logo-site-sefid
Search
Close this search box.

تعريف Stepper موتور

قبل از خواندن مقاله استپر موتور بهتر است در نظر داشته باشید مقالاتی که با عنوان ماژول در سایت قرار گرفته اند از مقالات پایه و مقدماتی میباشند که برای مطالعه و یا پژوهش های دانش آموزان و دانشجویان به عنوان قدم اول در نظر گرفته شده اند.

61Q8kZ ERZL

موتور پله ای نوعی موتور الکتریکی است که پالس های الکتریکی را به حرکات مکانیکی دقیق تبدیل می کند. این برای حرکت در مراحل یا افزایش مجزا طراحی شده است که امکان موقعیت یابی و کنترل دقیق را فراهم می کند. موتورهای پله ای از یک روتور با آهنرباهای دائمی و یک استاتور با آهنربای الکتریکی تشکیل شده اند. با انرژی دادن به آهنرباهای الکتریکی در یک توالی خاص، روتور به صورت تدریجی می چرخد و در نتیجه حرکت کنترل شده ای ایجاد می شود. موتورهای پله‌ای معمولاً در کاربردهای مختلفی مانند روباتیک، ماشین‌های CNC، چاپگرهای سه بعدی و سیستم‌های اتوماسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن مکان‌یابی و کنترل دقیق مورد نیاز است.

موتور پله ای که به عنوان موتور پله یا استپ موتور نیز شناخته می شود، یک موتور الکتریکی DC بدون جاروبک است که چرخش کامل را به تعدادی مرحله مساوی تقسیم می کند. موقعیت موتور را می توان در یکی از این مراحل بدون هیچ حسگر موقعیتی برای بازخورد (یک کنترل کننده حلقه باز) حرکت و نگه داشت، تا زمانی که موتور از نظر گشتاور و سرعت به درستی با کاربرد اندازه گیری شده باشد.

انیمیشن یک موتور پله‌ای ساده‌شده روشن شده و نزدیک‌ترین دندانه‌های روتور آهنی چرخ دنده‌ای را جذب می‌کند. با تراز شدن دندانه ها با آهنربای الکترومغناطیس 1، آنها کمی از آهنربای الکتریکی سمت راست منحرف می شوند.قاب 2: الکترومغناطیس بالایی خاموش می شود و آهنربای الکتریکی سمت راست انرژی می گیرد و دندان ها را به هم تراز با خود می کشد. در این مثال یک چرخش 3.6 درجه ایجاد می شود.قاب 3: آهنربای الکتریکی پایین انرژی دارد. چرخش 3.6 درجه دیگری رخ می دهد.قاب 4: مغناطیس الکترومغناطیس سمت چپ انرژی می گیرد و دوباره 3.6 درجه می چرخد. هنگامی که آهنربای الکتریکی بالا دوباره فعال شود، روتور به اندازه یک دندان می چرخد. از آنجایی که 25 دندان وجود دارد، در این مثال 100 مرحله طول می کشد تا چرخش کامل انجام شود.

موتورهای رلوکتانس سوئیچ، موتورهای پله ای بسیار بزرگی هستند که تعداد قطب های آن کاهش یافته است و عموماً دارای کموتاسیون حلقه بسته هستند.

سازوكار

یک موتور پله ای

یک موتور پله ای هیبریدی دوقطبی

هنگامی که ولتاژ DC به پایانه های آنها اعمال می شود، موتورهای DC براش به طور مداوم می چرخند. موتور پله ای به دلیل خاصیت تبدیل یک قطار پالس ورودی (معمولاً امواج مربعی) به یک افزایش دقیق در موقعیت چرخشی شفت شناخته شده است. هر پالس شفت را از طریق یک زاویه ثابت می چرخاند.

