BÖLÜM 1: MOTOR TEORİSİ
Motor için "güç dönüştürücüsü" tanımı yapılabilir. Elektrik enerjisini, hareket enerjisine dönüştürür. Step(Adım) motorları hassas konumlandırma için kullanılan motor çeşididir. Motor gücünü belirtmek için kulllanılan kavramlardan ikisi; tork ve hızdır. Tork ve hız ters orantılıdır. Hız arttıkça tork düşer. "İdeal" bir step motorda sürtünme olmayacağı kabul edilir (tabii böyle bir motor yok). Böyle bir motorda motor torku sargılarından geçen akım ile doğru orantılı olacaktır ve elektriksel olarak sadece endüktans değeri olacaktır. Tork; motorun statorundaki bulunan sargının dönüş sayısı ile bu sargılardan geçen akımın çarpımı ile doğru orantılı olacaktır.
Motorun statorunda üzerine sargılar sarılmış demir bulunur. Bu sargıların üzerinden akım geçtiğinde bir "endüktans" oluşur. Endüktans(L) akım geçtiğinde oluşan ya da depolanan manyetik alan enerjisidir. Endüktansın "endüktif reaktans" adında bir özelliği vardır. Endüktif reaktans, motor hızı yani frekans ile orantılı bir direnç gibi düşünülebilir.
I=V/R olduğundan direnç arttıkça akım azalır. Motor hızı arttıkça, çektiği akım azalır.
Tork; sargı telinin dönüş sayısı ile sargıdan geçen akımın çarpımı ile orantılı olduğundan, ve akım ile hız ters orantılı olduğundan, tork ta hızın tersi olmalıdır. Yani hız arttıkça, tork azalır.
İdeal bir step motorda hız sıfıra yaklaştıkça tork sonsuza ulaşır. Sonsuz hızda da tork sıfır olur.
İdeal motor ile "gerçek" motor arasındaki fark; sargı direncidir. Gerçek motorların sargı direnç değerleri vardır. Ayrıca gerçek motordaki demir manyetik doygunluğa maruz kalır. Bunun yanı sıra girdap akımlarına ve histeriz kayıplarına sahiptir. Manyetik doygunluk akımı (doğal olarak torku) sınırlarken; girdap akımı, histeriz(demir kayıpları) ve sargı direnci(bakır kayıpları) ile birlikte motorun ısınmasında sebep olur.
BÖLÜM 2: HIZ-TORK EĞRİSİ TEMELLERİ
Önceki bölümde, motor torkunun hız ile ters orantılı değiştiği gösterilmişti. Şekil-1 de motorun doğal hız-tork eğrisi gösterilmiştir. Grafikte "Corner speed"(Köşe hızı) olarak adlandırılan kısım motorun çalıştırılması gereken minimum hızı göstermektedir. Bu hızın altında akım, motorun nominal akımının üzerine yükselir ve sonuçta motorun hızı daha da düşürüldükçe yıkıcı seviyelere çıkar.
Şekil 1
Bunu önlemek için sürücü, motor akımını nominal değerle sınırlayacak şekilde ayarlanmalıdır. Tork akımla orantılı olduğundan, motor torku sıfır hızdan köşe hızına kadar sabittir. Köşe hızının üzerinde motor akımı, motorun endüktif reaktansı ile sınırlıdır.
şekil 2
Sonuç olarak, sıfır hızından motorun doğal yük çizgisi ile kesişene kadar sabit torku içeren iki parçalı bir hız-tork eğrisi Şekil-2 de gösterilmiştir; bu, motorun sabit güç bölgesinde olduğu köşe hızı olarak adlandırılır.
Gerçek bir step motor, ideal hız-tork eğrisini değiştiren kayıplara sahiptir. En önemli etki, "Detent"(Tetik) torkunun katkısıdır. "Detent" tork genellikle motor veri sayfasında belirtilir. Motor dönerken her zaman bir kayıp vardır ve bunun üstesinden gelmek için tüketilen güç hız ile orantılıdır. Diğer bir deyişle, motor ne kadar hızlı dönerse, kilit(Detent) torku o kadar büyük olur, motorun çıkış milinde güç kaybına neden olur. Bu güç kaybı, hız ile orantılıdır ve köşe hızını geçen ideal, düz çıkış gücü eğrisinden çıkarılmalıdır. Bu şimdi pratik bir hız-tork eğrisi oluşturur.
Figür 3
Şekil 3'te, kilit torkundan ve diğer kayıplardan kaynaklanan sabit tork kaybı nedeniyle güç çıkışının hızla nasıl azaldığına dikkat edin. Aynı etki, sabit tork bölgesinde de hız ile torkta hafif bir azalmaya neden olur. Son olarak, köşe hızında tork eğrisinde bir yuvarlama vardır, çünkü sürücü kademeli olarak bir akım kaynağından voltaj kaynağı olmaya geçiş yapar. Sürücü, motora giden akımı köşe hızının altında sınırlandırır ve bu nedenle bir akım kaynağıdır. Köşe hızının üzerinde, motorun endüktif reaktansı akımı sınırlar ve tüm güç kaynağı voltajını motora uyguladığından sürücü bir voltaj kaynağı haline gelir.
