Step motorlar

guclusat

Tanınmış Üye
Süper Moderatör
Adım motorları uzun süredir çok çeşitli cihazlarda başarıyla kullanılmaktadır. Disk sürücülerinde, yazıcılarda, çizicilerde, tarayıcılarda, fakslarda ve ayrıca çeşitli endüstriyel ve özel ekipmanlarda bulunabilirler. Şu anda, her duruma uygun birçok farklı tipte step motor bulunmaktadır. Ancak doğru motor tipini seçmek işin sadece yarısıdır. Genellikle mikrodenetleyici programı tarafından belirlenen doğru sürücü devresini ve çalışma algoritmasını seçmek de aynı derecede önemlidir. Bu makalenin amacı step motorların yapısı, kontrol yöntemleri, sürücü devreleri ve algoritmaları hakkındaki bilgileri sistematik hale getirmektir. Örnek olarak AVR ailesinden bir mikrokontrolöre dayalı basit ve ucuz bir step motor sürücüsünün pratik uygulaması verilmiştir.

Step motor nedir ve neden gereklidir?
Step motor, elektriksel darbeleri ayrık mekanik hareketlere dönüştüren elektromekanik bir cihazdır. Yani belki kesin bir tanım verebiliriz. Muhtemelen herkes bir step motorun dışarıdan nasıl göründüğünü görmüştür: pratik olarak diğer motor türlerinden farklı değildir. Çoğu zaman yuvarlak bir mahfaza, bir şaft ve birkaç terminaldir (Şekil 1).
1731865407749.png
Pirinç. 1. DSHI-200 ailesinin step motorlarının görünümü.
Bununla birlikte, step motorların bazı benzersiz özellikleri vardır, bu da onları bazen kullanım için son derece uygun, hatta yeri doldurulamaz kılar.

Bir step motorun iyi tarafı nedir?
  • Rotorun dönme açısı, motora sağlanan darbelerin sayısına göre belirlenir.
  • motor durma modunda tam tork sağlar (sargılara enerji verilirse)
  • Hassas konumlandırma ve tekrarlanabilirlik. İyi step motorlar adım boyutunun %3-5'i kadar bir doğruluğa sahiptir. Bu hata adım adım birikmiyor
  • hızlı başlatma/durdurma/geri alma olanağı
  • Fırçaların bulunmaması nedeniyle yüksek güvenilirlik, step motorun hizmet ömrü aslında yatakların hizmet ömrüne göre belirlenir
  • Giriş darbelerine net konum bağımlılığı, geri bildirim olmadan konumlandırmayı sağlar
  • ara dişli kutusu olmadan doğrudan motor miline bağlanan bir yük için çok düşük dönüş hızları elde etme imkanı
  • oldukça geniş bir hız aralığı kapsanabilir; hız, giriş darbelerinin frekansıyla orantılıdır
Ama her şey o kadar da iyi değil...
  • Step motor rezonans fenomeni ile karakterize edilir
  • Geri bildirimsiz çalışma nedeniyle olası konum kontrolü kaybı
  • Enerji tüketimi yüksüz durumda bile azalmaz
  • yüksek hızlarda çalışmak zor
  • düşük güç yoğunluğu
  • nispeten karmaşık kontrol şeması
Ne seçilir?
Adım motorları fırçasız DC motorlar sınıfına aittir. Tüm fırçasız motorlar gibi, endüstriyel uygulamalar gibi kritik uygulamalarda kullanılmalarına olanak tanıyan yüksek güvenilirliğe ve uzun hizmet ömrüne sahiptirler. Geleneksel DC motorlarla karşılaştırıldığında adım motorları, motor çalışırken tüm sargı anahtarlamalarını yönetmesi gereken önemli ölçüde daha karmaşık kontrol devreleri gerektirir. Ek olarak, step motorun kendisi pahalı bir cihazdır, bu nedenle hassas konumlandırmanın gerekli olmadığı durumlarda geleneksel fırçalı motorlar gözle görülür bir avantaja sahiptir. Adil olmak gerekirse, neredeyse step motor kontrolörleri kadar karmaşık olan fırçalı motorları kontrol etmek için son zamanlarda kontrolörlerin giderek daha fazla kullanıldığını belirtmek gerekir.

