Step Motor. Devresi. Çalışma Prensibi.

Step motor sürücü nedir: Elektrik enerjisini dönme hareketine dönüştüren motorlardır. Adım motor olarak da adlandırılan step motor, hareketlerini adım adım ilerletmektedir. Bundan dolayı özellikle yüksek hassasiyet gerektiren endüstriyel projelerde yer almaktadır. Elektro-manyetik cihaz olarak step motor, tüm bu işlemleri yaparken kontrol edilmelidir. Step motorlar üzerinde kontrol sağlamak için gerekli olan cihaz ise step motor sürücüleridir.

Step motor sürücüsü, step motorun görevlerini yerine getirebilmesi için motora komut vermeye yarar. Yani step motor sürücüleri ile step motorlar birbirlerine karşılıklı etkide bulunurlar.

Step Motor Sürücü Devresi

Step motorlar, çok yüksek hızlı anahtarlayan motor sürücülerle ve motor kontrol kartları ile kontrol edilirler. Bu motor sürücüler bağlı oldukları enkoder (encoder) veya mikro kontrolcülerden pals sinyalleri alır. Alınan her sinyal işlenerek motorun bir adım atmasını sağlar.

Step motorları istenilen yönde ve hızda çalıştırılmak istendiği zaman sargılarına belli bir sırada darbeler uygulanmalıdır. Step motor (stepper motor), uygulanan darbeye göre adım atar. Bu adımların sayısı motora ilave edilecek bir devre ile sağlanabilir. Bu devrelere sürücü devresi veya kontrolör (stepper motor controller) denir.

Step Motor Sürücü ve Çalışma Prensibi

Elektronik devreler ile bu işlem kolay bir şekilde yapılmaktadır. Step motorların ve kullanılacak yerin özelliğine göre hazırlanmış mikroişlemci kontrollü sürücü kartları vardır. Sürücü devreleri (stepper motor driver) basit yapıda olabilecekleri gibi mikroişlemci kontrollü de olabilir.

Bu elektronik kartlar sayesinde adım motorları istenilen hız ve hassasiyette çalıştırılır. Step motorların sürülebilmesi için motorun bağlanacağı step sürücü (stepper driver) devresi olmalıdır. Bu sürücü devresi yardımıyla motorun doğru sargılarına gerekli tetiklemeleri göndermektir. Günümüzde sanayide kullanılan step motorlar için mikroişlemci kontrollü sürücüler vardır. Bunlar için özel olarak tasarlanmış PLC‘ lerde mevcuttur.

Step motoru sürücü sisteminin blok diyagramı

Robot eklemlerinin hareketinin hassas olması için mikroişlemciler kullanılır. Böylece işlemci, yönü, adım zamanını ve sayısını en uygun hareketi sağlayacak şekilde lojik seviyede işaretler ile karar bölümüne iletilmesini sağlar. Bu işlem, adım sayısına uygun, ardışık anahtarlamanın olmasıyla istenen hareketin yapılmasını sağlar. Bu işlemleri açık-çevrim eklem kontrollü şeklinde düşünüp, değerlendirmeyi ona göre yapmalıdır. Adım motorunun (step motor) servo motora üstünlüğü açık-çevrim kontrolünde kullanılabilir olmasıdır.

Şekilde görüldüğü gibi laboratuvar cihazlarında karşılaşılabilecek bir sistem.

Mikrodenetleyici ile step motor kontrolüne örnek mekanik sistem

Mekanik kola step motorla hareket sağlanması

Dairesel kısmın hareketini step motor yapmaktadır. Mikroişlemcili devre ile sürücü kontrol edilmektedir.

Step Motorların Sürücüleri Nelerdir?

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

Step Motor Sürücü Devreleri

Step motor sürücü devreleri 3 temel prensip üzerine yapılır. Bu temel sürücü mantığı step motorların istenilen hız ve torkda çalışmasını sağlar.

