HOME

STEP VE SERVO MOTORLAR NEDİR ?

 

 

 

 

 

STEP VE SERVO MOTORLAR NEDİR ?

 

Temel motor bilgileri:

Bütün motorların gerçek bir step motor olduğu söylenebilir. CNC uygulamalarda kullanılan bir çok çeşit motor incelendiğinde elektromıknatısların motor içerisindeki sabit mıknatısları çekip ittiği görülür. Diğer tip motorlar ise sabit mıknatıs kullanılmayan motorlardır. Bir eksen üzerinde hareket eden CNC makinede hemen hemen bütün motorlar sabit mıknatıslı motorların geniş yelpazesinde yeralır. Genellikle motor elektrik gücünü mekanik güce çevirir. Fakat bir pozisyon kontrol sistemi CNC makinede eksenlerin hareketi için önemli olup, motor güçü daha sonra değerlendirilir. Amaç, motoru istenilen konuma getirmek ve ikinci bir isteğe kadar orada kalmasını sağlamaktır. Aşağıdaki resimde motor sabit mıknatıslarının iki elektro mıknatıs arasındaki hareketini göstermektedir. İlk resime bakıldığında

 

Rotor geniş bir açıda boştadır. Hafif bir dokunuşla motor rotoru yer değiştirir.

 

Motora voltaj uygulandığında ise rotordaki sabit mıknatıs en yakın bobinin kutbuna karşı durum alır.

 

Bu defa sıradaki bobin enerjilendiğinde rotorun kutbu diğer elektromıknatısa doğru yer değiştirmiş olacaktır. Rotorun her hangi bir açıyla çevrilmesi durumunda rotor 90 derecelik durumuna gelmeye çalışacaktır. Tutma torku 90 dereceden fazla çevirme durumunda, tepe tutma torku değerini aşacak (kendi gücünü) rotor diğer 90 derecelik pozisyona geçecektir. Motor tutma torkunun üzerinde bir tork uygulanmaya devam edilirse, dönüşlerden sonra cırcır efekti dolayısıyla geri çekmeler oluşur ki bu istenmeyen durumdur.

 

 

Cırcır etkisinin anlaşılabilmesi için yukarıdaki resim daha açıklayıcı olacaktır.  Tırnaklı dişli üzerindeki mandal diğer tırnağa, çekilinceye kadar tırnaklı dişli üzerinde etkisi olmayacaktır. Bunu tutma torkuna benzetilebilir.

 

Her aşamada motorun sargılarına sırayla voltaj uygulamak suretiyle hareketin devamı sağlanır. Hareketin ters olarak devam etmesi istendiğinde ise bobinlere ters enerjileme işlemi uygulanır.

 

Bu temel olarak sabit mıknatıslı olan step (adım) motorlarda, fırçalı ve fırçasız motorlarda aynıdır. Bu tip motorların arasındaki fark sadece elektro mıknatısların ne tür bir mekanizma ile ne zaman nasıl açılıp kapandığı ile ilgilidir.

 

Motorun temel yapısı

Bir elektro mıknatıs için sarılan telin direnç özelliğidir. Bu direnç özelliği motora uygulanan voltajda, motordan ne kadar akım akıtılacağını belirler.

Dönme momenti T) motor akımı ile orantılıdır. T = Kt x I.Kt formülü ile dönme momenti hesaplanır.

Sarımların (L) endüktans özelliği sarımlardan ne kadar hızlı bir akım akıtılacağını belirler. Bobinlere voltaj uygulandığında, akım anında akmaz. Akımın akması, bir süreç alacaktır. Bu süreci L/R oranı belirler.

Akımın sarımlardan istenilen ölçüde akması voltaj ile ters orantılıdır. Bu yüksek voltaj akımın hızlı akmasına neden olur anlamına gelir.

Bobin sarımlarından geçen akım bobini ısıtır. Isı olarak harcanan güç miktarı      P = I2 x R. Eğer  I=5 amper ise bobin sarımı da  R=10 ohm ise üretilen ısı 250 watt kadardır. (250 wattlık bir oda lambası kadar veya 8 adet 40 wattlık büyük floresant lamba kadar)

Birçok motorda, akım miktarı sınırlı tutulmakla üretilen ısı azaltılmıştır.

