Adım motoru sistemleri, hareket kontrol sektörünün temelini oluşturur. Açık devre sistemleri ile kapalı devre sistemleri arasındaki farklara bakacak ve adım motoru sistemlerini her zamankinden daha hızlı, daha sessiz ve daha enerji verimli hale getiren en son gelişmeleri açıklayacağız.

Adım motoru sistemleri, voltaj sürücülerinin ve tam adımlamanın ilk günlerinden bu yana uzun bir yol kat etti. Önce PWM sürücüler ve mikro adımlama, ardından dijital sinyal işlemcileri (DSP'ler) ve anti-rezonans algoritmaları geldi. Şimdi ise yeni kapalı devre adım motoru teknolojisi, adım motorlarının önümüzdeki yıllarda da hareket kontrol sektörünün temel taşlarından biri olmaya devam etmesini sağlıyor.

Hareket doğrusal veya döner olsun, hangi motor ve tahrik sisteminin en uygun olduğunu belirleyen iki önemli husus tork ve verimliliktir. Bu, nihai uygulama ister otomatik bir montaj sistemi, ister bir malzeme taşıma makinesi, ister bir 3D yazıcı, ister bir Kartezyen konumlandırıcı, ister bir peristaltik pompa veya adım motorlarının tercih edilen bir teknoloji olduğu sayısız başka uygulama olsun, geçerlidir.

Adım motor sistemlerindeki en son gelişme, adım motorunun hareket döngüsünü kapatmak için düşük maliyetli, yüksek çözünürlüklü geri besleme cihazlarının ve gelişmiş DSP'lerin uygulanmasıdır. Bu tür kontroller, kapalı devre adım motorunun performansını artırarak açık devre sistemleri geride bırakır. Göreceğimiz gibi, bu tür kapalı devre sistemlerden biri, bir geri besleme cihazı, sürücü ve kontrol kartları, güç, iletişim ve G/Ç elektroniği ile motorun yan ve arka tarafında sistem konektörleri içeren entegre bir motor tasarımında uygulanır.

Açık devre ve kapalı devre adım sistemleri
Öncelikle yüksek performanslı kapalı devre adım motorlarının tork ve verimlilik açısından geleneksel açık devre adım motorlarıyla nasıl karşılaştırıldığını inceleyelim.

Kapalı devre adım motorları, iki sistemin ivmelenmesini (tork), verimliliğini (güç tüketimi), konum hatasını (doğruluk), ısı üretimini ve gürültü seviyelerini karşılaştıran laboratuvar test sonuçlarında gösterildiği gibi, açık devre kurulumlarına göre daha üstün performansa sahiptir. Tork ve ivme arasındaki ilişkiyi düşünün. Tork-hız eğrileri, kapalı devre bir adım motorunun tepe ve sürekli tork aralıklarını, açık devre bir adım motorunun kullanılabilir tork aralığıyla birlikte gösterir. Gerçek dünyada tork çoğu zaman ivmeye dönüşür; bu nedenle, daha yüksek torka sahip motorlar belirli bir yükü daha hızlı hızlandırabilir.

Tork performansındaki bu farkı laboratuvarda test etmek için, eşit büyüklükteki açık devre ve kapalı devre adım motoru sistemlerine aynı atalet yükleri uygulanır. Programlama, iki sisteme aynı hareket profillerini gerçekleştirmeleri talimatını verir; ancak her iki sistemde de ivme oranı ve azami hız, konumlandırma hataları oluşana kadar yavaşça artırılır.

Açık döngü sisteminin maksimum 1.000 devir/sn hızlanma oranına sahip olduğunu varsayalım²ve 10 dev/sn (600 dev/dak) azami hıza sahiptir. 10 dev/sn'lik bu azami hız, tork-hız eğrisinin düz kısmının bittiği noktayla örtüşmektedir. Kapalı devre sistemi (daha yüksek tork üretme kapasitesi sayesinde) maksimum 2.000 dev/sn hızlanma oranına sahiptir.²ve 20 dev/sn (1.200 dev/dak) azami hız. Bu, açık devre sisteminin performansının iki katıdır ve hareket süresini neredeyse yarı yarıya azaltır; 110 milisaniyeden 60 milisaniyeye.

