Step motorda tam adım, yarım adım ve mikro adım: adım açısı, tork ve kaçırılan adımlar
Step motor sabit açısal artışlarla hareket eder: 1,8°'lik bir motor devir başına 360 / 1,8 = 200 tam adım atar. Yarım adım bunu 400'e çıkarır; mikro adım ise akımı iki faz arasında bölerek her adımı daha da böler ve mikro adım başına bir miktar torku, daha düzgün ve ince bir hareketle takas eder. Motor hiçbir adımı kaçırmadığı sürece geri beslemeye gerek yoktur.
Adım açısı ve devir başına adım
Step motor, rotorun rotor ve stator dişleriyle belirlenen belirli sayıda tercihli konumu olacak biçimde yapılır. Sargıları bir sırayla enerjilendirmek rotoru bir konumdan diğerine taşır. Adım açısı, bir tam adımdaki harekettir.
devir başına adım = 360° / adım açısı
- 1,8°: devir başına 200 adım (en yaygın hibrit step motor)
- 0,9°: devir başına 400 adım
- 7,5°: devir başına 48 adım (küçük kalıcı mıknatıslı pençe kutuplu motorlar)
Hız doğrudan darbe hızından çıkar. Tam adımlı bir sürücü için dev/dak cinsinden hız, adım hızı × adım açısı / 6'dır; burada adım hızı saniyedeki darbe sayısıdır. Saniyede 1000 darbeyle sürülen 1,8°'lik bir motor 1000 × 1,8 / 6 = 300 dev/dak ile döner.
Tam, yarım ve mikro adım
Yaygın bir hibrit step motorun A ve B adlı iki sargısı vardır. Sürücü her birindeki akımı kontrol eder ve rotor bileşke manyetik alanla hizalanır.
Tam adım. Her adım alanı 90 elektriksel derece hareket ettirir. İki faz açık modunda her adımda iki sargı da enerjilenir ve bu en yüksek torku verir. Tek faz açık (dalga) sürüşte aynı anda yalnızca bir sargı enerjilenir ve yaklaşık %30 daha az tork verir.
Yarım adım. Dizi, tek faz açık ve iki faz açık arasında dönüşümlüdür. Çözünürlüğü ikiye katlar ve düşük hızda daha düzgün hareket verir; ancak iki faz bir fazdan daha fazla tork ürettiği için tork adımlar arasında hafifçe değişir.
Mikro adım. Sürücü iki sargıdaki akımları sinüs ve kosinüs dalgalarına yaklaştırır, örneğin IA = I × cos θ ve IB = I × sin θ. Rotor, tam adım konumları arasında herhangi bir yeri gösteren bir alanla hizalanır. 1/16 mikro adımda bir tam adım 16 konuma bölünür; böylece 1,8°'lik bir motor devir başına 3200 konum elde eder.
Mikro adım titreşimi ve gürültüyü çok azaltır, ancak doğrulukta orantılı bir artış sağlamaz. Tutma torku, hedeften sapmanın sinüsü kadar düşer; dolayısıyla bir mikro adım konumunun yakınında geri getirici tork küçüktür ve sürtünme ile yük rotoru hedefin biraz gerisinde bırakabilir. Tipik motorların konum doğruluğu bir tam adımın yaklaşık %5'idir; bu yüzden mikro adımı önce düzgünlük, sonra çözünürlük için kullanın.
Tutma torku ve çıkış torku
Tutma torku, sargılar anma akımını taşırken ve motor durağanken motorun karşı koyabildiği torktur; katalogdaki değerdir. Step motor, dururken bile bu torka sahiptir; bu yüzden hiçbir geri besleme olmadan konumunu tutar ve boştayken de tam akım çekip ısınır.
