موتور استپر که با نام‌های همچون استپ موتور و موتور پله‌ای نیز شناخته می‌شود نوعی موتور الکتریکی می‌باشد که حرکت روتور در آن به صورت پله پله و نه صورت پیوسته صورت می‌پذیرد. استپ موتور را معمولا با توجه به تعداد گام، پله یا رزولوشن آن می‌شناسند. به عنوان مثال در یک موتور استپر ۲۰۰ پله‌ای موتور یک دور کامل یا ۳۶۰ درجه را در ۲۰۰ گام ۱٫۸ درجه‌ای طی می‌کند. ویژگی بسیار کاربردی استپ موتور این است که می‌توان موقعیت و سرعت آن را بدون استفاده از انکودر به شکلی دقیق کنترل کرد. در این مقاله نحوه محاسه سرعت استپ موتور را برحسب دور بر دقیقه بیان خواهیم کرد.

۲- نحوه عملکرد استپ موتور

برخلاف موتورهای دی‌سی که که می‌توان آن‌ها را با اتصال مستقیم به تغذیه دی‌سی راه‌اندازی نمود، موتورهای استپر برای راه‌اندازی نیاز به یک درایور موتور (به عنوان مثال درایور موتور استپر MSD02 را بررسی نمایید) دارند. درایور استپ موتور با گرفتن پالس می‌تواند موقعیت و سرعت یک موتور استپر را کنترل نماید به طوریکه با اعمال یک لبه‌ی پالس، موتور به اندازه یک گام پیشروی خواهد کرد. همچنین با تغییر فرکانس پالس اعمالی به درایور می‌توان سرعت موتور استپر را نیز به صورتی دقیق برحسب دور بر دقیقه کنترل کرد. در شکل ۱ یک سیستم سرو با استفاده از محصولات MSD02 و AMC11 ترسیم شده است.

شکل ۱: یک سیستم سرو با درایور MSD02 و کنترلر AMC11

در شکل ۱ کنترلر AMC11 با اعمال پالس به درایور MSD02 می‌تواند موقعیت و سرعت موتور استپر را کنترل نماید. لازم به ذکر است که درایور استپ موتور MSD02 قادر است با تقسیم گام استپ موتور به پله‌های کوچکتر، رزولوشن حرکتی استپ موتور را تا ۳۲ برابر افزایش دهد. به عنوان مثال چنانچه درایور را برروی ۴۰۰ پالس بر دور قرار دهیم بدین معنی می‌باشد که رزولوشن حرکتی ۲ برابر شده است (با فرض ۲۰۰ پله‌ای بودن موتور) و با اعمال هر پالس، موتور به اندازه ۰٫۹ درجه حرکت خواهدکرد.

۳- محاسبه سرعت موتور استپر برحسب دور بر دقیقه

سرعت استپ موتور برحسب دور بر دقیقه (RPM) به صورت زیر محاسبه می‌شود:

 مثال ۱: چنانچه فرکانس پالس اعمالی از سمت کنترلر AMC11 مقدار ۲ کیلوهرتز باشد و درایور MSD02 نیز برروی حالت فول استپ یا ۲۰۰ پالس بر دور قرار گرفته باشد سرعت موتور استپر را محاسبه نمایید.

پاسخ مثال ۱: چون درایور برروی حالت فول استپ قرار دارد بنابراین مقدار A یا گام استپ موتور ۱٫۸ درجه خواهد بود. طبق فرمول محاسبه سرعت داریم:

بنابراین موتور استپر با سرعت ۶۰۰ دور بر دقیقه دوران خواهد کرد.

مثال ۲: چنانچه فرکانس پالس اعمالی از سمت کنترلر AMC11 مقدار ۲۰ کیلوهرتز باشد و درایور MSD02 نیز برروی حالت ۶۴۰۰ پالس بر دور قرار گرفته باشد سرعت موتور استپر را محاسبه نمایید.

پاسخ مثال ۲: چون درایور برروی حالت ۶۴۰۰ پالس بر دور قرار دارد بنابراین مقدار A یا گام استپ موتور برابر است با:

طبق فرمول محاسبه سرعت داریم:

بنابراین موتور استپر با سرعت ۱۸۷٫۵ دور بر دقیقه دوران خواهد کرد.

۴- جمع بندی

در یک موتور استپر با توجه به اینکه با اعمال هر پالس به درایور آن می‌توان موقعیت آن را به اندازه یک گام جابه جا کرد بنابراین در صورتیکه پالسی با فرکانسی مشخص به درایور استپ موتور اعمال نماییم می‌توانیم سرعت استپ موتور را بدون نیاز به استفاده از انکودر، تاکو ژنراتور و … به صورت دقیق کنترل کنیم.

نوشته «محاسبه سرعت استپ موتور بر حسب دور بر دقیقه» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

موتورهای Unipolar

یک موتور Unipolar دارای ۶ یا ۸ سرسیم است. هر سیم پیچ آن از دو هسته با یک سیم خروجی میانی تشکیل شده است. در هر لحظه تنها یک هسته مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طوری که هر کدام برای یک جهت چرخش موتور در نظر گرفته شده است. برای تغییر جهت چرخش موتور، سیم بندی به جای تغییر جهت جریان معکوس می گردد.

تفاوت استپ موتورهای unipolar و bipolar

موتورهای Bipolar

یک موتور Bipolar دارای ۴، ۶ یا ۸ سر سیم است. هر فاز دارای یک سیم پیچ است. برای تغییر جهت موتور نیز بایستی جهت جریان ورودی تغییر یابد. این نوع موتورها گشتاور بیشتری تولید می‌کنند، چرا که در مقایسه با موتورهای Uniploar از 100 درصد سیم پیچ ها استفاده می‌برند.

در نمودار زیر گشتاور این دو موتور را در مقایسه با یکدیگر مشاهده می‌نمایید.

موتورهای unipolar در مقابل موتورهای bipolar

نوشته «تفاوت استپ موتورهای Unipolar و Bipolar چیست؟» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

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.

نوشته «مقایسه موتور استپر ۲ فاز و ۵ فاز» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

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.

نوشته «ساختار موتورهای استپر (پله ای)» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

نحوه عملکرد موتور استپر

موتور استپر نوعی موتور DC است، که به صورت گام یا پله دوران می­‌کند. این ویژگی باعث شده است که موتور استپر بدون دریافت فیدبک از سنسور در موقعیت مطلوب قرار گیرد. به عبارت دیگر قادر خواهیم بود به صورت حلقه باز موتور را با دقت بالا کنترل کنیم. موتور استپر از دو قسمت اصلی روتور و استاتور تشکیل شده است. روتور این موتورها معمولا یک آهن ربای مغناطیس دائم است. این روتورها توسط استاتورهای سیم پیچی شده احاطه شده‌اند.

هنگامی که سیم‌پیچ‌ها به صورت گام به گام و با یک ترتیب خاص فعال می­‌شوند و جریان درون آن­ها روانه می‌شود، باعث خواهد شد استاتورها مغناطیسه شده و قطب‌های الکترو مغناطیسی بر روی آن ایجاد شود و روتور دروان کند. این قطب‌های مغناطیس شده اساس کار موتورهای استپر می‌باشند.

مدهای راه ­اندازی موتور استپر

چندین راه برای راه‌اندازی موتورهای استپر وجود دارد. اولین آن، تحریک تک کویل (Single-Coil Excitation) یا راه اندازی موجی (Wave Drive) می‌باشد. در این مد، تنها در هر زمان یکی از کویل‌ها فعال می‌شود. به عبارت دیگر اگر موتور ما دارای چهار کویل باشد، در چهار گام، موتور یک دور کامل دوران می‌کند.

حالت بعد، مد راه اندازی کامل (Full Drive) است. در این مد گشتاور خروجی بیشتری خواهیم داشت. زیرا دو تا از کویل‌ها در هر زمان فعال می‌شوند. اما دقت یا همان رزولوشن نسبت به مد قبلی افزایش نمی‌یابد. بنابراین باز هم اگر موتور ما دارای چهار کویل باشد، در چهار گام موتور یک دور کامل دوران می‌کند.

