شکل۳: موتور پله ای هایبرید

موتور پله ای – Stepper Motor

اصلی ترین ویژگی  موتور  پله ای که  آن را  از  سایر موتور ها متمایز می کند، این است  که  می توان  شفت این گونه از موتور ها را با اعمال پالسهای مناسب  الکترونیک  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 موتور ها (Servo Motors)  و موتورهای DC که  عمکرد پیوسته ای در چرخش  محور موتور از خود نشان می دهند، 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 ویژه ای است.

مزایا و معایب موتورهای پله ای

مزایای موتور های پله ای بدین شرح می باشد:

1–  وابستگی مقدار چرخش شفت به پالسهای ورودی

2– – امکان ثابت نگاه داشتن محور در موتورهای پله ای، به شرط تحریک شدن سیم پیچ ها با جریان مناسب

3– مکان یابی دقیق

4–  پاسخ بسیار عالی به دستورهای حرکت، توقف و چرخش معکوس

5– عمر طولانی در این گونه موتورها، به دلیل فقدان جاروبک(Brusher)

6– امکان کنترل حلقه باز(Open Loop Control)

7–  دستیابی به سرعت های بسیار پایین

معایب عمده این گونه موتورها نیز عبارتند از:

1)  – در صورت کنترل نادرست ممکن است موتور به حالت تشدید در آید. در این حالت محور موتور به جای چرخش شروع به لرزیدن می کند.

2)   با موتور پله ای نمی توان به سرعت های بالا دست یافت.

انواع  موتور های پله ای

1- موتور پله ای با روتور مغناطیس شونده

2- موتور پله ای مغناطیس دائم

3- موتور پله ای هایبرید

موتورهای پله ای با روتور مغناطیس شونده

سالها ست که موتور های پله ای با روتور مغناطیس شونده مورد استفاده  قرار می گیرند. این نوع  موتورها  از نظر  ساختار  داخلی  ساده ترین ساختار را  در بین دو نوع  دیگر دارا می باشند. شکل  (1)  ساختمان داخلی  یک  موتور فرضی از این نوع را نشان می دهد. روتور در این گونه موتورها  ماده ای  مغناطیس شونده  مانند  فولاد است. زمانی که یکی از سیم پیچ های استاتور  با جریان DC مناسب تحریک شود،دندانه های موجود بر روی روتور، به سمت قطب الکترومغناطیسی ایجاد شده جهت گیری می کنند و موجب چرخش محور موتور می گردند.

شکل۱ : ساختمان داخلی موتور پله ای با روتور مغناطیس شونده

شکل۱ : ساختمان داخلی موتور پله ای با روتور مغناطیس شونده

موتورهای پله ای مغناطیس دائم

موتورهای مغناطیس دائم ، از ارزانترین و در عین حال کم دقت ترین نوع موتورهای پله ای – با زاویه ی پله (Step Angle)  بین 7/5 تا 15 درجه(24 تا 48 پله در دور)  می باشند. بر خلاف نوع اول روتور در این گونه موتورها دارای دندانه نیست و مطابق شکل (2) به طور متناوب از قطب های  N  و  S تشکیل شده  است . این  قطب ها  به  طور موازی  با محور  قرار گرفته اند. با  توجه  به اینکه روتور یک  آهنربای  دائمی (Permanent Magnet)  است ، شار مغناطیسی  به  وجود آمده در هنگام عبور  جریان از  سیم پیچ  افزایش می یابد . در نتیجه این گونه موتور ها 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.

شکل۲: موتور پله ای مغناطیس دائم

شکل۲: موتور پله ای مغناطیس دائم

موتور های پله ای هایبرید

موتور های پله ای هایبرید 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 می دهند؛ به طوری که زاویه ی پله در این گونه موتورها می تواند بین 0.9 تا 3.6 درجه(100 تا 400 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 ماده ی مغناطیس دائم است  و  البته دیگر  با  محور چرخش موازی نیست. همان طور که در شکل(3) 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 محل های نوک تیز ، مکان یابی دقیق را امکان پذیز  میکند و دیگر اینکه وجود این دندانه ها ، گشتاور به وجود آمده را به همان دلیل تمرکز شار مغناطیسی، افزایش می دهد.