موتورهای پله ای به طور موثر دارای آهنرباهای الکترومغناطیس دندانه دار متعددی هستند که به عنوان یک استاتور در اطراف یک روتور مرکزی، یک قطعه آهنی چرخ دنده ای قرار گرفته اند. الکترومغناطیس ها توسط یک مدار درایور خارجی یا یک میکرو کنترلر انرژی می گیرند. برای چرخاندن شفت موتور، ابتدا به یک آهنربای الکتریکی نیرو داده می شود که به صورت مغناطیسی دندانه های دنده را جذب می کند. هنگامی که دندانه‌های چرخ دنده با آهن‌ربای الکترومغناطیس اول در یک راستا قرار می‌گیرند، کمی نسبت به آهنربای الکتریکی بعدی فاصله دارند. این بدان معنی است که وقتی آهنربای الکتریکی بعدی روشن می شود و اولینی خاموش می شود، چرخ دنده کمی می چرخد تا با چرخ دنده بعدی هماهنگ شود. از آنجا این روند تکرار می شود. هر یک از چرخش های جزئی یک “گام” نامیده می شود، با تعداد صحیح مراحل یک چرخش کامل را انجام می دهد. به این ترتیب، موتور را می توان با یک زاویه دقیق چرخاند.آرایش دایره‌ای الکترومغناطیس‌ها به گروه‌هایی تقسیم می‌شود که به هر گروه یک فاز می‌گویند و در هر گروه به تعداد مساوی الکترومغناطیس وجود دارد. تعداد گروه ها توسط طراح استپر موتور انتخاب می شود. الکترومغناطیس های هر گروه با الکترومغناطیس های گروه های دیگر در هم می آمیزند تا یک الگوی آرایش یکنواخت را تشکیل دهند. به عنوان مثال، اگر موتور پله‌ای دارای دو گروه A یا B و در مجموع ده آهنربای الکتریکی باشد، الگوی گروه‌بندی ABABABABAB خواهد بود.الکترومغناطیس های درون یک گروه همگی با هم انرژی می گیرند. به همین دلیل، موتورهای پله ای با فازهای بیشتر معمولاً سیم (یا سرب) بیشتری برای کنترل موتور دارند.

انواع

سه نوع اصلی از موتورهای پله ای وجود دارد:

استپر آهنربای دائمی

استپر بی میلی متغیر

استپر همزمان هیبریدی

موتورهای آهنربای دائمی از آهنربای دائمی (PM) در روتور استفاده می کنند و بر روی جاذبه یا دافعه بین آهنربای روتور و آهنرباهای الکتریکی استاتور عمل می کنند.

پالس ها روتور را در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت در مراحل گسسته حرکت می دهند. اگر در مرحله آخر به برق رها شود، یک ضربه محکم در آن محل شفت باقی می ماند. این مهار دارای نرخ فنر قابل پیش بینی و حد گشتاور مشخص است. در صورت تجاوز از حد مجاز، لغزش رخ می دهد. اگر جریان حذف شود، فشار کمتری همچنان باقی می ماند و موقعیت شافت را در برابر فنر یا سایر تأثیرات گشتاور حفظ می کند. سپس می توان در حالی که به طور قابل اعتماد با الکترونیک کنترل همگام می شود، پله را از سر گرفت.

موتورهای رلوکتانس متغیر (VR) یک روتور آهنی ساده دارند و بر اساس این اصل کار می کنند که حداقل رلوکتانس با حداقل شکاف رخ می دهد، از این رو نقاط روتور به سمت قطب های آهنربای استاتور جذب می شوند. در حالی که ترکیبی سنکرون ترکیبی از انواع آهنربای دائمی و رلوکتانس متغیر برای به حداکثر رساندن توان در اندازه کوچک است.

موتورهای رلوکتانس متغیر هنگام روشن شدن دارای گیره هستند، اما در هنگام خاموش شدن نه.

موتورهای پله ای دو فاز

دو آرایش سیم پیچ اصلی برای سیم پیچ های الکترومغناطیسی در یک موتور پله ای دو فاز وجود دارد: دو قطبی و تک قطبی.

موتورهای تک قطبی

کویل های استپر موتور تک قطبی

یک استپر موتور تک قطبی دارای یک سیم پیچ با شیر مرکزی در هر فاز است. هر بخش سیم پیچ برای هر جهت میدان مغناطیسی روشن می شود. از آنجایی که در این آرایش می توان یک قطب مغناطیسی را بدون تغییر قطبیت سیم مشترک معکوس کرد، مدار کموتاسیون می تواند به سادگی یک ترانزیستور سوئیچینگ برای هر نیمه سیم پیچ باشد. به طور معمول، با توجه به یک فاز، شیر مرکزی هر سیم پیچ مشترک است: سه سیم در هر فاز و شش لید برای یک موتور دو فاز معمولی. اغلب، این دو فاز مشترک به صورت داخلی به هم متصل می شوند، بنابراین موتور فقط پنج سرب دارد.

