موتور پله ای / Stepper Motor

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.