Adım Motoru ile Konum Kontrolü

Bu çalışmada ELK324 kodlu Küçük Elektrik Makinaları ve Uygulamaları dersi için “Adım Motoru ile Konum Kontrolü” konusu irdelenmiş ve raporlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda adım motorları çalışma prensibi, kullanım alanları ve konum kontrolü konularına değinilmiştir.

1. GİRİŞ

Hassas hareketlerin gerekli olduğu sistemlerde ihtiyacı karşılamasından ötürü kullanımı oldukça yaygın olan adım motorları, birçok cihazda konum denetimi amacıyla kullanılmaktadır[1]. Aşağıda bu motorlar ile konum kontrolünün nasıl gerçekleştiği incelenmiştir.

2. ADIM MOTORU

Hareketini adımlar halinde dönerek gerçekleştiren ve bunu girişlerine uygulanan darbe sinyalleriyle yapan motorlardır. Değişken relüktanslı, sabit mıknatıslı, hibrid, lineer ve hidrolik olmak üzere 5 çeşit adım motoru bulunmaktadır. Adım motorlarının genel yapısında ise; stator, rotor, dış zarf ve rulman bulunmaktadır[2].

Şekil-1: Adım Motoru Yapısı

2.1. Çalışma Prensibi

Darbe sinyalleriyle sürülen adım motorları, bu sinyallerin rotor ve statorda oluşturduğu polarite değişikliği sonucu hareketini gerçekleştirir. Motorun hareketi, motorun adım açısı ve uygulanan darbe sayısına göre değişir.

Şekil-2: 8 kutuplu adım motorunun besleme devresi

Şekil-2 ‘de görüldüğü üzere 1 numaralı anahtar(SW1) kapatıldığında rotor 1 numaralı sargı ile aynı hizaya gelir. Diğer anahtarlar sırasıyla açılıp kapandığında rotor bu sıraya bağlı olarak dönme hareketini gerçekleştirir.

2.2. Avantaj ve Dezavantajları

Dijital sinyallerle çalıştırıldıkları için bilgisayar kontrolü ile motorun çalışma şekli ve hızı ayarlanabilir. Fiziksel ve elektriksel açıdan oldukça dayanıklı oldukları görülmüştür. Basit mekanik yapıları vardır.

Avantajları olduğu gibi bu motorlarda gözlemlenen sabit adım açıları, salınımlı adım cevapları, açık çevrimde sürünmeden kaynaklı konum hataları ve hız sınırları sahip oldukları dezavantajlardan birkaçıdır[3].

2.3. Kullanım Alanları

Dijital elektronikteki ve mikroişlemci teknolojisindeki gelişmelerle birlikte kullanımı artan adım motorları, endüstride birçok kontrol sistemlerinde hassas konum kontrolü yapmak amacıyla kullanılmaktadır. Özellikle kart okuyucular, yazıcılar ve disk sürücüsü gibi bilgisayar donanımında bu motorlar kullanılmaktadır. Ayrıca milimetrik hareket kontrolü gerektiren robotik sistemlerde tahrik elemanı olarak tercih edilmektedir[4].

3. ADIM MOTORU KONTROLÜ

Adım motor kontrolü uyartım türü, denetim türü, sargı çeşidi ve sürücü tipleri seçilerek yapılmaktadır.

3.1. Uyartım

Adım motorlarının hareketleri onlara uygulanan darbe sinyalleri ile kontrol edilir. Bu sinyallerle bir veya birden fazla anahtarın kapatılması ve motor sargılarına gerilim verilmesi olayına uyartım denir. Tek-Faz, İki-Faz ve Karma olmak üzere 3 uyartım çeşidi vardır[4].

3.1.1. Tek-Faz Uyartım

Bu uyartım türünde adından da anlaşılacağı üzere tek bir motor sargısına gerilim uygulanır. Rotorun hareketi için gerilim uygulanan motor sargısı istenilen hıza bağlı bir devirde değiştirilir, fakat aynı anda sadece bir motor sargısında gerilim gözlemlenir. Bu metotta rotor her sinyal için bir tam adımlık hareket gerçekleştirir.

Şekil-3: 4 Fazlı Adım Motorunda Tek-Faz Uyartım 

3.1.2. İki-Faz Uyartım

Bu uyartım türünde aynı anda iki anahtar açık konumdadır, yani iki motor sargısında gerilim gözlemlenir. Bu metotta rotorun tepkisi tek-faz uyartıma göre daha hızlıdır fakat aynı anda iki motor sargısı beslendiği için güç kaynağından çekilen güç tek-faz uyartımda çekilenin iki katıdır.

Şekil-4: 4 Fazlı Adım Motorunda İki-Faz Uyartım

3.1.3. Karma Uyartım

Bu uyartım türünde ise önceki iki yöntem birlikte kullanılır. İlk adımda tek motor sargısında gerilim varken ikinci adımda iki sargıda gerilim bulunur. Kapalı anahtar sayısı sırasıyla 1-2-1-2 şeklinde ilerleyerek rotorun yarım adımlık bir hareket yapmasını sağlar.

Şekil-5: 4 Fazlı Adım Motorunda Karma Uyartım

3.2. Denetim

Motorların denetleyicilerden aldıkları sinyallere uygun bir hareket gerçekleştirip gerçekleştirmediğinin kontrolüne denetim denir. Motorlarda bu hareketi gelen sinyalle karşılaştırabilen bir birim yoksa sistemde açık döngü denetim, böyle bir birim varsa sistemde kapalı döngü denetim vardır.

Sistemlerdeki denetim bağlantılı birimlerin yer aldığı blok diyagramı ile gösterilir.