می توان از یک میکروکنترلر یا کنترل کننده موتور پله ای برای فعال کردن ترانزیستورهای درایو به ترتیب مناسب استفاده کرد و این سهولت کار باعث محبوبیت موتورهای تک قطبی در بین علاقمندان می شود. آنها احتمالا ارزان ترین راه برای دستیابی به حرکات زاویه ای دقیق هستند. برای آزمایش‌کننده، سیم‌پیچ‌ها را می‌توان با لمس سیم‌های ترمینال در موتورهای PM شناسایی کرد. اگر پایانه های یک سیم پیچ وصل شوند، چرخش شفت سخت تر می شود. یکی از راه‌های تشخیص شیر وسط (سیم مشترک) از سیم انتهایی سیم پیچ، اندازه‌گیری مقاومت است. مقاومت بین سیم مشترک و سیم انتهای سیم پیچ همیشه نیمی از مقاومت بین سیم های انتهای سیم پیچ است. این به این دلیل است که دوبرابر طول سیم پیچ بین انتها و فقط نیمی از مرکز (سیم مشترک) تا انتها وجود دارد. یک راه سریع برای تعیین اینکه آیا استپر موتور کار می کند یا نه این است که هر دو جفت اتصال کوتاه کنید و شفت را بچرخانید. هر زمان که مقاومتی بالاتر از حد معمول احساس شود، نشان می دهد که مدار سیم پیچ خاص بسته است و فاز کار می کند.

موتورهای پله ای مانند این اغلب با مکانیزم دنده کاهش برای افزایش گشتاور خروجی همراه هستند. موردی که در اینجا نشان داده شده است در یک اسکنر تخت استفاده شده است.

28BYJ-48، همراه با راننده ULN2003، یکی از محبوب ترین موتورهای پله ای در بین علاقه مندان است.

موتورهای دوقطبی

یک موتور پله ای دوقطبی که در درایوهای DVD برای جابجایی مجموعه لیزر استفاده می شود.

موتورهای دوقطبی دارای یک جفت اتصال سیم پیچی در هر فاز هستند. جریان در یک سیم‌پیچ برای معکوس کردن یک قطب مغناطیسی باید معکوس شود، بنابراین مدار محرک باید پیچیده‌تر باشد، معمولاً با آرایش پل H (البته چندین تراشه درایور خارج از قفسه وجود دارد که این کار را انجام می‌دهد. یک امر ساده). دو لید در هر فاز وجود دارد که هیچ کدام رایج نیست.

یک الگوی رانندگی معمولی برای یک موتور پله ای دوقطبی دو سیم پیچ می تواند این باشد: A+ B+ A-B-. یعنی درایو سیم پیچ A با جریان مثبت، سپس جریان را از سیم پیچ A حذف کنید. سپس سیم پیچ B را با جریان مثبت درایو کنید، سپس جریان را از سیم پیچ B بردارید. سپس سیم پیچ A را با جریان منفی درایو کنید (تغییر قطبیت با تعویض سیم ها به عنوان مثال با یک پل H)، سپس جریان را از سیم پیچ A حذف کنید. سپس سیم پیچ B را با جریان منفی درایو کنید (دوباره قطبیت آن مانند سیم پیچ A است). چرخه کامل شده و از نو شروع می شود.

اثرات اصطکاک ایستا با استفاده از پل H با توپولوژی های محرک خاصی مشاهده شده است.

دیتر کردن سیگنال پله در فرکانس بالاتری نسبت به آن که موتور بتواند به آن پاسخ دهد، این اثر “اصطکاک استاتیک” را کاهش می دهد.

یک موتور پله ای دوقطبی با مکانیزم کاهش دنده که در یک اسکنر تخت استفاده می شود.

از آنجایی که سیم‌پیچ‌ها بهتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، از یک موتور تک قطبی هم وزن قوی‌تر هستند. این به دلیل فضای فیزیکی است که توسط سیم پیچ ها اشغال شده است. یک موتور تک قطبی دو برابر مقدار سیم در یک فضا دارد، اما فقط نیمی از آن در هر نقطه از زمان استفاده می شود، بنابراین 50٪ کارآمد است (یا تقریباً 70٪ گشتاور خروجی موجود). اگرچه راه اندازی یک موتور پله ای دوقطبی پیچیده تر است، اما فراوانی تراشه های درایور به این معنی است که دستیابی به آن بسیار دشوارتر است.