Motor dönmeye başladığında kullanılabilir tork hızla düşer. Her sargı bir indüktördür ve sürücü geriliminin akımı içine itip dışına çekmesi zaman alır. Yüksek adım hızlarında akım bir sonraki adımdan önce hedefine ulaşamaz ve tork düşer. Azami torkun adım hızına karşı eğrisi çıkış (pull-out) torku eğrisidir. Onun altında kalan giriş (pull-in) eğrisi, motorun rampa olmadan duruştan kalkabileceği en yüksek hızdır.
Besleme geriliminin sargının anma gerilimine (anma akımı × direnç) göre yüksek olması akımın daha hızlı yükselmesini sağlar ve eğriyi daha yüksek hıza iter. Step sürücülerinin, anma sargı geriliminin birkaç katı bir besleme ile kıyıcı (chopper) akım kontrolü kullanmasının nedeni budur.
Kaçırılan adımlar ve rezonans
Açık çevrimdeki bir step motorun bir adımı kaybettiğini bilmesinin yolu yoktur. Buna üç şey neden olur:
- Aşırı yük: yük torku o adım hızındaki kullanılabilir torktan büyüktür; rotor alanı izleyemez ve tam sayıda adım kayar. Duran bir motor hırıltılı bir ses çıkarır.
- Çok hızlı ivmelenme: adım hızı, rotorun ivmelenebileceğinden daha hızlı artar. Çözüm, darbe hızını kademeli artıran bir rampadır.
- Rezonans: rotor ve yükü, çoğu zaman saniyede birkaç yüz tam adım ya da daha altında bir doğal frekansı olan bir yay-kütle sistemi oluşturur. Adım hızı buna denk gelirse rotor giderek daha fazla salınır ve adım kaybedebilir. Mikro adım, sönümleme ve rezonans hızından hızla geçmek olağan çarelerdir.
Konum, sayılan tüm adımların toplamı olduğundan tek bir kayıp adım, eksen yeniden referanslanana (homing) kadar hata olarak kalır. Bu yüzden step motorlu makinelerde limit anahtarları ve bir referanslama rutini bulunur; adım kaçırmanın maliyetli olduğu yerlerde bir enkoder eklenir.
Açık çevrim konumlama ve çözümlü örnek
Adım sayısı doğrudan açıya karşılık geldiğinden step motor, tork payı korunduğu sürece bir sensör olmadan yükü hassas biçimde konumlayabilir. Bir vidalı mil ekseni için:
mm başına adım = (devir başına tam adım × mikro adım) / hatve
Hatvesi devir başına 8 mm olan bir vidalı mili süren 1,8°'lik (devir başına 200 adım) bir motor alalım; sürücü 1/16 mikro adıma ayarlı olsun.
1. Sürücüde devir başına adım: 200 × 16 = 3200. 2. Milimetre başına adım: 3200 / 8 = 400. 3. Kuramsal çözünürlük: 1 / 400 = 0,0025 mm, yani mikro adım başına 2,5 µm. 4. 120 mm'lik bir hareket 120 × 400 = 48 000 darbe gerektirir. 5. 50 mm/s ilerleme hızında vidalı mil 50 / 8 = 6,25 devir/s, yani 375 dev/dak ile döner ve darbe hızı 50 × 400 = 20 000 darbe/s olur.
Son sayı, yüksek mikro adım ile yüksek hızın neden bir arada gitmediğini gösterir: denetleyicinin 20 kHz üretmesi gerekir ve o hızda gerçek bir motorda çok az tork kalır. Uygulamada mikro adım ayarını düzgünlük için, ima ettiği darbe hızını ise ihtiyaç duyduğunuz hız için seçersiniz.
Simülatör step motoru nasıl modeller?
Curvo Studio'nun step motor simülatörü, bir motorun ve kıyıcı sürücünün kompakt bir eğitim modelidir. Mikro adım ayarı yoktur: etikete adım açısını girersiniz ve model bunu motorun adımı olarak kullanır; devir başına adım sayısı etiket alanlarının altında bir ipucu olarak gösterilir. Rotor hızı, step motor darbe dizisini izlediği için tam olarak adım hızı × adım açısı / 6'dır.
