Step(SRP):Bu 360 derecelik bir tam dönme için gerekli olan toplam step sayısını gösterir. SPR=360/SA

3. Saniye Başına Step(SPS):Motorun gittiği 1 saniyedeki açısal step sayısı, AC ve DC motorların dakika başına dönme hızı ile karşılaştırılabilir.

4. Step Doğruluğu:Bu,pozisyon doğruluğu hassasiyeti olup genellikle tek step açısının yüzdesi olarak ifade edilir.

5. Artık Tork:Bu tork,güç uygulanmazken durma durumunda vardır.Sadece sürekli mıknatıslı rotor türündeki motorlarda görülür.

6. Tork(Moment)-Atalet Oranı(TIR):Bir step motor için yararlılığın tanımıdır. Yüksek TIR,daha iyi step cevabı şöyle olmalıdır

Step Motorda Karşılaşılan Terimler

Tutma Torku: Oransal güç uygulandığında ve sıfır hızda motor mili tutma torku etkisindedir.

Motor mili, elle döndürülmeye çalışılırsa manyetik alan dönmeye karşı koyacaktır.

Ancak mile dışarıdan çok küçük bir tork uygulandığında tutma pozisyonu terk edilecektir.

Dinamik Tork:Düşük hızda çalıştırılsa bile bir step motorun geliştirebileceği dinamik tork,her zaman için tutma torkun dan 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,yandaki şekildeki gibi azalır.Bu azalmanın sebebi,stator sargılarının endüktif olmasıdır.

Sürücü devresi:Bu ifade elektronikte motor kontrolü için tanımlanmış genel bir terimdir. Step motorların sürülmesi için çok farklı devreler kullanılabilir.

Ancak tüm devrelerde sürücü iki temel kısımdan oluşur.

Birinci kısım dijital palsleri üreten devre katıdır.

Bu hatta mikro denetleyiciler, bilgisayarın paralel portu,PIC,PLS sistemleri hatta basit entegreler(555 timer,4017 sayıcı) bile olabilir.

Sürücünün bu katının görevi belirlenen aralıklarla ve belirlenen sırada çıkışlarının sadece birinde lojik 1(pals), diğerlerinde lojik 0(şase) vermektedir.

Kontrol katlarının verdiği palsler sadece düşük gerilim ve akımla çalışan step motorların sürülmesi için yeterli olabilir.

Step motorların yüksek gerilim ve akım isteyenlerinin farklı bir kaynaktan beslenmesi gereklidir.

Bağımsız bir kaynaktan besleme gerilimi ve kontrol katından da palsleri alarak step motoru süren devre (bir önceki slayttaki) verilmiştir.

Bu devrede elektronik anahtarlama yapan transistorlar kullanılmıştır.

Transistorların beyz uçlarına gelen palsler step motorun ortak uç üzerinden gelen akımın diğer uçlarının birinin üzerinden toprağa ulaşmasına izin verir.

Yandaki flip-flop devresi ise en basit motor sürücü devresidir.

Flip-flopların birbirine ters çıkışları step motordaki simetrik bobinlerin sürülmesinde gerekli olan palsleri sağlayabilir.

Step Motor Çeşitleri Rotor yapısına göre step motorlar 3’e

ayrılır; Değişken relüktanslı step motorlar1.Tek parçalı 2.Çok parçalı Sabit Mıknatıslı step motorlarKarışık Yapılı step motorlar

Değişken Relüktanslı Step Motorlar

Değişken relüktanslı adım motoru, en temel adım motoru tipidir. Bu motorun temel prensiplerinin daha iyi anlaşılabilmesi için kesit görünüşü şekilde gösterilmiştir. Bu üç fazlı motorun 6 adet stator kutbu vardır. Birbirine 180° açılı olan herhangi iki stator kutbu aynı faz altındadır. Bunun anlamı, karşılıklı kutupların üzerindeki sargıların seri veya paralel olması demektir. Rotor, 4 adet kutba sahiptir. Stator ve rotor nüveleri, genellikle ince tabakalı silisli çelikten yapılır. Düşük manyeto motor kuvveti uygulansa bile stator ve rotor malzemeleri yüksek geçirgenlikli ve içlerinden yüksek manyetik akım geçecek kapasitede olmalıdır.

Sabit Mıknatıslı Step motorlar

Disk rotor

Yuvarlak rotor

Bu tip motorlarda rotor sabit mıknatıstan yapılmıştır ve diş(çıkıntı) yoktur. Rotor, genellikle aşağıdaki şekillerdede görüldüğü gibi iki farklı (“disk” ya da “tin‐can”) yapıdadır. Statorları ise değişken relüktanslı stepmotorlarla aynı yapıdadır.

Sabit Mıknatıslı step motor yapısı Basit olarak sabit mıknatıslı bir step motor örneği yandaki şekilde gösterilmiştir.

İki kutuplu sabit mıknatıslı rotor, oyuklu 4(dört) kutuplu stator içinde döner.

Burada C ile adlandırılan terminal, her bir fazın birer uçlarının birleştirilerek güç kaynağının pozitif ucuna bağlandığı ortak uçtur.

Eğer fazlar Faz1, Faz2, Faz3, Faz4 sırasıyla uyartılırsa; rotor saat ibresi yönünde (CW) hareket edecektir.