استپر 8 لید مانند استپر تک قطبی است، اما لیدها در داخل به موتور متصل نیستند. این نوع موتور را می توان در چندین پیکربندی سیم کشی کرد:

تک قطبی.

دوقطبی با سیم پیچ های سری. این اندوکتانس بالاتر اما جریان کمتری در هر سیم پیچ می دهد.دوقطبی با سیم پیچی موازی. این نیاز به جریان بالاتری دارد اما با کاهش اندوکتانس سیم‌پیچ می‌تواند عملکرد بهتری داشته باشد.دوقطبی با یک سیم پیچ در هر فاز. این روش موتور را تنها بر روی نیمی از سیم پیچ های موجود راه اندازی می کند که باعث کاهش گشتاور کم سرعت موجود می شود اما به جریان کمتری نیاز دارد.

موتورهای پله ای با تعداد فاز بالاتر

موتورهای پله ای چندفاز با فازهای متعدد، سطح ارتعاش بسیار کمتری دارند. در حالی که آنها گران تر هستند، چگالی توان بالاتری دارند و با درایو الکترونیکی مناسب اغلب برای کاربرد مناسب تر هستند.

مدارهای درایور

موتور پله ای با مدار محرک Adafruit Motor Shield برای استفاده با آردوینو

عملکرد موتور پله ای به شدت به مدار راننده بستگی دارد. منحنی‌های گشتاور ممکن است تا سرعت‌های بیشتری گسترش یابند اگر قطب‌های استاتور سریع‌تر معکوس شوند، عامل محدودکننده ترکیبی از اندوکتانس سیم‌پیچ است. برای غلبه بر اندوکتانس و تعویض سریع سیم پیچ ها، باید ولتاژ درایو را افزایش داد. این امر منجر به لزوم محدود کردن جریانی می شود که این ولتاژهای بالا ممکن است در غیر این صورت القا کنند.

یک محدودیت اضافی که اغلب قابل مقایسه با اثرات اندوکتانس است، EMF پشتی موتور است. با چرخش روتور موتور، یک ولتاژ سینوسی متناسب با سرعت (نرخ گام) تولید می شود. این ولتاژ AC از شکل موج ولتاژ موجود برای ایجاد تغییر در جریان کم می شود.

مدارهای درایور L/R

مدارهای راه انداز L/R همچنین به عنوان درایوهای ولتاژ ثابت نامیده می شوند زیرا یک ولتاژ مثبت یا منفی ثابت به هر سیم پیچ برای تنظیم موقعیت های پله اعمال می شود. با این حال، این جریان سیم پیچ است، نه ولتاژ که گشتاور را به محور استپر موتور اعمال می کند. جریان I در هر سیم پیچ به ولتاژ اعمال شده V توسط اندوکتانس سیم پیچ L و مقاومت سیم پیچ R مربوط می شود. مقاومت R حداکثر جریان را طبق قانون اهم I=V/R تعیین می کند. اندوکتانس L حداکثر نرخ تغییر جریان در سیم پیچ را طبق فرمول یک سلف dI/dt = V/L تعیین می کند. جریان حاصل برای یک پالس ولتاژ یک جریان به سرعت در حال افزایش به عنوان تابعی از اندوکتانس است. این مقدار به مقدار V/R می رسد و برای باقی مانده پالس باقی می ماند. بنابراین هنگامی که توسط یک درایو ولتاژ ثابت کنترل می‌شود، حداکثر سرعت یک موتور پله‌ای با اندوکتانس آن محدود می‌شود، زیرا در برخی از سرعت‌ها، ولتاژ U سریع‌تر از جریانی که می‌توانم نگه دارم تغییر می‌کند. به عبارت ساده، نرخ تغییر جریان L/R است (مثلاً یک اندوکتانس 10 میلی‌اچ با مقاومت 2 اهم، 5 میلی‌ثانیه طول می‌کشد تا به حدود 2/3 حداکثر گشتاور برسد یا حدود 24 میلی‌ثانیه برای رسیدن به 99 درصد حداکثر گشتاور). برای به دست آوردن گشتاور بالا در سرعت های بالا نیاز به یک ولتاژ درایو بزرگ با مقاومت کم و اندوکتانس کم است.