BÖLÜM 3: ORTA BANT İSTİKRARSIZLIĞI
Bir step motor oldukça rezonanslıdır çünkü bir kütle yay sistemidir. "Kütle" kısmı rotor ve yük ataletidir, "yay" kısmı ise rotoru sürükleyen manyetik alanın geri yükleme torkudur. Bu nedenle hız, torku 90 derece geciktirir.
Sürücü, sabit tork bölgesindeki bir akım kaynağıdır ve fazladan faz gecikmesi eklemez. Sabit güç bölgesinde ise, sürücü bir voltaj kaynağı olduğundan ilave 90 derecelik bir faz gecikmesi ortaya çıkarır. Toplam faz gecikmesi artık 180 derecedir ve bu, sürekli ve inşa eden bir motor salınımı için bir kurulumdur. Bu salınıma genellikle orta bant kararsızlığı veya orta bant rezonansı denir.
Sürücü, bu kararsızlığı ikinci dereceden veya viskoz bir sönümleme ekleyerek giderir. Bu sönümleme, toplam faz gecikmesini azaltır, böylece motor salınımı sürdüremez, aynı şekilde amortisörler bir aracın kütle yaylı süspansiyonunu sönümler. Bu, Şekil 4'te gösterilmektedir.
Aşağıdaki şekil, telafi edilmemiş orta bant rezonansının etkisini göstermektedir. Rezonans bölgesinden hızlanmak mümkün olmakla birlikte, motorun hız bandında sürekli olarak çalıştırılması mümkün değildir. Bunun nedeni, motorun durmasına neden olan salınımın, motoru durdurmak için yeterli bir genliğe ulaşmasının yarım saniyeden 10 saniyeye kadar sürmesidir.
Şekil 4
BÖLÜM 4: MOTOR GÜCÜ TEMELLERİ
Motor güç çıkışı (hız çarpı tork), güç kaynağı voltajı ve motorun endüktansı tarafından belirlenir. Motorun çıkış gücü, güç kaynağı voltajının motor endüktansının kareköküne bölünmesiyle orantılıdır.
Güç kaynağı voltajı değiştirilirse, yeni bir hız-tork eğrisi ailesi ortaya çıkar. Örnek olarak, güç kaynağı voltajı iki katına çıkarılırsa yeni bir eğri oluşturulur; eğri şimdi bölge 2'de verilen herhangi bir hızda iki kat torka sahiptir. Güç, tork çarpı hıza eşit olduğundan, motor artık iki kat daha fazla güç üretmektedir. Bu, Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5
Şekil 6
Şekil 6, aynı güç kaynağı voltajını korurken motoru tam sargıdan yarım sargılıya yeniden bağlamanın etkisini gösterir. Yarım sargılı bağlı bir motor, belirli bir güç kaynağı voltajında tam sargılı bir bağlantıdan iki kat daha fazla güç sağlar. Bunun nedeni, tam sargı endüktansının yarı sargı endüktansından dört kat daha yüksek olmasıdır.
Ayrıca, Şekil 5'ten, seri veya paralel kablolu motorlar için güç kaynağı voltajı iki katına çıktığında motor çıkışının ikiye katlandığına dikkat edin. Paralel bağlı bir motorun, güç kaynağı voltajının iki katında çalışan seri bağlı bir motorla aynı performansı sunduğuna dikkat edin.
Şekil 7, motor akımının nominal değerin iki katına ayarlanmasının etkisini göstermektedir. Bu, motoru kötüye kullanır çünkü akımı uygun değerine ayarlamaktan dört kat daha fazla ısı dağıtacaktır. Düşük hız torkundaki gerçek artış, motor demirinin manyetik doygunluğundan dolayı iki katından önemli ölçüde daha azdır.
Şekil 7
Görülebilen, güç çıkışında artış olmamasıdır; motor, motorun ısınmasındaki dört kat artış pahasına maksimum gücüne daha düşük bir hızda ulaşır.
En iyi mikro adım düzgünlüğünü elde etmek için motor akımının her zaman nominal değere ayarlanması önerilir. Akımın daha yüksek ayarlanması, motorun doğrusallığını bozar ve mikro adımlı demetlemeye ve buna bağlı olarak düşük hızlı titreşime neden olur.
Artan güç kaynağı voltajı ile artan motor gücü ile birlikte gelen şey, artan motor ısınmasıdır; bu ısıtma, çıkış gücünden daha hızlı artar ve sonuçta motordan maksimum çıkış gücünü ayarlar. Diğer bir deyişle, bir motorun ne kadar güç sağlayabileceğindeki sınırlayıcı faktör, nihayetinde ne kadar ısıyı güvenli bir şekilde dağıtabileceğiyle belirlenir.
BÖLÜM 5: MOTOR BAĞLANTILARI
Adım motorlarının dört, altı veya sekiz teli vardır; eski motorların beş kablosu olabilir, ancak bunlar burada ele alınmayacaktır.
Dört telli motorlar, bağlanması en basit olanlardır ve bağlantı seçeneği sunmazlar. Bir sargıyı "Faz A" ve "Faz / A" olarak etiketlenmiş terminallere bağlayın ve diğer sargıyı "Faz B" ve "Faz / B" yazan terminallere bağlayın. Hangi tellerin hangi faza ait olduğu bilinmiyorsa, basitçe bir ohmmetre kullanın ve hangi tellerin sürekliliği olduğunu test edin. Sürekliliği olanlar aynı aşamaya ait olacak; Motor bağlandığında yanlış yöne dönerse, sadece “Faz A” ve “Faz / A” yı değiştirin. Tipik bir dört telli motor bağlantısı Şekil 8'de gösterilmektedir.
Figür 8
Altı telli motorlar en yaygın olanıdır. İki bağlantı seçeneği vardır: Tam sarımlı ve yarım sarımlı. Altı telli bir motor, toplam altı tel için iki sargının her birinde bir merkez tapası olması dışında, tıpkı dört telli bir motor gibidir. Yarım sargılı bir bağlantı için, orta kılavuz ve uç tellerden biri kullanılır. Bu, Şekil 9'da gösterilmektedir.
Figür 9
Şekil 10'da görüldüğü gibi tam sargılı bir bağlantı için, orta kılavuz ihmal edilir ve her iki uç teli kullanılır. "Tam sargı" terimi, bağlı "seri" ile tam olarak eşdeğerdir, "yarım sargı" ise "paralel" bağlı ile neredeyse aynıdır. İkisi arasındaki seçim, daha sonra tartışılacak olan uygulamaya bağlıdır; tam sargılı bağlanmışsa sürücü akımını motorun nominal tek kutuplu akım değerinin tam olarak yarısına ayarlamayı ve yarım sargılı bağlanmışsa tek kutuplu akım değerine ayarlamayı unutmayın.
Figür 10
Sekiz telli motorlar, paralel bağlandıklarında eşdeğer yarım sargılı bağlı altı telli motora göre yaklaşık% 3 daha verimlidir, ancak bağlanması önemli ölçüde daha karmaşıktır. Seri bir bağlantıyı tam sargılı bir bağlantıyla karşılaştırmanın hiçbir avantajı yoktur. Altı telli bir motorda olduğu gibi, seri ve paralel bağlantı arasındaki seçim uygulamaya bağlıdır. Şekil 12'de gösterilen seri bağlantıyı kullanırken sürücü akımını motorun nominal paralel (Şekil 11'de kablolandığı gibi) akım değerinin tam olarak yarısına ayarlamayı unutmayın.
Figür 11
Figür 12
BÖLÜM 6: GÜÇ KAYNAKLARI
Bir güç kaynağının seçimi, voltaj, akım ve güç kaynağı türüne göre belirlenir (yani, doğrusalya karşı anahtarlama, düzenlemeye karşı düzensiz vb.). Şimdiye kadar en sorunlu ve karmaşık faktör, en son tartışılacak olan voltajdır.
Bir güç kaynağı seçmenin en kolay faktörü, motor derecelendirmelerinize bağlı olan mevcut derecelendirmesidir. Bir motor kontrolü, paralel (veya yarım sargılı) bağlandığında motorun nominal akımının her zaman 2 / 3'ünden daha azını ve seri (veya tam sargılı) bağlandığında motorun nominal akımının 1 / 3'ünü çekecektir. Yani, faz başına 6 amperlik bir motor, paralel olarak bağlandığında 4 amperlik bir güç kaynağı ve seri olarak bağlandığında 2 amperlik bir güç kaynağı gerektirecektir. Birden fazla motor ve sürücü kullanılıyorsa, toplam güç kaynağı akım oranına ulaşmak için her birinin mevcut gereksinimlerini ekleyin.
Figür 13
Ortak bir güç kaynağından birden fazla sürücü kullanırken, her sürücüye ayrı besleme ve topraklama kabloları kullanın ve bunları güç kaynağında ortak bir noktaya geri döndürün. Buna "yıldız" güç kaynağı dağıtımı denir; sonraki sürücüler için besleme ve toprak kablolarının bir öncekinden alındığı bir "papatya zinciri" güç dağıtımını asla kullanmayın.
Güç kaynağınızın voltajı tamamen motorunuzun endüktans değerine bağlıdır, bunu öğrendiğimiz statordaki telin dönüş sayısına çevrilebilir. Her motor modelinin farklı bir endüktans derecesi olacaktır ve bu nedenle farklı bir maksimum gerilime sahip olacaktır. Maksimum güç kaynağı voltajının ne olması gerektiğini bulmak için, L değeri için kullanılan milihenri (mH) cinsinden motorun endüktansı ile aşağıdaki formülü kullanın.
32 * KAREKÖK (L) = V MAX
Aynı güç kaynağı üzerinde birkaç farklı motor modeli kullanıyorsanız, yukarıdaki formüldeki en düşük endüktans oranını kullanın. Bu, voltajın çok yüksek olması nedeniyle motorlarınızın aşırı ısınmamasını sağlayacaktır.
Bir motor endüktansı listelemezse, genellikle her bir sargının voltaj derecesini listeler ve bu çok düşük olacaktır. Elinizdeki tek bilgi buysa, güç kaynağı voltajınızı belirlemenin kabul edilebilir bir yolu, bu sayıyı 4 ila 20 arasında herhangi bir sayı ile çarpmaktır. Şekil 14'te, paralel olarak bağlanırsa, 8,8 V ila 44 V arasında herhangi bir yerde bir güç kaynağı voltajı kullanabilirsiniz. .
Figür 14
Düzenlenmemiş bir güç kaynağı yeterli olacaktır ve basitliği nedeniyle çoğu uygulama için önerilir. Büyük bir atalet yüküne sahip bir motor hızla yavaşlarsa, bir alternatör görevi görür ve sürücüye voltajı geri gönderir ve ardından onu güç kaynağına geri gönderir. Düzenlenmiş güç kaynaklarının çoğu koruma devresi içerdiğinden, bu, güç kaynağının arızalanmasına veya sıfırlanmasına neden olabilir; ancak, besleme düzensizse, filtre kapasitör tarafından basitçe emilecektir.
Kendi güç kaynağınızı yapmak için üç temel bileşene sahip olmanız gerekir: bir transformatör, köprü doğrultucu ve filtre kondansatörü. Transformatörün akım değeri, yukarıdaki akım formülünü kullanarak ondan çalıştırılacak tüm motorları yeterince çalıştırmak için yeterli olmalıdır. DC çıkış voltajı, transformatörün sekonder AC voltaj değerinin 1,4 katı olacaktır. Örneğin, bir 24VAC trafo sekonder, kaynağın çıkışında yaklaşık 34VDC sağlayacaktır. Köprü doğrultucunun voltaj ve akım değerleri, beslemenin sağlayacağını aşmalıdır. Son olarak, minimum filtre kapasitör boyutu hesaplanmalıdır. Bunu yapmak için aşağıdaki denklemi kullanın:
(80.000 * I) / V = C
"I" değeri gerekli akım amperiyse ve "V" beslemenin çıkış voltajıysa, sonuç kondansatör için mikrofaradlarda olacaktır. Kondansatörü seçerken, hesaplanan değere eşit veya bundan büyük herhangi bir değer kullanılabilir. Güç kaynağının çıkış voltajından en az% 20 daha yüksek voltaj oranına sahip bir kapasitör kullandığınızdan emin olun. Örnek bir 68VDC 5A güç kaynağı Şekil 15'te gösterilmektedir.
Figür 15
Güç kaynağının sürücünün maksimum voltaj değerinde mi yoksa ona yakın mı olacağı konusunda özel bir değerlendirme vardır. Motor büyük bir atalet yükünü yüksek bir hızdan hızla yavaşlatacaksa, geri dönen enerjiyi emmek için özen gösterilmelidir. Yükün momentumunda depolanan enerji, yavaşlama sırasında uzaklaştırılmalı ve güvenli bir şekilde dağıtılmalıdır. Verimliliği nedeniyle, sürücünün bu enerjiyi dağıtma yolu yoktur, bu nedenle onu güç kaynağına geri döndürür. Gerçekte, güç kaynağından akım çekmek yerine, sürücü bir akım kaynağı haline gelir. Bu akım, güç kaynağı kapasitörünü yıkıcı voltaj seviyelerine yükleyebilir.
Güç kaynağından birden fazla sürücü çalıştırılıyorsa, bu bir sorun değildir, çünkü diğer sürücüler de yavaşlamadığı sürece bu akımı ihtiyaçları için emecektir. Bu durum için veya tek bir sürücü için, güç kaynağı boyunca bir Zener diyot şeklinde bir voltaj kelepçesi yerleştirmek gerekebilir. Bu diyotun voltajı, beklenen maksimum güç kaynağı voltajından yüksek, ancak sürücüyü korumak için yeterince düşük olmalıdır. İyi bir seçim, standart değerler olarak 82 volt veya 91 volt olacaktır.
BÖLÜM 7: MOTOR ISINMASI VE GÜÇ KAYNAĞI GERİLİMİ
Motor ısınmasının iki ana nedeni vardır: bakır kayıpları ve demir kayıpları. Bakır kayıpları anlaşılması en kolay olanlardır; bu, motorun sargı direncinden geçen akımda olduğu gibi, bir dirençten geçen akımın ürettiği ısıdır. Genellikle buna "I 2 R" dağıtımı denir .
Motorun bu ısınmasının nedeni, motor durdurulduğunda maksimum seviyededir ve endüktif akım hız ile ters orantılı olduğundan motor hızlandıkça hızla azalır.
Girdap akımı ve histerezis ısıtması topluca demir kayıpları olarak adlandırılır. İlki, motorun demirinde akımları indüklerken, ikincisi demirdeki manyetik alanların yeniden hizalanmasından kaynaklanır. Bunu, demir anahtarın ileri geri manyetik çift kutupları olarak "sürtünmeli ısıtma" olarak düşünebilirsiniz. Her iki durumda da, her ikisi de motorun toplu ısınmasına neden olur. Demir kayıpları, AC akımının ve dolayısıyla güç kaynağı voltajının bir fonksiyonudur.
Daha önce gösterildiği gibi, motor çıkış gücü güç kaynağı voltajıyla orantılıdır, voltajın iki katına çıkarılması çıkış gücünü ikiye katlar. Bununla birlikte, demir kayıpları, artan güç kaynağı voltajıyla doğrusal olmayan bir şekilde artarak motor gücünü geride bırakır. Sonunda, demir kayıplarının motorun üretilen ısıyı dağıtamayacağı kadar büyük olduğu noktaya gelinir. Bir bakıma, doğanın birisinin 10kV güç kaynağı kullanarak bir NEMA 23 motorundan 500HP almasını engelleme yolu budur.
Bu noktada, overdrive rasyon kavramını tanıtmak önemlidir. Bu, güç kaynağı voltajı ile motorun nominal voltajı arasındaki orandır. Ampirik olarak elde edilen maksimum 25: 1'dir, yani güç kaynağı voltajı asla motorun nominal voltajının 25 katını veya motor endüktansının karekökünün 32 katını geçmemelidir. Aşağıda 4A, 3V motor için ölçülen demir kayıplarının bir grafiği bulunmaktadır. Şekil 16'daki demir kayıplarının, sabit bir 12W bakır kaybına (4A çarpı 3V) kıyasla, motordaki ısınmanın başlıca nedeninin önemsizden nasıl değiştiğine dikkat edin.
Figür 16
BÖLÜM 8: DOĞRULUK VE ÇÖZÜNÜRLÜK
Adım motorları genellikle açık döngü konumlandırma ve hız uygulamalarında kullanılır. Sistemin nihai doğruluğunu ayarlamak için bir geri besleme dönüştürücü yoktur. Sonuç olarak, uygulamanın doğruluğunu belirlemek motora ve sürücünün hassasiyetine ve davranışına düşer.
Mikro adımlama, ikinci dereceden sönümleme ve hassas sinüs / kosinüs akım referansları sayesinde sürücü, hassas hareket kontrol uygulamaları için bir aday haline getirmek için adım motorunu kendi doğasında bulunan kötü alışkanlıklardan iyileştirmiştir. Sürücü ihmal edildiğinde, motor hala herhangi bir uygulamada nihai doğruluk açısından dikkate alınması gereken özelliklere sahiptir.
Step motor, belirli bir toleransa göre üretilen mekanik bir cihazdır. Tipik olarak standart bir motor, herhangi bir adımın konumuna göre + / -% 5 birikimsiz hata toleransına sahiptir. Bu, devir başına tipik bir 200 adım motorundaki herhangi bir adımın 0.18 derecelik bir hata aralığında olacağı anlamına gelir. Aksi belirtilirse, motor 2000 radyal konumu doğru bir şekilde çözebilir. Tesadüfen bu, 10 mikro adımlı bir sürücünün çözünürlüğüdür.
125 gibi 10'un üzerindeki herhangi bir mikro adım çözünürlüğü ek doğruluk sağlamaz, yalnızca boş çözünürlük sağlar. Benzetme yapmak gerekirse, 6 basamaklı bir ekrana sahip olan ve% 1 doğruluğa sahip bir voltmetre, yalnızca ilk iki basamakta anlamlı bilgilere sahip olacaktır. Daha yüksek çözünürlükleri gerekçelendiren iki istisna vardır: Kademeli motor, yüksek çözünürlüklü bir kodlayıcı ile kapalı döngü bir uygulamada çalıştırılıyor veya uygulama çok düşük hızlarda (saniyede 5 tam adımın altında) sorunsuz çalışma gerektiriyor.
Doğruluğu etkileyen bir başka faktör de motor doğrusallıktır. Motor doğrusallığı, motorun sıralı adım konumları arasında nasıl davrandığını ifade eder. İdeal olarak, adım başına 1,8 derecelik bir motor, 10 mikro adımlı bir sürücüye gönderilen her adım darbesi için tam olarak 0,18 derece hareket etmelidir. Gerçekte, tüm kademeli motorlar bir miktar doğrusallık sergiler, yani mikro adımlar tam bir adım boyunca eşit olarak yayılmak yerine bir araya toplanır. Bunun iki etkisi vardır: Statik olarak motor konumu optimum değildir ve dinamik olarak düşük hızlı rezonanslar, mikro adımların yayıldığı döngüsel hızlanma ve kümelendikleri yerde yavaşlama nedeniyle oluşur. Şekil 17, mükemmel doğrusallığa ve korkunç doğrusallığa sahip bir motoru göstermektedir.
Son olarak, motora uygulanan statik sürtünme yükü doğruluğu etkiler. 100 oz / inç tutma torkuna sahip durdurulmuş bir motor, temelde aynı tutma torkuna sahip bir frenden farklıdır.
Figür 17
Fren, tutma torku aşılana kadar hiç dönmeyecektir. Bununla birlikte, bir kademeli motor, yalnızca dinlenme konumundan çıkarılırsa geri yükleme torku üretmiştir. Fren benzetmesini kullanarak, çıkış milinin kırılmaya bir burulma yayı ile bağlandığını düşünün; şimdi bir yük uygularken, frene tork uygulamak için çıkış milinin yanal olarak kaydırılması gerekir.
Tutma torkunun üstesinden gelmek için yeterli yanal tork, bir kademeli motora uygulandığında, şaft, yanal torkun yönüne bağlı olarak, orijinalin dört tam adım önünde veya arkasında olan bir sonraki kararlı konuma atlayacaktır. Pik geri yükleme torku, orijinal konumun tam bir adım önünde veya arkasında meydana gelir; bunun ötesinde, şaftı orijinal konumun önünde veya arkasında dört tam adımlı bir konuma çekmek için iki tam adım konumunda zayıflar ve tersine döner.
Geri yükleme torku ile şaft hata açısı arasındaki ilişki, Şekil 18'de gösterildiği gibi yaklaşık olarak sinüzoidaldir.