Step motorların ana avantajlarından biri, geri besleme sensörü olmadan hassas konumlandırma ve hız kontrolü yapabilme yeteneğidir. Bu çok önemlidir, çünkü bu tür sensörler motorun kendisinden çok daha pahalıya mal olabilir. Ancak bu yalnızca düşük ivmede ve nispeten sabit bir yükle çalışan sistemler için uygundur. Aynı zamanda geri beslemeli sistemler yüksek ivmelerde ve hatta değişken yükle çalışabilme özelliğine sahiptir. Adım motoru üzerindeki yük torkunu aşarsa, rotor konumu hakkındaki bilgiler kaybolur ve sistem, örneğin bir limit anahtarı veya başka bir sensör kullanılarak temel alınmasını gerektirir. Geri bildirim sistemlerinin bu dezavantajı yoktur.

Belirli sistemleri tasarlarken servo motor ve step motor arasında seçim yapmanız gerekir. Hassas konumlandırma ve hassas hız kontrolü gerektiğinde ve gerekli tork ve hız kabul edilebilir sınırlar içinde olduğunda, step motor en ekonomik çözümdür. Geleneksel motorlarda olduğu gibi torku artırmak için bir redüksiyon dişlisi kullanılabilir. Ancak dişli kutusu step motorlar için her zaman uygun değildir. Torkun hızla arttığı fırçalı motorların aksine, step motor düşük hızlarda daha fazla torka sahiptir. Ek olarak, step motorlar, fırçalı motorlara kıyasla çok daha düşük bir maksimum hıza sahiptir, bu da maksimum dişli oranını ve buna bağlı olarak bir dişli kutusu kullanılarak torktaki artışı sınırlar. Her ne kadar dişli kutulu hazır step motorlar mevcut olsa da bunlar egzotiktir. Dişli kutusunun kullanımını sınırlayan bir başka gerçek de, onun doğasında olan boşluktur.

Düşük hızlara ulaşma yeteneği, genellikle bir dişli kutusu tasarlayamayan tasarımcıların step motorları gereksiz yere sık kullanmalarının nedenidir. Aynı zamanda komütatör motor daha yüksek güç yoğunluğuna, düşük maliyete, basit kontrol devresine sahiptir ve tek kademeli sonsuz dişli kutusuyla birlikte step motorla aynı hız aralığına ulaşabilir. Ayrıca bu, önemli ölçüde daha fazla tork sağlar. Komütatör motorlarına dayanan sürücüler askeri teçhizatta çok sık kullanılır ve bu dolaylı olarak bu tür sürücülerin iyi parametrelerini ve yüksek güvenilirliğini gösterir. Modern ev aletlerinde, arabalarda ve endüstriyel ekipmanlarda komütatör motorlar oldukça yaygındır. Bununla birlikte, adım motorlarının, oldukça dar da olsa, yeri doldurulamayacakları kendi uygulama alanları vardır.

Step motor türleri
Üç ana tip step motor vardır:

