1.1. Adım (Step) Motorların Tanımı ve Yapısı
Adım (Step) motorları adından da anlaşılacağı gibi Adım (Step) Adım (Step) hareket eden yani sargılarından birinin enerjilenmesi ile sadece 1 Adım (Step) hareket eden motorlardır. Bu Adım (Step)ın kaç derece olacağı motorun tasarımına bağlıdır. Bu husus ileriki konularda anlatılacaktır.
Adım (Step) motor, elektrik enerjisini dönme hareketine çeviren eletro-mekanik bir cihazdır. Elektrik enerjisi alındığında rotor ve buna bağlışaft, sabit açısal birimlerde (Adım (Step)-Adım (Step)) dönmeye başlar. Adım (Step) motorlar, çok yüksek hızlı anahtarlama özelliğine sahip bir sürücüye bağlıdırlar (Adım (Step) motor sürücüsü). Bu sürücü, bir encoder, PC veya PLC’den giriş darbeleri (pals) alır. Alınan her giriş darbesinde, motor bir Adım (Step) ilerler. Adım (Step) motorlar bir turundaki Adım (Step) sayısı ile anılırlar. Örnek olarak 400 Adım (Step)lık bir Adım (Step) motor bir tam dönüşünde (360º) 400 Adım (Step) yapar. Bu durumda bir Adım (Step)ın açısı 360/400 = 0.9º derecedir. Bu değer, Adım (Step) motorun hassasiyetinin bir göstergesidir. Bir devirdeki Adım (Step) sayısı yükseldikçe Adım (Step) motor hassasiyeti ve dolayısı ile maliyeti artar.
Adım (Step) motorlar, yarım Adım (Step) modunda çalıştıklarında hassasiyetleri daha da artar. Örnek olarak 400 Adım (Step)/tur değerindeki bir Adım (Step) motor, yarım Adım (Step) modunda tur başına 800 Adım (Step) yapar. Bu da 0.9º’ye oranla daha hassas olan 0.045º bir Adım (Step) açısı anlamına gelir. Bazı Adım (Step) motorlarda mikroAdım (Step) tekniği ile Adım (Step) açılarının daha da azaltılması söz konusudur.
Resim 1.1’de değişik büyüklüklerde ve çeşitlerde Adım (Step) motor örnekleri görülmektedir.
Yapılarını anlayabilmek için bir Adım (Step) motorun kesitini Şekil 1.1’de inceleyelim.
Bir Adım (Step) motor Şekil 1.1’de görüldüğü gibi stator, rotor, bunları kapatan bir dış zarf, rotora bağlışaftın rahat hareket etmesini sağlayan rulmanlardan oluşmuştur.
Adım (Step) motor statorunun birçok kutbu (genellikle sekiz) vardır. Bunların polaritesi elektronik anahtarlar yardımıyla değiştirilir. Rotorun mıknatıslığı ise ya sabit mıknatıs ile veya dış uyartım metodlarıyla oluşturulur. Daha iyi seçiçilik elde etmek için rotor ve stator üzerine küçük dişler açılmaktadır (Şekil 1.2).
Adım (Step) motorlar robot teknolojisinde sıkça kullanım alanı bulmuştur. Ayrıca maliyetinin düşük olması diğer motorlara (servo) karşı bir üstünlüğüdür. Adım (Step) motorların tercih edilmesini ikinci bir nedeni tutma karakteristliğinin robotlarla bağdaşmasıdır.
Adım (Step) motorun çalışma esaslarıŞekil 1.3’te gösterilmiştir. Anahtarlar yardımıyla sargılara enerji uygulandığında rotor enerji uygulanan sargının karşısına gelerek durur. Bu dönme miktarı motorun yapısına bağlı olarak değişir. Bu dönme açısı Adım (Step) motorlarda belirleyici bir parametredir. Adım (Step) motoru sürekli hareket ettirmek istersek sargılara sırasıyla enerji vermeliyiz. Bir sargıya enerji verdiğimizde rotor sargını karşısına gelerek durur. Diğer sargıya eneryi verinceye kadar burada kilitlenir. Bu da Adım (Step) motorların bir özelliğidir.