Sonuçta, bobin sarımlarından akan çok fazla akım sabit mıknatısların özelliğini bozacak, motorları yok etmeyecek fakat üretebileceği torktan daha azına düşürecektir.

 

Adım motorları (Step motorlar)

Bunların tipik özelliği, basitlikleri, ısınmaları ve gürültülü olmalarıdır. Pozisyonlamada kullanılabilecek mükemmel bir motordur. Sadece enerjilendikten sonra adım adım hareket eder.

Adım motoru, bir devrini dört aşamada tamamlar. Birçok step motor rotoru 50 mıknatısa karşılık gelecek şekilde hazırlanmıştır. Dört adımın sıralanması 200 adımda oluşur. Gerçekte 50 adet mıknatıs bulunmamaktadır. Mıknatıs üzerindeki dişli oyukları buna o etkiyi vermektedir. Bu adımlama ise 1,8 derecelik harekete sebep olur.

Step motorlarda pozisyonlamada iki temel hata vardır. Bunlar kumanda hatası ve rotor pozisyon hatasıdır. Örnek: Motoru 138,5 adımına (buçuklu) getirmek mümkün değildir. Sadece 138 veya 139 adımlara gelebilir. Yarım adım atması mümkün değildir. Çözümü sadece mikro adımlama ile mümkündür.

Rotor pozisyon hatası ise, şöyle açıklanabilir: motora enerji verildiğinde, dönüşünü +1 veya -1 yönüne dönerek bir adımda tamamlayacaktır. Dolayısıyla motorun durumu belli olmayacaktır. Bu bir dönme momenti hatası değildir. Bir adım hatasıdır.

Tam bir devir hata oluşması mümkün değildir. Uygun torkta yükleme olduğunda 1 adım hatası verebilir. Hızlı hareket aynı zamanda, motor pozisyonunun değişmesine neden olur. Motor aslın kumanda pozisyonu bilgisinden gecikmeli hareket eder. Sonuçta, geleneksel adım motor sisteminde bu  +/- 1,5 adım kadardır, mikro adımlama sistemleri (micro stepping) için ise +/- 1 tam adım hatadır.

Hız hemen bütün adım motorlarını bozan ise yüksek hızda yüksek torkta çalışmasıdır. Örnek olarak, 1,8 derecelik adımlı motorun 600 devir hızında veya saniyede 10 devir hızında çalışması. Sonuçta, motor bobinlerinin 2000 hz’de açılıp kapatılması veya ½ mili saniyede motor bobinlerini döndürmek anlamına gelir. Fakat motor bobinlerinin endüktansı nedeniyle akımın akması zaman alacaktır, bir başka deyişe torkun oluşması hemen olmayacaktır. Tipik bir adım motoru ve onun sürücü devresi için akımın oluşması nominal akımın yarısı kadardır. Genellikle adım motorları 1000 rpm üzerinde çalıştırılmaz.

Tork oranı genel olarak birçok motorda tutma torku olarak bilinir.  Sabit motorun kendini o pozisyonda tutamadığı andan önceki durumdur. Bu değer çok kullanışsız olup sebebi ise harekete düşük hızda başlanmış oluşu ve maksimum tork düşüşünün %10-20 arasında olmasıdır. Esas bilinmeyen ise operasyon sırasındaki yüksek hızda ne kadar bir tork alındığıdır. Uygun tork düşümü hızlandıkça ve daha hızlandıkça oluşanıdır. Bu sebeple bir çok motor üreticisi motorun tork eğrisini değişik hızlarda göstererek belirtir. Ama tork eğrisi, kullanıcının uygun sürücü ve sürücü voltajına bağlıdır.

Adım motorunda kullanılan motor sürücü ve motora bağlı olarak hassas tork elde edilebilir, diğer bilinmeyen ise torkun tepe değerine ne kadar yaklaşıldığıdır. Bu nedenledir ki, tork sınırılarını aşmak bir felaket olur. Motor biraz geri dönmeyecek birlikte duracaktır ve bir geri bildirim sistemi yok ise CNC kontrol sisteminde eksenlerden biri duracaktır. Pratikte gerçek bir ayarlama işlemi yapmadan motorun ve sürücüsünün yeterli tork üretip üretmediğini anlamak zordur.

