Adım motor sistemleri, hareket kontrol endüstrisinin temel taşlarından biridir. Açık döngülü sistem ile kapalı döngülü sistem arasındaki farklara bakacağız ve ayrıca adım motor sistemlerini her zamankinden daha hızlı, daha sessiz ve daha enerji verimli hale getiren en son gelişmeleri açıklayacağız.

Adım motoru sistemleri, voltaj tahrikli ve tam adımlı sistemlerin ilk günlerinden bu yana uzun bir yol kat etti. Önce PWM tahrikli sistemler ve mikro adımlı sistemler, ardından dijital sinyal işlemcileri (DSP'ler) ve titreşim önleyici algoritmalar geldi. Şimdi ise yeni kapalı döngülü adım motoru teknolojisi, adım motorlarının önümüzdeki yıllarda da hareket kontrol endüstrisinin temel taşlarından biri olmaya devam etmesini sağlıyor.

Hareketin doğrusal veya döner olması fark etmeksizin, hangi motor ve sürücü sistemlerinin en uygun olduğunu belirleyen iki temel faktör tork ve verimliliktir. Bu durum, son uygulamanın otomatik bir montaj sistemi, malzeme taşıma makinesi, 3D yazıcı, Kartezyen konumlandırıcı, peristaltik pompa veya kademeli motorların tercih edilen bir teknoloji olduğu sayısız diğer uygulamadan biri olması fark etmeksizin geçerlidir.

Step motor sistemlerindeki en son gelişme, step motor hareketini kapalı döngüye almak için düşük maliyetli, yüksek çözünürlüklü geri besleme cihazlarının ve gelişmiş DSP'lerin uygulanmasıdır. Bu tür kontroller, kapalı döngü step motor performansını açık döngü sistemlerinden daha iyi hale getirir. Göreceğimiz gibi, bu tür bir kapalı döngü sistemi, geri besleme cihazı, sürücü ve kontrol kartları, güç, iletişim ve G/Ç elektroniği ve motorun yan ve arka tarafındaki sistem bağlantılarını içeren entegre bir motor tasarımında uygulanmaktadır.

Açık döngülü ve kapalı döngülü kademeli motor sistemleri
Öncelikle, yüksek performanslı kapalı devre kademeli motor sistemlerinin, tork ve verimlilik açısından geleneksel açık devre kademeli motor sistemleriyle nasıl karşılaştırıldığını inceleyelim.

Kapalı devre step motor sistemleri, açık devre sistemlere göre üstün performans sergiler; bu durum, iki sistemin ivme (tork), verimlilik (güç tüketimi), konum hatası (doğruluk), ısı üretimi ve gürültü seviyelerini karşılaştıran laboratuvar test sonuçlarında gösterilmiştir. Sadece tork ve ivme arasındaki ilişkiyi düşünün. Tork-hız eğrileri, kapalı devre step motor sisteminin tepe ve sürekli tork aralıklarını, açık devre step motor sisteminin kullanılabilir tork aralığıyla birlikte gösterir. Gerçek dünyada tork genellikle ivmeye dönüşür; bu nedenle daha yüksek torka sahip motorlar belirli bir yükü daha hızlı ivmelendirebilir.

Laboratuvarda tork performansındaki bu farkı test etmek için, eşit büyüklükteki açık döngü ve kapalı döngü kademeli motor sistemlerine aynı atalet yükleri uygulanır. Programlama komutları, iki sisteme de aynı hareket profillerini gerçekleştirmelerini emreder; ancak her sistemde ivme oranı ve azami hız, konumlandırma hataları oluşana kadar yavaşça artırılır.

Diyelim ki açık çevrimli sistem, saniyede 1.000 devir gibi maksimum bir ivme oranına ulaşıyor.²ve 10 dev/sn (600 rpm) azami hıza sahiptir. Bu 10 dev/sn'lik azami hız, tork-hız eğrisinin düz kısmının bittiği noktaya karşılık gelir. Kapalı devre sistem (daha yüksek tork üretme kapasitesi nedeniyle) 2.000 dev/sn'lik maksimum ivme oranına ulaşır.²ve saniyede 20 devir (1200 rpm) azami hıza sahip. Bu, açık devre sisteminin performansının iki katı ve hareket süresini neredeyse yarıya indiriyor - 110 milisaniyeden 60 milisaniyeye.