Adım (Step) motorların özellikleri aşağıdaki gibi sıralanabilir.
- Hata yalnız Adım (Step) hatasıdır.
- Motor bakımı kolaydır.
- Tasarım maliyeti ucuzdur.
- Otomatik kilitleme özelliğine sahiptir.
- Yüke yeterli momenti sağlar.
- Isınma gibi olumsuzluklardan meydana gelebilecek zararlar en azdır.
- Hızı programlama yoluyla ayarlanabilir.
- Mikrobilgisayarlar ile kolayca kontrol edilebilir.
- Çalışma sırasında hızı sabit kalır.
- Kullanım ömrü uzundur.
Adım (Step) motorların kullanıldığı yerleri sıralayacak olursak; bant sürücüleri, imalat tezgâhları, yazıcılar, teyp sürücüleri, tıbbi cihazlar, makine tezgâhları, dikiş makineleri, taksimetreler, kart okuyucular vb. olarak sayılabilir.
Sonuç olarak Adım (Step) motorlar; her türlü denetlenmiş hareket ve pozisyon gerekli olan yerlerde, dijital bilgileri mekanik harekete çeviren bir eleman (transduser) olarak görev yapar.
Adım (Step) motor seçiminde birçok kıstas mevcuttur. En iyi seçimi yapabilmek için ekonomik olmasını yanında kapsamlı mekanik yapı, yükün durumu ve elektronik sürücü devre ihtiyaçlarını göz önüne alınması gerekir. En basit seçim motorun tork ihtiyacı bakımından verimliliği esas alınarak yapılandır.
1.2. Adım (Step) Motorların Çeşitleri
Adım (Step) motorlar yapılarına göre5 çeşittir.
-
- Sabit mıknatıslı Adım (Step) motorlar (PM)
- İki fazlı sabit mıknatıslı iki fazlı Adım (Step) motor
- Orta uçlu sargılara sahip sabit mıknatıslı Adım (Step) motor
- Disk tipi sabit mıknatıslı Adım (Step) motor
- Dört fazlı sabit mıknatıslı Adım (Step) motor
- Değişken relüktanslı Adım (Step) motorlar (VR)
- Tek parçalı
- Çok parçalı
- Sabit mıknatıslı Adım (Step) motorlar (PM)
- Hybrid Adım (Step) motorlar
- Hidrolik Adım (Step) motorlar
- Lineer Adım (Step) motorlar
1.2.1. Sabit Mıknatıslı Adım (Step) Motorlar
1.2.1.1. Sabit Mıknatıslıİki Fazlı Adım (Step) Motor
En basit olarak sabit mıknatıslı Adım (Step) motoru, oyuklu dört kutuplu statör içinde dönen iki kutuplu sabit mıknatıslı rotordan meydana gelmiştir. Böyle bir Adım (Step) motorun yapısı Şekil-1.4’te verilmiştir.
Bu motorun çalışması, temel çalışma esaslarında açıklandığı gibidir. Birinci sargıya (faz 1’e) gerilim uygulandığında rotor, bu sargıların karşısında duracak şekilde hareket eder.
Birinci sargı gerilimi kesilip ikinci sargıya (faz 2’e) gerilim uygulandığında rotor, bu kez ikinci sargıların karşısında olacak şekilde döner ve durur. Bu Şekilde 90°lik dönme tamamlanmıştır.(birinci Adım (Step)=360º:4=90º)
Dönmenin devamı için bu kez faz 1’e uygulanacak 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.
1.2.1.2. Orta Uçlu Sargılara Sahip Sabit Mıknatıslı Adım (Step) Motor
Faz 1 ve faz 2’ye uygulanacak gerilimi değiştirmenin en kolay yolu orta uçlu (merkez uçlu) sargı kullanmaktır (Şekil 1.5). Çünkü orta uca göre yan uçlara uygulanacak aynı gerilim birbirinin zıttı manyetik alanlar oluşturur. Ayrıca iki fazlı orta uçlu bobinlere sahip Adım (Step) motora, orta uç üzerinden ayrı ayrı gerilim uygulanırsa dört fazlı motor gibi çalışması sağlanabilir. Bu durum uyartım yöntemlerinde anlatılacaktır.