برای افزایش دقت موتور استپر از مد نصف گام (Half Step Drive) استفاده می شود. این نوع مد در واقع ترکیبی از دو نوع مد قبلی می‌باشد. به عبارت دیگر در این حالت در ابتدا دو کویل به صورت همزمان فعال می‌شوند. سپس یک کویل فعال می‌شود و این روند ادامه دارد. شکل زیر این مسئله را به صورت واضح نشان می‌دهد. بنابراین اگر موتور ما دارای چهار کویل باشد، در هشت گام موتور یک دور کامل دوران می‌کند. امروزه صنعت به دنبال راه اندازی موتورهای استپر به صورت میکرو استپ می‌باشد. در این مد ما بایستی یک جریانی سینوسی بر روی کویل‌ها اعمال کنیم. این باعث خواهد شد روتور به صورت نرم  و مانند یک موتور دی سی معمولی حرکت کند.

نوشته «انواع راه اندازی موتور استپر (موتور پله‌ای)» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

همانطور که می‌دانید برای راه اندازی موتور استپر نیاز به درایور می‌باشد و به صورت مستقیم این موتورها راه اندازی نمی‌شوند. در این فیلم آموزشی با استفاده از یک تکنیک ساده با موضوعات زیر آشنا خواهید شد:

۱- شناسایی سیم های کویل مربوطه با استفاده از LED

۲- راه اندازی موتور استپر بدون نیاز به درایور و با استفاده از ترانس و خازن

نکته: این روش تنها برای تست سالم بودن موتور کاربرد دارد و شما تنها قادر خواهید بود که تنها در یک سرعت این موتورها را راه اندازی کنید  و  جهت موتور را تغییر دهید. به عبارت دیگر نمی‌توان به کمک این روش سرعت موتور را تغییر داد.

نوشته «راه اندازی موتور استپر (پله ای) بدون درایور» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

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.

نوشته «چرا استفاده از موتور استپر (پله ای) در صنعت ضروری است؟» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

اصلی ترین ویژگی موتور پله ای که آن را از سایر موتور ها متمایز می‌کند این است که، می‌توان شفت این گونه از موتورها را با اعمال پالس‌های مناسب الکترونیکی به صورت گسسته به حرکت درآورد و در محل مورد نیاز قرار داد.

نکته قابل توجه این است که در این گونه موتورها نیازی به گرفتن فیدبک از موقعیت محور نیست. بر خلاف موتورهای پله ای، در سرو موتورها (Servo Motors) و موتورهای DC که عمکرد پیوسته‌ای در چرخش محور موتور از خود نشان می‌دهند، اطلاع لحظه به لحظه از موقعیت محور موتور برای قرار دادن آن در موقعیت خاص لازم است که این عمل نیازمند صرف هزینه و انجام عملیات کنترلی ویژه‌ای است.

در این مقاله آموزشی به بررسی انواع استپ موتورها؛ مزایا و معایب آن‌ها و در نهایت به روش راه اندازی استپ موتور می‌پردازیم.

مزایا و معایب موتور پله ای

مزایای موتور های پله‌ای:

۱- وابستگی مقدار چرخش شفت به پالس‌های ورودی.

۲- امکان ثابت نگه داشتن محور در موتورهای پله ای به شرط تحریک شدن سیم‌پیچ‌ها با جریان مناست.

۳- مکان‌یابی دقیق.

۴- پاسخ بسیار عالی به دستورهای حرکت، توقف و چرخش معکوس.

۵- عمر طولانی در این گونه موتورها به دلیل فقدان جاروبک.

۶- امکان کنترل حلقه باز (Open loop control).

۷- دستیابی به سرعت‌های بسیار پایین.

معایت موتورهای پله ای:

۱- در صورت کنترل نادرست ممکن است موتور به حالت تشدید درآید . در این حالت محور موتور به جای چرخش شروع به لرزیدن می کند.

۲- با موتور پله ای نمی توان به سرعت های بالا دست یافت.

انواع موتور های پله ای

۱- موتور پله ای با روتور مغناطیس شونده

۲- موتور پله ای مغناطیس دائم

۳- موتور پله ای هایبرید

موتورهای پله ای با روتور مغناطیس شونده

سال هاست که موتور‌های پله ای با روتور مغناطیس شونده مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع موتورها از نظر ساختار داخلی ساده‌ترین ساختار را در بین دو نوع دیگر دارا می‌باشند. شکل ۱ ساختمان داخلی یک موتور فرضی از این نوع را نشان می‌دهد. روتور در این گونه موتورها ماده‌ای مغناطیس شونده مانند فولاد است. زمانی که یکی از سیم‌پیچ‌های استاتور با جریان DC مناسب تحریک شود، دندانه‌های موجود بر روی روتور، به سمت قطب الکترومغناطیسی ایجاد شده جهت‌گیری می‌کنند و موجب چرخش محور موتور می‌گردند.