3.2.1. Açık Döngü Denetim

Açık döngülü denetimde motorun konumunu denetleyiciye bildiren bir birim yer almadığı için motorun gönderilen tüm komutları yerine getirmediği varsayılır. Bu durumda geçici hataların önüne geçilememekle beraber kalıcı hatalar yaşanmaması için motor yükünün en büyük olduğu durumdaki hata yapılmayan en yüksek hızın belirlenmesi ve bu hızın aşılmamalıdır.

Şekil-6: Açık Döngü Denetim Blok Diyagramı

3.2.2. Kapalı Döngü Denetim

Kapalı döngü sistemlerde rotorun anlık konumu algılanarak kontrol ünitesine iletilir ve bir sonraki komut, önceki komutun gerçekleştirildiği bilgisi alınarak verilir. Bu sistemlerde motora verilen pozisyon komutunun uygulanıp uygulanmadığı bilinebildiği için motor ile denetleyici arasında adım kaybı olmaz.

Aynı zamanda bu sistemde denetim birimi, adım motoru istenilen pozisyona geldiğinde kontrol ünitesini uyararak yeni bir adım komutu üretilmesini engeller. Bu sistem motorun yük durumunu göze alarak uyartım sürelerini ve hızını optimize eder.

Şekil-7: Kapalı Döngü Denetim Blok Diyagramı

3.3. Kullanılan Sargılar

Unipolar ve bipolar olmak üzere iki çeşit sargı kullanılır. Unipolar adım motorunda sargılardan tek yönde akım akıtılırken, bipolar adım motorlarında çift taraflı akım akabilmektedir.

Bipolar motorların akım yönleri değişebildiği için unipolar motorlara göre daha karışık sürücü devreleriyle sürülür. Fakat bipolar motorlarda aynı sargı alanında tek bobin bulunurken, unipolar motorda iki bobin bulunduğundan bipolar motorlarda kullanılan teller unipolar motordakine göre daha kalındır, yani daha fazla akım taşıyabilirler.

Şekil-8: Bipolar Motorda Manyetik Akı-Akım Yönleri

Şekil-9: Unipolar Motorda Manyetik Akı-Akım Yönleri

3.4. Sürücü Sistemleri
Adım motorlarında kullanılan sürücü devreleri, motorların istenilen hız ve torkta çalışması için aşağıdaki 3 temel sürücüden esinlenerek tasarlanır[1].
3.4.1. L/R Sürücüsü
Bu sürücü tipinde motor öngörülen voltaj ve akım değerlerinde çalıştırılır. Sargılardaki endüktif etkiden dolayı motorun hızlanması gerekirken motor o akım değerine ulaşamayacağı için bu sürücünün yüksek hızlarda kullanımı verimsizdir.
3.4.2. L/nR Sürücüsü
Bu tipte ise motor sargılarına seri direnç bağlanır ve akım artışına etkisi olan zaman sabiti küçültülür. Motor öngörülen gerilim değerinin n katı gerilimde çalışır. Gerilimdeki artış motor hızının artmasını sağlar, fakat aynı zamanda gereksiz güç tüketimine sebep olur.
3.4.3. Chopper Sürücüsü
Chopper sürücüsünde diğer sürücülere göre akımın daha hızlı yükselmesinin sebebi motorun daha yüksek bir gerilimle beslenmesidir. Bu sürücü, artan akımın motora zarar vermemesi için akım sınırlama mekanizmasına sahiptir. Bobine giden akım, bobine seri bağlı akım sınırlama (sense) direnci üzerindeki gerilimin bir komparatörle karşılaştırılmasıyla ayarlanır. Yüksek hızlarda tam tork ile çalışabildiği gözlemlenmiştir.
3.4.4. Örnek Sürücü Devreleri
Aşağıda devre örnekleri verilmiş ve bir tanesi detaylı olarak incelenmiştir.
  • NPN Tranzistörlü Unipolar
  • ULN2003 Entegresi ile Unipolar
  • MOSFET Tranzsitör Unipolar
  • UCN5804B Entegresi İle Unipolar
  • Tranzistörlü Bipolar
  • L297+L298 Entegreli Bipolar

3.4.4.1. NPN Tranzistörlü Unipolar Adım Motoru Sürücü Devresi

Şekil-10: NPN Tranzistörlü Unipolar Adım Motoru Sürücü Devresi Tasarımı

Devrede kullanılan NPN Tranzistörler anahtarlama elemanı olarak kullanılmaktadır.

Bu adım motorunda tranzistörün Base ucuna +5V gelir. Tranzistör tetiklenir ve Collector-Emetor iletime geçer. Dolayısıyla tranzistörün Collector ucuna bağlı kablolar sırayla toprağa ulaşarak motorun adım hareketi gerçekleştirmesini sağlar.

Her adım hareketinde oluşacak olan ters EMK’dan tranzistörleri korumak için diyot kullanılır[4].

4. SONUÇ

Yukarıda incelenen adım motoru ile konum kontrolü konusunda çalışmalar göstermiştir ki, bu mekanizmalarla adım motorunun konum kontrolü tek bir parametreyle yapılmaz. Gelişen teknoloji ile endüstride kullanım alanları daha da gelişecek olup daha komplike yapılara sahip olması beklenmektedir.

5. KAYNAKLAR

[1]Step Motor ve Sürülmesi, MEGEP, 2011

[2]Step Motorlar Hakkında Her Şey, Şahin Gezici, www.teknobeyin.com, 2014

[3]Adım Motorları, Yrd. Doç. Dr. Hasan Erdal

[4]Step Motorlar, www.kontrolkalemi.net

 

Hazırlayanlar: 

Gizem Yağmur Kılıç, kilicgize @ itu.edu.tr

Mertcan Sevil, sevilm @ itu.edu.tr

Gizem Yağmur Kılıç

İTÜ Elektrik Mühendisliği

You may also like...

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir