در این مقاله آموزشی، قصد داریم دو موتور استپر پرکاربرد ۲ فاز و ۵ فاز را با یکدیگر مقایسه کنیم. این گزارش بر اساس  تجربه ما با کار کردن با این دو موتور و همچنین مقالات ارائه شده در این مورد جمع آوری شده است. بدین منظور شرکت ربات سازان مقایسه کاملی بین این دو موتور انجام داده تا بحث درباره این موضوع بسیار مهم را  تکمیل کند. این راهنما تفاوت­‌های اساسی بین این دو موتور که بر روی عملکردشان تاثیر گذار است را به طور کامل پوشش می‌دهد. تفاوت‌هایی همچون رزولوشن، ارتعاشات، گشتاور و دقت.

چه تفاوت­هایی بین ۲ فاز و ۵ فاز وجود دارد؟

دو تفاوت اصلی بین موتور دوفاز و پنج فاز وجود دارد. اولین تفاوت مکانیکی است. یک موتور استپر اساسا شامل دو قسمت استاتور و روتور است. در موتور ۲ فاز، استاتور از هشت قطب مغناطیسی با دندانه های کوچک ساخته شده است. در صورتی که استاتور موتورهای پنج فاز از ۱۰ قطب مغناطیسی تشکیل شده است. قطب‌ها در استاتور یک سیم‌پیچ می­‌باشد.

تفاوت دوم بین موتور دو فاز و پنج فاز، تعداد فازهای آن می­‌باشد. یک موتور دو فاز دارای دو فاز (فاز A و فاز B) است. در حالیکه موتور پنج فاز شامل پنج فاز است. ضرورتا، تعداد فاز بیانگر تعداد متفاوت ترکیب قطب‌ها می‌باشد که به طور متوالی انرژی‌دار می‌شوند تا روتور دوران کند. فاکتورهایی وجود دارند که بر روی عملکرد موتور استپر تاثیر گذار می‌باشند. بعلاوه برای راه اندازی موتورهای استپر تعدادی راه وجود دارد. راه اندازی موجی، راه اندازی کامل، راه اندازی نیم پله و راه اندازی زیر پله عمومی ترین راه‌ها برای راه اندازی این موتورها هستند.

تفاوت بین موتور استپر ۲ فاز و ۵ فاز

رزولوشن

از نظر ساختاری، موتور دو فاز و پنج فاز با یکدیگر تفاوتی ندارند. روتور در هر دوی آن­ها دارای ۵۰ دندانه است. تفاوت در اینجاست که موتور ۵ فاز دارای ۱۰ قطب است ( برای هر فاز ۲ تا)، در نتیجه تنها ۱٫۱۰ گام دندانه ها روتور حرکت می­کند. در صورتی که در موتور دو فاز، ۱٫۴ گام دندانه حرکت می‌کند (هشت قطب، چهار فاز).

این باعث می‌شود که موتور استپر بعد از ۲۰۰ گام، یک دور کامل دوران کند (۱٫۸ درجه برای هر گام). در صورتی که در موتور پنج فاز نیاز به ۵۰۰ گام است ( ۰٫۷۲ درجه برای هر گام). این دقت بیشتر از ذات طراحی موتورهای پنج فاز است. زمانی که موتور‌های پنج فاز به صورت میکرو استپ درایو می­‌شوند، می­‌توانیم به گامهایی در حدود 0.00288 درجه است. دقت مکانیکی موتورهای پنج فاز و دو فاز در حدود 0.05 درجه است.

ارتعاش

به علت کوچکتر بودن زاویه دوران موتور 5 فاز، ۰٫۷۲ درجه در هر گام، نسبت به زاویه دوران دوفاز، ۱٫۸ درجه در هر گام، ارتعاش در موتور ۵ فاز به مراتب کمتر از موتور دو فاز است. شکل زیر ارتعاش ناشی از یک موتور استپر دوفاز و پنج فاز را مقایسه کرده است. همانطور که مشاهده می‌کنید ارتعاش در پنج فاز بسیار کمتر است.