شکل ۱: موتور پله ای با روتور مغناطیس شونده

موتور پله ای با روتور مغناطیس شونده

موتورهای پله ای مغناطیس دائم

موتورهای مغناطیس دائم، از ارزان‌ترین و در عین حال کم دقت‌ترین نوع موتورهای پله ای با زاویه ی پله (Step Angle) بین 7.5 تا 15 درجه (۲۴ تا ۴۸ پله در دور) می‌باشند. بر خلاف نوع اول روتور در این گونه موتورها دارای دندانه نیست و مطابق شکل ۲ به طور متناوب از قطب های N و S تشکیل شده است. این قطب‌ها به طور موازی با محور قرار گرفته‌اند. با توجه به اینکه روتور یک آهنربای دائمی (Permanent Magnet) است شار مغناطیسی به وجود آمده در هنگام عبور جریان از سیم پیچ افزایش می‌یابد. در نتیجه این گونه موتورها در مقایسه با موتورهای پله ای با روتور مغناطیس شونده مشابه قادر به تولید گشتاور (Torque) بیشتری هستند یا به عبارت دیگر قدرت بیشتری دارند.

شکل ۲: موتور پله ای مغناطیس دائم

موتورهای پله ای هایبرید

موتورهای پله ای هایبرید (hybrid) شباهت زیادی به موتورهای پله ای نوع اول دارند. با این وجود عملکرد بهتری در رابطه با دقت پله، گشتاور و سرعت از خود نشان می‌دهند؛ به طوری که زاویه ی پله در این گونه موتورها می‌تواند بین 0.9 تا 3.6 درجه (۱۰۰ تا ۴۰۰ پله در دور) متغییر باشد.

ساختار موتورهای پله ای هایبرید در اصل ترکیبی از دو ساختار قبلی است؛ چرا که روتور در این گونه موتورها یک ماده‌ی مغناطیس دائم است و البته دیگر با محور چرخش موازی نیست. همان طور که در شکل ۳ مشاهده می کنید، مرکز روتور دارای قطب S وکناره های آن دارای قطب N است. شکل دندانه های موتور به دو دلیل حایز اهمیت است: یکی اینکه با توجه به تمرکز شار مغناطیسی در محل‌های نوک تیز، مکان‌یابی دقیق را امکان پذیز می‌کند و دیگر اینکه وجود این دندانه‌ها، گشتاور به وجود آمده را به همان دلیل تمرکز شار مغناطیسی، افزایش می‌دهد.

شکل ۳: موتور پله ای هایبرید

پله و زاویه پله

کوچکترین چرخش قابل کنترل در محور موتور پله ای را پله می‌گوییم. این گونه موتورها بسته به نوع کاربرد با دقت‌های متفاوتی ساخته می‌شوند. دقت موتور با زاویه پله مشخص می‌گردد. زاویه پله زاویه ای است که به ازای حرکت محور موتور به اندازه یک پله طی می شود؛ پس می‌توان گفت موتوری که دارای زاویه پله کوچکتر است، دقیق‌تر می‌باشد.

موتورهای پله ای تک قطبی و دو قطبی

در تقسیم‌بندی دیگری می‌توان موتورهای پله‌ای را در دو دسته دوقطبی (Bipolar) و تک قطبی (Unipolar) قرار داد. موتور های دو قطبی دو سیم پیچ مجزا دارند که انتهای هر یک از آن ها به صورت دو رشته سیم از موتور بیرون آمده است؛ حال آنکه در موتورهای تک قطبی چهار سیم پیچ مجزا وجود دارند.

در موتورهای تک قطبی شارش جریان در سیم‌پیچ‌ها همیشه در یک جهت است ولی در موتورهای دو قطبی باید به طور مداوم جهت جریان در سیم‌پیچ‌ها عوض شود و همین امر راه‌اندازی این گونه موتورها را کمی دشوارتر می‌کند.

موتور های پله ای ۴ ،۵، ۶ و یا ۸ سیمه هستند. موتورهای ۴ سیمه را تنها می‌توان به صورت دوقطبی یا Bipolar راه اندازی کرد ولی موتورهای ۵، ۶ و یا ۸ سیمه به هر دو روش قابل راه‌اندازی هستند. قبل از راه‌اندازی هر نوع موتور پله‌ای برای اجتناب از اتلاف وقت با استفاده از یک اهم متر نحوه اتصالات (Winding) موتور پله ای را تشخیص دهید.