با درایو L/R می توان یک موتور مقاومتی ولتاژ پایین با درایو ولتاژ بالاتر را به سادگی با افزودن یک مقاومت خارجی به صورت سری در هر سیم پیچ کنترل کرد. این باعث هدر رفتن توان در مقاومت ها و تولید گرما می شود. بنابراین گزینه ای کم کارکرد، هرچند ساده و ارزان در نظر گرفته می شود.

درایورهای مد ولتاژ مدرن با تقریب شکل موج ولتاژ سینوسی به فازهای موتور بر برخی از این محدودیت ها غلبه می کنند. دامنه شکل موج ولتاژ طوری تنظیم می شود که با نرخ گام افزایش یابد. اگر به درستی تنظیم شود، این امر اثرات اندوکتانس و EMF پشتی را جبران می‌کند و عملکرد مناسبی را نسبت به درایورهای حالت فعلی ممکن می‌سازد، اما به قیمت تلاش طراحی (روش‌های تنظیم) که برای درایورهای حالت فعلی ساده‌تر هستند.

مدارهای درایو چاپر

مدارهای درایو چاپر به عنوان درایوهای جریان کنترل شده شناخته می شوند زیرا به جای اعمال ولتاژ ثابت، جریان کنترل شده ای را در هر سیم پیچ تولید می کنند. مدارهای درایو چاپر اغلب با موتورهای دوقطبی دو سیم پیچ استفاده می شوند، دو سیم پیچ به طور مستقل به حرکت در می آیند تا یک گشتاور موتور خاص CW یا CCW را فراهم کنند. در هر سیم پیچ، یک ولتاژ “تامین” به سیم پیچ به عنوان ولتاژ موج مربع اعمال می شود. مثال 8 کیلوهرتز اندوکتانس سیم پیچ جریانی را که به یک سطح مطابق با چرخه وظیفه موج مربعی می رسد صاف می کند. اغلب ولتاژهای تغذیه دوقطبی (+ و -) نسبت به برگشت سیم پیچ به کنترل کننده عرضه می شود. بنابراین 50٪ چرخه کاری منجر به جریان صفر می شود. 0% منجر به جریان V/R کامل در یک جهت می شود. 100% منجر به جریان کامل در جهت مخالف می شود. این سطح جریان توسط کنترلر با اندازه گیری ولتاژ در یک مقاومت حسی کوچک به صورت سری با سیم پیچ کنترل می شود. این به الکترونیک اضافی نیاز دارد تا جریان های سیم پیچ را حس کند و سوئیچینگ را کنترل کند، اما به موتورهای پله ای اجازه می دهد تا با گشتاور بالاتر در سرعت های بالاتر نسبت به درایوهای L/R حرکت کنند. همچنین به کنترلر اجازه می دهد تا سطوح جریان از پیش تعیین شده را به جای ثابت خروجی دهد. الکترونیک یکپارچه برای این منظور به طور گسترده در دسترس است.

شکل موج های جریان فاز

حالت های مختلف درایو که جریان سیم پیچ را در یک موتور پله ای تک قطبی 4 فاز نشان می دهد.

رزونانس در هر قسمتی که موتور ممکن است به آن وصل شود و همچنین خود موتور. وضوح توسط چسبندگی مکانیکی، واکنش برگشتی و سایر منابع خطا بین موتور و دستگاه انتهایی محدود خواهد شد. ممکن است از کاهنده دنده برای افزایش وضوح موقعیت استفاده شود.

کاهش اندازه استپ یک ویژگی مهم استپ موتور و یک دلیل اساسی برای استفاده از آنها در موقعیت یابی است.

به عنوان مثال: بسیاری از موتورهای پله هیبریدی مدرن به گونه ای رتبه بندی می شوند که سفر هر پله کامل (مثال 1.8 درجه در هر گام کامل یا 200 گام کامل در هر دور) در 3٪ یا 5٪ از سفر هر پله کامل دیگر، به مدت طولانی خواهد بود. زیرا موتور در محدوده های کاری مشخص شده خود کار می کند. چندین تولیدکننده نشان می‌دهند که موتورهایشان به راحتی می‌توانند برابری 3 یا 5 درصدی اندازه حرکت پله را حفظ کنند زیرا اندازه پله از پایین آمدن کامل به 1/10 پله کاهش می‌یابد. سپس، با افزایش عدد مقسوم‌کننده ریز پله‌ای، تکرارپذیری اندازه گام کاهش می‌یابد. در کاهش اندازه گام های بزرگ، ممکن است قبل از اینکه حرکتی اتفاق بیفتد، بسیاری از دستورات میکرواستپ صادر شود و سپس حرکت می تواند یک “پرش” به یک موقعیت جدید باشد. برخی از آی سی های کنترل کننده پله ای از جریان افزایش یافته برای به حداقل رساندن چنین مراحل از دست رفته استفاده می کنند، به خصوص زمانی که پالس های اوج جریان در یک فاز در غیر این صورت بسیار کوتاه هستند.

