Stepper(adımlı) Motorlara yakından bir bakış...

   Bu yazımızda 3D yazıcıların kalbi konumundaki eleman olan stepper(adımlı) motorlara kısa bir bakış atacağız. Yazıcılarda genelde her bir eksen için bir adet stepper(adımlı) motor bulunur. Stepper motor bir tür fırçasız doğru akım motorudur. Elektromanyetik bakır tel halkaları(sargıları) motorun dış gövdesinde sıralanmışlardır. Motorun merkezinde demir (çelik) veya manyetik bir çekirdek bulunur ve bir mile tutturulmuştur. Halkalara uygulanan akımın voltajı manipüle edilerek hassas bir rotor dönüşü nispeten ekonomik koşullarda elde edilir. Tek sakıncası hareket kontrolunun açık uçlu olmasıdır. Yani kontrolcu , motor torkunun düşmesini veya senkronizasyona uygun dönüp dönmediğini bilemez.

   Tırtıklı (kademeli), küçük halkalar sararak ve tırtıklı (dişli) rotorlar kullanılarak , rotorun bir devrinde 200 ila 400 kademeye ulaşılarak oldukça hassas bir adım kontrolu elde edilebilir.

Akım ve Voltajlar:
   Stepper motorlar , örneğin yazıcılarda tercih edilen NEMA 17'ler belirli bir voltaj ve akım değerinde çalışırlar. Bu değerler voltaj için 2.8 volt ve akım için 1.68 amperdir. Bu şu demektir: Eğer siz motoru 2.8 volta bağlarsanız 1.68 amper akım çeker demektir. Daha yüksek bir voltaja bağlarsanız daha fazla akım çeker ve motor aşırı derecede ısınmaya başlar. Bunu önlemek için "motor sürücü" adı veren devreler vardır. Bu devreler siz motorunuzu yüksek voltaja , söz gelimi 12 voltluk bir şebekeye bağlasanız dahi motorun fazla akım çekmesini önlerler. İdeal max. akım değerinin geçilmesini önlerler. Bu sayede motorların aşırı ısınması önlenmiş olur. Yüksek voltajda çalışmanın sistemin daha randımanlı çalışmasını sağlamasının yanında stepper motorlar için az önce bahsettiğimiz akımdan kaynaklanan ısınmaya yolaçması nedeniyle arzu edilmeyen bir durumu vardır. Bu durumu motor sürücüler elimine ederler.Yani akımı baskı altına alırlar.
   Stepper motorlar yapılarından ötürü aşırı derecede ısınabilen elemanlardır. (Normalde belirlenen değerin 20 misli voltaj ve akıma dayanabilirler). Bu durum motorun kendisine bir zarar vermese de çevresinde yeralan diğer elemanların ısınarak zarar görmesine yol açabilirler. Bu nedenlerden ötürü motorların aşırı ısınmamasına özen göstermek amacıyla akım değerleri olabilecek en düşük seviyelerde tutulmalıdır.
   Stepper motorlar dönmüyorken bile enerji tüketirler. Bu nedenle pek de enerji tasarruflu motorlardır denilemez. Standart bir fırçalı doğru akım motoru dönmüyorken enerji harcamaz.Fakat stepper motorlar harcar. Stepper motorların ,akım varken ve dönmüyorlarken manuel olarak (elle) çevrilememelerinin nedeni budur. Ancak motora giden akımı keserseniz , motorun rotoru ve buna bağlı mekanik elemanların hareketleri serbest kalır.