شکل ۴: موتور پله ای ۸ سیمه

در موتورهای پله ای ۸ سیمه (شکل ۴) که انعطاف پذیر ترین شکل سیم پیچی را دارند دو سر هر چهار سیم پیچ در دسترس می‌باشد. برای اینکه بفهمید کدام دو سیم مربوط به کدام سیم پیچ است با استفاده از اهم متر دو سر هر زوج سیمی را به طور مجزا به اهم متر وصل کنید در صورت مشاهده مقاومتی بین ۱۰ تا ۲۰۰ اهم می‌توان گفت که آن دو سیم مربوط به یک سیم پیچ هستند در غیر این صورت اگر مقدار مقاومت بینهایت یا بسیار زیاد بود آن دو رشته سیم مربوط به یک سیم پیچ نیست. همچنین می‌توان با گذاشتن مولتی متر بر روی تست دیود (حالتی که در صورت وصل کردن دو پراب به هم مولتی متر بوق می‌زند) این تشخیص را داد. بدین صورت که در صورت اتصال مولتی متر به یک سیم پیچ صدای بوق شنیده خواهد شد.

شکل ۵: نحوه اتصالات و تشخیص سر مشترک در موتور پله ای ۶ سیمه

در موتور های پله ای ۶ سیمه سیم پیچ ها دو به دو با هم سری شده‌اند و سر وسط آن ها در دسترس می‌باشد. برای تشخیص نحوه اتصالات در موتورهای پله‌ای ۶ سیمه نیز به طریق مشابه می‌توان با استفاده از اهم متر عمل کرد. فقط توجه شود که در این حالت مقدار مقاوت بین سر مشترک و دو سر یکی از سیم پیچ‌ها‌ی سری شده نصف مقدار مقاومت بین دو سر دو سیم‌پیچ سری شده با هم می‌باشد. (شکل ۵)

شکل ۶: موتور پله ای ۵ سیمه

در موتور های پله ای ۵ سیمه سرهای مشترک به هم وصل شده و به عنوان سیم پنجم از موتور بیرون کشیده شده است (شکل ). در این حالت به طور مشابه می‌توان با استفاده از اهم متر اتصالات را تشخیص داد. توجه کنید که در این حالت نیز مقدار مقاومت بین هر یک از سیم پیچ ها و سر مشترک نصف مقدار مقاومت بین دو سیم پیچ می‌باشد.

شکل ۷: موتور استپر دوقطبی

همانطور که گفته شد موتورهای استپر چهار سیمه تنها به روش دو قطبی راه اندازی می‌شوند. شکل ۷ نحوه اتصالات یک موتور دو قطبی و روش تشخیص سیم‌پیچ‌ها را نشان می‌دهد.

شکل ۸: انواع روش‌های اتصال سیم‌پیچ‌ها در موتورهای پله ای (موتورهای استپر)

شکل ۸ انواع روش‌های اتصال سیم‌پیچ‌ها در موتورهای پله ای (موتورهای استپر) را نشان می‌دهد.

راه اندازی موتور پله ای

برای راه اندازی موتور پله ای لازم است موتور را به صورت پله به پله در جهت مناسب و با سرعت دلخواه تحریک کنیم تا در نهایت محور را به سمت محل مورد نظر بچرخانیم. برای انجام این کار لازم است پالس های زمان بندی شده و دقیقی را به سیم پیچ های موتور اعمال کنیم. در نهایت پس از اعمال زنجیره ای از پالس ها محور در محل مورد نظر قرار می گیرد.

راه اندازی موتور دو قطبی

همان طور که اشاره شد راه اندازی موتورهای دوقطبی کمی دشوار تر از موتورهای تک قطبی است. زیرا در این گونه موتورها مجبوریم جهت جریان عبوری از سیم پیچ ها را تغییر دهیم و به همین دلیل نام دو قطبی را بر روی این گونه موتورها گذاشته‌اند. فرض کنید سیم پیج‌های یک موتور پله ای دوقطبی را به صورت شکل زیر در نظر بگیریم. توجه شود مطابق شکل ۸ هر یک از موتور پله ای ۵ ،۶ و یا ۸ سیمه را می‌توان با آرایش دوقطبی راه اندازی کرد.