Yüksek verimlilik gerektiren uygulamalar (örneğin indeksleme, kenar kılavuz konumlandırma ve alma-yerleştirme sistemleri) için kapalı devre sistem, belirgin bir performans avantajı sağlar.

Açık döngü ve kapalı döngü verimliliği

Açık döngülü ve kapalı döngülü sistemlerin göreceli verimliliğini ölçmek için, aynı büyüklükteki iki motorla aynı testi tekrarladığımızı varsayalım. Bu sefer, kapalı döngülü ve açık döngülü motorları aynı atalet yükleriyle yan yana çalıştırıyoruz, ancak hareket profillerini sabit ve eşit tutan bir programlama uyguluyoruz, böylece her iki sistem de aynı miktarda iş yapıyor.

İki motor aynı hareket profilini tekrar tekrar uygularken, iki sisteme güç sağlayan DC güç kaynağından çekilen akım ölçülür ve güç tüketimi hesaplanır. Değer grafiklerinde görülebileceği gibi, açık döngülü step motor sisteminin ortalama güç tüketimi 43,8 watt iken, kapalı döngülü sistemin ortalama güç tüketimi bunun yalnızca üçte biri kadardır - 14,2 watt. Güç tüketimindeki bu çarpıcı fark, kapalı döngülü sistemin daha yüksek verimlilikte çalıştığını açıkça göstermektedir. Açık döngülü step motor sisteminin verimliliğini artırmak isteyen herhangi bir kullanıcı, artık basit bir şekilde kapalı döngülü bir sisteme geçmeyi düşünebilir ve önemli ölçüde daha düşük tüketim bekleyebilir.

Motor ısınması sorunu nasıl çözülür?

Güç tüketimi testlerinin doğal bir uzantısı, motor ısınmasının incelenmesidir. Açık döngülü step motor sistemleri basit makinelerdir. Sürücüyü motorun nominal akımına ayarlarsınız ve sürücü, ortaya çıkan torkun gerekli olup olmamasına bakılmaksızın, her zaman motora bu akımı sağlamak için elinden gelenin en iyisini yapar. Bu durum genellikle uygulama fonksiyonuna yönelik enerji yerine ısı üretimine neden olur ve açık döngülü step motor sistemlerinin kapalı döngülü muadillerine göre genellikle daha sıcak çalışmasının nedenidir. Ayrıca, makine tasarımcılarının bu ısıyla başa çıkmak için ek adımlar atması gerektiği anlamına gelir; bu adımlar genellikle insan operatörlerin yakınında çalışacak step motorların etrafına özel koruma eklemek veya fan gibi ek soğutma sistemleri kurmak şeklinde olabilir.

Yukarıda bahsedilen açık devre ve kapalı devre sistemleri kullanılarak bir laboratuvarda yapılan motor ısıtma testinin sonuçlarını ele alalım. Bu testte, iki sistem yine aynı atalet yüklerini çalıştırarak aynı miktarda iş üretir ve termal dengeye ulaşana kadar çalıştırılır. Açık devre sistem 76,0°C'lik bir gövde sıcaklığına ulaşırken, kapalı devre sistem termal dengeye sadece 36,9°C'lik bir gövde sıcaklığında ulaşır; bu da açık devre sistemin yarısından daha azdır. Motor ısıtmasındaki bu önemli azalma, makine üreticileri için daha düşük bileşen maliyetleri anlamına gelebilir, çünkü ek koruma ve soğutma alt sistemlerini ortadan kaldırabilirler.

Gürültülü motorlara son!

Açık döngülü step motor sistemleriyle ilgili bir diğer yaygın şikayet ise oldukça fazla ses çıkarmalarıdır. Laboratuvarlar, hastaneler ve ofisler gibi belirli ortamlarda bu gürültü, makine tasarımcıları için gerçek bir sorun teşkil edebilir.