Adım (Step) motorun sargılarına uygulanacak gerilim yönüne göre rotorun hareketi saat ibresi yönünde (CW) veya saat ibresinin tersi yönünde (CCW) gerçekleştirilebilir. PM motorun statör sargıları DC kare dalga ile sürülür. Kare dalga darbeler ard arda uygulanacak olursa rotor, normal motorlarda olduğu gibi sabit hızda döner.
Orta uçlu sabit mıknatıslı bir Adım (Step) motorun en basit kontrolü Şekil 1.5 ile gerçekleştirilebilir. Adım (Step) motorun çalışması için S1, S2, S3 ve S4 anahtarları üzerinden Faz 1 ve Faz 2 sargılarına sırası ile uygun faz ve gerilim uygunlanmalıdır. Devrede kullanılan motorun 90°’lik Adım (Step)larla dönmesini istersek Tablo 1.1’de verilen dört değişik çalışma durumunu (kodlarını ) ard arda uygulamalıyız.
| Kod | S1 | S3 | S2 | S4 |
| 1 2 3 4 | 0 1 1 0 | 0 0 1 1 | 1 0 0 1 | 1 1 0 0 |
Şekil 1.6’daki anahtarların dört değişik çalışma durumunu (kodunu) veren Tablo 1.1 ve bu kodlara göre rotorun hareketleri Adım (Step) Adım (Step) çizilmiştir (Şekil 1.6). Bu şekiller üzerinden S1, S2, S3 ve S4 anahtarlarının kapalı (1) açık (0) oluşlarına göre motorun iki kutup arasında 90º lik Adım (Step)larla ve saat ibresinin tersi yönünde (CCW) nasıl döndüğü görülmektedir.
İlk Adım (Step) yani kod 1 için S2 ve S4 anahtarları kapatılır. Faz 1ve Faz 2 sargılarına uygulanan gerilim sonucu rotor, Şekil 1.6’daki kod 1 çalışmasını tamamlar ve durur. S4 anahtarı kapalı iken S2 açılıp S1 kapatılırsa rotor bu kez kod 2 çalışmasını tamamlar yani 90º döner ve durur. Kod 3 çalışması için S1 anahtarı kapılıyken S4 açılıp S3 kapatılır. Aynı şekilde kod 4 çalışması için ise S3 kapalıyken S1 açılıp S2 kapatılmalıdır.
Anahtarlar bu sırayla değiştirilmeye devam edildiğinde rotorda dönmeye devam edecektir. Adım (Step) motorun çalışma durumları değiştirilmeye devam edildiği sürece buna bağlı olarak da motor dönmeye devam edecektir. Adım (Step) motorun çalışma durumlarınını değiştirmesinde sadece bir anahtarın değiştiğine dikkat ediniz. Bu durum, rotorun eşit Adım (Step)larla ve aynı yönde dönmesini sağlar.
1.2.1.3. Disk Tipi Sabit Mıknatıslı Adım (Step) Motor
Rotoru ince ve mıknatıslığı seyrek olacak şekilde yapılan Adım (Step) motorlara disk tipi sabit mıknatıslı Adım (Step) motor denir.
Şekil 1. 7: Disk tipi Adım (Step) motorun yapısı
Disk şeklindeki rotorun ince oluşundan dolayı, bu disk üzerine 100’ün üzerinde sabit manyetik kutuplar yerleştirilir. Bu manyetik kutuplar sadece diskin kenarlarına yerleştirilirse bile yeterli olacaktır. İlk üretilen Adım (Step) motorlar 30’ar derecelik açıyla kontrol edilebiliyordu (Şekil 1.7).
Disk tipi sabit mıknatıslı Adım (Step) motorun özelikleri şunlardır.
- Ağırlık olarak diğerlerine göre %60 daha hafif ve boyut olarak yarı büyüklüğüne sahiptir.
- Disk, anti manyetik bir yere monte edilerek rotor olarak çalışması sağlanmıştır.