Özellikle amatörler mütevazi makinelerinde çok fazla güç ve tutulamayacak bir hız ararlar.

Güç adım motorları geniş bir güç ve sıcaklık seçeneğinde sunulmaktadır. Motorun kötü bir durumda, pozisyonunda sabit kalabilmesi için bobin sarımlarından yeterli akım akıtmasıyla mümkün olduğundan sebebi gayet açıktır. Bazı adım motorları sürücüleri akıllı yapıda olduğundan motor durduğunda motordan akımı keser, ama tüm hareket ise ancak kötü yükleme olduğunda bile motora yeterli bir sürüş akımı verir.

Titreşim ve rezonans adım motoru bir adım hareket ettirildiğinde küçük bir vurma işitilir. Bu motorun  bir sonraki adıma geçtiğini gösterir, motorun ataleti bir diğer adıma atlandığını ve nihayet yerine yerleşmeden bir miktar geriye geldiğini belirtir. Daha hızlı adımlama yaptırıldığında ise çarpmalar çıngırak ve sonra da vızıltıya dönüşür. Rezonans çok küçük bir sıkıntı olmakla birlikte titreşim (vibration) CNC makinelerde istenmeyen bir durumdur KESME kalitesini etkiler.

En büyük potansiyel problem ise adımlama frekansı ile rotor ataleti ve manyetik yayın oluşturduğu sarmalın rezonans frekansının uyuşmasıdır. Eğer adım motoru frekansı, rezonans frekansındaysa bazen adım motoru hareket etmez, hatta yüksüz olsa bile. Bunlara makine kütlesi ve CNC sürücü vidanın baskısının yarattığı rezonans daha katılmamıştır. Küçük makinedeki oldukça büyük adım motorları veya eksenleri süren kayışlı mekanizmaları da aynı problemleri doğurabilir.

 

Unipolar – bipolar / 4,5,6 ve 8 uçlu (kablolu) motorlar motorlar genellikle “unipolar” veya “bipolar” olarak adlandırılırken 4,6,8 veya bazen 5 uçlu olarak bilinirler. Basit motor açıklaması yapılırken iki sarımdan ve 4 uçlu olması ile tanımlanır. Adımlama sırası gerekiyorsa her sarım ters veya “bipolar” olabilmelidir. Bu 4 kablolu bipolar motordur.

Bir diğer seçenek ise 6 kablolu “unipolar” motordur.




dört kablo bipolar motorda görüldüğü gibi ortaktır, sadece sarımların orta noktalarından bir uç daha çıkarılmıştır. Bunlar gerçektende her iki sarımın tam orta noktalarıdır. Bu noktadan bobinin her iki ucuna tek bir güç kaynağı ile akım akıtmak mümkündür. Bunun için 4 transistör diğeri ile birlikte 8 transistör bobinleri sürmekte kullanılır. Akım bir transistör yardımıyla bobinin bir sarımından akıtılır. Unipolar motor sürücüde ortak uçlar güç kaynağının pozitif ucuna bağlanır. Transistörler sırayla sürüldüğünde aktif olup bağlı bulunduğu sarımdan akım akıtır.

 

Description: http://jrkerr.com/lobocnc/photos/unipolarwindings.jpg

Unipolar motorların herhangi bir zamandan bobinlerin yarısını kullandığı söylenebilir. Bobinin yarısının kullanılması ısınmayı yarıya düşürürken demagnetizasyon için yarım bir manyetik alan oluşturur. Yarım sarımdan daha fazla akım akıtılması yerine tam bobin kullanılabilir. Unipolar düzenleme bipolar sisteme göre %70 tork sağlar. 6 uçlu unipolar adım motorlarda ortak uçlar kullanılmadığında uygun bipolar sürücü kullanılarak bipolar motor olarak kullanılabilir.

Bazı 5 uçlu motorlarda ise unipoların ortak uçları birleştirilerek tek kabloya dönüştürülerek kullanılmıştır. Bu 5 uçlu motorlar muhakkak unipolar sürücüler tarafından kullanılmalıdır.