شکل ۹: موتور پله ای دوقطبی

جدول زیر نحوه‌ی راه اندازی موتورهای پله ای را به صورت دوقطبی نشان می دهد:

جدول ۱: جدول درستی موتور پله ای دوقطبی

در این جدول H به معنی ولتاژ تغذیه موتور، L صفر ولت و — به معنی فقدان اختلاف پتانسیل در دو سر سیم پیچ است. به این ترتیب در هر لحظه جریان تنها در یکی از دو سیم پیچ موجود در موتور برقرار است. در جدول فوق تنها ۴ پله ی اصلی نشان داده شده است. برای گذراندن پله‌های بیشتر باید چرخه بالا تکرار شود. همچنین برای چرخش در جهت مخالف باید پله ها را از پایین به بالا اعمال کنیم. برای راه‌اندازی یک موتور پله‌ای با گشتاور مناسب نیاز به یک مدار راه انداز داریم که بتواند جریان و ولتاژ مورد نظر را تأمین کرده و به سیم پیچ‌های موتور پله ای اعمال نماید. در زیر مدار راه انداز با آی سی L293D آورده شده است:

شکل ۱۰: مدار راه انداز موتور پله ای دو قطبی

در مدار بالا پین های A ،B ،C و D به میکروکنترلر وصل می‌شوند و مطابق جدول ۱ باید پالس ها به صورت مداوم به درایور اعمال شوند.

راه اندازی موتور تک قطبی

موتورهای تک قطبی را می توان به راحتی راه اندازی کرد زیرا در این گونه موتورها جریان در هر سیم پیچ تنها در یک جهت شارش می‌کند و نیازی به تغییر جهت آن نیست. برای راه اندازی موتورهای پله ای تک قطبی ۴ شیوه مختلف وجود دارند که عبارتند از:

۱- راه اندازی موجی (Wave Drive)

۲- راه اندازی کامل (Full Step Drive)

۳- راه اندازی نیم پله (Half Step Drive)

۴- راه اندازی ریز پله (Microstepping Drive)

۱) راه اندازی موجی (Wave Drive)

راه‌اندازی موجی ساده‌ترین روش راه اندازی موتورهای پله ای تک قطبی می‌باشد. در این روش در هر لحظه تنها یکی از سیم‌پیچ‌ها تحریک می‌شوند. یعنی در هر لحظه تنها یک سیم پیچ روشن است و بقیه خاموش می‌باشند. جدول ۲ چگونگی اعمال پالس‌های زمان‌بندی شده را برای راه اندازی موتور پله‌ای به این روش نشان می‌دهد.

در این روش نیز برای طی کردن پله‌های بیشتر باید چرخه بالا را تکرار کنیم و برای حرکت در جهت مخالف باید ترتیب پله‌ها را عوض کنیم یعنی چرخه بالا را از پایین به بالا اعمال کنیم. در این روش به دلیل اینکه در هر لحظه تنها یکی از سیم‌پیچ‌ها روشن است گشتاور (Torque) خروجی نصف گشتاور نامی موتور خواهد بود (مقایسه گشتاور خروجی در روش‌های مختلف راه‌اندازی در ادامه خواهد آمد). در نتیجه این روش برای کاربردهایی که به توان خروجی کمتری نیاز دارند مناسب است.

۲) راه اندازی کامل (Full Step Drive)

در روش راه اندازی کامل در هر لحظه دو تا از سیم‌پیچ‌ها فعالند، در نتیجه شیارهای روی روتور در هر پله دقیقا بین دو شیار مجاور روی استاتور قرار می‌گیرند. در این روش گشتاور خروجی دو برابر راه اندازی موجی می‌باشد.

این روش زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که به گشتاور چرخشی یا سکون بیشتری برای موتور موجود نیاز داشته باشیم. چرا که در این روش در هر لحظه دو تا از سیم‌پیچ‌ها روشن می‌باشند و در نتیچه شار بیشتری تولید شده و گشتاور خروجی افزایش می‌یابد.