Figür 18
Buradan, tutma torkunun yüzde 15'ine eşit bir statik tork yükünün, motor şaftını orijinden tam bir adımın onda biri kadar kaydıracağı tahmin edilebilir.
BÖLÜM 9: ADIM MOTORU VE GÜÇ KAYNAĞI VOLTAJI SEÇME
Kademeli motor ve güç kaynağı voltajı seçimi tamamen uygulamaya bağlıdır. İdeal olarak, motor uygulamanın gerektirdiği en yüksek hızda yeterli hızda teslimat yapmalı ve daha fazlasını sunmamalıdır.
Uygulamanın gerektirdiğini aşan herhangi bir tork kapasitesi, gereksiz motor ısıtmasının yüksek maliyetiyle birlikte gelir. Makul bir güvenlik marjının ötesindeki aşırı tork kapasitesi asla kullanılmayacak, ancak aşırı büyük bir güç kaynağı, sürücü gerilimi ve motor sıcaklığının cezasını çekecektir.
Tork ve güç arasındaki farkı ayırt etmeyi öğrenin; Düşük hızda yüksek başlangıç torku, verimli motor kullanımı anlamına gelmez. Genellikle güç, bir motorun bir uygulamaya uygunluğunun daha önemli ölçüsüdür. Bunu belirlemek için, motoru maksimum gücünde çalıştırmak için güç aktarım dişlisi aracılığıyla motorun çalışma noktasını ön ayarlamalısınız; normalde sadece köşe frekansını geçer.
80VDC ve 7A'da çalışan bir sürücü ile sürdürülebilir maksimum şaft gücü yaklaşık 250W veya bir beygir gücünün üçte biridir. Bu, öncelikle çift veya üçlü istifli NEMA 34 motorlarla elde edilir.
NEMA 23 motorları, ortaya çıkan sesi dağıtmak için fiziksel olarak çok küçüktür ve NEMA 42 motorları, empedansın uygun şekilde eşleştirilmesi için çok büyüktür; Akımları 7A sürücünün sınırından düşükse, gerilim genellikle maksimum 80VDC gerilimin üzerinde olacaktır ve bunun tersi de geçerlidir.
Bir NEMA 42 motorundaki kilit torku, daha küçük motorlara göre önemli ölçüde daha yüksektir ve her zaman, motorun potansiyel olarak mevcut güç çıkışından çıkarılması gereken bir kayıptır. Başka bir deyişle, bir NEMA 42 motorun çıkış gücü, daha küçük motorlara göre hızla daha hızlı düşer. Bir NEMA 42 motoru yalnızca düşük hızda yüksek tork gerekliyse ve daha küçük bir motoru küçültmek pratik değilse kullanılmalıdır.
Uygulamanın taleplerini karşılamaya yetecek en küçük motor olarak tanımlanan verimli bir motor ısınır. Motoru sabit güç dönüştürme verimliliğine sahip olarak düşünün: Giriş gücünün bir kısmı ısıya, geri kalanı ise mekanik güce dönüştürülecektir. Motordan maksimum performans elde etmek için, atık ısının motorun tolere edebileceğinin tam altında olması gerekir. Genellikle, bu motor da köşe hızının hemen ötesinde çalışmaya meyilli olacaktır.
Başlama yeri, yükü hızlandırmak için gerekli tork dahil olmak üzere, oz / in cinsinden yük torkunu belirlemektir. Bir sonraki adım, aşağıdaki formülü kullanarak uygulamanın saniyede tam adımlarla çalışması gereken maksimum hızı bulmaktır. RPI, motor iletim boyunca döndükten sonraki inç başına devir sayısıdır, RPS saniyedeki devir sayısıdır ve PPS, adım darbe kaynağınızdan saniyedeki darbe sayısıdır.
(İSTENİLEN IPM * RPI) / 60 = RPS
RPS * 200 = PPS
PPS değerini önceden belirlenen oz / in sayısıyla çarpın ve toplamı 4506'ya bölün. Cevap, motorun uygulamadan gelen yükü karşılaması için kaç watt mekanik gerektiğidir.
Bir motor seçerken, hesaplanan güçten% 40 daha fazla olanı seçin. Aşağıda, 3 TPI kılavuz vida ve 300'lük istenen IPM ile 450 oz / in gerektiren bir yük için tamamlanan denklemin bir örneği bulunmaktadır.
(300 * 3) / 60 = 15
15 * 200 = 3000
(3000 * 450) / 4506 = 299 OZ / GİRİŞ
299 * 1,4 = 419 OZ / GİRİŞ
Gördüğünüz gibi, bu uygulama için 419 oz / in değerine sahip bir motor kullanmak isteyeceksiniz.
Step Motorlara Ait Bazı Önemli Kavramlar
1.Adım Tepkisi / Tek Adım Tepkisi / Cevap Süresi
Motor fazlarından biri uyarılmış durumdaysa, motor kararlı bir adım konumundadır. Bu fazın uyartımı kesilip yeni bir faz uyartılırsa rotor bir adım atacaktır.