Yüksek verim gerektiren uygulamalar (indeksleme, kenar kılavuzu konumlandırma ve alma-yerleştirme sistemleri gibi) için kapalı devre sistemi belirgin bir performans avantajı sağlar.

Açık döngü verimliliği ve kapalı döngü verimliliği

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

İki motor aynı hareket profilini tekrar tekrar indekslerken, iki sistemi besleyen DC güç kaynağından çekilen akım ölçülür ve güç tüketimi hesaplanır. Değer grafiklerinde görülebileceği gibi, açık devreli step motor sisteminin ortalama güç tüketimi 43,8 watt iken, kapalı devre sisteminin güç tüketimi yalnızca üçte biri kadardır - ortalama 14,2 watt. Güç tüketimindeki bu çarpıcı fark, kapalı devre sistemin daha yüksek verimli çalışmasını açıkça göstermektedir. Açık devreli step motor sisteminin sistem verimliliğini artırmak isteyen herhangi bir kullanıcı, artık kapalı devre bir sisteme basit bir yükseltme yapmayı düşünebilir ve önemli ölçüde daha düşük bir tüketim bekleyebilir.

Motor ısınması nasıl giderilir?

Güç tüketimi testlerinin doğal bir uzantısı, motor ısınmasının incelenmesidir. Açık devre adım motor sistemleri basit makinelerdir. Sürücüyü motorun nominal akımına göre ayarlamak yeterlidir ve sürücü, elde edilen torka ihtiyaç duyulup duyulmadığına bakılmaksızın, bu akımı motora her zaman sağlamak için elinden gelenin en iyisini yapacaktır. Bu durum genellikle uygulama işlevine yönelik enerji yerine ısı üretilmesine neden olur ve açık devre adım motor sistemlerinin genellikle kapalı devre muadillerinden daha sıcak çalışmasının nedeni de budur. Bu durum ayrıca, makine tasarımcılarının bu ısıyla başa çıkmak için ek önlemler alması gerektiği anlamına gelir; genellikle insan operatörlerin yakınında çalışacak adım motorlarının etrafına özel korumalar ekleyerek veya fanlar gibi ek soğutma sistemleri kurarak.

Yukarıdakiyle aynı açık devre ve kapalı devre sistemleri kullanılarak bir laboratuvarda gerçekleştirilen bir motor ısıtma testinin sonuçlarını ele alalım. Bu testte, iki sistem de aynı atalet yüklerini çalıştırarak aynı miktarda iş üretiyor ve termal dengeye ulaşana kadar çalışmalarına izin veriliyor. Açık devre sistemi 76,0°C'lik bir gövde sıcaklığına ulaşırken, kapalı devre sistemi yalnızca 36,9°C'lik bir gövde sıcaklığında termal dengeye ulaşıyor; bu, açık devre sisteminin yarısından daha az. Motor ısınmasındaki bu önemli azalma, makine üreticileri için daha düşük bileşen maliyetleri anlamına gelebilir, çünkü ekstra koruma ve soğutma alt sistemlerini ortadan kaldırabilirler.

Gürültülü motorlar artık yok

Açık devre adım motorları hakkında sıkça duyulan bir diğer şikayet ise, oldukça fazla duyulabilir gürültü çıkardıklarıdır. Laboratuvarlar, hastaneler ve ofisler gibi belirli ortamlarda bu gürültü, makine tasarımcıları için ciddi bir sorun teşkil edebilir.