Motor Sürücüler

Motor Sürücüler:
   Çoğu sürücünün maksimum akım ayarını belirleyen bir ayarı vardır. Bu ayar , voltajı bir kontrol pininden ayarlayarak yada bir potansiyometre kullanılarak yapılır.Ve bu maksimum ayar sürücüyü verimli bir şekilde soğuttuğunuzu varsayar. Isı düşürücü tüm önlemleri alsanız da genelde sürücünüzü maksimum ayarda kullandığınızda yeterince soğutamadığınızı göreceksiniz. Bu nedenle sürücünüzü çalışırken gözlemleyin ve aşırı ısınıyorsa akım değerini düşürün.
   Çoğu sürücünün termal koruyucusu vardır. Sıcaklık belirli bir değere ulaştığında sürücüyü devre dışı bırakır. Bu sayede sürücünün soğuması sağlanır. Eğer motorunuz adım kaçırıyorsa veya çalışırken tıklama sesi (klik-klik tarzı) bir ses veriyorsa muhtemelen sürücünüzden kaynaklanıyordur(sürücü devre dışı kalmıştır).Akımı düşürmeyi deneyin.
   Eğer sürücünüzün akım değeri motorunuzun akım değerinden küçükse sorun yok. Ancak bu durumda motorunuzdan tam bir performans almanız da zor.
   Eğer sürücünüzün akım değeri motorunuzun akım değerinden büyükse , o zaman mutlaka sürücünüzün akım değerini motorunuzun maksimum akım değerine düşürmeniz gerekir.
   Sisteminizde enerji varken , bir stepper motorun kablosunu sürücünüzden ayırmayı denememek en iyisidir. Çünkü çoğu sürücüde böyle bir duruma karşı önlem alınmamıştır ve  genellikle sürücüde kalıcı hasara yol açar.

   Motor bağlantıları ve kablolar:
Stepper motor sürücülerinin 4 adet bağlantı kablosu mevcuttur. Fakat stepper motorların 4,6 ve 8 adete kadar kablosu olabilir. 6 ve 8 kablosu olan motorlar 4 kablolu terminal tipi sürücülerle özel bağlantı yöntemleriyle kullanılabilirler. Bu bağlantı yöntemlerinden hangisini seçeceğinize sisteminizin elektriksel yapısını göz önünde bulundurarak karar verirsiniz.

4 kablolu motorlar:
4 kablolu motorlar bağlanması en kolay olan motorlardır. Bunları sürücüye 1:1 karşılıklı bağlayabilirsiniz.

6 kablolu motorlar:
6 kablolu motorlarda sargı halkasının ortasından bir kablo daha çıkar. Bu sayede istenilirse halkanın yarısı kullanılabilir. Aşağıda 6 kablolu motorların iki farklı şekilde bağlantı prensibi gösterilmektedir:

8 kablolu motorlar:
8 kablolu motorlarda herbir faz için iki sargı halkası bulunur. Halkalar seri,paralel veya yarım modda bağlantı yapılabilir.

   Eğer hangi kablonun hangi halkaya gittiğini bilmiyorsanız , bunu bulmanın birkaç pratik yolu vardır.İlk yöntem kablolar arasındaki direnci ölçmektir. Herhangi iki kablo seçin ve aralarındaki direnci ölçün.Direnç genellikle 10 ohm'dan küçüktür. Eğer bu değere yakın bir ölçüm yaparsanız o iki kablo aynı sargının kablosudur. Eğer ölçülen direnç 10 ohm'dan fazlaysa o zaman ölçüme düşük bir değer buluncaya kadar diğer kablolardan devam edin.
   Ölçüm aletiniz yoksa o zaman şunu deneyin: Kabloların birbirine değmediğinden emin olarak mili çevirin. Motor tırtıklı bir şekilde dönecektir. Yani bir miktar direnecektir.Fakat göreceli olarak serbest bir şekilde dönmektedir.Şimdi herhangi iki kabloyu birbirine temas ettirdikten sonra döndürmeyi deneyin. Eğer motor , dönmeye karşı koyarsa , o zaman bu iki kablo ucu aynı sargıya aittir demektir. Motorun dönmeye devam ettikçe direnci de artarak devam edecektir. Çünkü döndürmeyle bir anlamda elektrik üreterek motora yük bindiriyorsunuz demektir.
   Eğer motor beklenilenin tersi yönde dönerse o zaman aynı sargıya ait iki ucu yer değiştirerek bağlayın. (Farklı iki sargıdaki uçları birbirleriyle ters bağlamaya kalkışmayın.) Motorun dünüş yönü düzelecektir.Çoğu sürücü yazılımında motorun dönüş yönünü değiştirmek için mevcut seçenekler vardır. Bu , kabloların bağlantı şeklini değiştirmekten daha kolay olan bir yöntemdir.(yazılımsal)