Bazen 8 uçlu motorlarda görülmektedir. Bunlarda ise unipolar motordaki ortak uçlar ayrılmış olduğundan uç sayısı  sekize çıkmıştır. Sarımlar dışarıdan değiştirilme imkanına sahip olduğundan kolaylıkla her çeşit sürücüye adapte edilebilir.

 

Müşterek motor ölçüleri Hemen CNC uygulamalarında kullanılan standart “NEMA” ölçüsündeki motorlardır. Bunlar genellikle NEMA 17, 23 veya 34 tipte olanlardır. Numaralar motorun kare yüzeyinin ölçüleridir. NEMA 17 motor bağlantı yüzeyi 1,7”x1,7” ve NEMA 23 ise 2,3”x2,3”‘i ifade eder. Motorların montaj delikleri, şaft çapları ve uzunlukları ve montaj kabarıklıkları hepsinde aynıdır. NEMA 17 motorlar küçük CNC makinelerde kullanılırken, NEMA 23 motorlar masaüstü makinelerde, matkaplarda ve frezelerde kullanılır. NEMA 34 motorlar ise dah büyük kalıpçı frezeleri gibi cihazlarda kullanılır.

Fırçalı tip servo motorlar fırçalı tip servo motorlar vasat bir motor özelliğindedir tıpkı oyuncak otomobil motoru, şarjlı matkap motoru gibi. Çalıştırması çok kolaydır, sadece bataryaya bağlamak yeterlidir. Ters dönmesi için uçları değiştirmek yeterlidir. Bobinler rotor üzerinde olup fırçalar vasıtasıyla dışarıdan gelen elektriği alır. Sabit mıknatısla ise motorun statorunun iç çeperindedir. Motorun ters dönme durumu nasıl olur? Motor yapısında ve fiziki anahtarlamada değişiklik olmadan nasıl yapılabilir?

Bu konuda bilinmesi gereken birkaç özellik vardır:

-         motor dönmeye başladığında, aynı zamanda bir jeneratör gibi davranır, uygulanan voltajın  tersi istikametinde bir voltaj üretir. Bu voltaja ters elektromagnetik kuvvet olarak adlandırılır. Terse EMF (elektromagnetik kuvvet) hız ile orantılıdır. Böyle bir ters EMF= Kv x S. Kv şeklinde belirtilir burada S voltaj sabiti olup üretici firma tarafından belirtilir. (not: Kv genellikle 1000 devirdeki voltaj birimidir)

-         Yüksüz bir motora voltaj uygulandığında motor hızlanarak dönmeye başlar, ters EMK voltajı kaynak voltajına eşit oluncaya dek hızlanır. Bu motorun yüksüz hızıdır.

-         Motor torku akımla orantılıdır T = Kt x I (burada I akım ve Kt motorun tork sabitini gösterir) Kt genellikle OZ-IN amper(ons-inc) veya IN-LB amper (inç-libre) olarak belirtilir.

-         Aynı zamanda motorun esasında, sarımları direnç olarak görünür ve akan akım motorda bir voltaj düşmesine neden olur (sıklıkla IR düşmesi olarak ifade edilir) IR-düşmesi=IxR

-         Sonuçta yüklü bir motorun dönmesi için, kaynak voltajı V = Ters emk + IR

-         Herşey birlikte yazıldığında ise V = Kv x S + (T/Kt) x R

Bu eşitlikle verilen tork için motor akımı ve maksimum torktaki maksimum hız ve sabit kaynak voltajı bulunabilir.

Voltaj değeri Bir motora uygulanan voltaj için iki değer sözkonusudur. Birincisi maksimum hız ki bu motorun yataklanması ve fırçalarıyla da ilgilidir. İkincisi ise motorun hızını azaltacak kadar olan akım sınırı. Eğer motor durursa herhangi bir ters elektromotor kuvveti oluşmaz. Küçük bobin direncine uygulanan voltaj çok büyük akımlara neden olabilir. Durmuş motordan çok büyük akımlar alınıyorsa, mıknatıslar özelliğini kaybedebilir. Voltajın uygun olması durumunda mıknatısların manyetik özelliğini kaybetmesi sözkonusu olamaz. Buna rağmen durma akımı uzunca bir süre kaldığında motorun yanmasına sebep olabilir.