تئوري

یک موتور پله ای را می توان به عنوان یک موتور AC سنکرون با افزایش تعداد قطب ها (روتور و استاتور) مشاهده کرد و مراقب بود که آنها مخرج مشترکی نداشته باشند. علاوه بر این، مواد مغناطیسی نرم با دندانه‌های زیاد روی روتور و استاتور تعداد قطب‌ها را چند برابر می‌کند (موتور رلوکتانس). استپرهای مدرن از طراحی هیبریدی برخوردارند و دارای آهنرباهای دائمی و هسته های آهنی نرم هستند.

برای دستیابی به گشتاور نامی کامل، سیم پیچ ها در یک استپر موتور باید در طول هر مرحله به جریان نامی کامل خود برسند. اندوکتانس سیم پیچ و ضد EMF تولید شده توسط روتور متحرک تمایل به مقاومت در برابر تغییرات در جریان درایو دارند، به طوری که با افزایش سرعت موتور، زمان کمتر و کمتری در جریان کامل صرف می شود و در نتیجه گشتاور موتور کاهش می یابد. با افزایش بیشتر سرعت، جریان به مقدار نامی نمی رسد و در نهایت موتور تولید گشتاور را متوقف می کند.

گشتاور کششی

این اندازه گیری گشتاور تولید شده توسط یک موتور پله ای است که بدون حالت شتاب کار می کند. در سرعت‌های پایین، موتور پله‌ای می‌تواند خود را با فرکانس پله اعمال شده هماهنگ کند و این گشتاور کششی باید بر اصطکاک و اینرسی غلبه کند. مهم است که مطمئن شوید که بار روی موتور به جای اینرسی اصطکاکی است زیرا اصطکاک هرگونه نوسانات ناخواسته را کاهش می دهد.

منحنی pull-in ناحیه ای به نام منطقه شروع/توقف را تعریف می کند. در این منطقه، موتور را می توان به صورت آنی با بار اعمال شده و بدون از دست دادن سنکرونیسم راه اندازی یا متوقف کرد.

گشتاور خروجی

گشتاور خروجی موتور پله ای با شتاب دادن به موتور تا سرعت مورد نظر و سپس افزایش بارگذاری گشتاور تا زمانی که موتور متوقف شود یا مراحل را از دست بدهد، اندازه گیری می شود. این اندازه‌گیری در طیف وسیعی از سرعت‌ها انجام می‌شود و از نتایج برای تولید منحنی عملکرد دینامیکی موتور پله‌ای استفاده می‌شود. همانطور که در زیر ذکر شد، این منحنی تحت تاثیر ولتاژ درایو، جریان درایو و تکنیک های سوئیچینگ جریان است. یک طراح ممکن است یک ضریب ایمنی بین گشتاور نامی و گشتاور بار کامل تخمینی مورد نیاز برای کاربرد را لحاظ کند.

گشتاور بازدارنده

الکتروموتورهای سنکرون که از آهنرباهای دائمی استفاده می کنند، هنگامی که به صورت الکتریکی حرکت نمی کنند، دارای گشتاور نگهدارنده موقعیت تشدید هستند (به نام گشتاور بازدارنده یا گیره، و گاهی اوقات در مشخصات گنجانده شده است). هسته‌های رلوکتانس آهن نرم این رفتار را نشان نمی‌دهند.

زنگ و طنین

هنگامی که موتور یک پله حرکت می کند، از نقطه استراحت نهایی فراتر رفته و در حین استراحت، دور این نقطه نوسان می کند. این زنگ نامطلوب به عنوان ارتعاش روتور موتور تجربه می شود و در موتورهای بدون بار بارزتر است. اگر ارتعاش تجربه شده برای از بین رفتن هماهنگ سازی کافی باشد، یک موتور بدون بار یا تحت بار ممکن است، و اغلب متوقف می شود.

