انواع موتور های استفاده شده در رباتیک صنعتی

موتور الکتریکی نوعی ماشین الکتریکی است که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. موتورها بخش مهمی از ربات ها و اکثر تجهیزات اطراف ما را تشکیل می دهند بنابراین ضروری است که به صورت کامل با این اجزای مهم آشنا شویم.موتور های الکتریکی به دو دسته مجزا تقسیم می شوند:

• موتورac
• موتورdc

موتورهای dc به انواع زیر تقسیم بندی می شوند:

1-موتور گیربکس دار

یکی از انواع موتورهای الکتریکی موتور گیربکس دار میباشد. همانگونه که می دانید موتورهای الکتریکی معمولا سرعت چرخش بالا و قدرت پایینی دارند.این خاصیت موتورهای الکتریکی می تواند در خیلی از موارد نیاز های مصرف کننده را رفع نماید ولی در برخی از کاربردها ممکن است قدرت بالاتر و سرعت چرخش پایین تری مورد نیاز باشد.در این مواقع نمی توان از موتورهای الکتریکی عادی استفاده نمود و باید قدرت و سرعت آنها را به نحوی تنظیم نمود.بهترین راه برای افزایش قدرت و کاهش سرعت چرخش موتورهای الکتریکی استفاده از گیر بکس یا جعبه دنده میباشد. موتور گیربکس همان گونه که از نام آن پیدا است از ترکیب یک موتور الکتریکی و یک گیربکس ساخته می شود که در آن وظیفه گیربکس تغییر دور و گشتاور موتور برای رسیدن به دور و قدرت مورد نظر است .گیربکس قادر است قدرت چرخش را افزایش و سرعت آن را کاهش دهد.هرچه نرخ کاهش سرعت در گیربکس بیش تر شود قدرت آن بالاتر خواهد رفت.نرخ کاهش سرعت و افزایش قدرت گیربکس را می توان با تغییر سایزچرخ دنده های گیربکس تنظیم نمود.

امروزه موتورهای گیربکس دار به صورت آماده و در مدل های مختلف در بازار موجود می باشند.انواع موتور گیر بکس های پلاستیکی یک طرفه و دو طرفه با گشتاورهای مختلف و همچنین موتور گیربکس های فلزی تولید شرکت  zhengkeMotor در مدل های ZGA12, ZGA25 ZGA28, ZWL ممکن است این مدل ها از لحاظ ظاهری برابرباشند ولی گیربکس آنها و سرعت چرخش آنها با هم متفاوت خواهد بود.سرعت چرخش و قدرت یک موتور گیربکس دار معمولا بر روی آن حک می شود.

2-سرو موتور-SERVO

سرو موتوریا موتور کنترل نوعی از موتوهای الکتریکی است که با هدف به کارگیری در سیستم های کنترل فیدبک طراحی میشود. سرو موتور یک دستگاه است که یک محور خروجی (shaft) دارد . این محور قادر است تا در یک موقعیت و زاویه ای خاص با ارسال سیگنال رمزی قرار گیرد . درواقع چگونگی حرکت و موقعیت های زاویه ای این محور خروجی توسط دسته ای از سیگنال های رمزی که برای سیم کنترلی آن تعریف می شود کنترل می شود. برای طول مدت زمانیکه یک سیگنال فعال بوده و یک پالس بر روی خط ورودی آن قرار دارد این محور خروجی در موقعیت خاص زاویه ای که مختص آن سیگنال است قرار می گیرد و با تغییر سیگنال رمزی موقعیت زاویه ای تغییر میکند. به موتورهایی که به سرعت به سیگنال پاسخ می دهند و سریعا به بار شتاب می دهند سرو موتور گفته می شود . نسبت گشتاور به اینرسی یک جنبه بسیار مهم سرو موتور است  زیرا موتور با این فاکتور شتاب می گیرد. لختی یا اینرسی در این موتورها پایین بوده و درنتیجه تغییر سرعت در این موتورها بسیار سریع است.سروو برگرفته از کلمه یونانی servus  به معنی خدمتکار است و شاید به این دلیل به این نوع از موتورها و سیستم های کنترلی سروو گفته می شود که مثل یک خدمتکار تحت کنترل بوده و با دقت به فرامین پاسخ می دهد.این نوع موتورها معمولا دارای قدرت کم و طول زیاد می باشند.و نسبت به موتورهای معمولی قیمت بالاتری دارند.  سرو موتورها در صنایع رباتیک و تولیدات صنعتی مانند موتورهای کنترل کننه هواپیماها  کنترل موقیت سطوح مانند آسانسور و غیره کاربرد وسیعی دارند و در دو نوع سرو موتور های جریان مستقیم dc و سرو موتورهای جریان متناوبac  ساخته می شوند. سرو موتورهای ac  انتخاب مناسبی برای کاربرد های با توان پایین هستند و به همین دلیل است که موتورهای ac  همیشه به موتورهای dc ترجیح داده می شوند. مارک های برتر سرو موتورها عبارتند از: Mitsubishi,  Panasonic, yaskawa ساخت کشور ژاپن وdelta  ساخت کشور تایوان .

