Step Motor Nedir? | SCADA, Otomasyon ve PLC Sistemlerinde Kullanımı

Elektrik enerjisini dönme hareketine çeviren elektro-mekanik cihaza step motor denir. Step motorlara aynı zamanda adım motorları adı verilir. Açısal konumu adımlar halinde değiştiren, çok hassas sinyaller ile sürülen motorlara adım motorları denir. Adım motorları, belirli adımlarla hareket eder. Bu adımlar, motorun sargılarına uygun sinyaller gönderilerek step motor kontrol edilir.

Herhangi bir uyartımda motorun rotorun yapacağı hareketin ne kadar olacağı, motorun adım açısına bağlıdır. Adım açısı, motorun yapısına bağlı olarak 90°, 45°,18°, 7.5°, 1.8° yada daha farklı açılarda olabilir. Motora uygulanacak sinyallerin frekansı değiştirilerek motor hızı kontrol edilebilir. Adım motorlarının dönüş yönü , uygulanan sinyallerin sırası değiştirilerek, saat ibresi yönünde (CW)  yada saat ibresinin tersi yönünde (CCW) olabilir.

Adım motorlarının hangi tarafa doğru döneceği, devir sayısı, dönüş hızı gibi değerler mikroişlemci veya bilgisayar yardımıyla kontrol edilir. Kısaca adım motorlarının hızı,
dönüş yönü ve konumu her zaman bilinir. Bu özelliklerinden dolayı adım motorları çok hassas konum kontrolü istenen yerlerde mikro step motorlar da çok kullanılır. Step motor; elektrik enerjisini dönme hareketine çeviren elektromekanik bir cihazlardır. Elektrik enerjisi alındığı zaman rotor ve buna bağlı şaft, sabit açısal birimlerde (step-adım) dönmeye başlar. Step motor, çok yüksek hızlı anahtarlama özelliğine sahip bir sürücüye bağlıdırlar (step motor sürücü). Bu sürücü, bir encoder veya PLC’ den giriş palsları alır.

Alınan her giriş palsında, motor bir adım ilerler. Step motorları, bir motor turundaki adım sayısı ile anılır. Örneğin; 600 adımlık bir step motor bir tur döndüğü (360°) zaman 600 adım yapar. Bu halde bir adımın açısı 360/600 = 0,6 ° olur. Çıkan bu değer step motorun hassaslığını göstermektedir. Bir devirdeki adım sayısı yükseldikçe,step motor hassaslığı ve beraberinde maliyetide artar.

Step motor, yarım adım modun da çalıştıkları zaman hassaslıkları daha da artar. Örneğin; 600 adım/tur değerindeki bir step motor, yarım adım modun da çalışırken her turda 1200 adım yapar. Bu da 0.6º ye göre daha hassas olan 0.3º bir adım açısı anlamındadır. Bazı step motorlarda mikro step tekniğiyle adım açıları azaltılabilir. Ancak tork kayıpları sebebi ile bu kullanım biçimi etiketleme makinaları için uygun değildir. Step motorun adım açısıyla beraber step motordan tahrik alan çekme silindirinin çapı, etiketleme hassasiyetini tespit eder. Yüksek hızlarda hassas bir etiketleme yapmak için bu değerlerin en uygun birleşimi gerekir.

Adım motorlarının birçok alanda kullanılmasının sebebi, bu motorların bazı artılarının olmasındandır.

Step motorların avantajları;

• Step motorlar geri beslemeye (feedback) gereksinim duymazlar. Step motorların rotasyon (döngü) açısı giriş palsi ile orantılıdır. Açık döngülü olarak kontrol edilirler.
• Step motorun hareketlerinde konum hatası yoktur. Step motorlar hassas kontrol gerektiren projeler için kullanılır.
• Step motorlar sayısal olarak kontrol edilebildikleri için bilgisayar veya mikroişlemci gibi elemanlarla kontrol edilirler.
• Step motorlar durmak, yön değiştirmek ve harekete başlamak için gönderilen sinyallere çabuk cevap verirler.
• Step motorların mekanik yapısı basit olduğu için bakım gerektirmezler.
• Step motor herhangi bir hasara yol açmadan defalarca çalıştırılır.

