PC ile robot kolu kontrolü step motorlar c++ yazılım

BÖLÜM 2. STEP MOTOR

Giriş: Step motor, elektrik enerjisini dönme hareketine çeviren elektro-mekanik bir cihazdır. Açısal konumu adımlar halinde değiştiren çok hassas sinyallerle sürülen motorlardır. Elektrik enerjisi alındığında rotor ve buna bağlı şaft, sabit açısal birimlerde (step-adım) dönmeye başlar. Step motorlar, çok yüksek hızlı anahtarlama özelliğine sahip bir sürücüye bağlıdırlar (step motor sürücüsü).

Bu sürücü, bir encoder , PC veya PLC’den giriş pals’ları alır. Alınan her giriş pals’ında, motor bir adım (step) ilerler. Step motorlar bir motor turundaki adım sayısı ile anılırlar. Örnek olarak 400 adımlık bir step motor bir tam dönüşünde (tur) 400 adım yapar. Bu durumda bir adımın açısı 360/400 = 0.9 derecedir. Bu değer, step motorun hassasiyetinin bir göstergesidir. Bir devirdeki adım sayısı yükseldikçe step motor hassasiyeti ve dolayısı ile maliyeti artar.

Adım motorların, endüstriyel ve elektronik uygulamalarda kullanımı oldukça fazladır. En basitinden, bilgisayarımızdaki floppy disket sürücüsünde ve hard diskler de bu teknolojiye başvurulmuştur. Adım motorların hangi yöne doğru döneceği, devir sayısı, dönüş hızı gibi değerler mikroişlemciler veya bilgisayarlar tarafından kontrol edilebilir. Bu özelliklerinden dolayı adım motorlar çok hassas konum kontrolü istenilen yerlerde çok kullanılırlar. Örneğin endüstriyel kontrol teknolojisi içinde bulunan bazı sistemler, robot sistemleri vs. gibi alanlarda sıkça kullanılırlar.

Step motorların avantajları

• Geri beslemeye ihtiyaç duymazlar. Açık döngülü olarak kontrol edilebilirler

• Motorun hareketlerinde konum hatası yoktur.

• Sayısal olarak kontrol edilebildikleri gibi bilgisayar veya mikroişlemciler ile de kontrol edilebilirler.

• Mekanik yapısı basit olduğundan bakım gerektirmezler.

• Herhangi bir hasara yol açmadan defalarca çalıştırılabilirler.

Step motorların dezavantajları

• Adım açıları sabit olduğundan hareketleri sürekli değil darbelidir.

• Sürtünme kaynaklı yükler, açık döngülü kontrolde konum hatası meydana getirebilirler.

• Elde edilecek güç ve moment sınırlıdır.

Endüstride genellikle unipolar (çok kutuplu) ve bipolar (iki kutuplu) olmak üzere iki tip step motor kullanılır. Daha hassas hareket kontrolü elde etmek amacıyla 5-6…n kutuplu step motorlar da üretilmektedir

Step Motor Kontrolü

Step motorun kablolarından bir veya iki tanesi ortaktır (vMotor). Yapılan işlem basit olarak bu ortak kabloya sürekli +12 Volt göndermek ve diğer uçları ise belli bir sıra ile toprağa göndererek bir adim hareketi elde etmektir. Bu iki farklı şekilde yapılabilir. Bunlardan biri 12 Voltluk röle devresine benzer bir devrenin 4 transistörlüsü ile bu sinyalleri göndermektir. Bir diğer yolu ise içerisinde bu transistörleri hali hazırda bulunduran bir entegre kullanmaktır. Kolaylık açısından ikinci yol tercih edilmelidir.

Entegreli sürücü devresi için gerekli olan malzemeler

1X ULN2003 Entegre
1X 1N4001 Diyot
1X 12 Volt 5 Kablolu Step Motor

Step motor sürücüsü olarak ULN2003 entegresi kullanılır. Sürücü devresi olarak kullanılan ULN2003 İçerisinde 7 adet NPN transistör ve dahili diyot barındırmaktadır. Kullanımı ise oldukça kolaydır. Devre şemasından da anlaşılabileceği gibi 9 numaralı bacağına +12 Volt ve 8 numaralı bacağına da Toprak (ground) uygulanır. Daha sonra 3 ve 6 numaralı bacaklara da paralel portun DATA pinlerinden gelen +5 Voltluk değerler uygulanır. Bu sayede örneğin 3 numaralı bacağa +5 Volt (lojik voltaj) uygulandığında 14 numaralı bacak toprak olacaktır. Aynı şekilde sırayla 4 için 13, 5 için 12, 6 için ise 11 numaralı bacaklar toprak olacaktır.