- Disk Şekil 1.7’de görüldüğü gibi ‘N’, ‘S’ şeklinde birbirinin zıttı olarak mıknatıslandırılmıştır.
1.2.1.4. Dört Fazlı Sabit Mıknatıslı Adım (Step) Motor
Şekil 1.8’de görülen sabit mıknatıslı Adım (Step) motorun dört fazı ve her faza ait iki kutup bulunmaktadır. Motorun Adım (Step) açısı 45° dir. Buna göre dört fazlı sabit mıknatıslı Adım (Step) motorun çalışmasınışu şekilde açıklayabiliriz.
Sabit mıknatıslı Adım (Step) motorun 180°’lik hareket yapması için faz sargıları 1,4, 3, 2 sırasıyla enerjilendirilir. 1. faz enerjilendirildiğinde I1 akımı 1’ deki kutup sargılarından geçerek devresini tamamlar. Rotorun N kutbunun karşısındaki statör kısmı S ile kutuplandırılır. Rotorun S kutbunun karşısındaki statör kısmı N ile kutuplandırılır.
Birinci fazın enerjisinini kesilip dördüncü faz enerjilendirildiğinde I4 akımı 4’ ve 4 nu lu kutup sargılarından geçerek devresini tamamlar. 4 nu lu kutbun altı S ile 4’ kutbunun üstü N ile kutuplanır. Böylece rotor 4-4’ statör kutupları hizasına gelerek 45° lik hareket gösterir
Dördüncü fazın enerjisi kesilip üçünçü faz enerjilendirildiğinde rotor 45° lik hareketle 3-3’ statör kutupları hizasına gelir.
Üçüncü fazın enerjisi kesilip ikinci faz enerjilendirildiğinde rotor 45° lik hareketle 22’ statör kutupları hizasına gelir.
Böylece rotor 180° lik hareketini tamamlamış olur.
1.2.2. Değişken Relüktanslı Adım (Step) Motorlar
Değişken relüktanslı Adım (Step) motorlarında da sabit mıknatıslı Adım (Step) motorlarda olduğu gibi en az dört kutuplu statör bulunur. Sabit mıknatıslı Adım (Step) motorlarından tek farkı ise rotorun, sabit mıknatıs yerine artık mıknatıslık özelliği göstermeyen olması ve dişler açılmış yumuşak demirden imal edilmesidir. Dişler, silindir eksenine paralel olarak açılmış oluklarla şekillendirilmişitir. Şekil 1.9’da üç fazlı değişken relüktanslı Adım (Step) motorunun yapısı görülmektedir. Statördeki diş sayısının rotordaki diş sayısından fazla olduğu şekilden görülmektedir. Örnekteki statorda 12 diş (kutup), rotorda ise 8 diş (kutup) bulunmaktadır. Stator kutupları arasındaki merkez açı 30º (360:12=30º ) olduğu halde rotor kutupları arasında merkez açı 45º (360:8=45) olmaktadır.
• Çalışması
Faz 1’e ait seri bağlı dört sargıya DC 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 kutupları karşısında değildir. Bu durum şekilde görülmektedir.
Faz 1enerjisini kesip faz 2’ye uygularsak bu kez statorda faz 2 bobinleri etrafında meydana gelen manyetik alan kutupları, rotorun faz 1 karşısındaki kutuplarını kendine çeker. Böylece rotorun dönmesi sağlanır
Üç fazlı (üç sargılı) sistemlerde rotorun devamlı dönmesi için stator argıları ard arda enerjilendirilmelidir. Faz 2 enerjisi kesilip faz 3’e uygulandığında bu kez rotor kutupları statordaki faz 3 sargılarının bulunduğu kutupların karşısına gelecek şekilde döner ve durur. Rotorun dönme yönü (saat ibresi yönü veye tersi) fazlara uygulanacak gerilimlerin yönüne bağlıdır.
