موتور موتور استپر (پله ای) (Stepper Motor) چیست؟

موتور های پله ای (Stepper Motor)، موتورهای دی سی (DC Motor) هستند که حرکت‌شان بر اساس گام­‌های گسسته رخ می­‌دهد. آن­ها دارای تعداد مشخص کویل می­‌باشند که در گروهایی به نام «فاز» قرار گرفته شده‌ اند. با انرژی‌دار کردن هر یک از این فازها به طور متناوب، موتور یک گام در واحد زمان دوران می­‌کند.

با کنترل کردن این گام‌­های زمانی، می‌­توانید کنترل موقعیت و یا کنترل سرعت دقیقی را فراهم کنید. به همین علت این موتورها بسیار در صنعت کاربرد داشته و انتخاب خیلی خوبی در کاربردهای دقیق حرکتی هستند. موتورهای پله ای در سایزها و مشخصات الکتریکی متنوعی وارد بازار شده‌اند. در اینجا ما قصد داریم نگاه کلی بر روی انواع این موتورها داشته باشیم تا بتوانیم موتور مناسبی را با توجه به کاربرد خواسته شده  انتخاب نماییم.

موتور استپر (پله ای) برای چه کاربردهایی مناسب است؟

• موقعیت گیری: از آن­جایی که این موتورها به صورت گام و پله ای حرکت می­‌کنند، استفاده از آن­ها در صنایع با دقت موقعیت‌گیری بالا همانند پرینترهای سه بعدی، CNC، پلتفرم‌های دوربینی و پلاترهای x-y بسیار مناسب هستند.
• کنترل سرعت: نرخ افزایشی دقیق این موتورها باعث شده است که قادر باشیم کنترل سرعت دورانی دقیقی داشته باشند و در صنایع اتوماسیون و رباتیک فراوان به کار گرفته شوند.
• گشتاور بالا در سرعت پایین: یکی از معایب اصلی موتورهای دی سی، داشتن گشتاور پایین در سرعت‌های پایین است. اما موتورهای استپر دارای بالاترین گشتاور در سرعت‌های پایین می‌باشند. به عبارت دیگر این موتورها انتخاب مناسبی برای کاربردهایی هستند که نیاز به سرعت پایین و دقت و گشتاور بالا می‌باشد.

انواع موتور استپر

محدودیت‌های اصلی موتورهای پله ای چیست؟

• بازدهی پایین: برخلاف موتورهای DC، جریان مصرفی موتورهای استپر به بار بستگی دارد. موتورهای استپر بیشترین جریان را زمانی می­کشند که موتور استپر کاری انجام نمی دهند. به عمین علت، دقت نمایید که از این موتورها در کاربردهایی استفاده کنید که بیشتر در حال کار هستند.
• گشتاور پایین در سرعت های بالا: به طور کلی، موتورهای استپر دارای گشتاور کمتری در سرعت های بالا نسبت به سرعت های پایین هستند.
• بدون فیدبک: بر خلاف سرو موتورها، بیشتر موتورهای استپر، دارای فیدبک داخلی برای موقعیت نیستند. اگرچه آن­ها دارای دقت بسیار بالایی به صورت حلقه باز هستند.

انواع موتورهای استپر

اگر دقیق نگاه کنیم متوجه خواهید شد که تعداد متنوع زیادی از موتورهای استپر در بازار صنعت اتوماسیون عرضه شده است. ما قصد داریم روی موتورهای استپری تمرکز کنیم که با درایورهای معمولی بازار قابل راه اندازی هستند.

انواع موتورهای استپر

اندازه موتور

اولین نکته ای که بایستی توسط شما مورد بررسی قرار بگیرد، اندازه این موتور است. همانطور که احتمالا شما هم انتظار دارید، موتورهای بزرگتر دارای توان بیشتری هستند.

موتور استپر

گام استپر

نکته دیگری که بایستی به آن توجه شود رزولوشن موقعیت‌گیری است که شما لازم دارید. معمولا دقت رزولوشن موتورهای استپر بر حسب درجه بیان می­‌شود. برای مثال یک موتور 1.8 deg دارای رزولوشن ۲۰۰ گام در هر دور است.

به طور کلی مصالحه‌ای بین سرعت و گشتاور وجود دارد که در انتخاب موتور بسیار مورد اهمیت می­‌باشند. فرض کنید دو موتور با سایزهای یکسان داشته باشید که موتور ۱ دارای رزولوشن بالاتری نسبت به موتور ۲ است. در یک سرعت یکسان موتور ۱ دارای گشتاور کمتری نسبت به موتور ۲ است. بنابراین دقت کنید که با یک سایز موتور یکسان، موتورها با رزولوشن بالا در سرعت‌های پایین‌تر به حداکثر گشتاور خود می‌­رسند.

موتور پله ای

 گیربکس

یکی از راه­‌های رسیدن به رزولوشن موقعیت گیری بالا استفاده از گیربکس است. با قرار دادن یک گیربکس 32:1 بر روی خروجی موتور استپر ۸ گام در دور، می توانیم روزلوشن موتور رو به ۵۱۲ پله برساینم. بعلاوه استفاده از گیبرکس گشتاور موتور رو افزایش می‌­دهد.