Step motorların dezavantajları;

• Step motorlar adım açıları sabit olduğu için hareketleri sürekli değil darbelidir. Titreşim bazı hız değerlerinde tork kayıplarına sebep olabilir.
• Step motorlar sürtünme kaynaklı yükler, açık döngülü kontrolde konum hatası oluştururlar. Çok yüksek hızlarda kolaylıkla kontrol edilemezler.
• Step motorların elde edilebilecek güç ve momentleri sınırlıdır.
• Step motorlar, Servo motor ve DC motorlara göre daha karmaşık sürücü devrelere gereksinim duyabilirler.

Step Motorun Yapısı

Step motor; stator (endüktör), rotor (endüvi), rotora bağlı şaft motorun dönmesini kolaylaştıran rulmandan meydana gelmiştir. Step motorun yapısında endüktörünün birden fazla kutbu ( genel olarak sekiz kutup) mevcuttur. Bunların polaritesi  elektronik anahtarlarla değiştirilir. Anahtarlama neticesinde endüktörün güney ve kuzey kutupları döndürülür. Endüvinin güney kutbu, endüktörün kuzey kutbu sıralıdır. Endüvinin mıknatıslığı, bir sürekli mıknatıs yada dış uyarım yöntemi ile meydana getirilebilir. Bu arada sürekli mıknatıs meydana gelecektir. Adımları (stepler) yardımıyla ortalama endüktör alanı döner. Endüvide bunu benzer adımlar (stepler) arasında izler. Daha iyi bir seçicilik sağlamak için rotor ve stator üzerine küçük dişler yapılmaktadır. Yapılan bu dişler birbirlerine temas etmemelidir.

Step Motor Nasıl Çalışır?

Step motorun, anahtarla sargılarına enerji uygulandığında, enerji uygulanan sargının karşısına geldiği zaman durur. Motorun, ne kadar döneceği motorun yapısına göre değişmektedir. Step motora giriş pals uygulandığında, belli bir miktar döner ve durur. Bu dönme miktarı, motorun yapısına göre belli bir açı ile sınırlandırılmıştır. Step motorda rotorun dönmesi, girişe uygulanan pals adedine bağlı olarak değişir. Girişe tek bir pals verildiği zaman rotor, tek bir adım hareket eder ve durur. Daha fazla pals uygulanınca pals adedi kadar adım hareket eder.
Bu step motorların özelliğindendir. Step motorlar, belirli adımlarla hareket ederler. Tüm step motor çalışma prensibi bu şekildedir. Step motor, bir daire içinde elektromanyetik alanların dönüşü ile açıklanabilir.

Step motorun prensip şeması

Step motor bağlantı şeması yukarıdaki şekildeki gibidir. Şekilde görüldüğü gibi 1 nolu anahtar kapatıldığında sabit mıknatıs kendiliğinden 1. elektromanyetik alanla aynı hizaya gelecektir. Daha sonra 1 nolu anahtarı açılıp, 2 nolu anahtarı kapatılırsa sabit mıknatıs 2. elektromanyetik alanın karşısına gelecektir. Bu olaylar sırasıyla tekrarlanırsa, sabit mıknatıs yani rotor bir daire içinde düzgün şekilde döner.

Karşılaşılan Step Motor Terimleri

Step Açısı (SA): Bu, derece cinsinden açısal bir dönmedir. Sargı polaritesinin her bir değişiminde mil döner. Bu, tek bir giriş darbesi ile sağlanır. Derece / step yada sadece derece olarak açıklanır.

Dönme Başına Step (SPR): Bu 360°’lik bir tam dönme için gerekli olan toplam step sayısını gösterir. SPR= 360°/SA

Saniye Başına Step (SPS): Motorun gittiği 1 saniyedeki açısal step sayısı, AC motor ve DC motorların dakika başına dönme hızı ile karşılaştırılabilir.

Step Doğruluğu: Bu, pozisyon doğruluğu hassasiyeti olup genel olarak tek step açısının yüzdesi olarak tanımlanır. Artık Tork(Moment): Bu tork, güç uygulanmazken durma halinde vardır. Sadece sürekli mıknatıslı (permanet-magnet) rotor türündeki motorlarda görülür.

Step Cevabı: Bu tek bir step yardımı ile motoru hareket ettirmek için geçen zamanda, motor torkunun atalete oranının ve step motor sürücü devresi karakteristiğinin bir işlevidir.