3-موتور براشلس -Brushless

موتورهای معمولی عموما از اجزای زیر تشکیل میشوند :

قسمت متحرک یا آرمیچر که از یک سیم پیچ تشکیل شده است که بر روی یک محور فولادی میچرخد و در انتهای آن یک قسمت برای اتصال برسها قرار دارد که برق از طریق برسها به این قسمت رسیده و وارد سیم پیچ ها میشود .

قسمت ثابت که از دو آهنربای دائمی با قطبیت مخالف تشکیل شده است.

برس ها که  با اتصال به صورت تماسی با انتهای آرمیچر برق را به آن منتقل می کنند. برای راه اندازی این نوع موتورها کافیست که برق را به برس ها وصل کنیم . برق از طریق تماس برس با آرمیچر وارد سیم پیچ آن میشود.

سیم پیچ ها دارای چند قطب هستند و برس ها طوری با آرمیچر تماس پیدا می کنند که در هر لحظه برق وارد یکی از قطب های سیم پیچ شده و یک آهنربای الکتریکی موقتی ایجاد میکند.این آهنربا توسط یکی از آهنرباهای دائمی جذب شده و توسط دیگری دفع میشود. در این لحظه قطبیت سیم پیچ عوض شده و یک قطب دیگر مقابل آهنرباها قرار می گیرد و این کار باعث چرخش آرمیچر به طور دائم تا زمانی که جریان برق برقرار است میگردد.

موتورهای براشلس هم با همان اصل مورد استفاده در موتورهای معمولی کار میکنند با این تفائت که در این موتورها سیم پیچ ثابت بوده و آهنرباها میچرخند  از آنجایی که سیم پیچ در این موتورها ساکن است نیازی به برسها وجود ندارد کار تقسیم ولتاژ بین سیم پیچ ها را کنترل کننده سرعت موتور یا ESC انجام می دهد. باید دقت کنید که نمی توان از کنترلر سرعت موتورهای معمولی و موتورهای براشلس به جای یکدیگر استفاده نمود زیرا این دو کار کاملا متفاوتی انجام می دهند. سریع ترین راه برای تشخیص اینکه یک موتور براشلس است یا معمولی این است که به سیم ها نگاه کنیم .موتورهای معمولی دارای دو سیم و موتورهای براشلس دارای سه سیم هستند که سیم وسط فیدبک نام دارد و تغییر جای دو سیم دیگر باعث تغییر جهت چرخش موتور میشود.

مزایای موتورهای براشلس:

• از آن جایی که برس وجود ندارد خوردگی برس در این موتورها وجود ندارد.
• نیاز به تمیزکردن برس ها و محل اتصالشان نمیباشد.
• سرعت موتور براثر اصطکاک ناشی از برس ها کاهش پیدا نمیکند.
• به دلیل اصطکاک کمتر مدت زمان کارکرد موتور با یک باتری در این موتورها بالاتر است.
• نسبت توان به وزن در این موتوها بالاتر است.
• به دلیل اصطکاک پایین تر و عدم ایجاد جرقه در موتور حین کار در محیط های آلوده به گاز و محیط های قابل اشتعال از موتورهای براشلس استفاده میشود.

دونوع موتور براشلس در مدل های رادیو کنترل وجود دارد که inrunner و  outrunner نامیده میشوند و که در مدل اول آهنرباهای دائمی در قسمت داخلی سیم پیچ ها قرار داده شده اند و دارای دور بالا گشتاور پایین راندمان بالاتر قابلیت استفاده از انواع ملخ سروصدای زیاد  و همچنین نیازمند به گیربکس هستند . در نوع دوم آهنرباها در قسمت بیرونی قرار گرفته اند و دور پایین گشتاور بالا راندمان پایین تر عدم نیاز به گیربکس محدودیت در انتخاب ملخ تقریبا بی صدا از جمله ویژگی آنها میباشد.

