موتور استپر از انواع محرک­‌هایی است که پالس‌های الکتریکی را به حرکت مکانیکی گسسته تبدیل می‌کند. در این موتورها شفت یا همان اسپیندل به صورت پله ای گسسته و بر اساس پالس‌های متناوب درست دوران می‌کند. جهت چرخش شفت این موتورها به تناوب پالس‌های اعمالی بستگی دارد. همچنین سرعت چرخش تابعی از فرکانس پالس ورودی و مقدار یا طول چرخش تابعی از تعداد پالس‌های اعمالی می‌باشند.

مزیت‌ها و معایب موتورهای استپر (پله ای)

مزیت‌ها

• زاویه چرخش نسبتی از پالس ورودی است.
• این موتورها دارای گشتاور کامل در ایست هستند ( اگر سیم پیچ‌ها دارای جریان باشند).
• دقت و تکرارپذیری موتورهای استپر خوب و در حدود ۳-۵ ٪ در هر استپ یا پله است. از همه مهمتر آنکه این خطا از هر استپ به استپ دیگر جمع نمی‌شود که این بسیار مزیت بزرگ و قابل توجهی می‌باشد.
• پاسخ عالی و لحظه‌ای به تغییر جهت، شروع و اتمام
• بسیار قابل اعتماد به علت عدم وجود تماس بین جاروب های داخل موتور. بنابراین عمر موتور به عمر بلبرینگ بستگی دارد.
• پاسخ موتور به پالس‌های دیجیتال و کنترل حلقه باز موتورهای پله‌ای باعث شده که کنترل و راه‌اندازی این موتورها ساده باشد.
• با بار بسیار سنکرون است. یعنی در حداقل زمان ممکن به حداکثر سرعت می رسند.
• محدوده سرعت دورانی وسیع را پوشش می‌دهند که می توان با افزایش فرکانس پالس ورودی سرعت آن ها را تغییر داد.

معایب

• اگر درست کنترل نشود، پدیده رزونانس اتفاق می افتد.
• کاهش عملکرد در سرعت ها بالا

کنترل حلقه باز

یکی از مزیت های بی نظیر این موتورها، توانایی کنترل دقیق این موتورها به صورت حلقه باز است. منظور از کنترل حلقه باز این است که نیاز به فیدبک از موقعیت نیست. این نوع کنترل استفاده از سنسورها و ابزارات گران قیمت مانند انکودر را حذف می کند. در این موتورها به راحتی می توان موقعیت را از روی دنبال کردن پالس های پله ای ورودی بدست آورد.

انواع موتورهای استپر (پله ای)

به طور کلی سه نوع موتور پله ای وجود دارد که عبارتند از:

• رلوکتانس متغییر
• مغناطیس دائم
• هیبرید

توان و اندازه موتورهای استپر

علاوه بر آن که می توان مورتورهای استپر را بر اساس زاویه پله شان تقسیم بندی کرد می‌توان آن را بر اساس ابعاد فریمشان یعنی قطر بدنه موتور نیز دسته‌بندی کرد. برای مثال یک موتور پله ای ۱۱، قطر بدنه آن ۱٫۱ اینچ است. همچنین موتور ۲۳، دارای قطری به مقدار ۲٫۳ اینچ ( یا ۵۸ میلیمتر) است. بایستی توجه داشته باشید که طول یک موتور از یک موتور به موتور دیگر با وجود قرار داشتن در یک دسته‌بندی ابعاد، می­‌تواند تغییر کند. به عنوان یک قانون کلی می‌توان گفت که گشتاور خروجی موتوری با طول بزرگتر از گشتاور خروجی موتوری که در همان دسته موتور اول قرار گرفته است اما طول آن کوچکتر است، بزرگتر می‌باشد.