میله شفت خروجی موتور

یکی دیگر از مشخصاتی که بایستی مورد بررسی قرار بگیرد، نحوه اتصال خروجی موتور استپر به سیستم است. موتورهای موجود در بازار دارای انواع میله شفت زیر می‌­باشند:

• شفت گرد یا D: این نوع شفت­‌ها در قطرهای استاندارد موجود می ­باشند. پولی‌ها، چرخ دنده‌ها و کوپلینگ­‌ها طوری طراحی شده‌اند که بر روی این شفت قرار می­‌گیرند. شفت‌های گرد دارای یک پخ در انتهای خود هستند تا از لغزیدن جلوگیری کنند. این سطوح صاف در انتهای شفت باعث شده که این نوع شفت‌ها  در گشتاورهای بالا مورد استفاده قرار گیرند.
• شفت دارای دنده: در برخی از شفت ها دندانه‌هایی تراشیده شده است که به طور مستقیم با دنده های چرخ دنده مناسب متصل می­‌شوند.
• شفت لید اسکرو: موتورها با این شفت برای ساختن عملگرهای خطی کاربرد دارند. نوع مینیاتوری این موتورها را می‌توان در بسیاری از دیسک درایورها مشاهده کرد.

میله شفت خروجی موتور استپر

سیم کشی

تعداد متنوعی سیم‌کشی در موتورهای استپر وجود دارد. اما ما بر روی موتورهایی متمرکز می‌شویم که کاربرد بیشتری در صنعت دارند. موتورهای مغتاطیس یا هیبرید دائم به صورت دو قطبی-دو فازی و تک قطبی-چهار فازی سیم‌کشی خواهند شد.

سیم‌کشی در موتور پله ای

کویل ها و فازها

یک موتور پله ای دارای تعدادی کویل می­‌باشند. نحوه اتصال این کویل­‌ها فاز را تشکیل می‌­دهند. همه کویل‌ها در یک فاز با یکدیگر انرژی‌دار می­‌شوند.

تک قطبی و دو قطبی در موتور استپر

تک قطبی یا دو قطبی

به طور کلی دو نوع می­‌توان موتورهای پله ای را راه اندازی کرد:

در حالت راه اندازی تک قطبی، فازها همواره به یک صورت انرژی دار می­ شوند. یکی از پایه که به پایه Common معروف است، همواره منفی است و دیگر پایه ها همواره مثبت هستند. از آنجایی که تنها نصفی از کویل‌ها در این نوع درایو کردن در یک زمان دارای انرژی هستند، گشتاور حاصله کمتر خواهد بود. این موضوع یکی از معایت اصلی این نوع درایو کردن موتورهای استپر می­‌باشد.

در حالت دو قطبی از مدار H-bridge برای عمل عکس کرن جریان در فازها استفاده می­‌گردد. با انرژی دار کردن فازها یه صورت متناوب، تمام کویل­ها بر روی چرخاندن موتور تاثیرگذار می‌­باشند.

یک موتور دو قطبی- دوفاز دارای دو گروه کویل می‌باشد. یک موتور تک قطبی-چهار فاز داری چهار گروه کویل است. یک موتور دوقطبی-دوفاز دارای چهار سیم است (برای هر فاز دو سیم). بسیاری از موتورها دارای تعداد سیم‌های بیشتری هستند که بتوان آن­ها را هم به صورت تک قطبی و هم دو قطبی راه اندازی کرد.

موتور با ۵ سیم خروجی

این نوع سیم کشی معمولا در موتورهای کوچک تک قطبی موجود می­‌باشند. همانطور که در این شکل پیداست، در این حالت سیم‌های کویل پایه از داخل به یکدیگر متصلند. این موتور تنها به صورت تک قطبی راه اندازی می­‌شود.

موتور با شش سیم

در این موتور سیم­‌ها common هر دو جفت فاز به یکدیگر متصلند. این دو سیم می­‌توانند به یکدیگر وصل شوند یا یک موتور ۵ سیمه تک قطبی ساخته شود. اگر این دو سیم را در نظر نگیرید، می­‌توانید این نوع موتورها را نیز به صورت دوقطبی نیز راه اندازی کنید.

موتور با هشت سیم

این نوع موتور نسبت به دو موتور قبلی تطبیق‌پذیرتر می­‌باشد و به صورت­‌های زیر راه اندازی می‌­شود:

• تک قطبی چهار فاز: در این در اینوع راه اندازی، همانند موتور ۵ سیمه رفتار می‌کنیم. به عبارت دیگر همه سیم‌های common را به یکدیگر متصل می­‌کنیم.
• دوقطبی – دو فاز سری: در این حالت همانند موتور ۶ سیمه، فازها به صورت سری به یکدیگر متصل می­‌شوند.
• دوقطبی – دو فاز موازی: فازهای به صورت موازی به یکدیگر متصل می‌­شوند. اینکار باعث نصف شدن مقاومت و اندوکتانس می‌شود. اما برای راه اندازی موتور نیاز به جریان بالاتری داریم. از ویژگی‌های این نوع سیم کشی بالاتر بودن گشتاور و سرعت است.