Stepper motor ebatları:

Günümüzde kullanılan stepper motorlar , NEMA (National Electrical Manufactures Association) şartnameleriyle uyumludur. Motorlar , temelde montaj yüzeyinin ebatları ile ölçülendirilirler. Aşağıda en popüler ölçülerin bir listesini bulabilirsiniz. Küçük ebatlı motorlarda montaj için dört adet vida dişi açılmış delik bulunurken ,büyük motorlarda bu deliklerin alt kısmında somunlar için ayrıca bir yer (flanş) bırakılmıştır. Motorun düz yüzeyi olabilir de olmayabilir de. Yani motorun bir ucundan veya her iki ucundan da mil çıkabilir. Motorun uzunluğu NEMA standartları tarafından belirlenmemiştir. Motorların montaj yüzeyleri genellikle yuvarlak köşelere sahiptir. Montaj edilecek yüzeylerde bu düşünülerek yer bırakılmalıdır. Motorunuzun köşelerinin ne derece yuvarlamalı olduğunu teknik çizimlerine bakarak kontrol etmeyi unutmayın.

Stepper motor tork değerleri:

Stepper motor tork değerleri tutucu kuvvet olarak belirlenirler. Stepepr motorların tork değerleri dururken veya düşük hızlarda en yüksektir. Motor hızlandıkça tork değeri düşer. Bu değer birincil olarak sargı halkalarının endüktif gücüyle ilintilidir.

Motor hızı:

Stepper motorların hızları belirtilmez. Çünkü bu uygulanacak projeye göre değişir. Yük ve voltaj değişimleri ulaşılabilecek hızı belirler. Yukarıda belirtildiği gibi hız arttıkça tork düşecektir. Hız artmaya devam ederse tork ortadan kalkacaktır. Sürücü , motorun torkunun sıfırlandığından habersiz olarak adımları artırmaya devam edecektir. Bu durumda motordan gürültülü bir ses gelirken motor dönme yerine titremeye başlayacaktır. Genel olarak stepper motorlar yüzlü devir/dakika değerlerinde çalışırlar. Sıradan DC motorları gibi binli devir/dakika değerlerinde çalışmazlar.

Hassasiyet/Çözünürlük/Microstepping

Motorun birinci değerlendirme kriteri devirdeki adım sayısı veya bir adımın açısal değeridir. Çoğu motor 1.8 derece/adım = 200 adım/devir veya 0.9 derece/adım = 400 adım/devir değerine sahiptir.

Stepper motor sürücüleri de ayrıca "microstepping" denilen bir adım ayarı sağlarlar.Microstepping her sargıya bir miktar akım vererek normal adımlar arasında kalan bölgelerin kullanılmasını sağlar. Bu , motorun çözünürlüğünü artırırken , pürüzsüz bir dönme de sağlar. Bir noktadan sonra microstepping de etksini artıramaz olur. Bu nokta , motorun ve bileşenlerinin yapısına bağlıdır. Bu noktadan sonra microstepping' i artırmak , adımları daha hassas hale getirmez olur.

Eğlencelik:

Bir stepper motor , elektrik üreteci gibi çalışabilir. Eğer aynı ölçüdeki iki motoru birbirine bağlayıp , birinin milini elinizle döndürürseniz , diğerinin milinin de döndüğünü göreceksiniz.