شکل۳: موتور پله ای هایبرید

شکل۳: موتور پله ای هایبرید

پله و زاویه پله

کوچکترین  چرخش  قابل کنترل در محور موتور پله ای را پله می گوییم. این گونه موتورها بسته به نوع کاربرد با دقت های متفاوتی ساخته می شوند. دقت  موتور با زاویه پله  مشخص می گردد. زاویه پله زاویه ای است که به ازای حرکت محور موتور به اندازه یک پله طی می شود؛ پس می توان گفت موتوری که دارای زاویه پله کوچکتر است، دقیقتر می باشد.

موتورهای پله ای تک قطبی و دو قطبی

در تقسیم بندی دیگری می توان موتورهای پله ای 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 سیم پیچ ها همیشه در یک جهت است ولی در موتورهای دو قطبی باید به طور مداوم جهت جریان در سیم پیچ ها عوض شود و همین امر راه اندازی این گونه موتورها را کمی دشوارتر می کند.

موتور های پله ای 4 ،5، 6  و یا 8 سیمه هستند.  موتورهای 4  سیمه را  تنها  می توان  به صورت دوقطبی(Bipolar)  راه اندازی کرد  ولی موتورهای 5، 6 و یا 8 سیمه  به  هر دو روش قابل  راه اندازی هستند. قبل  از راه اندازی هر  نوع  موتور پله ای 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

شکل ۴: موتور پله ای ۸ سیمه

در موتورهای پله ای 8 سیمه (شکل 4) که انعطاف پذیر ترین شکل سیم پیچی را  دارند دو  سر  هر چهار  سیم پیچ در دسترس می باشد.  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 10 تا 200 اهم می توان 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.

شکل۵: نحوه اتصالات و تشخیص سر مشترک در موتور پله ای ۶ سیمه

شکل۵: نحوه اتصالات و تشخیص سر مشترک در موتور پله ای ۶ سیمه

در موتور های پله ای 6 سیمه سیم پیچ ها دو به دو با هم سری شده اند و سر وسط آن ها در دسترس می باشد. برای تشخیص نحوه اتصالات در موتورهای پله ای 6 سیمه نیز به طریق مشابه می توان 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 پیچ ها ی سری شده نصف مقدار مقاومت بین دو سر دو سیم پیچ سری شده با هم می باشد. (شکل5)

شکل۶: اتصالات موتور پله ای ۵ سیمه

شکل۶: اتصالات موتور پله ای ۵ سیمه

در موتور های پله ای 5 سیمه سرهای مشترک  به هم وصل شده و به عنوان سیم  پنجم از موتور بیرون کشیده شده است. (شکل6) در این حالت به طور مشابه می توان 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 می باشد.

شکل ۷: موتور دوقطبی

شکل ۷: موتور دوقطبی

همان طور که گفته شد موتورهای پله ای چهار سیمه تنها به روش  دو  قطبی راه اندازی  می شوند.  (شکل7)  نحوه اتصالات یک موتور دو قطبی و روش تشخیص سیم پیچ ها را نشان می دهد.

شکل۸: انواع مختلف اتصالات در موتورهای پله ای به صورت تک قطبی و یا دو قطبی

شکل۸: انواع مختلف اتصالات در موتورهای پله ای به صورت تک قطبی و یا دو قطبی

در (شکل8) انواع روش ها و اتصالات رو نشان آورده شده است.

راه اندازی موتورهای 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  پالسهای زمان بندی شده و دقیقی را به سیم پیچ های موتور اعمال کنیم. در نهایت پش از زنجیره ای از پالس ها محور در محل مورد نظر قرار می گیرد.

