Adım motoru sistemleri hareket kontrol endüstrisinin temelini oluşturur. Açık devre sistemi ile kapalı devre sistemi arasındaki farklara bakacağız ve ayrıca adım motoru sistemlerini her zamankinden daha hızlı, daha sessiz ve daha enerji verimli hale getiren 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 geldi ve ardından dijital sinyal işlemcileri (DSP'ler) ve anti-rezonans algoritmaları geldi. Şimdi, yeni kapalı devre adım motoru teknolojisi, adım motorlarının önümüzdeki yıllarda hareket kontrol endüstrisinin temel taşı olmaya devam etmesini sağlıyor.

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

Adımlama sistemlerindeki en son gelişme, adımlama hareketi üzerindeki döngüyü kapatmak için düşük maliyetli, yüksek çözünürlüklü geri bildirim cihazlarının ve gelişmiş DSP'lerin uygulanmasıdır. Bu tür kontroller, kapalı devre adımlama performansını açık devre sistemleri geride bırakacak şekilde artırır. Göreceğimiz gibi, bu tür kapalı devre sistemlerinden biri, geri bildirim cihazı, sürücü ve kontrol kartları, güç, iletişim ve G/Ç elektroniği ve motorun yan ve arka tarafında sistem konektörleri içeren entegre bir motor tasarımında uygulanır.

Açık çevrimli ve kapalı çevrimli 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 sistemlerinin açık devre kurulumlarına göre üstün performansı vardır; bu, iki sistemin ivmelenmesini (tork), verimliliğini (güç tüketimi), konum hatasını (doğruluk), ısı üretimini ve gürültü seviyelerini karşılaştıran laboratuvar test sonuçlarında gösterilmiştir. Sadece tork ve ivme arasındaki ilişkiyi düşünün. Tork-hız eğrileri, kapalı devre adım motorlarının tepe ve sürekli tork aralıklarını, açık devre adım motorlarının 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 döngülü ve kapalı döngülü adım motoru sistemleri aynı eylemsizlik yüklerini alır. Programlama, iki sisteme aynı hareket profillerini gerçekleştirmeleri için komut verir, ancak ivme oranı ve azami hız, konumlandırma hataları yapana kadar her sistemde yavaşça artırılır.

Açık döngü sisteminin maksimum 1.000 dev/sn hızlanma oranına sahip olduğunu varsayalım²ve 10 dev/sn (600 rpm) azami hız. 10 dev/sn'lik bu azami hız, tork-hız eğrisinin düz kısmının bittiği yerle ilişkilidir. Kapalı devre sistemi (daha yüksek tork üretme kapasitesi nedeniyle) 2.000 dev/sn azami hızlanma oranına ulaşır²ve 20 devir/sn (1.200 rpm) azami hız. Bu, açık döngü sisteminin performansının iki katıdır ve hareket süresini neredeyse yarı yarıya azaltır — 110 msn'den 60 msn'ye.

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

Açık devre verimliliği ile Kapalı devre verimliliği

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

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

Motor ısınması nasıl giderilir

Güç tüketimi testlerinin doğal bir uzantısı, motor ısınmasının araştırılmasıdır. Açık devreli adım motor sistemleri basit canavarlardır. Sadece sürücüyü motorun nominal akımına ayarlarsınız ve sürücü, ortaya çıkan torka ihtiyaç duyulup duyulmadığına bakılmaksızın her zaman bu akımı motora sağlamak için elinden gelenin en iyisini yapar. Bu genellikle uygulama işlevine doğru enerji yerine ısı üretilmesine neden olur ve açık devreli adım motor sistemlerinin genellikle kapalı devre muadillerinden daha sıcak çalışmasının nedenidir. Ayrıca, makine tasarımcılarının bu ısıyla başa çıkmak için ek adımlar atması 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 yürütülen bir motor ısıtma testinin sonuçlarını düşünün. Bu testte, iki sistem yine aynı eylemsiz yükleri çalıştırarak aynı miktarda iş üretir ve termal dengeye ulaşana kadar çalışmalarına izin verilir. Açık devre sistemi 76,0° C'lik bir kasa sıcaklığına ulaşırken, kapalı devre sistemi yalnızca 36,9° C'lik bir kasa sıcaklığında termal dengeye ulaşır - açık devre sisteminin yarısından daha az. Motor ısıtmasındaki bu önemli azalma, makine üreticileri için daha düşük bileşen maliyetleri anlamına gelebilir çünkü ekstra koruma ve soğutma alt sistemlerini atlayabilirler.