4- استپر موتور- stepper

استپر موتور یا استپ موتور یا موتور پله ای یک موتور براشلس الکتریکی dc است که یک دور کامل 360درجه را به تعدادی پله یا استپ مساوی تقسیم میکند . کنترل موقعیت موتور پله ای برای رفتن به یک پله خاص یا ماندن در آن پله بدون استفاده از سیستم فیدبک می باشدو این نشانه دقت بالای این موتورها است .این موتورها در هر پله به میزان خاصی بر حسب درجه دوران میکنند به عنوان مثال محور استپ موتور 200 استپ در هر استپ 1.8درجه دوران میکند. موتورهای dc  جاروبک دار مادامی که به ترمینال های آن ها ولتاژ اعمال شود به حرکت پیوسته ادامه میدهند اما برخلاف این دسته استپ موتورها فاقد جاروبک هستند و مشخصه اصلی آن ها که از سایر موتورها متمایزشان می کند این است که با اعمال پالس به ترمینال های آن موقعیت محور موتور به میزان مشخص و از پیش تعیین شده ای که در هنگام تولید تعیین میشود دوران می کند. هر پالس به میزان مشخصی زاویه محور را تغییر میدهد. در استپر موتورها در اطراف هسته مرکزی چند آهنربای الکتریکی دندانه دار قرار دارند و در مرکز نیز یک سیلندر الکتریکی دندانه دار مانند چرخ دنده وجود دارد این آهنرباهای الکتریکی به وسیاه یک کنترلر خارجیفعال و غیر فعال میشوند . با برانگیخته شدن اولین آهنربای الکتریکی سیلندر مرکزی دندانه دار شروع به چرخش می کند تا دندانه های سیلندر دقیقا مقابل دندانه های اولین آهنربا قرار بگیرند. با فعال شدن آهنربای بعدی و غیرفعال شدن اولین آهنربا دندانه های روتور با دندانه های آهنربای بعدی منطبق میشوند . به هریک از این چرخش ها یک پله یا یک استپ می گویند و بدین ترتیب یک پله به عقب یا جلو حرکت میکند و با ادامه این فرایند موتور به چرخش خود ادامه می دهد . به این ترتیب استپرموتورها می توانند در زوایای دقیقی حرکت کنند.

برای سیستم هایی که نیاز به تعیین موقعیت دقیق یا زاویه دقیق است می توانیم از استپر موتورها استفاده کنیم. مانند دوربین های دیجیتال  ماشین های عددی مانند cnc همچنین استپر موتورها در صنایع رباتیک برای ساخت بازوها و سایر اجزای دقیق ربات به کار می روند. درصنایع خودروسازی در ایجاد تعادل و کنترل دور موتورنیز از استپ موتورها استفاده می شود.

مزایای استپ موتورها:

• کنترل دیجیتالی ساده
• فاقد خطای تجمعی
• توقف ناگهانی بدون آسیب
• بدون جاروبک
• بدون نیاز به فیدبک پایدار
• ساختمان مکانیکی ساده
• راه اندازی ارزان و ساده

معایب استپر موتورها:

• توان خروجی محدود
• دوران با پله ثابت
• عدم قابلیت تغذیه بار با اینرسی زیاد
• پرش و نوسان زیاد
• راندمان کم

5-موتور ویبراتور- vibration

موتور ویبره از یک موتور چرخشی الکتریکی ساده تشکیل شده است که به محور آن یک وزنه با نسبت چگالی بالا نصب شده است.این وزنه به طور معمول بین 25تا50 درصد محور 360درجه موتور را پر می کند. زمانی که موتور ویبره شروع به چرخش می کند به سبب جابجایی نقطه ثقل ویبراتور با سرعت زیاد حرکت لرزشی در کل دستگاه ایجاد می شود. موتورهای ویبره ای که در اسباب بازی های کودکان پیجرها گوشی های تلفن همراه و غیره یافت می شوند به همین شکل طراحی و ساخته می شوند.

6- موتور کورلس- coreless

موتورهای بدون هسته یا کورلس فاقد هسته یا قفس فلزی در روتور هستند و سیم پیچی آنها به تنهایی و با استفاده از رزین فرم یک استوانه توخالی را به خود گرفته است . این ویژگی باعث کاهش شدید وزن روتور موتور و افزایش راندمان موتورمی شود.موتور های کورلس نویز بسیار کمی تولید می کنند بسیار کم مصرف هستند و گرمای کمی تولید می کنند.

در ساخت ابزارهای دستی سبک وسایل دارای باتری و وسایلی که دمای کم در آنها موضوع مهمی است از این نوع موتورها استفاده می شود. برای ساخت مینی کوادکوپترها به علت وزن کم  شتاب و سرعت بالا مصرف انرژی کم از موتور کورلس استفاده می شود.

موتورهای کورلس می توانند به سرعت شتاب بگیرند وهمچنین حرکت نرم و یکنواختی در دوره های پایین داشته باشند این ویژگی باعث شده است تا از این موتورها در ساخت بسیاری از ابزارهای حساس و دقیق استفاده شود .