سطح‌های توان برای موتورهای استپری که با IC درایو می‌­شوند از زیر وات تا بالای ۱۰ تا ۲۰ وات برای موتورهای بزرگتر تغییر می­‌کنند. سطح اتلاف توان یا محدوده گرمایی ایجاد شده توسط موتور معمولا توسط سازنده گزارش می­‌شود. برای محاسبه آن می­‌توان از رابطه P=V*I استفاده کرد. برای مثال، یک موتور ۲۳ با ۶V و ۱A در هر فاز را در نظر بگیرید. بنابراین اگر دو فاز موتوری جریان‌دار شود، تلفات توان ۱۲ وات است. بایستی توجه داشته باشید بهتر است که تلفات توان تا جایی بررسی شود که اختلاف دمای بین بدن موتور و محیط بیش از ۶۵ درجه نشود. اگر موتور را بر روی هیت سینک نصب کنیم، می توانیم سطح تلفات توان مجاز را بالا ببریم. از نقطه نظر طراحی باید تعامل مناسبی بین اندازه/ توان خروجی/و قیمت پیدا کنید.

در چه مواردی موتور پله ای استفاده کنیم؟

زمانی که کنترل حرکت مهم باشد استفاده از موتور پله ای توصیه می‌شود. آنها در زمانی که ما نیاز به کنترل موقعیت، سرعت و زاویه دوران داریم نسبت به دیگر محرک‌ها برتری دارند. به علت خاصیت ذاتی این موتورها در پیدا کردن موقعیت شان، این موتورها در صنعت بسیار استفاده می‌شوند. برای مثال می‌توان به پرینترها، پلاترها، هارد دیسک‌ها، وسایل پزشکی، ماشین‌های فاکس اشاره کرد.

میدان مغناطیسی چرخش در موتورهای پله ای

زمانی که یکی از سیم‌پیچ فاز یک موتور استپر برق دار می­‌شود، شار مغناطیسی در استاتور ایجاد می­‌شود. جهت این شار معناطیسی از قاعده دست راست بدست می­‌آید. این قاعده به شرح زیر است: «اگر کویل در دست راست شما قرار گرفته شود و انگشتان شما در جهت جریان قرار گیرد، جهت شصت شما که عمود بر انگشتان است، جهت میدان مغناطیسی را نشان می­‌دهد». شکل ۱ مسیر شار مغناطیسی در فاز B حاصل از جهت جریان نشان داده را نمایش می‌دهد.

شکل ۱: مسیر شار مغناطیسی در فاز B حاصل از جهت جریان

با توجه به شار ایجاد شده روتور در جهتی حرکت می‌کند که شار مخالف مینیمم شود. در این حالت موتور ساعت گرد می‌چرخد به طوری که قطب جنوب روتور به سمت قطب شمال استاتور B در نقطه ۲ و قطب شمال روتور به سمت قطب جنوب استاتور B در نقطه ۶ حرکت می‌کند. برای راه‌اندازی موتور استپر بایستی با یک ترتیب مشخص و متداول میدان شار مغناطیسی ایجا شود تا روتور در جهت میدان حرکت نماید.

تولید گشتاور در موتورهای پله‌ای

گشتاور ایجاد شده توسط موتور استپر به چندین فاکتور بستگی دارد

• نرخ پله
• جریان در سیم پیچ ها
• نوع و طراحی داریو

در موتورهای استپر زمانی گشتاور ایجاد می­‌شود که شار مغناطیسی روتور و استاتور نسبت به هم جابه جا شوند. استاتورها از مواد مغناطیسی با نفوذپذیری بسیار بالا ساخته شده است. وجود این ماده بسیار نفوذپذیری باعث می­‌شود که شار مغناطیسی ایجاد شده در مسیر ساختار استاتور محدود شود. این باعث خواهد شد که شار بین قطب های استاتور متمرکز گردد.