ارتعاش در پنج فاز بسیار کمتر است

گشتاور

اگر چه تفاوت چندانی بین گشتاروهای خروجی موتور دو فاز و سه فاز وجود ندارد، اما موتور پنج فاز دارای گشتاور قابل استفاده بیشتری است. با راه اندازی نیم‌پله و راه اندازی میکرو استپ موتورهای ۵ فاز، گتاور به میزان ۱۰ درصد افزایش می یابد. علت آن را می­‌توان در آن دانست که فازهای بیشتری انرژی دار می­‌شوند. اما گشتاور به میزان ۴۰ درصد در موتورهای دو فاز زمانیکه نیم پله یا به صورت میکو استپ درایو می­‌شوند، از دست می‌دهند. با آنکه راههایی برای جبران این کاهش وجود دارد.

زمانی که استاتور انرژی دار می‌شود، یک مغناطیس الکتریکی به وجود می‌آید که موجب ایجاد شار مغناطییسی در روتور می‌شود. این شار مغناطیسی به دو بردار تصویر (بردار عمودی و مماسی) می‌شود. گشتاور زمانی به وجود می آید که مولفه مماسی حضور داشته باشد. وجود شار مغناطیسی در شکل نشان داده شده است.

وجود شار مغناطیسی

در شکل ۱، دندانه روتور مستقیما در مقابل دندانه روتور قرار دارد و شار تنها مولفه عمودی دارد. بنابراین گشتاوری تولید نمی‌شود. با جابه جا شدن دندانه روتور از دندانه استاتور در شکل های ۲، ۳ و ۴ موتور تولید گشتاور می‌کند. این گشتاور منفی است. زیرا گشتاور سعی می‌کند که دندانه ها را به موقعیت پایدار خود بکشد. در شکل ۵، شار به طور کاملا مساوی بین داندانه استاتور ایجاد می‌شود و گشتاور تولیدی صفر خواهد شد. در شکل های ۶، ۷ و ۸ گشتاور تولیدی مثبت است. زیرا دندانه روتور به سمت دندانه بعدی استاتور سوق داده می‌شود. سرانجام، دوباره دندانه روتور در راستای دندانه استاتور قرار می‌گیرد (شکل ۱).

مشخصه گشتاور بر حسب زوایه

همانطور که در شکل مشاهده می‌کنید هر فاز موتور گشتاور سینوسی شکلی را ایجاد می‌کند. اختلاف بین قله و دره را گشتاور ناهموار یا همان ریپل گشتاوری می‌نامند. به علت آنکه فازهای بیشتری در موتور ۵ فاز برای تولید گشتاور مشارکت می‌کنند، بنابراین ریپل گشتاور در این موتورها از موتورهای دوفاز کمتر است. اختلاف بین قله و دره در موتورهای دوفاز در حدود ۲۹٪ ، در صورتی که در موتورهای ۵ فاز در حدود ۵٪ می باشد. از آنجایی که این ریپل تاثیر مستقیمی بر روی ارتعاش دارد، بنابراین موتورهای ۵ فاز نرم‌تر و آرام‌تر کار می‌کنند.

اختلاف بین قله و دره در موتورهای دوفاز در حدود ۲۹٪ است.

اختلاف بین قله و دره در موتورهای ۵ فاز در حدود ۵٪ است.

دقت/ تکرار پذیری

دقت دارای دو مولفه مکانیکی و الکتریکی است. خطای الکتریکی زمانی رخ می دهد که فازها از حالت بالانس خود خارج شوند. برای مثال، مقاومت سیم پیچ در حدود ±10% است.در این صورت ممکن است موتوری که دارای توان 10W است، توان یکی از فازها 9.2W و توان دیگری در حدود 10.6W باشد. این اختلاف باعث می‌شود که روتور بیشتر به سمت یک فار تمایل داشته باشد.