۳) راه اندازی نیم پله (Half Step Drive)

در روش راه‌اندازی نیم‌پله می‌توان دقت موتور را به دو برابر افزایش داد، به عبارتی زاویه پله را به نصف کاهش داد. برای مثال با این روش می‌توان دقت یک موتور پله‌ای با زاویه پله 1.8 درجه را به 0.9 درجه افزایش داد. (۲۰۰ پله در دور را به ۴۰۰ پله در دور رساند) راه اندازی نیم پله در واقع از ترکیب دو روش قبل (راه‌اندازی موجی و کامل) حاصل می‌شود. در این روش به دلیل برابر نبودن گشتاور در پله‌های متوالی ممکن است موتور رفتار نامطلوبی از خود نشان دهد و فقط هنگامی که به دو برابر دقت نیاز داریم از این روش استفاده می‌کنیم.

۴) راه اندازی ریز پله (Micorstepping Drive)

در راه اندازی ریز پله، جریان سیم‌پیچ‌ها را تغییر می‌دهیم تا فاصله یک پله را به چندین پله کوچکتر تقسیم کنیم. می‌دانیم که اگر جریان را پس از تحریک سیم پیچ A، با حداکثر جریان i، از آن قطع کنیم و سیم پیچ B را تحریک نماییم، شفت موتور به اندازه یک پله جابه جا می‌شود. این همان روش راه‌اندازی موجی است که دقت را در حد یک پله استاندارد محدود می‌کند. در روش راه‌اندازی ریزپله، به جای اینکه جریان را یکباره از سیم پیچ A به B منتقل کنیم، این کار را به تدریج انجام می‌دهیم؛ بدین معنا که ابتدا بدون قطع جریان سیم پیچ A، جریان را در سیم پیچ B از صفر تا حداکثر مقدار ممکن افزایش می‌دهیم.

با افزایش جریان سیم پیچ B تا مقدار بیشینه، شقت موتور به تدریج نصف فاصله بین دو پله مجاور را طی می‌کند؛ به طوری که با تحریک شدن هر دو سیم‌پیچ مجاور با جریان مساوی (حداکثر جریان)، شفت دقیقا در نیم پله قرار می گیرد. سپس جریان را در سیم پیچ A تا مقدار صفر کاهش می‌دهیم، ولی این بار جریان در سیم پیچ B در همان مقدار بیشینه ثابت می‌ماند.

بدین ترتیب نیم‌پله بعدی نیز طی می‌شود و ما در نهایت یک پله کامل را به تعداد زیادی پله کوچکتر تقسیم کرده‌ایم. راه اندازی ریز پله باعث نرم شدن حرکت شفت موتور شده و یک حرکت یکنواخت را به وجود می‌آورد. به طور مثال اگر برای کنترل جریان سیم‌پیچ‌ها از یک موج PWM با دقت ۵ بیت استفاده کنیم می‌توانیم یک پله را به ۳۲ ریز پله تقسیم کنیم. در حالت حدی اگر جریان سیم‌پیچ‌ها سینوسی و کسینوسی باشند می‌توانیم حرکت موتور پله‌ای را همانند یک موتور DC یکنواخت و پیوسته کنیم.

نوشته «انواع روش های راه اندازی موتور پله ای (استپر)» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

مراحل انتخاب موتور استپر

۱- تعیین عضوهای مکانیزم: اولین گام در انتخاب موتور استپر تعیین اعضای مکانیزم می‌باشد. برای مثال می‌توان به ابعاد مکانیزم، فاصله و یا زمان جابه‌جایی اشاره کرد.

۲- محاسبه دقت مورد نیاز: در این‌گام بایستی تعیین کرد که موتور گیبرکس‌دار و یا بدون گیربکس را می توان مورد استفاده قرار داد.

۳- تعیین الگوی عملکرد: در این مرحله بایستی شتاب مورد نیاز برای مکانیزم را بر اساس نحوه‌ی حرکت مکانیزم تعیین کرد.

۴- محاسبه گشتاور مورد نیاز: در این مرجله بر اساس شتاب مکانیزم و گشتاور بار، گشتاور مورد نیاز برای موتور را تعیین می‌کنیم.

۵-  انتخاب موتور: با در نظر گرفتن گشتاور مورد نیاز و با استفاده از نمودار مشخصه سرعت-گشتاور، موتور را انتخاب کنید.