Akım değeri ve ısıl konular adım motorlarında olduğu gibi genellişkle ısı sınırlama faktörü olup, ne kadar akım çekildiğine bağlıdır. Gerçekte fırçalı motorlarda bobin rotor üzerinde olup dış kısımda değildir, bu nedenle daha kolay ısınır. Bunun sonucu olarakmotorun akım değeri durma akımından daha küçük tutulur. Küçük motorlarlarda çalışma akımı durma akımının 1/10 ‘u kadardır. Büyük motorlarda bu değer (çalışma akımı) durdurma akımın yarısı kadar olabilir.

Olumlu taraf ise, birkaç saniyelik kısa periyotlarda akımı arttırmak mümkündür (torku tutabilmek için). Bu CNc kontrol sistemleri için büyük avantaj olup motoru kısa bir süre içerisinde motorun durudurulma endişesini kaldırır.

Hız /Tork karekteristikleri adım motorları ile  fırçalı tip Dc motorlar arasındaki en büyük farklılık istenmeyen adımlamadır. DC motorlar yüksek hızlarda tork kaybı yaşamazlar. Her devirde bobinlerin 200 defa anahtarlanması olmadığından DC motorların endüktansı düşüktür. Bu motorlar daha az mıknatıslı olmaları dolayısıyla her devirde 20 defadan az anahtarlanarak uyarılırlar. DC motorların hızının %75 ‘ine ulaşmadan en yüksek torku almak mümkündür. Bu sebelerden ötürü DC motorun tutma torku adım motorununki ile karşılatırılmaz. Gerçek, adım motorlarda kullanılabilir tork 1000 devirde (RPM) tutma torkunun 1/10’u kadardır, oysa DC motorun tork değeri yüksek hızda da yüksektir

Adım motoru 1000 RPM devirden sonra sorun çıkarmaya başlarken, tipik fırçalı bir cd motor yük sınırı hızı olmaksızın 3000-5000 RPM devire ulaşır. Motorun, işletim hızı adım motoruna göre 2-3 kat fazla olup, vidalı mil ve somunlarda 2-3 kat daha fazla hıza ulaşmak  mümkündür. Bu nedenledirki servo motorlar doğrudan sürücü vidalara bağlanabilir. Servo motora göre adım motorları yüksek hızda düşük tork verirler.

 

Geri besleme ve pozisyonlama motorların adım adım pozisyonlama davranışını almak önemlidir. Bunun için geri besleme gereklidir. Servo kontrollar, bazı sensörler ile motorun pozisyonunu ölçüp geri geribesleme ile voltajı kontrol eder böylece motor istenilen durumda kalır.

Bir çok bilinen cihazda kullanılan geri besleme motor üzerindeki arttırımlı encoderdir (kod çözücü)  tipik bir enkoderde 2 optik sensör ve dilimli tekerlek bulunur.

Bir enkoderde enkoder tekeri dönmeye başladığında dört tane sinyal oluşur bu sinyallerin yükselen ve düşen kenarları elektronik devreler vasıtasıyla algılanır. Dolayısıyla enkoderde her sayımda üretilen sinyalin dört kenarı sayılır. Bu tür enkoderler dördül enkoder olarak adlandırılır. Aynı zamanda enkoder ile ileri geri bir sayım yapmak mümkündür.

Enkoderlerin manyetik olanları da mevcuttur. İşlem olarak optik olanlara benzer işler.

Çalışması şöyle açıklanabilir: rotor 360 derece döndüğünde sinyal oluşmaya başlar dönmenin sürdüğü dönemde saymada devam eder. Tipik optik enkoder 1000 adet çok ince çizgiden oluşmuştur ve motorun her devrinde 4000 sayım yapar. Hareketin genel aralığında eksen yüzlerce belki binlerce döner.

Motorda, 1000 lik bir enkoder kullanıldığında ve 5 TPİ (inçte 5 diş - diş miktarı) bilyalı vida 2:1 oranında kayışkullanıldığı düşünülürse, bu her inçte encoderin 40.000 doğrulukta olmasıdır. Dolayısıyla bir inçte 40.000 hassasiyet demektir.