  • değişken relüktans motorlar
  • kalıcı mıknatıslı motorlar
  • hibrit motorlar
Motorun tipini dokunarak bile belirleyebilirsiniz: Enerjisi kesilmiş bir sabit mıknatıslı motorun (veya hibritin) şaftı döndüğünde, dönmeye karşı değişken bir direnç hissedilir, motor sanki klik sesi çıkarır gibi döner. Aynı zamanda, değişken manyetik isteksizliğe sahip, enerjisi kesilmiş bir motorun şaftı serbestçe döner. Hibrit motorlar, sabit mıknatıslı motorların daha da geliştirilmiş halidir ve kontrol yöntemleri bakımından onlardan hiçbir farkı yoktur. Motor tipi ayrıca sargıların konfigürasyonuna göre de belirlenebilir. Değişken isteksizliğe sahip motorlar genellikle bir ortak terminale sahip üç (daha az sıklıkla dört) sargıya sahiptir. Kalıcı mıknatıslı motorlar çoğunlukla iki bağımsız sargıya sahiptir. Bu sargıların ortasından musluklar bulunabilir. Bazen kalıcı mıknatıslı motorlarda 4 ayrı sargı bulunur.

Bir step motorda tork, birbirine göre uygun şekilde yönlendirilmiş olan stator ve rotorun manyetik akıları tarafından üretilir. Stator, manyetik geçirgenliği yüksek bir malzemeden yapılmıştır ve birkaç kutba sahiptir. Kutup, mıknatıslanmış bir cismin manyetik alanın yoğunlaştığı bir bölgesi olarak tanımlanabilir. Hem statorun hem de rotorun kutupları vardır. Girdap akımı kayıplarını azaltmak için manyetik çekirdekler, transformatör çekirdeğine benzer şekilde ayrı plakalardan birleştirilir. Tork, sarımdaki akım ve sarım sayısıyla orantılı olan manyetik alanın büyüklüğüyle orantılıdır. Dolayısıyla tork, sarımların parametrelerine bağlıdır. Adım motorunun en az bir sargısına enerji verilirse rotor belirli bir pozisyon alır. Dışarıdan uygulanan tork, tutma torku adı verilen belirli bir değeri aşıncaya kadar bu konumda kalacaktır. Bundan sonra rotor dönecek ve aşağıdaki denge konumlarından birini almaya çalışacaktır.
 
Değişken isteksizlik motorları
Değişken manyetik isteksizliğe sahip adım motorlarının stator üzerinde birkaç kutbu ve yumuşak manyetik malzemeden yapılmış dişli şeklinde bir rotoru vardır (Şekil 2). Rotor mıknatıslanması yoktur. Basitlik açısından, resimde rotorun 4 dişi ve statorun 6 kutbu vardır. Motorun her biri statorun iki zıt kutbuna sarılmış 3 bağımsız sargısı vardır. Bu motorun eğimi 30 derecedir.
1731865489099.png
Pirinç. 2. Değişken manyetik isteksizliğe sahip motor.
Sargılardan birinde akım açıldığında, rotor manyetik akının kapalı olduğu bir pozisyon alma eğilimindedir; rotor dişleri, elektrikli sargının bulunduğu kutupların karşısında olacaktır. Daha sonra bu sargıyı kapatıp bir sonrakini açarsanız, rotor konum değiştirecek ve manyetik akıyı dişleriyle tekrar kapatacaktır. Bu nedenle sürekli dönüş yapabilmek için sargıları dönüşümlü olarak açmanız gerekir. Motor, sargılardaki akımın yönüne duyarlı değildir. Gerçek bir motor daha fazla stator kutbuna ve daha fazla rotor dişine sahip olabilir; bu da devir başına daha fazla adıma karşılık gelir. Bazen her stator kutbunun yüzeyi, karşılık gelen rotor dişleriyle birlikte birkaç derecelik çok küçük bir eğim açısı sağlayan dişlilerle donatılmıştır. Değişken relüktans motorları endüstriyel uygulamalarda nadiren kullanılır.
 