موتورهای پله ای دارای فرکانس عملکرد طبیعی هستند. هنگامی که فرکانس تحریک با این رزونانس مطابقت داشته باشد، زنگ زدن بارزتر است، ممکن است مراحل از دست برود، و احتمال توقف آن بیشتر است.بزرگی زنگ نامطلوب به EMF پشتی ناشی از سرعت روتور بستگی دارد. جریان حاصل باعث میرایی می شود، بنابراین مشخصات مدار محرک مهم هستند. زنگ روتور را می توان از نظر ضریب میرایی توصیف کرد.

رتبه بندی و مشخصات

پلاک‌های موتورهای پله‌ای معمولاً فقط جریان سیم‌پیچ و گاهی اوقات ولتاژ و مقاومت سیم‌پیچ را نشان می‌دهند. ولتاژ نامی جریان سیم‌پیچ نامی را در DC تولید می‌کند: اما این معمولاً یک رتبه‌بندی بی‌معنی است، زیرا همه درایورهای مدرن جریان را محدود می‌کنند و ولتاژهای درایو بسیار بیشتر از ولتاژ نامی موتور است.

برگه های داده از سازنده اغلب اندوکتانس را نشان می دهد. Back-EMF به همان اندازه مرتبط است، اما به ندرت فهرست شده است (اندازه گیری با اسیلوسکوپ ساده است). این ارقام می‌توانند برای طراحی دقیق‌تر الکترونیک، هنگام انحراف از ولتاژهای تغذیه استاندارد، تطبیق الکترونیک راننده شخص ثالث، یا کسب بینش در هنگام انتخاب بین مدل‌های موتور با مشخصات اندازه، ولتاژ و گشتاور مشابه مفید باشند.

گشتاور کم سرعت یک استپر مستقیماً با جریان تغییر می کند. سرعت پایین آمدن گشتاور در سرعت های بیشتر به اندوکتانس سیم پیچ و مدار محرکی که به آن متصل است، به ویژه ولتاژ محرک بستگی دارد.

پله ها باید بر اساس منحنی گشتاور منتشر شده، که توسط سازنده در ولتاژهای درایو خاص یا با استفاده از مدار درایو خود مشخص می شود، اندازه گیری شوند. افت در منحنی گشتاور رزونانس های احتمالی را نشان می دهد که تأثیر آنها بر کاربرد باید توسط طراحان درک شود.

موتورهای پله ای سازگار با محیط های سخت اغلب به عنوان IP65 شناخته می شوند.

موتورهای پله ای NEMA

انجمن ملی تولیدکنندگان برق ایالات متحده (NEMA) ابعاد مختلف، علامت گذاری و سایر جنبه های موتورهای پله ای را در استاندارد NEMA (NEMA ICS 16-2001) استاندارد می کند. موتورهای پله‌ای NEMA با اندازه صفحه نشان‌گذاری می‌شوند، NEMA 17 یک موتور پله‌ای با صفحه‌نمای 1.7 در 1.7 اینچ (43 میلی‌متر × 43 میلی‌متر) و ابعاد بر حسب اینچ است. این استاندارد همچنین موتورهایی را با ابعاد صفحه نمایش داده شده در واحدهای متریک فهرست می کند. این موتورها معمولاً با NEMA DD نامیده می شوند، که در آن DD قطر صفحه رویی در اینچ ضرب در 10 است (به عنوان مثال، NEMA 17 دارای قطر 1.7 اینچ است). مشخصات بیشتری برای توصیف موتورهای پله ای وجود دارد و چنین جزئیاتی را می توان در استاندارد ICS 16-2001 یافت.

برنامه هاي كاربردي

موتورهای پله ای کنترل شده توسط کامپیوتر نوعی سیستم موقعیت یابی کنترل حرکت هستند. آنها معمولاً به‌عنوان بخشی از یک سیستم حلقه باز برای استفاده در برنامه‌های نگه‌داری یا موقعیت‌یابی به‌صورت دیجیتالی کنترل می‌شوند.

در زمینه لیزر و اپتیک، آنها اغلب در تجهیزات موقعیت یابی دقیق مانند محرک های خطی، مراحل خطی، مراحل چرخش، گونیومترها و پایه های آینه استفاده می شوند. کاربردهای دیگر در ماشین آلات بسته بندی و موقعیت یابی مراحل پایلوت شیر برای سیستم های کنترل سیال است.