Rotor konumunun zamana göre değişimi “tek adım tepkisi” olarak tanımlanır. Bir başka deyişle motorun girişine bir komut palsı (sinyali) uygulandıktan sonra motorun adımlara cevap vermek için gerekli olarak aldığı zamana (T) “tek adım tepkisi”, “adım tepkisi” ya da “cevap süresi” denir. Bu süre hem motor parametrelerine hem de motorun sürücü devresine bağlıdır ve yaklaşık olarak milisaniye civarlarındadır. Tek adım tepkisi, motorun adım hareketinin hızını, tepkinin aşım ve salınım miktarını, adım açısının hassaslığını veren önemli bir parametredir. Adım motorlarından maksimum performans elde edebilmek için tek adım tepkisindeki aşım ve salınımların azaltılması ve yerleşme zamanının kısaltılması gerekmektedir. Bu nedenle tek adım tepkisinin iyileştirilmesi adım motorlarının kontrolünde çok büyük öneme sahiptir.
Motora uygulanan giriş darbeleri ile çıkış hareketi arasındaki senkronizasyonu bozmamak için, sürme esnasında iki darbe arasındaki süre, cevap süresinden daha kısa olmamalıdır. Dolayısıyla adım motorunun cevap süresinin kısaltılabilmesi, motorun daha hızlı adım atabilmesini sağlayacaktır.
Adım motorlarının cevap davranışlarında dikkat edilmesi gereken diğer bir nokta da yaptıkları aşımın (overshoot) ve osilasyonun miktarıdır. Adım motorları, bilgisayar sistemlerinde veya bilgisayarla kontrolü gerektiren hassas sistemlerde kullanıldığında, aşım ve osilasyon sistemi kötü yönde etkileyen ve önemli boyutta hatalara sebep olan bir davranıştır.
2.Adım Oranı
Bir saniyede rotorun yapabildiği adım sayısıdır. Bu adım sayıları tipik olarak 300 ila 800 arasındadır.
3.Adım Açısı
Motora bir tek pals uygulandığında rotorun döndüğü açıdır. Yapımcı firmalar, değişen sayılarda rotor ve stator sargıları ile çeşitli açılarda adım motorları yapmaktadırlar.
4.Adım Açısı Doğruluğu
Rotorun yaptığı her bir adımdaki hata miktarını gösterir. Bu parametre genellikle bir yüzde ile verilir. Rotor bir adım döndüğünde meydana gelen toplam hata oranını gösteren bu parametrenin yazılması önemlidir. Bu hata değeri kümülatif (birikimli) değildir. Yani rotorun yaptığı her adım ile bu hata miktarı toplanarak gitmez. Rotorun gerçek hızı adım açısı ve adım hızına bağlıdır.
5.Çözünürlük
Çözünürlük, dönen motorlar için adım açısı (derece), lineer motorlar için ise adım uzunluğu (mm) olarak tanımlanır. Bu sabit değer, üretim sırasında tespit edilen bir büyüklüktür. Bir adım motorunun adım büyüklüğü, çeşitli uyartım metotları ile değiştirilebilir. Mesela yarım adım çalışmada, adım büyüklüğü normal değerinin yarısına indirilir.
6.Aşma
Step motora gönderilen palsların frekansı arttırılırsa, step motorun adımları hızlanır ancak adımlarının hızlanmasıyla step motor istenmeyen bir karakteristik gösterir. Buna “overshoot” denir. Bu durum yandaki şekilde görülmektedir.
Motorun rotoru “Pozisyon1” ve “t0” anında durmaktadır. “t1” anında uygun stator sargısına güç uygulanmıştır. Bu uygulama rotorun “Pozisyon2” ye dönmesini sağlar. Rotor “Pozisyon2” de tam olarak durmaz çünkü bir dönme momenti vardır. Bundan dolayı dönmek isteyecektir. Rotor biraz daha döner. Buna “overshoot” denir. İki kutup arasındaki magnetik ilişkiden dolayı rotor tekrar geri döner ama yine bir miktar “overshoot” meydana gelir. Rotorun hareketi kesin ve net olmayacağından tam durması istenen yerde duramayacaktır. Kutupların manyetik etkisinden dolayı geri gelip yerinde durması gerekirken fazla dönerek tekrar istenmeyen bir durum meydana gelir. Yani rotor basit harmonik hareket ya da sönümlü osilasyon yapar. Neticede motora pals uygulandıktan sonra rotorun durması bir miktar zaman alır. Rotorun durması için geçen zamana “oturma (yerleşme) zamanı (settling-time)” denir. Bazı devrelerde rotorun durmasının çabuk olması istenir. Bunun yapılabilmesi için bazı işlemlere ihtiyaç vardır. Bu işleme “damping” denir.
7.Step Motor Tork Parametreleri
Dönme momentine ‘Tork’ denir. Tork, elektrik devrelerindeki elektrik potansiyeline, milin açısal hızı da elektrik akımına benzetilebilir. Nasıl elektrik devrelerindeki direnç potansiyel etkisinde akımı sınırlarsa, mekanik devrelerde de sürtünme kuvvetleri milin tork etkisinde açısal hızına sınır getirir. Bir elektrik devresinde akü, potansiyel kaynağıdır aynı şekilde mekanik sistemlerde de motor, tork kaynağıdır. Motor mili, tork etkisinde dönmeye zorlanır. Bir aküden çekilen akımı sıfırdan itibaren arttırırsak, akünün iç direncinden dolayı akım arttıkça akü voltajı düşer. Benzer olarak bir motorun milinden alınan devir arttıkça motorun verdiği tork düşer.