Tork (Moment) – Atalet Oranı ( TIR ): 

Bir step motor için yararlılığın ifadesidir. Yüksek TIR, daha iyi step cevabı şöyle olmalıdır:
TIR = Rotor Ataleti ,Tutma Torku (1/sn.)

Tutma Torku (momenti): 

Oransal güç uygulandığı zaman ve sıfır hızda (durma hali) motor mili, tutma torku etkisindedir. Motor mili, manuel olarak çalışılırsa manyetik alan dönmeye karşı koyar. Ancak mile dışarıdan çok küçük bir tork uygulandığı zaman tutma pozisyonu terk edilecektir.

Dinamik Tork (Moment): 

Düşük hızda çalıştırılsa bile bir step motorun geliştirebileceği dinamik tork, her zaman için tutma torkundan daha düşüktür.

Mesela 50 step/sn. hızda sürtünme kuvvetini ve toplam yük ataletini kıracak dinamik tork, ortalma tutma torkunun %80’ i kadardır. Hız arttıkça tork, gibi azalır. Bu azalmanın nedeni, stator sargılarının endüktif olmasıdır. Bu sargılara uygun DC kaynağı bağlandığında akım, nominal değerine doğru geçici olarak artar. Sargılar hızlı açılıp kapatılırsa nominal akıma hiçbir zaman ulaşılamaz ve bu nedenle motor,düşük hız torkundan daha düşük tork geliştirir. Anahtarlama hızının artırılması, ortalama akımı ve torku daha da azaltacaktır.

Step Motorun Adım Açısının Hesaplanması

360º lik bir dönme hareketi için gerekli adım miktarı, statora sarılan sargıların faz sayısına ve motor rotorunun çıkıntılı kutup sayısına bağlıdır. Bu bağlamda step motorun adım açısı şu formül ile hesaplanır.

Formülde;

Qs= Step motorun adım açısını
Ns= Step motor faz sayısını
Nr= Rotorun çıkıntılı kutup sayısını ifade etmektedir.

Step Motorun Bir Devri İçin Gerekli Adım Sayısının Bulunması

Step motorların bir devri için gerekli adım sayısının bulunmasında şu formül kullanabilir.

Formülde;

S= Motorun bir devir (360º) için gerekli adım sayısını
Qs= Step motorun adım açısını tanımlar.

Step Motor Özellikleri

• Rotorun açısal hızı yeterince küçük olduğundan hareket sırasında adım kaybı olmaz. Yani kesin açısal mesafe tanımlanırsa motorun dönmesi uygun sayıda adımla kontrol edilebilir ve böylece mekanik sistemde milin hareketi yeterli ölçüdedir.
• Step motorları yüke yeterli momenti sağlayabilir.
• Step motorları DC ile uyarmada geniş bir tutma momentine sahiptirler. Yani step motorların rotor hareketi sabitken otomatik kilitleme özelliği vardır. Bu durumda rotor, sadece uç gerilimi zamanla değiştiği sürece hareket eder.
• Step motorlar sayısal kontrol sistemlerine uygundur.
• Step motor kontrolleri tekrarlanabilir.
• Hata, sadece adım hatasıdır. Genellikle adım başına % 1 ila % 5 arasında değişmektedir. Rotor pozisyonlarında mükemmel doğruluğa sahiplerdir.
• Step motorunun açık – çevirim kontrollü olması nedeniyle, takometre ve/veya çözücünün (endocer) kullanılması gereksizdir. Buna bağlı olarak tasarımın maliyeti düşer. Geri besleme (feedback) ile mil pozisyonunun tayin edilmesine gerek kalmaz.
• Motor yapısının basit olması, motor bakımının kolay ve kullanım süresinin uzun olmasını sağlar. Bu nedenle maliyet düşmüş olur.
• Step motorlarının ısınma gibi olumsuzluklardan gelen zararları azdır.
• Motor, bir güç kaynağı ve motor cevabını değerlendiren step motor sürücü devresi ile kontrol edilebilir.
• Hız, proğramlama yoluyla ayarlanabilir; çalışma sırasında hız sabit kalır, değişmez.

Çözünürlük

Çözünürlük; bir devirdeki adım sayısı yada dönen motorlar için adım açısı lineer motorlar için ise adım uzunluğu (mm) olarak ifade edilir. Bu sabit değer, üretim sırasında belirlenen bir büyüklüktür. Bir adım motorunun adım büyüklüğü, farklı kontrol düzenleriyle değiştirilebilir. Yarım adım çalışmada adım büyüklüğü normal değerinin (çözünürlüğünün) yarısına indirilir.