Bu motorda, adım açısının 90° olduğu görülmektedir. Küçük boyutlu sabit mıknatıslı rotorda çok sayıda kutup oluşturmak zor olduğundan bu tip motorlarda adım genişliği 30–90 derece arasındadır.

Bu tür motorların momenti diğerlerine göre oldukça düşüktür.

Karışık Yapılı Step motorlar Rotorunda sabit mıknatıs bulunan bir diğer adım motoru da karışık yapılı step motordur. Hybrid kelimesi, motorun sabit mıknatıslı ve değişken relüktanslı motorların prensiplerinin birleşmesinden dolayı verilmiştir.Tüm step motorlar içinde melez tip, her türlü doğrusal ve açısal konumlama sistemlerinde en yaygın kullanılan tiptir. Karışık yapılı adım motorlarında moment, diş yapılarındaki hava aralıklarının manyetik alanlarının etkileşimi ile oluşturulur. Bu tip motorlarda sürekli mıknatıs, sürücü kuvveti oluşturmak için önemli rol oynamaktadır. Fakat karışık yapılı step motordaki rotor ve stator dişlerinin küçük adım açıları elde etmek için dizayn edildiği bilinmelidir. Bu motorun hem rotoru hem statoru çıkıntı şeklindeki dişlere sahiptir. Rotor, yumuşak demirden yapılmıştır. Bu sayede statordaki sargılarda oluşan manyetik alan, kendisine en yakın rotor dişlilerini çekerek dönüşü sağlamaktadır. Hiybrid tipi adım motorların dönüş derecesi 1,8° gibi çok küçük değerlere indirilebilmektedir

Melez Rotor

Melez step motor ve yapısı

Step Motorun Kullanım Alanları

Step motorlar uzun yıllardır var olmalarına rağmen ticari olarak kullanılmaları ancak 1960’lı yıllarda yüksek seviyeli doğru akımları anahtarlaya bilen transistörlerin üretimine başlanmasıyla yaygınlaşmıştır.

1970’li yıllardan beri dijital elektronikteki ve mikroişlemci teknolojisindeki gelişmelerle birlikte adım motorlarının kullanımı giderek cazipleşmekte ve tüm dünyada bu motorların üretim ve uygulamalarıyla ilgili geliştirme çalışmaları yapılmaktadır.

Günümüzde adım motorları endüstride birçok kontrol sistemlerinde, özellikle konum kontrolünde kullanılmaktadır.

tb6560 3 eksen cnc step motor sürücü driver

En çok yazıcılar (printer), çiziciler (plotter), disket sürücüler (floppy driver), harddisk sürücüler ( harddisk driver), kart okuyucular v.b. gibi bilgisayar çevre cihazlarında bu elemanlardan yararlanılmaktadır.

Ayrıca sayısal kontrol sistemlerinde, CNC tezgahlarda, proses kontrol sistemlerinde, robot teknolojisinde ve uzay endüstrisine ait bir çok sistemde adım motorları tahrik elemanı olarak yer almaktadır. MSP430 ile step motor hız uygulamaları

Step Motorların AvantajlarıDijital giriş işaretlerine cevap verirler, bu nedenle mikroişlemci veya bilgisayarlarla kontrol için ideal elemanlardır.

Birçok uygulamada geri beslemeye ihtiyaç duymaksızın açık çevri çalıştırıla bilmektedirler.

Giriş işaretlerinin frekansına bağlı olarak çok geniş bir hız aralığında çalıştırılabilirler.

Herhangi bir hasara yol açmadan defalarca durdurulup çalıştırılabilirler.(Sürerken aniden durdurma yada aniden ters yönde sürme isteğine karşı mükemmel cevap verebilirler)

Aşırı yüklemeden hasar görmezler,oldukça dayanıklıdırlar. Her yeni adımla artan(kümülatif) konum hataları yoktur.

Mekanik yapısı basit olduğundan bakım gerektirmezler. Yağlanma ve kirlenme problemleri yoktur.

Step Motorların Dezavantajları Adım açıları sabit olduğundan rotordan alınan hareket sürekli değil darbelidir.

Klasik sürücülerle kullandıklarında verimleri düşüktür. Adım cevapları nispeten büyük aşım ve salınımlıdır.

Yüksek eylemsizlikli yüklerde yetenekleri sınırlıdır Sürtünme kaynaklı yükler,hata kümülatif olmasa dahi açık çevrim çalışmada konum hatası meydana getirebilirler.

Elde edilebilecek çıkış gücü ve momenti sınırlıdır İyi kontrol edilmezse rezonans meydana gelebilir. Çok yüksek hızlarda çalıştırmak mümkün olmayabilir.

Kaynaklar

•http://megep.meb.gov.tr/mte_program_modul/modul_pdf/523EO0063.pdf

•http://megep.meb.gov.tr/mte_program_modul/modul_pdf/522EE0096.pdf

•Odtü Robot Topluluğu(http://robot.metu.edu.tr/index.php?link=5)

•http://hbogm.meb.gov.tr/modulerprogramlar/kursprogramlari/elektrik/moduller/stepveservomotorlar.pdf

•İstanbul Teknik Üniversitesi IEEE öğrenci kolu (ieee.itu.edu.tr/lab/stepmotor.pdf)

Beni Dinlediğiniz içinTEŞEKKÜRLER …