Tork şöyle modellenir. Sürücü, besleme gerilimi ulaşabildiği sürece sargıyı anma akımında tutar ve tutma torkuna eşit bir tork tavanı verir. Kullanılabilir tork, adım hızı arttıkça, besleme geriliminin anma sargı gerilimine (anma akımı × sargı direnci, ipucu olarak gösterilir) göre belirlenen bir köşe hızı civarında düşer. Yük torku kullanılabilir torku aşarsa motor adım kaçırıyor olarak işaretlenir. Sıfır adım hızında, besleme açıkken motor tam akımla konumunu tutar. Model rezonansı ya da açık bir giriş eğrisini içermez.
Step motor simülatöründe deneyin
Step motor simülatörünü açın ve şu deneyleri yapın.
- Besleme gerilimi açıkken Adım hızını 0'a ayarlayın. Motor sabit durur ama yine de faz akımı çeker.
- Adım hızını artırın ve Rotor hızını okuyun. Adım hızı × adım açısı / 6 ile karşılaştırın.
- Adım hızı arttıkça Kullanılabilir tork değerinin düştüğünü izleyin ve yük torku olan Tork değeriyle karşılaştırın.
- Tutma torkunun yüzdesi olan Mekanik yük kaydırıcısını, durum Kaçırılan adımlar'a geçene kadar yükseltin.
- Besleme gerilimini yükseltin ve yüksek adım hızlarında kullanılabilir torkun toparlandığını görün.
- Etiketteki Adım açısını, örneğin 1,8°'den 0,9°'ye değiştirin ve devir başına adım ipucunun ve belirli bir adım hızındaki rotor hızının nasıl değiştiğine dikkat edin.
- Yönü CW ile CCW arasında değiştirin.
Simülatörde deneyin
Sık sorulan sorular
- 1,8°'lik bir step motorun devir başına kaç adımı vardır?
- Devir başına 200 tam adım, çünkü 360° / 1,8° = 200. 1/16 mikro adımda sürücü her adımı 16 konuma böler ve devir başına 3200 elde edilir.
- Tam adım, yarım adım ve mikro adım arasındaki fark nedir?
- Tam adımda rotor her darbede bir adım açısı hareket eder. Yarım adım, bir ve iki fazın açık olması arasında dönüşümlüdür ve devir başına konumları ikiye katlar. Mikro adım sargı akımlarını sinüs ve kosinüs değerlerine ayarlar; böylece rotor tam adım konumları arasında durabilir, bu da daha düzgün hareket ve daha ince çözünürlük verir.
- Tutma torku nedir?
- Tutma torku, sargılar anma akımında enerjili ve mil durağanken motorun karşı koyabildiği en yüksek torktur. Bir step motor katalogundaki ana değerdir. Motor dönerken geçerli değildir; o zaman kullanılabilir tork daha düşüktür.
- Step motor yüksek hızda neden tork kaybeder?
- Sargılar endüktiftir; bu yüzden her adımda akımın hedefine ulaşması zaman alır. Yüksek adım hızlarında akım hedefin altında kalır ve tork düşer. Daha yüksek besleme gerilimi ve kıyıcı sürücü yardımcı olur, ancak hız arttıkça tork yine düşer.
- Step motor neden adım kaçırır?
- Yük torku o hızdaki kullanılabilir torku aştığı için, adım hızı çok çabuk artırıldığı için ya da adım hızı bir rezonansa denk geldiği için. Açık çevrimde kayıp adımları hiçbir şey algılamaz; bu yüzden konum hatası eksen yeniden referanslanana kadar kalır.
- Mikro adım step motoru daha doğru yapar mı?
- Yalnızca kısmen. Hareketi daha düzgün ve sessiz yapar ve daha ince komut konumları verir, ancak bir mikro adım konumundaki tork küçüktür; bu yüzden sürtünme rotoru hedefin gerisinde bırakabilir. Gerçek doğruluk, nominal mikro adım boyutu değil, bir tam adımın yüzde birkaçıdır.