L/R Sürücü

Step motor öngörülen voltaj ve akım değerlerinde çalıştırılır. Böylece motor bobinlerindeki indüktif etkiden dolayı küçük bir hız artışında motor öngörülen akıma ulaşamaz. bunun için düşük hızlar dışında motor verimli bir şekilde sürülemeyecektir

L/nR Sürücü

Akım artışında geçerli olan zaman sabitini (t=L/R) düşürmek için motor bobinlerine seri direnç bağlanması ile yapılır. Böylece motor öngörülen voltajın n katı değerde çalıştırılır. Bu sayede motorda belirgin bir hız artışı yaşanır. Ancak bağlanan seri direnç üzerinden yüksek akım geçeceği için bu devrelerde gereksiz çok fazla güç tüketimi yaşanır.

Chopper Sürücü

Motor öngörülen voltaj değerinden 5-20 kat fazla bir voltaj ile beslenir. Akımın yükselme hızı diğer sürücülere göre oldukça hızlıdır. Yükselen akım belirli bir değerde sınırlanmazsa motor gereğinden fazla akım çekeceği için yanar. Akım sınırlama mekanizması chopper sürücüsünün temelini meydana getirir.

Motor bobinine seri bağlı küçük bir sense direnci üzerindeki voltaj bir komparatör ile karşılaştırılır. Böylece bobine giden akım ayarlanır. Sürücü PWM (Pulse Width Modulation) mantığında çalışır. Kaynak zaman içinde açılıp kapandığı için güç tüketimi minumum düzeyde olur. Yüksek voltaj ile beslemeden dolayı yüksek hızlarda tam tork ile çalışılabilir.

Basit bir adım motor sürücü prensip devresi

Bir step motor için basit türden bir sürücü devresi, dış resistans olmaksızın ve bir tek güç kaynağı ile gerçekleştirilebilir. Şekilde step motoru sürmek için kullanılabilecek bir prensip devre gösterilmektedir. Devre darbe şeklindeki bir işaretlerle sürülmektedir. Devrede; lojik kapılar, flip-floplar ve anahtarlama amaçlı transistörler kullanılmıştır. Stator sargılarının indüktansı ve rezistansından dolayı I_s akımı, sargının L/R zaman sabitiyle ekpotansiyel olarak yükselir.

Sürücü devrelerin amacı, akımının düzenlenmesi ve sınırlanmasını sağlamaktır. Tepki zamanının kısaltılmak istenmesi büyük bir akım değeri getirir ki, bu da istenmeyen bir durumdur.

Akımı Sınırlama Yolları

Kaynağa seri bir dış rezistans yerleştirerek

Akımı sınırlamanın en basit yolu kaynağa seri bir dış rezistans yerleştirmektir. Seri rezistans sınırlama yönteminin bir dezavantajı vardır. Örnek; dış rezistans motor rezistansın 4 katı ise, gücün % 80‟i motorun dışında harcanır. Bu ise düşük verimli bir sisteme neden olur.

Chopper tekniği

Akım sınırlamanın diğer bir yolu chopper tekniğidir. Burada yüksek gerilim, motorun aşırı uyarımı için yeniden kullanılır. Ama akımın belli bir limitin üzerine çıkmaması için gerilim on ve off şeklinde periyodik olarak anahtarlanır. Anahtarlama motor sargısındaki ortalama akımı yükseltir ve sargı enerjisi bitene kadar devam eder. Buradaki avantaj yüksek verim elde edilmesidir, ama sürücü devresi daha karmaşıktır.

Dual-voltaj (ikili gerilim) tekniği

Akım sınırlamanın diğer bir yöntemi de dual-voltaj (ikili gerilim) tekniğidir. Adından da 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. Bu anda akım var olan değerini korur. Burada verim yüksek olmasına karşılık, sürücü devresi karmaşıktır ve iki güç kaynağı gerektirdiği için maliyet yüksek olur.

Step Motor Sürücüsü Seçimi

Step motor sürücüleri kendi aralarında çeşitlere ayrılmaktadır. sürücü alırken gücüne ve projeye uygun olan seçilmelidir. Ayrıca motor açısı ile uyumlu olmalıdır. Motorun voltaj, akım, nema ve faz değerlerine uygun olan step motor sürücü kartı aldıktan sonra adım ayarları yapılır. Step motor sürücü üzerinde bulunan switch yardımı ile mikro adımlama ayarlarının değişimi sağlanabilir.