استپ موتور

استپ موتور چیست ؟

استپر موتور ( Stepper Motor ) یا استپ موتور ( Step Motor ) یا موتور پله ای یک موتور براشلس (Brushless ) الکتریکی DC است که یک دور کامل ( ۳۶۰ درجه ) را به تعدادی پله یا استپ مساوی تقسیم می نماید. کنترل موقعیت موتور پله ای برای رفتن به یک پله خاص یا ماندن در آن پله بدون استفاده از سیستم فیدبک می باشد و این نشانه دقت بالای این موتور ها است. این موتور ها در هر پله یا استپ به میزان خاصی بر حسب درجه دوران می کنند ، به عنوان مثال محور استپ موتور ۲۰۰ استپ در هر استپ ۱/۸ درجه دوران می کنند.

موتور های DC جاروبک دار معملا مادامی که به ترمینال های آنها ولتاژ اعمال شود به حرکت پیوسته ادامه می دهند. اما بر خلاف دسته یاد شده ، استپ موتور ها فاقد جاروبک یا براشلس هستند و مشخصه اصلی آنها که آنها را از سایر انواع موتور ها متمایز می کند اینست که با اعمال پالس به ترمینال های آن ( عموما پالس های موج مربعی ) موقعیت شفت یا محور موتور به میزان مشخص و از پیش تعیین شده ای ( در هنگام تولید موتور ) دوران می کند. هر پالس به میزان مشخصی زاویه محور را تغییر می دهد. در استپر موتور ها در اطراف هسته مرکزی چندین الکترومگنت ( آهنربای های الکتریکی ) دندانه داری قرار دارند و در مرکز نیز یک سیلندر آهنی دندانه دار ( به شکل چرخ دنده ) وجود دارد. این الکترو مگنت ها بوسیله ی یک کنترلر خارجی ( به عنوان مثال میکرو کنترلر ) فعال و غیر فعال می شوند. با برانگیخته شدن اولین الکترومگنت ، سیلندر مرکزی دندانه دار شروع به چرخش می کند تا دندانه های روی سیلندر دقیقا مقابل دندانه های اولین الکترو مگنت قرار بگیرند. ( به خاطر داشته باشید در این حالت دندانه های سیلندر مرکزی فقط با دندانه های اولین الکترومگنت مطابقت می نماید و  با دندانه های سایر الکترومگنت ها انطباق ندارد. ) با فعال شدن الکترو مگنت بعدی و غیر فعال شدن اولین الکترومگنت ، دندانه های روی روتر ( Rotor ) با دندانه های الکترومگنت بعدی منطبق می شود به هر یک از این چرخش ها یک پله یا یک استپ می گویند و بدین شکل یک استپ به جلو یا عقب حرکت می کند.با ادامه این فرآیند موتور به چرخش ادامه می دهد. استپ موتور ها می توانند به این شکل زوایای دقیقی حرکت کنند.

 

کاربرد های استپ موتور :

هرچند کاربرد استپر موتور ها امروزه بسیار گسترده است اما استپ موتور ها را می توان در وسایلی مانند CNC ها ، پرینتر های ۳ بعدی ( ۳D Printer ) ، پرینتر های جوهر افشان ، اسکنر ها ، پلاتر ها ، فلاپی درایو ها ، دی وی دی درایو ها ( DVD Drive ) ، لنز بعضی از دوربین های دیجیتال یافت که البته این موارد گوشه ای از کاربرد استپ موتور هاست . به طور کلی برای سیستم هایی که نیاز است موقعیت دقیق ( افقی ، عمودی ) یا زاویه دقیق را تعیین کنیم می توانیم از استپ موتور ها استفاده نماییم.

استپ موتور ها در ساخت ماشین های عددی مانند CNC در صنعت استفاده های فراوانی دارند . همچنین استپ موتور ها در صنایع رباتیک نیز کاربرد وسیعی برای ساخت  بازو ها و سایر اجزای دقیق ربات را به خود اختصاص داده اند.

استپر موتور در صنایع خودروسازی نیز کاربرد دارد و یکی از موارد کاربرد استپ موتور در خودروها کنترل میزان دور موتور ( گاز ) ، افزایش دور موتور هنگام استفاده از کولر ، جلوگیری از کاهش ناگهانی دور موتور و در کل ایجاد تعادل و کنترل دور موتور می باشد.