Değişken relüktanslı motorlarda rotor, hafif ve küçük boyutlu yapılır. Rotor ölçülerinin küçük olması eylemsizlik momentinin de küçük olmasını sağlar. Bunun sonucu fazlara uygulanan gerilim meydana getireceği moment sebebiyle rotor çok hızlı hareket eder. Değişken relüktanslı motorların harekete başlama, durma ve dönme adımları sabit relüktanslı adım motorlarından daha hızlıdır.
Değişken relüktanslı adım motorlar iki çeşittir.
a) Tek parçalı değişken relüktanslı adım motorlar: Statör kutupları tek parçadan oluşan adım motorlardır.
Stator ve rotorları tek dişli olarak yapılan adım motorlara tek parçalı VR adım motor denir. Tek parçalı adım motor kesiti Şekil 1.10,da görülmektedir.
Rotorun başlangıç pozisyonu:
Birinci faz enerjilenirse rotor dişlileri 1. 4. 7 ve 10 numaralı stator dişlilerinin karşısına gelir (Şekil 1.10 b).
Birinci adım:
Üçüncü faz enerjilendiğinde rotor dişlileri 2,5,8 ve 11 numaralı stator dişlilerinin karşısına gelir (Şekil
1.10 c).
Rotor hareketi saat ibresi yönünde 7.50 dir.
İkinci adım:
İkinci faz enerjilendiğinde rotor dişlileri 3,6,9 ve 12 numaralı stator dişlilerinin karşısına gelir ( Şekil 1.10 d).
Rotor hareketi saat ibresi yönünde 7,50 dir. Toplam rotor hareketi 150 dir.
Üçüncü adım:
Birinci faz enerjilendiğinde rotor dişlileri 1,4,7 ve 10 numaralı stator dişlilerinin karşısına gelir (Şekil
1.10 e).
Rotor hareketi saat ibresi yönünde 7,50 dir. Toplam rotor hareketi ise 22,50 dir.
Rotorun hareketinin saat ibresi yönünde devam etmesini istiyorsak 1, 3 ve 2 numaralı fazları sırasıyla sürekli olarak enerjilendirmeliyiz.
b) Çok parçalı değişken relüktanslı adım motorlar
Üç fazlı değişken relüktanslı adım motor tasarımıŞekil 1.11’de verilmiştir. Rotor 12 dişli olarak yapılmıştır. Stator ise her kutupta üç dişli olmak üzere dört kutuptan ve böylece 12 dişliden oluşmuştur.
Şekil 1.11’de görüldüğü gibi stator dişlilerinin arası 10 ve her kutupta üç diş, her faz üç kutuptan oluştuğu için bir fazda toplam 12 ve üç faz için toplam 36 kutup bulunmaktadır. Buna göre kutuplar arasındaki açı 360/36=10° olarak bulunur.
1.2.3. Hybrid Adım Motorlar
Hybrid adım motorlar sabit mıknatıslı ve değişken relüktanslı adım motorların birleştirilerek geliştirilmişşeklidir. Resim 1.2 ’de hybrid adım motorlar görülmektedir. Resim 1.3’te hybrid adım motorun parçaları görülmektedir.
Hybrid adım motorlarda rotor, sabit mıknatıslı olup çeşitli dişli (kesit) sayısında yapılmaktadır. Ayrıca her bir dişli (kesit) üzerinde de çeşitli sayıda dişler bulunmaktadır. Bu dişlilerin arası diskler yardımıyla yalıtılmıştır. Resim 1.3 a’da dört dişli (kesit) ve iki dişli (kesit) adım motor rotorları görülmektedir.
Hybrid adım 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. Resim 1.3 b’de boş stator ve sargıları görülmektedir.
(b) Resim 1.3: Hybrid adım motorun rotor ve stator kesitleri
Resim 1. 4’te şafta (mile) paralel olarak kesiti yapılmış hybrid tipi adım motor şekli verilmiştir. Şekil 1.12’de verilen adım motorun A ve B kesitlerinde rotor dişli sayısı 30, stator dişli sayısı 24 veadım açısı 3? dir. İki fazlı hybrid adım motorun, birinci faz 1,3,5,7 ve ikinci faz 2,4,6,8 kutuplarına yerleştirilir.