راه اندازی موتور های 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 گذاشته اند.(جدول-1) چگونگی راه اندازی موتورهای دوقطبی را با اعمال ولتاژ و جریان به سیم پیچ های آن نشان می دهد.

جدول 1: راه اندازی موتور دو قطبی

جدول 1: راه اندازی موتور دو قطبی

4Lead_Stepper_Motor_Coils[RobotMakers.ir]

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-1)  تنها 4 پله ی اصلی نشان داده شده است و برای گذراندن پله های  بیشتر باید چرخه  بالا تکرار شود. همچنین برای چرخش در جهت مخالف باید پله ها را از پایین به بالا اعمال کنیم.

مدارهای راه اندازی این گونه موتورها نیز نسبت به موتورهای تک قطبی کمی پیچیده ترند؛ چرا که جهت جریان در سیم پیچ ها پیوسته تغییر می کند. مدار زیر شماتیک ساده ای از یک راه انداز موتور پله ای دو قطبی را نشان می دهد.

شکل۹: مدار راه انداز موتور پله ای دو قطبی

شکل۹: مدار راه انداز موتور پله ای دو قطبی

راه اندازی موتورهای 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 می کند و نیازی به تغییر جهت آن نیست. مدار  زیر شماتیک ساده ای  برای راه اندازی  موتور  تک قطبی با  استفاده از چهار ترانزیستور ماسفت را نشان می دهد.

شکل۱۰ : مدار راه انداز موتور پله ای تک قطبی

شکل۱۰ : مدار راه انداز موتور پله ای تک قطبی

همان طور که در  (شکل-10)  ملاحظه می کنید  هر یک از سیم پیچ ها  توسط یک ماسفت کنترل می شود. انتخاب ترانزیستورها به جریان اسمی هر سیم پیچ بستگی دارد.

دیود هرزگرد در صحت عملکرد مدار نقش تعیین کننده ای دارد. به دلیل وجود خاصیت سلفی در سیم پیچ ها، جریان عبوری از سیم پیچ را نمی توان به صورت لحظه ای صفر کرد؛ در نتیجه در صورت فقدان دیود هرزگرد نمی توان ترانزیستورها را در زمان مقرر به حالت قطع برد و حتی ممکن است ترانزیستور آسیت ببیند.

برای راه اندازی موتورهای پله ای تک قطبی 4 شیوه مختلف وجود دارند که عبارتند از:

1- راه اندازی موجی(Wave Drive)

2- راه اندازی کامل(Full Step Drive)

3- راه اندازی نیم پله(Half Step Drive)

4- راه اندازی ریز پله(Microstepping Drive)

برای راه اندازی موتورهای پله ای به روش تک قطبی باید سیم های مشترک را به زمین یا تغذیه وصل کنیم.

1) راه اندازی موجی(Wave Drive)

راه  اندازی موجی ساده ترین  روش راه اندازی  موتورهای  پله ای تک قطبی  می باشد. در این  روش در هر  لحظه  تنها  یکی  از سیم پیچ ها تحریک می شوند. یعنی در هر لحظه تنها یک سیم پیچ روشن است و بقیه خاموش می باشند. جدول(2) چگونگی اعمال  پالسهای زمان بندی شده را برای راه اندازی موتور پله ای به این روش نشان می دهد.

جدول2: راه اندازی موتور پله ای تک قطبی به روش موجی
Step A B C D
1 1 0 0 0
2 0 1 0 0
3 0 0 1 0
4 0 0 0 1

در این روش نیز برای طی کردن پله های بیشتر باید چرخه بالا را تکرار کنیم و برای حرکت در جهت مخالف باید ترتیب پله ها 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 سیم پیچ ها روشن است گشتاور(Torque)

خروجی نصف گشتاور نامی موتور خواهد بود.(مقایسه گشتاور خروجی در روشهای مختلف راه اندازی در ادامه خواهدآمد) در نتیجه این روش برای کاربردهایی که به توان خروجی کمتری نیاز دارند مناسب است.