Gürültülü motorlar artık yok

Açık döngülü adımlayıcı sistemler hakkında bir diğer yaygın şikayet, oldukça fazla duyulabilir gürültü çıkardıklarıdır. Laboratuvarlar, hastaneler ve ofisler gibi belirli ortamlarda, bu gürültü makine tasarımcıları için gerçek bir sorun oluşturabilir.

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. Öte yandan kapalı devre adım motor sistemleri, motora yükü kontrol etmek için yeterli akımı sağlar ve bu da çok daha az duyulabilir gürültüyle sonuçlanır.

Bu makaleye eşlik eden akustik gürültü grafiğinde gösterilen test sonuçlarını üretmek için, her sistemin akustik gürültüsü ses geçirmez bir bölmede ölçülür. Kapalı devre sistemi, 0 ila 20 dev/sn hızlarda açık devre seçeneğinden önemli ölçüde daha sessizdir. Bu hız aralığı, adım motoru sistemlerinin en sık kullanıldığı uygulamaların gerçek dünya hız aralığıyla örtüşmektedir; bu da adım motoru uygulamalarının büyük çoğunluğunun kapalı devre sistemlere geçildiğinde azaltılmış motor gürültüsünden faydalanabileceği anlamına gelir.

Pozisyon hatalarını ortadan kaldırmak için daha iyi motor doğruluğu

Açık döngülü adım motoru sistemleri, geri bildirim mekanizması veya kapalı döngü kontrol sistemi olmadan yükleri hassas bir şekilde konumlandırma yetenekleri nedeniyle değerlidir, ancak yalnızca açık döngü sisteminin normal çalışma sırasında konum hatalarının oluşmayacağı yeterli tork marjına sahip olması durumunda. İyileştirilmiş doğruluk ve daha sağlam bir sistem tasarımı için, servo konum döngüsünü yüksek çözünürlüklü kodlayıcıdan gelen geri bildirim etrafında kapatmak, kapalı döngü sistemlerinin aksi takdirde açık döngülü sistemlerde konum hatalarına yol açacak olan tork talebindeki artışları otomatik olarak telafi etmesini sağlar. Bu, özellikle kısa, hızlı hareketlerin ve sık yön değişikliklerinin gerekli olduğu al ve yerleştir sistemleri ve 3D yazıcılar gibi oldukça dinamik uygulamalar için genel sistem doğruluğunu büyük ölçüde artırır.

Mevcut adımlama sistemlerinin yükseltilmesi

Entegre bir adım motor sistemindeki bileşenlerden motor, güç amplifikatörü ve iletişim maliyetleri genellikle açık devreden kapalı devreye geçerken artmaz. Kontrol elektroniği, motoru servo kontrol etmek için biraz daha fazla merkezi işlem gücü veya bellek gerektirebilir, ancak bunlar genellikle liste fiyatları üzerinde bir etkiye sahip değildir. Açık devre ve kapalı devre adım sistemleri arasındaki maliyet farkının çoğu, yüksek çözünürlüklü bir geri bildirim cihazının eklenmesinde yatmaktadır, ancak üretimdeki iyileştirmeler bu cihazları giderek daha uygun fiyatlı hale getirmiştir. Dolayısıyla artık kapalı devre adım sistemleri, geleneksel bir servo gibi diğer konumlandırma sistemlerine kıyasla açık devre adım sistemlerinin maliyet avantajlarını korur, ancak hemen hemen her yönden büyük ölçüde artan performansla. Genellikle, kapalı devre bir sistemin enerji tasarrufu ve artan verimi, geri bildirim cihazının maliyetindeki hafif artışı hızla karşılar.

Minimal bir maliyet artışına ek olarak, açık devreli bir adımlayıcı sistemden kapalı devreli bir sisteme yükseltme, NEMA çerçeve boyutu teklifleriyle basitleştirilmiştir. Kapalı devreli bir NEMA 23 adımlayıcı motor, açık devreli bir NEMA 23 adımlayıcı motorla aynı çerçeve boyutuna, pilot çapına, cıvata deliği dairesine ve cıvata deliği çapına sahiptir, bu nedenle montaj braketleri aynı kalır. Kapalı devre sisteminden elde edilen daha büyük tork, kapalı devreli adımlayıcı motorun şaft çapının daha büyük olabileceği anlamına gelir, ancak bu genellikle şaft kaplininde basit bir değişiklikle oldukça kolay bir şekilde çözülebilir.