Çalışması: Şekil 1. 12’de gösterilen N ve S kutuplarından müteşekkil sayılar sırasıyla enerjilenerek motor uyarılır. Saat ibresi yönü (CW) için faz uçlarıŞekil 1. 13’te görüldüğü gibi 1+, 2-, 1-, 2+, 1+ şeklinde beslenir. Birinci faz ve ikinci faz sargılarının enerjilenme sırası motorun dönüş yönünü ayarlar. Faz sargılarına 1+ düz gerilim, 1-ise ters gerilim uygulandığını gösterir.
Adım 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 1.12’de verilen adım motorun birinci faz sargıları enerjilendiği zamanki manyetik akının takip ettiği yol Şekil 1.13’te gösterilmiştir. Manyetik akının 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.
1.2.4. Hidrolik Adım Motorlar
Bir hidrolik motora ait servo valf ’inin basınç giriş yolunu translatörlerle (dönebilir lineer çeviriciyle) kontrol eden adım motorlara hidrolik adım motor denir. Kısaca hidrolik motorun basınçlı yağ yolunu denetlemek suretiyle şaftın hareketini ve yönünü tayin eden adım motorlara hidrolik adım motor denir. Hidrolik adım motorlara elektro–hidrolik adım motorlar da denilmektedir.
Şekil 1.14’te kesiti görülen hidrolik adım motor başlıca şu parçalardan oluşmaktadır;
- Adım motor
- Hidrolik motor
- Valf
- Translatör
- Elektronik konnektör
1.2.5. Lineer Adım Motorlar
Mekanik hareketi dairesel bir hareket olmayıp 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 tür motorların tasarımı yapılırsa motor bir gövde üzerinde iki tane ortogonal elektromanyetik alanı içerir. Bu alanı tamamlamak için demir nüve kare şeklinde yapılır. Böylece iki eksenli lineer adım motor oluşturulur.
Bu tip adım motorlara örnek olarak 1969 yılında Kaliforniya’da gerçekleştirilen sawyer adım motoru gösterilebilir. Resim 1. 5’te lineer adım motorlar ve sürücüleri görülmektedir.
Bu motor iki ana mekanik bileşenden oluşur. Birinci mekanik bileşen, gücü oluşturan hareketli armatürdür. Armatürün statora sabitlendiği (demir nüve) kısım ikinci bileşendir (Şekil 1. 15). 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 üstünlüklere de sahip değildir.
Şekil 1.15’te gösterildiği gibi lineer adım motor, sabit mıknatıs (PM) ve dört kutuplu iki elektromıknatıs (EM) oluşur.
• Çalışması
Manyetik 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. Ayrıca oluklar arasındaki boşluklar manyetik olmayan maddeler tarafından doldurulmuş olup ve bu düz yüzeyler manyetik 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 1.16 a 3. ve 4. kutuplar). Eğer akım elektromıknatıslar tarafından anahtarlanırsa bu durumda değişim olur. Genel olarak sabit mıknatıs tarafından oluşturulan akım manyetik alan sargılarında üretilen akıma yaklaşık olarak eşittir. Yani akım değiştiğinde manyetik akı maksimumdan sıfıra kadar değişir.
Elektromanyetik 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 tarafında değiştirilir. Sonuç olarak böyle teğetsel kuvvet, elektromanyetik alan ve demir nüve boyunca hareket eder ayrıca elektromanyetik alan ile demir nüveyi birbirine doğru çeken ve hava aralığı için bir ön yük oluşturan kuvvet vardır.
Şekil 1. 16 (a-d) yukarıda anlatılan işlemleri göstermektedir. Her bir şekilde akım ve manyetik akının yönleri oklarla gösterilmiştir. Eğer elektromıknatısta manyetik alan oluşursa maksimum akı yoğunluğu ikinci kutupta aynı hızda oluşur ve bu Şekil 1. 16 a’da gösterilmiştir.
Elektromanyetik 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 gelirken dişin sağa hareketi dörtte bir olarak gerçekleşir. Burada motor ve elektromanyetik alan ilişkisi Şekil 1.16 b’de gösterilmiştir.
