On yıllardır , step motorların basitliği ve ucuz oluşu , bu motorları otomasyon işinde   popüler hale getirdi. Birçok teknoloji gibi onlar da sürekli diğer hareket kontrol formlarıyla rekabet edebilmek için uzmanlaştılar. Düşük maliyetli transistörler ve mantıksal çipler, üreticilerin kullanılabilir hız aralığını çarpıcı bir şekilde arttıran PWM sürücüler kurmalarını sağladı.

Sonra ucuz, kompakt mikrodenetçiler , daha iyi çözümler ve daha akıcı daha sessiz hareket sağlayan mikrostep sürücülere önderlik etti. Hesaplama gücünde ve algoritmalardaki ilerlemelerde daha fazla artış anti-rezonans ve elektronik sönüm ile sonuçlanarak makine verimliliğini arttırdı. Çip boyutlarını azaltmak ve MOSFET güç transistörlerinin verimliliğini artırmak, sürücü elektroniğinin motorun kendisine entegre olmasını sağlamıştır.

Entegre edilmiş step motorlar şimdi hareket kontrol endüstrisinin en yüksek büyüme segmentlerinden birini simgeler. En son stepper teknolojisindeki heyecanlandırıcı gelişme, StepSERVO kapalı ve kapalı devre step sistemi ile verimli ve yüksek performans elde ederek; düşük maliyet uygulaması , yüksek çözünürlüklü geri besleme cihazları  ve  gelişmiş dijital sinyal işleme olması efektif çözümler üretilmesine sebep olmuştur.

Biz burada  StepSERVO kapalı döngü stepper (kademeli) sistemleri nin faydalarını geleneksel açık döngü stepper sistemlerine kıyaslıyoruz.

Hızlanma ve Çevrim Süresi

Aşağıdaki tork eğrileri StepSERVO  kapalı döngüsel step sisteminin zirve ve sürekli torkunu ve tipik bir açık devre step sisteminin kullanılabilir torkunu göstermektedir.

İvme hızlarını karşılaştırmak için, 460 g-cm2’lik bir dış atalet yükü ile eşit boyutlu açık döngü ve StepSERVO  kapalı döngüsel kademeli sistemleri kullanıldı. Yukarıdaki tork eğrisinin düz kısmının sona erdiği yerde ,açık döngü sistemi, 1000 devir/sn2’den 10 devir/sn’ye kadar bir maksimum hızlanma oranına ulaşmayı başardı. Bir devir hareket (Move)mesafesi için hareket profili şuna benzer:

Hareket süresi 110 millisaniyeydi. Aynı yükü 2000 dev / sn2 hızlanma hızında ve 20 dev / sn hızında kullanmamıza izin veren, StepSERVO  kapalı döngülü step sistemi, open loop step sisteminden daha yüksek hızlarda daha yüksek tork momenti ve daha yüksek tork üretti. Böylece, hareket süresi 60 milisaniyeye düşürüldü.

Verimlilik

Bir StepSERVO  kapalı döngü sistemine karşı bir açık devrenin nispi verimliliğini ölçmek için, aynı hareket profili ve aynı yük ataleti ile her iki sistemi de yan yana çalıştırırız.

Her iki sistemin de aynı rotor ataleti vardı ve biz her bir sisteme ortalama gücü ölçerken, özdeş 48VDC güç kaynaklarından çalıştırıldı.

Hareket parametreleri:

• Accel = 100 rev/sec2
• Decel = 100 rev/sec2
• Distance = 5 rev
• Speed = 10 rev/sec
• Dwell time = 1 sec

Açık devre stepper sisteminin ortalama güç tüketimi 43.8 watt iken , StepSERVO ™ kapalı döngü sistemi, yalnızca üçte bir oranında tüketir: 14.2W .

Doğruluk

Step motorları, geri besleme mekanizması veya kapalı çevrim kontrol sistemi olmaksızın yükleri tam olarak konumlandırmada yetenekli oldukları için değer verilirler..

Bu doğal kesinlik, çözünürlüğü arttırmak için elektromekanik bir dişli sistemi oluşturan hibrit kademeli motorların dişli rotorları ve statorlarının var olması gerçeğine  borçludur.

Milin her dönüşünde, stator alanı 50 kez döndürülür.Stator alanı 90 ° hareket ettirildiğinde (bir tam adım) motor şaftı sadece 1,8 ° hareket eder.