گشتاور خروجی از موتور نسبتی از شدت شار مغناطیسی ایجاد شده از انرژی‌دار کردن سیم‌پیچ‌ها می‌باشد. رابطه اساسی در تعریف شدت شار مغناطیسی به صورت زیر تعریف می­‌شود:

H=(N×i)÷l

که در آن

• H: تعداد دورهای سیم پیچ
• i: جریان
• H: شدت میدان مغناطیسی
• l: طول مسیر شار مغناطیسی

این رابطه نشان می‌دهد که شدت شار مغناطیسی و به تبع آن گشتاور نسبتی از دورهای سیم پیچ و جریان و نسبت عکسی با طول مسیر شار مغناطیسی دارد. این رابطه ساده نشان می­‌دهد که چگونه موتور استپرهای با اندازه قاب یکسان، گشتارو خروجی‌های متفاوتی دارند. به عبارت دیگر با تغییر پارامترهای سیم‌پیچ می‌­توان به راحتی ظرفیت گشتاور خروجی را تغییر داد.

فازها، قطبها و زوایای استپ

موتورهای پله‌ای معمولا داری دوفاز می­‌باشند. اما موتورهای سه فاز و پنج فاز هم وجود دارد.

یک موتور دو قطبی با دوفاز، دارای یک سیم پیچ در هر فاز است. درصورتیکه موتور تک قطبی داری یک سیم پیچ با یک سیم مشترک در هر فاز می‌باشد. به همین دلیل در برخی مواقع موتورهای تک قطبی دو فاز را موتورها ی چهار فاز هم می‌نامند. موتورهایی دارای دو سیم پیچ در هر فاز هم موجود می‌باشند. این موتورها را می‌توان هم بصورت تک‌قطبی و هم دو قطبی درایو کرد.

منظور از قطب، ناحیه‌ا‌ی از بدنه مغناطیسی است که شدت شار مغناطیسی در آن متمرکز شده است. هم روتور و هم استاتور دارای قطب هستند. شکل ۲ بیانگر یک موتور استپر دو فازه که دارای دو قطب (یا یک جفت قطب) برای هر فاز استاتور و دو قطب (یک جفت قطب) بر روی روتور است.

شکل ۲: یک موتور استپر دو فازه که دارای دو قطب (یا یک جفت قطب)

در واقعیت قطب‌های بیشتری به روتور و استاتور اضافه می­‌شود، تا بتوان تعداد استپ‌ها در دور موتور را افزایش داد. به عبارت دیگر می‌توانیم زاویای پله ای کوچکتر (پله کامل) را فراهم کرد. تعداد جفت قطب‌ها در روی استاتور و روتور در موتورهای مغناطیس کامل (permanent magnet stepper motor) یکسان است. به طور معمول موتورهای PM دارای ۱۲ جفت قطب می‌باشند. به عبارت دیگر استاتور ۱۲ جفت قطب در هر فاز دارد. موتورهای هیبرید دارای روتور دندانه‌دار هستند. روتور در این موتورها به دو قسم تقسیم می‌شود که توسط آهنربا دائمی از هم جدا شده‌اند. این باعث شده است که نصفی از هر دندانه قطب جنوب و نصفه دیگر قطب شمال باشد. به عبارت دیگر تعداد جفت قطب ها برابر تعداد دندانه‌های در نیمی از روتور است. استاتور یک موتور هیبریدی نیز دارای دندانه می­‌باشند. رابطه بین تعداد قطب‌های روتور و تعداد فازهای معادل استاتور و تعداد فازها از رابطه زیر بدست می‌آید:

Step angle= 360÷(N_Ph×Ph)=360/N

که در آن

• N_Ph: تعداد قطب های معادل برای هر فاز=تعداد قطب های روتور
• Ph: تعداد فازها
• N: تعداد قطب ها برای همه فازها

اگر گام های دندانه های روتور و استاتور برابر نباشند رابطه دیگری وجود دارد که پیچیده تر از این رابطه خواهد بود.