Elektrik devrelerinde akım ve gerilimin çarpımı, düzgün harekette ise bir nesneye etkiyen kuvvet ile nesnenin hızının çarpımı gücü verirken, motorda tork ile açısal hızın çarpımı mekanik gücü verir.
P = I x V ( Güç = Akım x Gerilim )
P = F x V ( Güç = Kuvvet x Hız )
P = Tm x wn (Mekanik Güç = Tork x Açısal Hız )
Tm = F x r (Dönme Momenti [Tork] = Kuvvet x Yol )
Bir motordan, herhangi bir devirde beklenen torkun büyüklüğü, motorun gücü ile orantılıdır. Sabit güç altında itme kuvveti artarken hız düşer, hız artarken ise itme kuvveti düşer ve dolayısıyla tork da düşer.
Step motor kataloglarında dört çeşit tork parametresine rastlanılır. Bu parametreler genellikle tork-hız grafikleriyle birlikte kataloglarda sunulur.
a. Detent Torque (Yüksüz ve Enerjisiz Tutma Torku)
Detent Torque, motor enerjisiz iken rotor stator dişlerindeki etkileşimden dolayı oluşan tork demektir. Diğer bir ifadeyle sargılara besleme gerilimi uygulanmıyorken, step motor şaftını döndürmek için gerekli olan maksimum tork miktarı demektir. Bu parametre step motor tipine göre değişir.
b. Holding Torque (Yüksüz ve Enerjili Tutma Torku)
Holding Torque, “tutma torku” ya da “statik tork” olarak da bilinir. Sargılardan sadece birisinden nominal değerde akım akıtılıyorken milden alınan tork demektir. Diğer bir ifadeyle enerjili halde motor duruyorken üretilen maksimum tork miktarıdır. Tutma torku bir adım motorunun en temel moment karakteristiğidir ve pratik olarak şu şekilde ölçülebilir.
Motor miline şekilde görüldüğü gibi ağırlıksız bir çubuk bağlanır ve çubuğun yatayla sıfır derece açı yapması sağlanır. Motor sargısından nominal değerde akım akıtılır. Şekildeki yeşil ağırlık çubuğun en ucuna oturtulur ve değişik ağırlıktaki kütlelerle denenerek hangi ağırlıktan sonra motor mili sapma yapıyor tespit edilir. Çubuğun boyu L ve Kütlenin ağırlığı M olması durumunda; Tutma Torku = (N.m) =L x M x (m) x Kg) x 9,81 (Yerçekimi İvmesi) (N/Kg)
Örneğin Enerjili motorda, 10cm lik çubuk ucuna 250gr lık ağırlık konduğunda mil aşağı ya da yukarıya kaymıyorsa oluşan tork T = 0.1 x 0.25 * 9.81 = 0.245 Nm dir. Sonucun Amerikan sistemindeki karşılığı: 1Nm=141,6 ozf inc ise T=34,7 ozf inc (onz forse inc) olur.
c. Pull in Torque (Kalkıştaki Maksimum Yük Momenti)
Özellikle açık döngülü sistemlerde duran bir sistemi istenen pozisyona getirebilmek için motora uygulanan uyartım darbelerinin motor tarafından hiç kaçırılmadan takip edilmesini sağlamak çok önemlidir. Fakat uygulanan uyartım sinyallerin sıklığı, motorun miline bağlı yükü sıfır hızından itibaren kaldırıp hızlandırmasına izin vermeyebilir. Bu yüzden adım motorları için, kalkışta maksimum yük momenti eğrileri tanımlanır.
d. Pull Out Torque (Sürekli Rejimdeki Maksimum Yük Momenti)
Bu parametre de motor hızına bağlı olarak değişeceğinden sürekli rejimde maksimum yük momenti eğrisinden bahsedilir.
.7.1.Tork - Hız Grafikleri
Sürekli rejimde maksimum yük momenti/ hız eğrisi herhangi bir sabit dönüş hızında, rotor hareketinin giriş darbe dizisiyle olan senkronizasyonunu bozmadan ve rotorun durmasına neden olmadan sürekli halde motor miline uygulanabilecek maksimum yük momentini verir.
Bu moment aynı zamanda, söz konusu hızda motorda meydana gelecek maksimum moment anlamına da gelmektedir.
Klasik motorlarda bu eğriye karşılık gelebilecek bir karakteristik yoktur. Maksimum yük momenti eğrisi çalışma noktalarını göstermediği gibi bir transfer fonksiyonu eğrisi de değildir. Sadece, çalışma bölgesini sınırlar. Bu eğrinin sınırladığı bölge içinde herhangi bir noktada motor giriş darbe dizilerini kaybetmeden ve durma tehlikesi olmadan ilgili hız ve yük momenti ile çalışır. Sınırların dışına çıkıldığında bu durum değişebilir.
8.Etiket Voltajının Anlamı
Etikette belirtilen voltaj rotor hareketsizken tutma torkunun oluşturulması için gerekli voltaj değeridir. Bu voltaj değeri etiket akımına bölünürse ilgilenilen fazın sıcak sargı direnci bulunmuş olur. Etiket akımının üstüne çıkılmaması gerekir.