 

اصول کارکرد :

موتورهای DC زغالی زمانیکه ولتاژ به ترمینالهای آنها تزریق می‌گردد به نرمی حرکت می‌کنند. استپ موتور بوسیله قابلیت تبدیل پالسهای ورودی به فواصل کوچک مشخص در موقعیت شفت شناخته می‌شوند. هر پالس شفت را به یک زاویه مشخص می‌برد. استپ موتورها اساساً دارای دندانه‌های مغناطیسی در اطراف یک شفت مرکزی از جنس آهن می‌باشند. الکترومغناطیسها بوسیله یک مدار راه انداز خارجی یا یک میکروکنترلر تغذیه می‌گردند. جهت چرخاندن شفت ابتدا به یکی از مغناطیس‌ها توان داده می‌شود، که مغناطیس باعث جذب دندانه‌های دنده می‌گردد. زمانیکه دندانه دنده روبروی اولین مغناطیس می‌ایستد، نسبت به مغناطیس بعدی دارای یک فاصله می‌باشد. این به معنای آنست که در صورت روشن شدن الکترومغناطیس بعدی و خاموش شدن اولی دنده به آهستگی می‌چرخد تا دندانه روبروی مغناطیس دوم قرار گیرد. از آنجا فرایند آغاز می‌گردد. هر یک از این چرخشها یک گام (استپ) نامیده می‌شود، تعداد مشخصی از این گامها یک دور کامل موتور را می‌سازند (دقت شود نسبت تعداد گامها به دور موتور همواره یک عدد صحیح است). و به این ترتیب یک موتور می‌تواند با زوایای مشخص بچرخد.

انواع استپ موتورها :

چهار نوع اصلی از استپ موتورها وجود دارد:

  1. استپ موتورهای با مغناطیس دائم
  2. استپ موتورهای سنکرون هایبرید
  3. استپ موترهای با مقاومت مغناطیسی متغیر
  4. استپ موتورهای لاوت LAVET TYPE

روتور موتورهای مغناطیس دائم(PM) از مغناطیسهای دائم تشکیل گردیده است و و با جاذبه و دافعه بین مغناطیس روتور و مغناطیس استاتور عمل می‌نماید. موتورهای با مقاومت مغناطیسی متغیر از یک صفحه آهنی به عنوان روتور استفاده گردیده و بر این اساس عمل می‌نماید که حداقل مقدار مقاومت مغناطیسی، زمانیکه روتور در حال جذب به سمت قطبهای استاتور است، زمانی رخ می‌دهد که حداقل فاصله وجود دارد. گروه سوم را به آین دلیل هایبرید می‌نامند که در ساختار آنها از دو تکنیک مغناطیس دائم و مقاومت مغناطیسی متغیر با هم، جهت رسیدن به حداکثر توان در کوچکترین فضا استفاده شده است

 

 

استپ موتورهای دو فاز:

دو نوع سیم پیچی جهت هسته‌های مغناطیس استپ موتورهای دو فاز وجود دارد: تک قطبی و دوقطبی.

موتورهای تک قطبی

یک موتور تک قطبی دارای سیم پیچی با سر مرکزی می‌باشد. جریان در هر قسمت از سیم پیچ جهت ایجاد میدان مغناطیسی برقرار می‌گردد. در این آرایش، قطبهای مغناطیسی بدون تغییر در جهت جریان می‌توانند معکوس گردند، بنابراین کموتاسیون در مدار به راحتی صورت می‌گیرد (به عنوان مثال با یک ترانزیستور). اساساً، هر فاز، دارای یک سر مرکزی مشترک است: سه سیم برای هر فاز و شش سیم برای یک موتور دو فاز. اغلب سر مشترک هر دو فاز با هم یکی شده و بنابراین هر موتور دارای پنج سیم می‌باشد. به همین دلیل این موتورها را تک قطبی می‌نامند زیرا توان همواره از طریق همین قطب وارد می‌گردد.

یک میکروکنترلر یا کنترلر استپ موتور می‌تواند جهت فعال سازی ترانزیستورهای راه انداز در مسیر درست استفاده گردد. این عملکرد موتورهای تک قطبی باعث محبوبیت آنها گردیده است، این راحت‌ترین راه جهت یک حرکت زاویه‌ای است.

(بوسیله اندازه‌گیری مقاومت دو سر سیم پیچها می‌توان آنها را شناسایی نمود. مقاومت بین سیم سر وسط و سیم انتهای کویل نصف مقاومت دو سیم انتهایی کویل می‌باشد) یک راه سریع جهت تست صحت عملکرد استپ موتور، اتصال کوتاه کردن دو سر کویلها و سعی در چرخش شفت است، هر زمان که مقاومتی بیش از مقاومت نرمال احساس گردید نشانگر بسته بودن مدار آن سیم پیچ مشخص است و نشانه عملکرد صحیح فاز است.