Doğruluk

Bir adım motorunun adım konumu, tasarım ve üretim sırasında bir araya getirilen birçok parçanın boyutları ile tespit edilir. Bu parçaların boyutlarındaki toleranslar ve dahili sürtünmeler, adımların nominal denge konumlarında da toleranslara sebep olur. Bu hal, adım motorunun doğruluğu olarak adlandırılır ve belli bir konumdaki maksimum açısal hatanın nominal tek adım değerinin yüzdesi olarak anlatılmış halidir. Klasik adım motorlarında bu hata % 1 ile % 5 arasında değişmektedir. Sürtünme momenti veya kuvveti sebebi ile meydana gelen konum hataları bu doğruluk ile ilgisi olmayan, daha az yada çok olabilen gelişigüzel hatalardır. Ancak her iki tip hata toplanır ve sistemin toplam hatası elde edilir.

Step Motorlarının Uyartımı

• Tek-Faz Uyartımı

Motor sargılarının sadece birinin uyartıldığı uyartım cinsine tek-faz uyartımı adı verilir. Bu uyartım yönteminde de rotor, her bir uyartım sinyali için tam adımlık bir hareket yapar. Uyartım, dönüş yönüne bağlı olarak sırayla yapılır. Burada fazların uyartım sırası saat ibresi yönündeki (CW) dönüş için F1, F2, F3, F4; saat ibresinin tersi yönü (CCW) için F4, F3, F2, F1 şeklindedir.

• İki-Faz Uyartımı

Motor sargılarının ikisinin sırayla aynı anda uyartıldığı uyartım cinsine iki-faz uyartımı denir. İki faz uyartımlıda rotorun geçici durum tepkisi tek-faz uyartımlıya göre daha hızlıdır. Ama burada güç kaynağından çekilen güç iki katına çıkar.

• Karma Uyartım

Karma uyartım yönteminde tek-faz uyartımı ile iki-faz uyartımı arka arkaya uygulanır. Burada rotor, her bir uyartım sinyali için yarım adımlık bir hareket yapar. Bu uyartım yönteminde de, adım açısı yarıya düştüğü için adım sayısı iki katına çıkar.

Step Motorların Kullanım Alanları

Step motorlarının geniş bir kullanım alanı vardır. Her türlü kontrol edilmiş hareket veya pozisyon gerekli olan yerlerde, dijital bilgileri mekanik harekete çeviren bir dönüştürücü olarak görev yaparlar. Bant sürücüler, imalat tezgahları, yazıcı (printer), teyp sürücüleri, hafıza işlemlerinde, tıbbi cihazlarda, makine tezgahlarında, dikiş makineleri, kart okuyucuları, kameralarda, step motor sürücü kartı ile ayar ve kontrol tekniğinde, uzaktan kumanda göstergelerinde kullanılırlar.

Sonuç; Step motor, her türlü kontrolü yapılmış pozisyon ve hareket geren ortamlarda dijital bilgileri mekanik harekete çeviren bir eleman (transduser) gibi görev yaparlar.

Step motor seçimi; step motor kontrol devresi,  iyi bir seçim yapmak için maliyetin düşük olmasıyla birlikte kapsamlı mekanik yapı, yükün durumu ve elektronik step motor sürücü devresi ve step motor sürücü devreleri gereksinimleri göz önüne bulundurulmalıdır. Basit bir seçim, motorun tork gereksinimi bakımından verimlilik esas olarak yapılan seçimdir.

Step Motor Çeşitleri

Yapılarına göre step motor çeşitleri;

• Sabit mıknatıslı adım motor
• Hibrit (hybrid) senkron (eş zaman) step motor
• Değişken relüktanslı step motor
• Hidrolik adım motor
• Lineer adım motor

Step motor imalatı yapılırken; adım motorlarının yapıları, step motor çeşitleri, kullanım alanları, özellikleri, step sürücü, step sürücü devreleri yapımını ve adım motorların PLC ile sürülmesi göz önüne alınmalıdır. Step motor firmaları tarafından adım motoru, step sürücü devreleri ve PLC kullanarak yapılan motorların maliyetine göre step motor fiyatları ve step motor driver veya step motor sürücü fiyatları da belirlenmektedir.