مراحل بالا به صورت کلی نحوه‌ی انتخاب موتور استپر را بیان می‌کند. برای محاسبه هر یک از مراحل بالا نیاز به فرمول‌ها و تعاربف مختلفی می‌باشد. برای آشنایی با این مراحل و فرمول‌های مورد نیاز برای هر یک به فایل پی دی اف پیوست شده مراجعه نمایید. در این فایل علاوه بر این فرمول‌ها، ۳ مثال عملی نیز بیان شده که کمک شایانی به شما در انتخاب درست موتور استپر خواهد کرد.

نوشته «فرآیند انتخاب موتور استپر» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.

در این مقاله قصد داریم با ویژگی‌های شاخص موتورهای استپر نسبت به دیگر موتورها آشنا شویم. همچنین ویژگی های موتور پنج فاز را بررسی می‌کنیم. همانطور که از قبل آشنا هستید موتورهای استپر با دریافت سیگنال یا پالس از یک منبع خارجی تحریک می‌شوند. بدین صورت که روتور توسط نیرویی الکترومغناطیس ایجاد شده در سیم‌پیچ‌های استاتور دروان می‌کند، که مقدار این دوران بسته به تعداد پالس می‌باشد.

ویژگی های شاخص استپر موتور

۱- توانایی کنترل دقیق موقعیت بصورت حلقه‌باز

• زاویه دوران بستگی به تعداد پالس‌های ورودی دارد.
• سرعت دوران بستگی به نرخ یا فرکانس پالس ورودی دارد.
• خطای زاویه (خطای موقعیت) بسیار کوچک بوده و جمع نمی‌شود.

۲- توانایی قفل کردن در موقعیت ایستایی با گشتاور نگه‌دارنده

• بیشترین گشتاور نگه‌دارنده زمانی رخ می‌دهد که سیم‌پیج‌های موتور فعال شوند.
• حتی زمانی که سیم‌پیچ‌ها فعال نباشند، مقداری گشتاور نگه دارنده (گشتاور ضامن) به‌علت حضور مغناطیس دائم وجود دارد.

۳- سرعت پاسخ گویی بالا در شروع، توقف یا معکوس کردن جهت حرکت موتور.

۴- عمر بسیار بالا.

شایستگی‌های استپر موتور پنج فاز

به طور کلی موتورهای استپر پنج‌فاز در مقایسه با موتورهای دوفاز دارای دقت، ارتعاش و عملکرد مناسب‌تری هستند.

۱-دقت بالا: این موتورها دارای گام ۰.۷۲ درجه در حالت راه‌اندازی کامل و ۰.۳۶ درجه در حالت نصف‌گام می‌باشند که دقت آن‌ها نسبت به موتورهای دوفاز ۲.۵ برابر می‌باشد.

۲- ارتعاش کم و چرخش نرم: از آنجایی که ریپل گشتاور در این موتورهای کم‌تر می‌باشند، موتور بسیار نرم‌تر دوران می‌کند.

۳-پاسخ سریع: عدم ناهمنگی ناشی از رزونانس در این موتورها در مقایسه با موتورهای دوفاز  در سرعت‌های پایین کمتر می‌باشد، که باعث شده سرعت پاسخ گویی این موتورها همانند دقتشان ۲.۵ برابر بهتر از موتورهای معمولی باشد.

————————————————————   معرفی شرکت ربات سازان—————————————————–

شرکت ربات سازان با برند تجاری H2M در زمینه تولید درایور موتورهای دی‌سی (جریان و ولتاژ پایین و بالا)، استپر دوفاز و پنج‌فاز از سال 1390 فعالیت می‌نماید. این شرکت با بهره‌گیری از تجهیزات و دستگاه‌های مدرن آزمایشگاهی در محیطی کاملا علمی زیرنظر کادری مجرب محصولات خود را تولید و در سطح داخلی و بین المللی توزیع می نماید. کیفیت مطلوب قطعات اولیه و کیفیت برتر محصولات تولیدی شرط اصلی بقاء و دوام این مجموعه می‌باشد. در همین راستا محصولات H2M از مرغوب‌ترین و بهترین قطعات الکترونیکی اولیه تهیه می‌شود. لذا مایه خرسندی است که با ارائه محصولات خود در زمره تولید کنندگان برتر باشیم.

——————————————————————————————————————————————————

نوشته «ویژگی های شاخص استپر موتور» برای اولین بار در «ربات سازان» پدیدار شده است.