درباره خطای مکانیکی مولفه‌های زیادی می‌توان وجود داشته باشد. برای مثال می‌توان به شکل دندانه‌ها اشاره کرد. اگر چه شکل یک دندانه در موتور بایستی مربعی شکل باشد، در طول زمان ممکن است که سر دندانه‌ها به سمت گردی پیش بروند. این باعث می‌شود که شار به صورت مستقیم انتقال داده شود، به علت گردی شدن دندانه این اتفاق نیافتد. این فاکتورها بر دقت موتور تاثیر بسزایی دارند.

در حالت راه اندازی کامل، موتور دوفاز در هر چهار گام، وضعیتش تکرار می‌شود، اما در موتور ۵ فاز در هر ۱۰ گام این اتفاق رخ می‌دهد. هر خطای الکتریکی ناشی از نابالانسی در هر چهار گام برای موتور دوفاز و هر ۱۰ گام برای موتور ۵ فاز خنثی می‌شود. اما خطای مکانیکی همچنان باقی می‌ماند. بنابراین خطای مکانیکی از اهمیت بیشتری برخوردار است.

خطای مکانیکی از اهمیت بیشتری برخوردار است.

روش‌های راه اندازی موتورهای ۲ و ۵ فاز

چندین روش برای راه اندازی هر دو موتور دو فاز و پنج فاز وجود دارد. در این جا به صورت خلاصه با مفهوم راه اندازی کامل و میکرو استپ آشنا خواهد شد.

راه اندازی کامل موتور ۲ فاز

در راه اندازی کامل این موتور هر دو فاز A و B انرژی‌دار می‌شوند و بین مثبت و منفی سوییچ می‌کنند تا دوران رخ دهد.

راه اندازی کامل موتور ۲ فاز

راه اندازی کامل موتور ۵ فاز

در اینجا  چهار  فاز با یک ترتیب خاص که در شکل زیر مشاهده می کنید، انرژی‌‌دار می‌شوند.

میکرو استپ

به طور کلی نکته این راه‌اندازی بر این اساس است که زاویه گام رو با کم کردن جریان در یک فاز و افزایش جریان در فاز بعدی را کوچک می‌کند. این باعث می‌شود که موتور در گام‌های کوچکتری دوران کند.

شکل زیر اساس میکرو استپ را نمایش می‌دهد.

شکل ۱- فاز A دارای ۱۰۰٪ جریان است و روتور روبروی این فاز قرار می‌گیرد.

شکل ۲- جریان در فاز A تا ۷۵٪ کاهش می یابد، و جریان در B تا ۲۵٪ افزایش می‌یابد.

شکل ۳- جریان در هر دو فاز A و B ، ۵۰٪ است. بنابراین روتور در وسط دو فاز قرار می‌گیرد.

شکل ۴- فاز A در حدود ۲۵٪ و جریان در فاز B در حدود ۷۵٪ است. بنابراین روتور به فاز B نزدیکتر می‌شود.

شکل ۵- فاز A خاموش شده و فاز B دارای ۱۰۰٪ جریان است. بنابراین روتور دقیقا رویروی فاز B  قرار می‌گیرد.

به خاطر داشته باشید با راه اندازی میکرواستپ، نه تنها دقت افزایش می‌یاید، بلکه عمکرد موتور نیز نرم‌تر شده و ارتعاشات ناشی از دوران موتور کاهش می‌یابد.

دیاگرام میکرو استپ

جمع‌بندی

بسته به کاربردی شما در نظر دارید، موتور ۲ فاز ممکن است کافی باشد. اما موتور ۵ فاز نسبت به موتور دوفاز دارای دقت بالاتر، ارتعاش کمتر، شتاب بیشتر و نرخ کاهش سرعت بیشتر (به علت زاویه گام کمتر) است. برای کاربردهایی که نیاز به دقت بالاتر و تولید صدا و نویز کمتر است، ما موتورهای ۵ فاز را پیشنهاد می‌کنیم.