Böyle bir hassasiyet ile geri besleme yapıldığında motorun sürücüleri açılıp kapatılarak motorun nerede olduğu (hangi pozisyonda) belirlenir. Bu etki, motor kontrol devreleriden bağımsız DRO (sayısal durum göstergesi) etkisi yaratır. Elle kontrol işlemlerine göre büyük kolaylık sağlar.

Fırçasız servo motorlar fırçasız servo motorlar adım motorları ve fırçalı tip motorlara göre çok kaliteli olup. Yüksek tork, yüksek hız, yüksek doğruluk ve kesintisiz bir işlem sunarlar.

Fırçasız servo motor, esas olarak diğer motorlarla ve  adım motorlarla aynıdır. Fark, nasıl ve ne zaman motor sargılarına uygulanan voltajın verileceğidir. Adım motorlarda bobinler voltaj verildiğinde rotor arzulanan pozisyona gelir işlem tamamlanır. Fırçasız motorda böyle bir durum sözkonusu değildir. Motor kısa sürede durma pozisyonuna geçer, bazı elektronik anahtarlama devreleri bobinin birinin enerjisini keserken diğerini enerjilendirir. Aşağıdaki şekilde 4 işlem bölgesi ile  fırçasız servo motorun çalışmasını  gösterir.

 

 

S kutbu (rotordaki mıknatısın) A bölgesindeyken, 1.bobine pozitif voltaj verilerek S kutbu çekilir, N kutbu itilir. S kutbu B bölgesine girer 1.bobindeki enerji kesilir 2.bobine pozitif enerji verilir S kutbu 2.bobin tarafından çekilir. S kutbu şimdi C bölgesine girmiştir. 2.bobin enerjisi kesilir 1.bobin negatif enerjilenir, şimdi N kutbunu çekme S kutbunu itme zamanıdır. Son olarak D bölgesinde 1.bobinin enerjisi kesilir 2.bobin enerjilenir. Elektronik anahtarlama ile bu yolla fırçalı motor gibi hareket kazanır. Elektronik anahtarlama DC motor üzerinde döngü oluşturarak kesin kontrol yaptırır.

 

Fırçasız servo motor sıklıkla AC servo motor olarak da adlandırılmakta olan motorlar için artık DC servo motor adıyla anılma kararı alınmıştır. Motor gövdesinden akıtılan akım DC olduğunda motor bir yöne döner, diğer yöne çevirebilmek için akım yönünün değiştirilmesi gerekir.

 

Bir diğer sorun ise: elektronik devre s kutbunun nerede olduğunu nasıl bilir ? fırçasız motorlar, içerisine yerleştirilmiş olan hall effect (koridor etkisi)sensörleri ile pozisyonlarını algılar. Bunlar manyetik alanın varlığını belirleyen açılıp kapanan elektronik anahtarlardır. Hall sensörler herbir bobinde (sarımda) bir tane olmak üzere kullanılır. Sensörsüz fırçasız motorlarda bulunmaktadır, motor magnetinden elde edilen ters elektromotor kuvvetinin elektronik devrelerle algılanmasıyla çalışırlar, motor düşük hızda döner, motor sabit pozisyona gelmeden kullanılamaz.

 

Bu motorlarda tork motorun değişik açılarında farklıdır. Yukarıdaki resimde 1.bobin rotordan maksimum tork alır. Rotor 45 derece döndüğünde %70 tork elde edilir. Bu alınan torkun rotor açısı ile değişken olduğu görülür. Torkun daha az değişken olması için birçok fırçasız motorda 3 bobin kullanılır.

 

3 sarım (bobin) birlikte Y konfigürasyon kullanılır, 2 sarım herhangibir anda enerjilenebilir. Örneğin 1.sarıma +V ve 2.sarıma –V, 3.sarım bağlanmadığında akım sarım1 ve 2 den akar. 2 sarım yerine 3 sarım olduğunda motor torku %30 yerine %13 e düşer. Bu tip konfigüresyon 3 faz fırçasız motor olarak bilinir.





Description: http://jrkerr.com/lobocnc/photos/brushless_y.jpg

 

 


------------------------0-----------------------------