Kalıcı mıknatıslı motorlar
Kalıcı mıknatıslı motorlar, sargıları olan bir stator ve kalıcı mıknatıslar içeren bir rotordan oluşur (Şekil 3). Alternatif rotor kutupları doğrusal bir şekle sahiptir ve motor eksenine paralel olarak yerleştirilmiştir. Rotorun mıknatıslanması nedeniyle bu tür motorlar, değişken isteksizliğe sahip motorlara göre daha büyük manyetik akı ve bunun sonucunda daha yüksek tork sağlar.
1731865527202.png
Pirinç. 3. Kalıcı mıknatıslı motor.
Şekilde gösterilen motorda 3 çift rotor kutbu ve 2 çift stator kutbu bulunmaktadır. Motorun her biri statorun iki zıt kutbuna sarılmış 2 bağımsız sargısı vardır. Böyle bir motor, daha önce tartışılan değişken manyetik isteksizliğe sahip motor gibi, 30 derecelik bir adım boyutuna sahiptir. Sargılardan birinde akım açıldığında rotor, rotor ve statorun zıt kutuplarının birbirine zıt olduğu bir pozisyon alma eğilimindedir. Sürekli dönüş elde etmek için sargıları dönüşümlü olarak açmanız gerekir. Uygulamada, sabit mıknatıslı motorlar tipik olarak devir başına 48 – 24 adıma sahiptir (adım açısı 7,5 – 15 derece).

Gerçek bir sabit mıknatıslı step motorun kesiti Şekil 2'de gösterilmektedir. 4.
1731865561625.png
Pirinç. 4. Kalıcı mıknatıslı bir step motorun kesiti.
Motor tasarımının maliyetini azaltmak için stator manyetik devresi damgalı cam şeklinde yapılmıştır. İç kısmında lameller şeklinde direk parçaları bulunmaktadır. Sargılar, üst üste monte edilen iki farklı manyetik çekirdek üzerine yerleştirilir. Rotor silindirik çok kutuplu bir kalıcı mıknatıstır.

Kalıcı mıknatıslı motorlar, maksimum hızı sınırlayan rotordan gelen geri EMF'ye maruz kalır. Yüksek hızlarda çalışmak için değişken relüktans motorları kullanılır.
 
Hibrit motorlar
Hibrit motorlar, sabit mıknatıslı motorlara göre daha pahalıdır ancak daha küçük hatve, daha yüksek tork ve daha yüksek hız sağlarlar. Hibrit motorlar için devir başına tipik adım sayısı 100 ile 400 arasındadır (adım açısı 3,6 - 0,9 derece). Hibrit motorlar, değişken relüktans motorların ve sabit mıknatıslı motorların en iyi özelliklerini birleştirir. Hibrit bir motorun rotoru eksenel yönde yerleştirilmiş dişlere sahiptir (Şekil 5).
1731865588680.png
Pirinç. 5. Hibrit motor.
Rotor, aralarında silindirik bir kalıcı mıknatısın bulunduğu iki parçaya bölünmüştür. Böylece rotorun üst yarısının dişleri kuzey kutupları, alt yarısının dişleri ise güney kutuplarını oluşturur. Ek olarak rotorun üst ve alt yarıları birbirine göre dişlerin eğim açısının yarısı kadar döndürülür. Rotor kutup çiftlerinin sayısı, yarılarından birindeki diş sayısına eşittir. Stator gibi dişli rotor kutup parçaları da girdap akımı kayıplarını azaltmak için ayrı plakalardan birleştirilmiştir. Hibrit bir motorun statoru ayrıca, sargıların bulunduğu ana kutupların aksine çok sayıda eşdeğer kutup sağlayan dişlere sahiptir. Tipik olarak 3,6 derece için 4 ana kutup kullanılır. 1,8 ve 0,9 derece için motorlar ve 8 ana kutup. motorlar. Rotor dişleri, belirli rotor konumlarında manyetik devreye daha az direnç sağlayarak statik ve dinamik torku artırır. Bu, rotor dişlerinden bazıları stator dişlerinin tam karşısında, bazıları ise bunların arasında olduğunda, dişlerin uygun şekilde düzenlenmesiyle sağlanır. Rotor kutup sayısı, eşdeğer stator kutup sayısı ve faz sayısı arasındaki ilişki, motorun eğim açısını S belirler:

S = 360/(Nph*Ph) = 360/N,

burada Nph – faz başına eşdeğer kutup sayısı = rotor kutup sayısı,
Ph – faz sayısı,
N – tüm fazlar için toplam kutup sayısı.
Şekilde gösterilen motorun rotoru 100 kutupludur (50 çift), motor 2 fazlıdır, yani toplam kutup sayısı 200'dür ve buna göre eğim 1,8 derecedir.