پارامترهای مکانیکی، بار، اصطکاک و اینرسی

میزان عملکرد یک موتور استپر (درایور و موتور) به شدت وابسته خواص مکانیکی بار بستگی دارد. منظور از بار هر چیزی است که موتور آن را حرکت می‌دهد. برای مثال بار شامل اصطکاک، اینرسی و یا هر دو آنها ممکن است باشد.

منظور از اصطکاک، مقاومتی است که در مقابل حرکت به وجود می‌آید و علت آن را می‌توان در ناهمواری سطوح تماسی دانست. اصطکاک نسبت به سرعت ثابت است. با افزایش بار اصطکاکی، سرعت و شتاب کاهش می‌یابد و در نتیجه خطای موقعیت افزایش می‌یابند و بالعکس.

اینرسی مقاومتی است که جسم درباره تغییر سرعت از خود نشان می‌دهد. بار اینرسی بالا نیاز به گشتاور شروع بالا دارد و همچنین نیاز به گشتاور بالا برای نگه داشتن آن دارد. با افزایش باراینرسی پایداری سرعت افزایش می‌یابد و زمان بیشتری لازم است که به سرعت مطلوب رسید و بالعکس.

نوسانات و ارتعاش یک موتور استپر با مقدار اصطکاک و اینرسی بار تغییر می‌کند. اگرچه نوسانات و ارتعاشات موتورها را می‌توان با ابزارهایی مکانیکی مانند دمپینگ­‌ها کاهش داد اما راه‌های الکتریکی دیگری نیز وجود دارد که می‌توان این ارتعاشات را کاهش داد. برای مثال می‌توان استفاده از درایو کردن موتور به صورت half step به جای full step اشاره کرد.

مشخصات گشتاور نسبت به سرعت

مشخصات گشتاور نسبت به سرعت یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های در انتخاب درست موتور‌های استپر است. این مشخصات به مد تحریک و نوع و یا روش درایو کردن موتور بستگی دارد. یکی ار منحنی‌های سرعت-گشتاور در شکل ۳ نشان داده شده است.

شکل ۳: یکی ار منحنی‌های سرعت-گشتاور

برای بهتر متوجه شدن این نمودار برخی از جنبه های این منحنی را توضیج می­‌دهیم.

گشتاور هلدینگ (Holding torque)

ماکزیمم گشتاوری که موتور در حالت ایستا می تواند تحمل کند.

Pull-In Curve

ناحیه ای است که موتور شروع به ایستادن می‌کند. این منحنی ناحیه‌ای را نشان می‌دهد که موتور با توجه به باری که به آن وارد شده است، شروع به حرکت و یا توقف می‌کند.

Maximum Start Rate

ماکزیمم فرکانس گام که موتور شروع به حرکت می‌کند، زمانی که هیچ باری اعمال نشده است.

Pull-Out Curve

این منحنی بیانگر ناحیه عملکرد ربات است. به ناحیه بین این منحنی و منحنی Pull-In ناحیه کشت (slew region) می‌گویند. از آنجایی که این ناحیه بیرون ناحیه Pull-In است موتور حرکت می‌کند.

Maximum Slew Rate

ماکزیمم فرکانس عملکرد موتور در زمانی که بار وجود ندارد می‌باشد.

منحنی pull-in با توجه به بار اعمالی تغییر می‌کند. هر جه بار اینرسی بزرگتر باشد، این ناحیه کوچکتر خواهد بود. همانطور که مشاهده می‌شود با افزایش سرعت گشتاور خروجی نیز کاهش می‌یابد که علت آن را می‌توان در ظرفیت القایی مغناطیسی دانست.

بایستی توجه داشت که انحنای گشتاور-سرعت می‌تواند به شدت با توجه به نوع و چگونگی درایو کردن موتورها تغییر نماید. این منحنی بایستی توسط سازندگان موتورهای استپر ارائه گردد. زیرا بایستی نوع درایور و روش مناسب درایور کردن آن موتور را از روی این منحنی ارائه شده پیدا کرد.