Eğer EMB enerjilendirmez EMA enerjilendirilirse (Şekil 1.16 a’da gösterilen akımın zıt şekli) hareket tekrar sağa doğru olur. Bu durumda birinci kutbun akı yoğunluğu maksimum ikincininki minimumdur. (3. ve 4. kutuplara ise PM uygulanmıştır.) Bu andaki EM alanıŞekil 1. 16c’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 1.16a’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.
Elektromanyetik alanın demir nüve ile olan bu pozisyonlarında akımın her peryot boyunca yukarıda tanımlandığı gibi değişmesi bu iki arasındaki ilişkiyi açıkça gösterir. Bu durumda lineer adım motorlar kutup dişleri tarafından bir full adım rezolüsyonuna sahiptir. Tipik bir örnek olarak bu değer 0.04’tür. Yani Şekil 1.16a’da gösterilen sıralı hareket, her dörtte bir hareket için bu değer 0,01’dır. Bu hareketler bazen kardinal adım olarak adlandırılır. Adım basamakları arasında daha iyi rezolüsyon elde etmek için full-adım modunda çalışmada bu dörtte bir hareketler arasında bir akım değeri bulamamak mümkündür.
Daha öncede anlattığımız gibi lineer adım 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 adım motor kontrolü için istenilen rezolüsyonda kullanılması daha iyidir. Ayrıca motor sürücü devresi için çizilen hız-kuvvet eğrisi motorun işlem hızı üzerindeki gerekli kuvvetleri üretebilecek durumda olmalıdır.
Lineer adım motorlarda yukarıda anlatılan aynı özellikler görülür ve senkronize kayıpları adım 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 haricî kuvvetlerin giderilmesi gerekir. Eğer armatür hareketini engelleyen bu kuvvetlerin etkisi giderilmezse motorun senkronize kayıpları çok olacaktır.
Micro adım 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.
Lineer adım motorların en büyük üstünlükleri:
- Yüksek güvenliği bulunmaktadır.
- Gerekli işlemleri yerine getirmek için az ve basit devre elemanlarından oluşur.
- Uzun mesafeler arasında yüksek hızla hareket ederken, yüksek hassasiyete sahip olmalarıdır.
- 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 mahzurları yanında, gerekli elektronik sürücüler osilasyonu ve senkronize kayıtları azaltır. Ayrıca kuvvet azalması dahil hız artışını sağlar. Lineer adım motoru ticari endüstriyel robotlarda kullanılmazlar. Bununla birlikte bunların maliyeti düşürülürse bu tür direkt sürücü motorlar minimum eleman kullanarak güvenilir uygulama alanları bulunabilir.
1.3. Adım Motorların Çalıştırılma Şekilleri ve Teknikleri
Adım motorlar çalışmalarında olduğu gibi uyartımda da fazla esnekliğe sahiptirler. Bu esneklik, maksimum çıkış güç, maksimum etki, maksimum tepki ve minimum giriş gücünde olmaktadır.
1.3.1. Başla-Dur Adımlama Oranı
Motor sargılarının sadece birisinin uyarıldığı uyartım cinsine tek-faz (Single Coil) uyartım denir. Uyartım CW (saat yönü) için 1000,0100,0010,0001 şeklinde CCW (saat yönünün tersi) için 0001,0010,0100,1000 şeklinde olmalıdır.
| Adım | Faz 1 | Faz 2 | Faz 3 | Faz 4 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 4 | 0 | 0 | 0 | 1 |
1.3.2. Düzgün Hız
Motor sargılarının ikisinin sıra ile aynı anda uyarıltığı uyartım şekline denir. İki faz uyartımda rotorun geçici durum tepkisi tek-faz uyartıma göre daha hızlıdır ancak burada güç kaynağından çekilen güç iki katına çıkmıştır.
| Adım | Faz 1 | Faz 2 | Faz 3 | Faz 4 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 2 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 4 | 0 | 0 | 1 | 1 |
23
1.3.3. Rampalama
Bu uyartım modunda tek faz ve iki faz ard arda uygulanır. Burada rotor herbir uyartım sinyali için yarım adımlık bir hareket yapmaktadır. Bu uyartım modu sayesinde, örneğin fabrika çıkışı 2 derece olan bir motorun adım açısını 1 dereceye düşürmüş oluruz.
| Adım | Faz 1 | Faz 2 | Faz 3 | Faz 4 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 3 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 4 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 5 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 6 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 7 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 1 |
1.3.4. Diğer Uyartım Yöntemleri
Adım motorların uyartım metotları faz sayısına göre şöyle sıralanabilir.