Hibrit step motorun uzunlamasına kesiti Şekil 2'de gösterilmektedir. 6. Oklar, rotorun kalıcı mıknatısının manyetik akısının yönünü gösterir. Akının bir kısmı (şekilde siyah çizgi ile gösterilmiştir) rotor kutup parçalarından, hava boşluklarından ve stator kutup parçasından geçer. Bu kısım momentum yaratmaya dahil değildir.
1731865608323.png
Pirinç. 6. Hibrit bir step motorun boyuna kesiti.
Şekilde görüldüğü gibi rotorun üst ve alt kutup parçalarındaki hava boşlukları farklıdır. Bu, kutup parçalarının diş adımının yarısı kadar döndürülmesiyle elde edilir. Bu nedenle, minimum hava boşluğu içeren ve sonuç olarak minimum manyetik dirence sahip başka bir manyetik devre vardır. Bu devre, torku oluşturan akışın başka bir bölümünü (şekilde kesikli beyaz çizgiyle gösterilmiştir) kapatır. Zincirin bir kısmı şekle dik bir düzlemde yer aldığından gösterilmemiştir. Stator bobininin manyetik akısı aynı düzlemde oluşturulur. Hibrit bir motorda bu akı, rotor kutup parçaları tarafından kısmen kapatılır ve kalıcı mıknatıs onu zayıf bir şekilde "görür". Bu nedenle, DC motorlardan farklı olarak hibrit motorun mıknatısı, herhangi bir sargı akımı seviyesinde manyetikliği giderilemez.

Rotor ve stator dişleri arasındaki boşluk çok küçüktür - tipik olarak 0,1 mm. Bu, montaj sırasında yüksek hassasiyet gerektirir, bu nedenle merakı gidermek için step motorun sökülmemesi gerekir, aksi takdirde servis ömrü sona erebilir.

Mıknatısın içinden geçen şaftın içinden manyetik akının kapanmasını önlemek için manyetik olmayan çelik kalitelerinden yapılmıştır. Genellikle kırılganlıkları yüksektir, bu nedenle şaftlar, özellikle de küçük olanlar dikkatli kullanılmalıdır.

Büyük torklar elde etmek için hem statorun yarattığı alanı hem de kalıcı mıknatısın alanını arttırmak gerekir. Bu daha büyük bir rotor çapı gerektirir ve bu da tork/atalet oranını kötüleştirir. Bu nedenle, güçlü step motorlar bazen yığın şeklinde birkaç bölümden yapılır. Bölüm sayısıyla orantılı olarak tork ve atalet momenti artar, oranları bozulmaz.

Step motorların başka tasarımları da var. Örneğin mıknatıslanmış disk rotorlu motorlar. Bu tür motorlar, bazı durumlarda önemli olan düşük bir rotor atalet momentine sahiptir.

Modern step motorların çoğu hibrittir. Esas itibarıyla hibrit motor, daha fazla sayıda kutba sahip, sabit mıknatıslı bir motordur. Kontrol yöntemi açısından bu tür motorlar aynıdır; yalnızca bu tür motorlar daha sonra ele alınacaktır. Uygulamada çoğu zaman motorların devir başına sırasıyla 100 veya 200 adımı vardır, adım 3,6 derece veya 1,8 derecedir. Çoğu denetleyici, bu açının yarı boyutta olduğu yarım adımlamaya izin verir ve bazı denetleyiciler mikro adımlama sunar.
 
Geri
Yukarı