Adım motorlarının çıkardığı gürültü, yüksek elektrik frekansından ve stator dişlerindeki hızlı akı değişimlerinden kaynaklanır; ayrıca açık döngülü sistemler, yükten bağımsız olarak tam nominal akımda çalıştırılır. Kapalı döngülü adım motor sistemleri ise, motora yükü kontrol etmek için yeterli akımı sağlar ve bu da çok daha az duyulabilir gürültüye neden olur.

Bu makaleye eşlik eden akustik gürültü grafiğinde gösterilen test sonuçlarını elde etmek için, her sistemin akustik gürültüsü ses yalıtımlı bir odada ölçülmüştür. Kapalı devre sistem, 0 ila 20 dev/sn hız aralığında açık devre seçeneğine göre önemli ölçüde daha sessizdir. Bu hız aralığı, kademeli motor sistemlerinin en sık kullanıldığı uygulamaların gerçek dünya hız aralığıyla örtüşmektedir; bu da, kapalı devre sistemlere geçilmesi durumunda kademeli motor uygulamalarının büyük çoğunluğunun motor gürültüsünde azalmadan fayda sağlayabileceği anlamına gelir.

Konum hatalarını ortadan kaldırmak için daha iyi motor doğruluğu.

Açık döngülü kademeli motor sistemleri, geri besleme mekanizması veya kapalı döngülü kontrol sistemi olmadan yükleri hassas bir şekilde konumlandırma yetenekleri nedeniyle değerlidir; ancak bu, açık döngülü sistemin normal çalışma sırasında konum hatalarının oluşmayacağı yeterli tork marjına sahip olması koşuluyla geçerlidir. Daha yüksek doğruluk ve daha sağlam bir sistem tasarımı için, yüksek çözünürlüklü enkoderden gelen geri besleme etrafında servo konum döngüsünü kapatmak, kapalı döngülü sistemlerin, aksi takdirde açık döngülü sistemlerde konum hatalarına yol açacak olan tork talebindeki artışları otomatik olarak telafi etmesine olanak tanır. Bu, özellikle kısa, hızlı hareketlerin ve sık yön değişikliklerinin gerekli olduğu alma-yerleştirme sistemleri ve 3D yazıcılar gibi son derece dinamik uygulamalar için genel sistem doğruluğunu büyük ölçüde artırır.

Mevcut kademeli motor sistemlerinin yükseltilmesi

Entegre bir kademeli motor sistemindeki bileşenlerden motor, güç amplifikatörü ve iletişim maliyetleri, açık döngüden kapalı döngüye geçildiğinde genellikle artmaz. Kontrol elektroniği, motoru servo kontrolü için biraz daha fazla merkezi işlem gücü veya bellek gerektirebilir, ancak bunlar genellikle liste fiyatlarını etkilemez. Açık döngü ve kapalı döngü kademeli sistemler arasındaki maliyet farkının büyük bir kısmı, yüksek çözünürlüklü bir geri besleme cihazının eklenmesinden kaynaklanır, ancak üretimdeki iyileştirmeler bu cihazları giderek daha uygun fiyatlı hale getirmiştir. Bu nedenle, kapalı döngü kademeli sistemler artık geleneksel servo gibi diğer konumlandırma sistemlerine göre açık döngü kademeli sistemlerin maliyet avantajlarını korurken, neredeyse her açıdan büyük ölçüde artırılmış performans sunmaktadır. Tipik olarak, kapalı döngü bir sistemin enerji tasarrufu ve artan verimliliği, geri besleme cihazının maliyetindeki küçük artışı hızla karşılar.

Minimum maliyet artışına ek olarak, açık döngülü bir step motor sisteminden kapalı döngülü bir sisteme geçiş, NEMA çerçeve boyutu seçenekleriyle basitleştirilmiştir. Kapalı döngülü bir NEMA 23 step motor, açık döngülü bir NEMA 23 step motorla aynı çerçeve boyutuna, pilot çapına, cıvata deliği dairesine ve cıvata deliği çapına sahiptir, bu nedenle montaj braketleri aynı kalır. Kapalı döngülü sistemden elde edilebilen daha yüksek tork, kapalı döngülü step motorun şaft çapının daha büyük olabileceği anlamına gelir, ancak bu genellikle şaft kaplininin basit bir şekilde değiştirilmesiyle oldukça kolay bir şekilde çözülebilir.