Adım motorlarının yaydığı gürültü, yüksek elektrik frekansından ve stator dişlerindeki hızlı akı değişimlerinden ve açık devre sistemlerinin yükten bağımsız olarak tam nominal akımda çalıştırılmasından kaynaklanır. Kapalı devre adım motorları 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 geçirmez bir bölmede ölçülmüştür. Kapalı devre sistem, 0 ila 20 dev/sn arasındaki hızlarda açık devre seçeneğine göre önemli ölçüde daha sessizdir. Bu hız aralığı, adım motor sistemlerinin en sık kullanıldığı uygulamaların gerçek dünya hız aralığıyla örtüşmektedir; bu da adım motor uygulamalarının büyük çoğunluğunun kapalı devre sistemlere geçildiğinde motor gürültüsünün azalmasından faydalanabileceği anlamına gelir.

Pozisyon hatalarını ortadan kaldırmak için daha iyi motor doğruluğu

Açık devre adım motor sistemleri, geri bildirim mekanizması veya kapalı devre kontrol sistemi olmadan yükleri hassas bir şekilde konumlandırma kabiliyetleri nedeniyle değerlidir; ancak bu, açık devre sisteminin normal çalışma sırasında konum hatalarının oluşmayacağı yeterli tork marjına sahip olması koşuluyla geçerlidir. Daha iyi doğruluk ve daha sağlam bir sistem tasarımı için, servo konum döngüsünün yüksek çözünürlüklü kodlayıcıdan gelen geri bildirim etrafında kapatılması, kapalı devre sistemlerinin, aksi takdirde açık devre sistemlerinde konum hatalarına yol açacak tork talebindeki artışları otomatik olarak telafi etmesini sağlar. Bu, özellikle kısa ve hızlı hareketlerin ve sık yön değişikliklerinin gerekli olduğu al-yerleştir sistemleri ve 3B yazıcılar gibi oldukça dinamik uygulamalar için genel sistem doğruluğunu büyük ölçüde artırır.

Mevcut adım motor sistemlerinin yükseltilmesi

Entegre bir adım motor sistemindeki bileşenlerden motor, güç amplifikatörü ve iletişim maliyetleri genellikle açık döngüden kapalı döngüye geçerken artmaz. Kontrol elektroniği, motoru servo kontrolü için biraz daha fazla merkezi işlem gücü veya bellek gerektirebilir, ancak bunların genellikle liste fiyatları üzerinde bir etkisi yoktur. Açık döngü ve kapalı döngü adım sistemleri arasındaki maliyet farkının çoğu, yüksek çözünürlüklü bir geri bildirim cihazının eklenmesinden kaynaklanmaktadır, ancak üretimdeki iyileştirmeler bu cihazları giderek daha uygun fiyatlı hale getirmiştir. Dolayısıyla artık kapalı döngü adım sistemleri, geleneksel servo gibi diğer konumlandırma sistemlerine kıyasla açık döngü adım sistemlerinin maliyet avantajlarını korur, ancak neredeyse her yönden büyük ölçüde artan performansla. Genellikle, kapalı döngü bir sistemin enerji tasarrufu ve artan verimi, geri bildirim cihazının maliyetindeki küçük artışı hızla karşılar.

Minimum maliyet artışına ek olarak, açık devreli bir adım motorundan kapalı devre bir sisteme yükseltme, NEMA gövde boyutu seçenekleriyle basitleştirilmiştir. Kapalı devre bir NEMA 23 adım motoru, açık devre bir NEMA 23 adım motoruyla aynı gövde boyutuna, pilot çapına, cıvata deliği dairesine ve cıvata deliği çapına sahiptir, bu nedenle montaj braketleri aynı kalır. Kapalı devre sistemden elde edilen daha yüksek tork, kapalı devre adım motorunun şaft çapının daha büyük olabileceği anlamına gelir, ancak bu genellikle şaft kaplininde basit bir değişiklikle oldukça kolay bir şekilde çözülebilir.