موتورهای دوقطبی

موتورهای دوقطبی دارای یک سیم پیچ در هر فاز می‌باشند. جهت معکوس کردن قطبهای مغناطیسی جریان در یک سیم پیچ بایستی معکوس گردد، بنابراین مدار راه انداز پیچیده‌تر می‌باشد، و اساساً با یک آرایش پل H بدست می‌آید. (البته مدارات راه انداز زیادی برای این موضوع وجود دارد). دو سیم برای هر فاز وجود دارد و هیچ سر مشترکی وجود ندارد.

در صورتیکه فرکانس اعمالی به استپ موتور بیش از فرکانس پاسخگویی موتور باشد باعث افزایش اثر اصطکاک ساکن می‌گردد.

به دلیل استفاده بهتر از سیم پیچها، توان موتورهای دوقطبی نسبت به موتور تک قطبی هم وزن خود بیشتر است. این به دلیل فضای فیزیکی اشغال شده توسط سیم پیچهاست. یک موتور تک فاز دارای دوبرابر سیم بیشتر در حجم یکسان است اما نصف توان نقطه به نقطه در هر زمان را ارائه می‌دهد که به معنای تأثیر گذاری۵۰٪ یا حداکثر ۷۰٪ است. با وجود آنکه موتور دو قطبی جهت راه اندازی پیچیده‌تر است اما فراوانی تراشه‌های راه انداز به معنی آنست که دستیابی به این سیستم چندان هم سخت نیست.

یک استپ موتور ۸ سیمه مانند یک موتور تک قطبی است اما سیمها به سر مشترک وصل نیستند. این نوع سیم پیچی موتور به چند شکل قابل استفاده است:

– تک قطبی

– دوقطبی با سیم پیچی سری. این امر باعث ارائه اندکتانس بالاتر و جریان پایین‌تر در هر سیم پیچ می‌گردد.

– دو قطبی با سیم پیچی موازی. این امر نیاز به جریان بالاتر دارد اما می‌تواند باعث کاهش و بهینه شدن اندکتانس گردد.

– دوقطبی با یک سیم پیچ در هر فاز. این روش باعث راه اندازی موتور با نصف سیم پیچ قابل دسترس می‌گردد که باعث کاهش گشتاور سرعت پایین با جریان مورد نیاز کمتر می‌گردد.

با اندازه‌گیری مقاومت بین سیمها می‌توان این دو نوع موتور را از هم تشخیص داد. اگر دو سیمی که اندازه‌گیری می‌نمایید مربوط به دو کویل مجزا باشند مقاومت بینهایت دیده می‌شود.

مانند سایر موتورها، استپ موتورها نیز به توانی بیش از آنچه میکروکنترلرها تأمین می‌نمایند نیاز دارند بنابراین به یک منبع تغذیه مجزا نیازمندید. بصورت ایده‌آل بایستی ولتاژ اعلام شده توسط کارخانه سازنده را بدانید اما در صورت عدم اطلاع، یک منبع تغذیه DC متغیر را به دو سیم یک کویل اعمال نمایید، از ولتاژ حداقل ۳V آغاز نمایید و بتدریج آنرا افزایش دهید تا زمانیکه موتور بسختی به نظر می‌رسد آماده حرکت است. بیش از آن ولتاژ اعمال ننمایید چون باعث آسیب به موتور می‌گردد. اساساً ولتاژ مورد نیاز موتورها  ۵V, 9V, 12V, 24V است . البته ولتاژ و آمپر مورد نیاز استپر موتور بسته به توان موتور می باشد که در کاتالوگ شرکت سازنده شرح داده شده است.

 

مزایا و معایب استپ موتور ها :

مزایا

  1. کنترل دیجیتالی ساده
  2. فاقد خطای تجمعی
  3. توقف ناگهانی بدون آسیب
  4. بدونجاروبک
  5. بدون نیاز به فیدبک
  6. پایدار
  7. ساختمان مکانیکی ساده
  8. راه‌اندازی ساده و ارزان

معایب

  1. توان خروجی محدود
  2. دوارن با پله ثابت
  3. قادر به تغذیه بار بااینرسی زیاد نیست.
  4. پرش و نوسان زیاد
  5. راندمان کم

 

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Web Analytics