5 kablolu step motorun kablolarından bir tanesi vMotor denilen ortak kablodur. Önemli olan bu kablonun hangisi olduğunu bulmaktır. Bunun için avometrenin OHM ölçeri ile kabloların uçları ikişer ikişer ölçülür. Tüm uçlar ile arasındaki direnç aynı olan kablo ortak vMotor kablosudur. Biraz denenerek bulunabilir. Şekilde gözüktüğü gibi, diğer 4 kablo motor kömürlerine (coil) gitmektedir. Bu 4 kablonun da bir sırası vardır. Bu sırayı da deneme yanılma yöntemiyle bulmak mümkün olacaktır. Eğer bu kablolar yanlış sırada bağlanırsa, motor dönmek yerine sadece titreme yapacaktır. Yukarıda da bahsedildiği gibi motora adim attırmak için yapılması gereken, vMotor kablosuna +12 Volt verirken, diğer kömürlere bağlı kablolara belli bir sıra ile toprak göndermektir.

Eğer ters yönde dönüş elde edilmek isteniyorsa, sinyalleri ters yönde (tablodaki satırlar aşağıdan yukarıya doğru okunarak) gönderilebilir.

Bir diğer olayda step motorun referans noktasının nasıl bulunacağıdır. Yani motorun durduğu en son pozisyonun ne olduğu nerden bilinecek? Döndürme işlemine başlanılan nokta biliniyorsa bu çok fazla sorun olmayacaktır. Fakat motoru daha döndürmeye başlamadan, el ile biraz çevrildiğini düşünelim. Bu durumda başlangıç noktası kayacak ve motor istenilen pozisyona gelmeyecektir. Disket sürücülerde kullanılan yöntem oldukça ilkel ama geçerli bir yöntemdir. Disket sürücü bir şekilde diski okuyan kafanın nerede olduğunu bilmek zorundadır. Bunun için motoru bir yönde sürekli döndürerek, kafanın en başa dayanmasını sağlar. Bu gelinen noktaya referans noktası denir. Bu sebeple bazı step motorların kendi etrafında sürekli olarak dönmesini engelleyecek bir tırnak vardır. Motoru referans noktasına dayamak için bu tırnaktan yararlanılır.

Transistörlü sürücü devresi için gerekli olan malzemeler :

4X BC547B Transistör
4X 1N4001 Diyot
1X 12 Volt 5 Kablolu Step Motor

Her iki devrede de kullanılan diyotun değerinin herhangi bir önemi yoktur. Motorda adım attıktan sonra oluşacak ters EMK bu diyot sayesinde absorbe edilebilir. Bu entegrenin nasıl çalıştığı iyi anlaşılırsa, birçok uygulamada transistörler ile uğraşılmak zorunda kalınmadan 12 Volt kontrol edilebilir.

+12 Voltluk akım vMotor kablosuna bağlıdır. Motorun diğer kablolarının sıra ile toprağa gönderilmesi gerekmektedir. Transistörün BEYZ ucuna uygulanacak veri pininden gelen +5Volt sayesinde transistör tetiklenecek ve kollektör-emitör (CE) iletime geçecektir.

Step Motorun İç Yapısı

Step motorlar bir dizi kısa elektrik akımıyla hareket ederler. Stator (hareketsiz kısım) birbirine dik manyetik alan üreten iki ayrı bobinden oluşur. Bu bobinlere sırayla elektrik akımı verilerek statorun içerisinde döndürme etkisine sahip bir manyetik oluşması sağlanır. Statorun içindeki rotor (hareketli kısım) bobinler tarafından sırayla oluşturulan manyetik alanla polarize olarak döner. Her bir elektrik akım vurgusu (pulse) rotorun belli bir açı kadar (bir adım) dönmesine neden olur. Bu şekilde verilen elektrik akım vurgularının frekansı motorun dönme hızını belirler.

Hızlı ivmelenme sonucunda step motorda kayma meydana gelebilir bunun önlenmesi için ivmelenme sırasında vurgu sıklığı ayarlanmalıdır. Step motorlarda yüksek hassasiyetin gerektiği durumlarda geri beslemeli kontroller kullanılır. Step motorlar durma pozisyonu etrafında salınım yapabilirler ve hafif yükler taşırken hassasiyeti kaybedebilirler. Eğer güç sadece bir bobine verilirse manyetik alanın etkisiyle rotor sabitlenecektir, bu da motorun durdurulmasında kullanılır.

Step Motorun Dönme Hareketi

4 Kablolu step motorun iç bağlantısı

6 Kablolu step motorun iç bağlantısı

8 Kablolu paralel bağlı step motorun iç bağlantısı

8 Kablolu paralel bağlı step motorun iç bağlantısı