Stator alanı tam bir kuvars kristal saatinden sabit bir hızda döndürülürse, ortalama açık döngü hızı yaklaşık 0% hız değişimi ile neredeyse mükemmel olur.

Statik Konumlandırma Doğruluğu

Fakat  konumlandırma ne kadar doğru?  Tipik bir 1.8° hybrid step motorun özelliğine göre , cihaz   ±0.09° aralığında  konumlandırılabilir.

Bu pozisyonel doğruluğu etkileyen faktörler, stator ve rotor komponentlerinin delinip monte edildiği hassaslık, hava boşluğunun merkezîliği ve sürücü elektronikler tarafından sağlanan iki fazın akım dengesidir.

Bu çizelge , yüksek çözünürlüklü bir ölçüm sistemi kullanarak, açık döngü basamaklı motorun gerçek konum hatası ölçümünü resimlerle gösterir. Patern(desen) her elektriksel çevrimi tekrarlar (40000 adım, 20.000 basamak / devir).

StepSERVO  kapalı döngü sistemi durumunda, motor elektromekaniklerinde veya tahrik elektroniklerindeki hatalar, yüksek çözünürlüklü enkoderden gelen geri bildirim çevresinde servo konum döngüsü kapanarak telafi edilir.Kodlayıcı mükemmelse, beklenen hata ± 1 enkoder sayısı veya 1/20000 devir (.018 °) ‘dir.

Aşağıdaki grafik, aynı yüksek çözünürlüklü ölçüm sistemini kullanan StepSERVO ™ kapalı döngülü stepır sisteminin gerçek konum hatası ölçümünü göstermektedir.

Dinamik Konumlandırma Doğruluğu

Şimdiye kadar verdiğimiz veriler statik konumsal doğruluğu referanslar: Motor istenilen yere geldi ve hareket etmeyi bıraktı.What if you need the motor to be at an exact position while it is still moving? Etiketleme ve tarama gibi “On-the-fly” konumlandırma uygulamaları böyle hassasiyet gerektirir. Hızdaki konumsal doğruluğu saptamak için hem yukarıda gösterilen doğal elektromekanik hataları hem de rotor gecikme açısını göz önüne almalıyız. Bir basamaklı motor açık devir kullandığında, stator alanı sürücü tarafından döndürülür ve eğer rotor fiziki kuralları yerine getirirse motorun verebileceğinden daha fazla tork bekleyerek ihlal edilmez. Üretilen tork statorun ve rotorun elektrik açıları arasındaki gecikme açısı arasındaki farkın bir fonksiyonudur. Bu, aşağıda gösterildiği gibi çoğunlukla sinüsoidal bir ilişki izler.

Eğer motoru hızlandırırsak ve kullanırsak,diyelim ki mevcut torkun %50 si , hızlandırma boyunca rotorun amaçlanan pozisyonunun arkasında 30 elektrik derecesiyle geride kalacağını belirlemek için arcsin fonksiyonunu kullanarak gecikme açısını hesaplayabiliriiz.

Düzgün ayarlanmış bir StepSERVO  kapalı döngülü step sistemi, yük talebi için sürekli olarak ayarlanır ve rotorun gecikmesine izin vermek yerine stator alanını ilerleterek tork üretir.Bu teknoloji, dinamik konum hatalarını en aza indirir. Bir açık döngü sistemi, dikey konumlandırma uygulamasında bulunacak statik bir tork yükü deneyimlerse, statik konum doğruluğu benzer şekilde etkilenir. Bu hatayı laboratuarda ölçtük, aynı açık döngü ve StepSERVO ™ kapalı döngü sistemlerini karşılaştırdık ve sonuçları aşağıda gösterdik.

Isıtma

Açık döngü stepırları basit düzeneklerdir. Sürücüyü motor nominal akımı için ayarlayın ve bu akımı istenen torka ihtiyaç duyup duymaksızın motora her zaman sokmak için elinden gelenin en iyisini yapacaktır. Sürücünün, motorun endüktansı ve arka emf ile başa çıkacak yeterli voltajı olmadığı daha yüksek hızlarda, akım ve tork aşağıdaki hız tork eğrisinde verildiği gibi düşmeye başlar.

Motor sargılarının direnci olduğundan, statordeki güç kaybı sargı akımının karesi ile orantılıdır: = 2 Adım motorları, i2R’ye veya “bakır kayıplarına” ek olarak, ters manyetik alanın etkilerinden kaynaklanan “demir kayıpları” ve sargı akımını kontrol etmek için kullanılan yüksek frekanslı gerilim modülasyonundan da ısı üretirler.Aşağıdaki grafik, tipik bir motorun nominal akımdaki ve nominal akımın yarısı üzerindeki kayıplarını karşılaştırmaktadır

Motor kayıpları sargı akımına bağlı olduğundan, yükü tahrik etmek için gereken akımın uygulanması avantajlıdır ve bu tam olarak StepSERVO  kapalı döngülü step sistemin yaptığı şeydir. İki teknoloji arasındaki farkı pratik bir şekilde göstermek için açık devreli ve StepSERVO  kapalı döngüsel kademeli sistemleri yan yana çalıştıracağız. Her iki sistemin de aynı hareketi sürekli yapmaları sağlandı.

Hareket parametreleri:

• Accel = 100 rev/sec2
• Decel = 100 rev/sec2
• Distance = 5 rev
• Speed = 10 rev/sec
• Dwell time = 1 sec

Her iki motor da rotor ataletine eşit 460 g-cm2 atalet yükü kullanıyordu. Testi 30 dakika çalıştırdıktan sonra, açık devre step sisteminin kasa sıcaklığı 76 ° C’ye yükselirken StepSERVO  kapalı döngülü step sistemi sadece 36.9 ° C’de serin bir şekilde çalışıyordu.

Gürültü

Kademeli motorların duyulabilir bir gürültü meydana getirdiği bilinmektedir. Bu durum kısmen stator dişlerindeki hızlı flux değişimleri ve yüksüek elektrik frekansından kaynaklanmaktadır.

Bir başka katkıda bulunan faktör, açık devre step sistemlerinin, yükü dikkate almadan motoru tam nominal akımda çalıştırmasıdır. StepSERVO  kapalı döngü sistemleri, diğer taraftan, yükü kontrol etmek için motora yeterli akım sağlar. İkisini kıyaslamak için , ses yalıtımlı odada her iki sistemin de akustik gürültüsünü ölçümledik.

0 ila 20 devir / saniye aralığında hızlarda, StepSERVO  kapalı döngü sistemi dramatik bir şekilde daha sessizdir. Yüksek hızlarda, motor empedansı her iki sistemin nominal sargı akımına ulaşmasını önler, dolayısıyla gürültü yaklaşık olarak aynıdır.

Maliyet

Entegre edilmiş bir kademeli motor sistemi 5 bileşenden meydana gelir: kademeli motor, bir geribildirim cihazı, denetim elektronikleri, güç elektronikleri  ve iletişim.

Motor, güç amplifikatörü ve iletişim masrafları genelde kapalı döngü ile artmaz.

Kontrol elektroniği motoru servolamak için biraz daha fazla işlemci gücü veya bellek gerektirebilir ve yazılımın geliştirilmesi ve bakımı için kesinlikle daha fazlasına mal olacaktır. Servo sistemleri de ayarlama yazılımı gerektirir. Açık bir döngü ile StepSERVO  kapalı döngülü step sistemi arasındaki maliyet farkının büyük kısmı, kapalı döngü sisteminin, servo döngüye gerçek zamanlı konum ve hız verilerini sağlamak için yüksek çözünürlüklü, doğru bir geri besleme aygıtı gereksiniminde yatmaktadır.

Net sonuç, StepSERVO  kapalı döngü sistemlerinin açık devre sistemlerine göre biraz daha pahalıya mal olması, ancak daha yüksek performans ve daha verimli çalışma ile farkı oluşturmasıdır.

Sonuç

Açık devre step sistemlerinin hızlanma, doğruluk, verimlilik, ısıtma, gürültü ve maliyeti yeni StepSERVO  kapalı döngülü step sistem teknolojisine kıyaslayarak, şu sonuca varabiliriz: StepSERVO  kapalı döngü sisteminin maliyetindeki hafif artış pek çok faydasıyla birlikte kolayca haklı bulunur.

Enerji tasarrufları ve StepSERVO  kapalı döngü sisteminin arttırılmış verimliliği, daha düşük işlem sıcaklıkları ve azaltılmış akustik gürültü gibi ikincil faydalar bir çok uygulamada oyun değiştirici olabilirken, kendi maliyetini karşılar.

 

Voltaj sürücülerinin başlangıçtan ve tam adımlamadan önce stepler uzun bir yol kat etti ve StepSERVO  kapalı döngülü step sistemleri, adım motorlarının hareket kontrolü endüstrisinin önümüzdeki yıllarda bir köşe taşı olmaya devam edeceğini garanti ediyor.