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 adım motorun sargılarına uygulanacak gerilimin yönüne göre rotorun hareketi,
CW : Saat ibresi yönünde CCW : Saat ibresi tersi yönünde döndüğünü ifade etmektedir.
1.3.4.1. İki Fazlı Motorların Çalışma Şekilleri
Bazı adım motorlarda Şekil 1. 17’de görüldüğü gibi iki faz sargısı (stator sargısı) bulunur.
Şekil 1. 17’de her iki sargının da (fazın) 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.
a) İki faz uyartım modu: Bu çalışma şeklinde sargılara gerilim, dış uçlardan ve yönü değiştirilerek uygulanılır. Bunun sonucunda rotor, Şekil 1.17’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 1.17’de verilen pozisyon ve yönde dönecektir.
1.3.4.2. Üç Fazlı Motorların Çalışma Şekilleri
Üç fazlı adım motorlar bağımsız üç sargıdan meydana gelir. Üç fazlı motorun, uyartım ve düzeltme modunda saat ibresinin tersi yönünde 60? adımlarla hareket etmesi için Şekil 1. 18’de verilen tabloda belirtilen sargılara sırayla gerilim uygulanmalıdır.
a) Üç faz uyartım modu: Bu metot adım motorlarda çok kullanılan bir sistemdir. Bu çalışma şeklinde üç faz, Şekil 1. 18’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 1.18).
1.3.4.3. 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 adım motor Şekil 1. 19’da verilmiştir. Dört fazlı motorun, uyartım ve düzeltme modunda saat ibresi yönünde 90? adımlarla hareket etmesi için Şekil 1. 19’da verilen tabloda belirtilen sargılara sırayla gerilim uygulanmalıdır.
1.4. Adım Motor Sürücü Devreleri Yapısı ve Çalışması
Adım motorları istenilen yönde ve hızda çalıştırmak istendiğinde sargılarına belli bir sırada darbeler uygulanmalıdır. Adım motorun kaç adım atacağı uygulanan darbelere bağlıdır. Fazlara uygulanacak darbeler (palsler-gerilimler) basit olarak bir anahtarlama sistemi ile yapılabilir. Bu işlemi yapan devrelere sürücü devresi veya kontrolor denir. Günümüzde elektronik devreler ile bu işlem çok kolay bir şekilde yapılmaktadır. Adım motorların ve kullanılacak yerin özelliğine göre hazırlanmış mikroişlemci kontrollü sürücü kartları mevcuttur. Bu kartlar sayesinde adım motorların istenilen hızda ve istenilen hassasiyette çalıştırmak mümkündür.
Bir adım motor sürücü devresinin blok diyagramıŞekil 1. 20’de verilmiştir.
Adım motorların sürülebilmesi için 2 temel noktaya dikkat etmek gerekmektedir. Bunlardan birincisi motorun bağlanacağı sürücü devresinin olmasıdır. İkincisi ise bu sürücü devresi yardımıyla motorun doğru sargılarına gerekli tetiklemeleri gönderebilmektir.
Sürücü devresini hazır alabileceğimiz gibi amatör uygulamalar için ileriki konularda anlatılan devreler gibi bir devreyi de kendimiz yapabiliriz. Sürücüyü tetiklemek için elektromekanik anahtarlar kullanabileceğimiz gibi bilgisayarın seri veya paralel portunu uygun bir yazılımla kullanabiliriz. Ayrıca günümüzde sanayide kullanılan adım motorlar için mikroişlemci kontrollü sürücüler ve bu işler için özel olarak tasarlanmış PLC’leride bulunmaktadır.