 

2) راه اندازی کامل(Full Step Drive)

در روش راه اندازی کامل در هر لحظه دو تا از سیم پیچ ها فعالند، در نتیجه شیارها ی روی روتور در هر پله دقیقا بین دو شیار مجاور روی استاتور قرار می گیرند. در این روش گشتاور خروجی دو برابر راه اندازی موجی می باشد.

جدول3: راه اندازی موتور پله ای تک قطبی به روش راه اندازی کامل
Step A B C D
1 1 1 0 0
2 0 1 1 0
3 0 0 1 1
4 1 0 0 1

این روش زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که به گشتاور چرخشی یا سکون بیشتری برای موتور موجود نیاز داشته باشیم. چرا که در این روش در هر لحظه دو تا از سیم پیچ ها روشن می باشند و در نتیچه شار بیشتری تولید شده و گشتاور خروجی افزایش می یابد.

3) راه اندازی نیم پله(Half Step Drive)

در روش راه اندازی نیم پله می توان دقت موتور را به دو برابر افزایش داد، به عبارتی زاویه پله را به نصف کاهش داد. برای مثال با این روش می توان دقت یک موتور پله ای با زاویه پله 1.8 درجه را به 0.9 درجه افزایش داد. (200 پله در دور را به 400 پله در دور رساند)  راه  اندازی  نیم پله در واقع  از  ترکیب  دو  روش قبل(راه اندازی موجی و کامل) حاصل می شود.   در این روش به دلیل برابر نبودن گشتاور در پله های متوالی ممکن است موتور رفتار نامطلوبی از خود نشان دهد و فقط هنگامی که به دو برابر دقت نیاز داریم از این روش استفاده می کنیم.

جدول3: راه اندازی موتور پله ای تک قطبی به روش راه اندازی کامل
Step A B C D
1 1 0 0 0
2 1 1 0 0
3 0 1 0 0
4 0 1 1 0
5 0 0 1 0
6 0 0 1 1
7 0 0 0 1
8 1 0 0 0

 

4) راه اندازی ریز پله(Micorstepping Drive)

در راه اندازی ریز پله، جریان سیم پیچ ها را تغییر می دهیم تا فاصله یک پله را به چندین پله کوچکتر تقسیم کنیم. می دانیم 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 می شود. این همان روش راه اندازی  موجی است که دقت را در حد  یک پله استاندارد  محدود می کند. در روش راه اندازی ریز پله، به جای اینکه جریان  را یکباره  از سیم پیچA   بهB منتقل کنیم ، این کار را به تدریج انجام می دهیم؛ بدین معنا که ابتدا بدون قطع جریان سیم پیچ A  ، جریان را در سیم پیچ B  از  صفر تا حداکثر  مقدار  ممکن افزایش می دهیم. با  افزایش  جریان  سیم پیچB   تا مقدار بیشینه، شقت موتور به تدریج نصف فاصله بین دو پله مجاور را طی می کند؛  به طوری که با  تحریک شدن  هر دو سیم پیچ 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 می دهیم،  ولی  این بار جریان در سیم پیچ B  در همان  مقدار  بیشینه  ثابت می ماند. بدین ترتیب  نیم پله  بعدی  نیز طی می شود و ما در نهایت یک پله کامل را به تعداد زیادی پله کوچکتر تقسیم کرده ایم.راه اندازی ریز پله باعث نرم شدن حرکت شفت موتور شده و یک حرکت یکنواخت را به وجود می آورد. به طور مثال اگر برای کنترل جریان سیم پیچ ها از یک موج PWM  با دقت 5 بیت استفاده کنیم می توانیم یک پله را به 32 ریز پله تقسیم کنیم. در حالت حدی اگر  جریان سیم پیچ ها  سینوسی و کسینوسی  باشند  می توانیم حرکت  موتور پله ای را همانند یک موتور DC    یکنواخت و پیوسته کنیم.