به طور تجاری، موتورهای پله ای در درایوهای فلاپی دیسک، اسکنرهای تخت، چاپگرهای کامپیوتری، پلاترها، ماشین های حافظه، اسکنرهای تصویر، درایوهای دیسک فشرده، روشنایی هوشمند، لنزهای دوربین، ماشین های CNC و چاپگرهای سه بعدی استفاده می شوند.

سیستم استپر موتور

یک سیستم موتور پله ای شامل سه عنصر اساسی است که اغلب با نوعی رابط کاربری (کامپیوتر میزبان، PLC یا ترمینال گنگ) ترکیب می شود:

نمایه سازها

شاخص (یا کنترل کننده) یک ریزپردازنده است که قادر به تولید پالس های مرحله ای و سیگنال های جهت برای راننده است. علاوه بر این، نمایه ساز معمولاً برای انجام بسیاری از توابع دستوری پیچیده دیگر مورد نیاز است.

رانندگان

درایور (یا تقویت کننده) سیگنال های فرمان شاخص را به توان لازم برای انرژی دادن به سیم پیچ های موتور تبدیل می کند. انواع مختلفی از درایورها با درجه بندی ولتاژ و جریان و تکنولوژی ساخت متفاوت وجود دارد. همه درایورها برای راه اندازی همه موتورها مناسب نیستند، بنابراین هنگام طراحی یک سیستم کنترل حرکت، فرآیند انتخاب درایور بسیار مهم است.

موتورهای پله ای

استپر موتور یک دستگاه الکترومغناطیسی است که پالس های دیجیتال را به چرخش شفت مکانیکی تبدیل می کند.

مزایای

هزینه کم برای کنترل به دست آمده است

گشتاور بالا در هنگام راه اندازی و سرعت پایین

ناهمواری

سادگی ساخت

می تواند در یک سیستم کنترل حلقه باز کار کند

تعمیر و نگهداری کم (قابلیت اطمینان بالا)

احتمال توقف یا لغزش کمتر است

در هر محیطی کار خواهد کرد

قابل استفاده در رباتیک در مقیاس وسیع.

قابلیت اطمینان بالا

زاویه چرخش موتور متناسب با پالس ورودی است.

موتور در حالت سکون دارای گشتاور کامل است (اگر سیم پیچ ها برق دار باشند)

موقعیت یابی دقیق و تکرارپذیری حرکت، زیرا موتورهای پله ای خوب دقت 3-5 درصد یک پله را دارند و این خطا از یک مرحله به مرحله دیگر تجمعی نیست.

پاسخ عالی به شروع / توقف / معکوس کردن.بسیار قابل اعتماد زیرا هیچ برس تماسی در موتور وجود ندارد. بنابراین، عمر موتور به سادگی به عمر بلبرینگ بستگی دارد.

پاسخ موتور به پالس‌های ورودی دیجیتال کنترل حلقه باز را فراهم می‌کند و کنترل موتور را ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر می‌کند.

دستیابی به چرخش سنکرون با سرعت بسیار پایین با باری که مستقیماً به شفت کوپل شده است امکان پذیر است.

طیف گسترده ای از سرعت های چرخشی را می توان متوجه شد، زیرا سرعت متناسب با فرکانس پالس های ورودی است.

معایب

اثر تشدید اغلب در سرعت های پایین و کاهش گشتاور با افزایش سرعت به نمایش گذاشته می شود

نحوه كاركرد

موتور پله ای نوعی موتور الکتریکی است که پالس های الکتریکی را به حرکات مکانیکی دقیق تبدیل می کند. این موتور برای حرکت در مراحل یا افزایش مجزا طراحی شده است، از این رو موتور “stepper” نامیده می شود.

اصل کار یک موتور پله ای شامل برهمکنش بین یک روتور مغناطیسی و چندین آهنربای الکتریکی است که در یک الگوی خاص مرتب شده اند. روتور از آهنرباهای دائمی یا دندانه های آهنی نرم تشکیل شده است، در حالی که الکترومغناطیس ها معمولاً سیم پیچ هستند.

هنگامی که جریان الکتریکی به یکی از آهنرباهای الکتریکی اعمال می شود، میدان مغناطیسی ایجاد می کند که آهنرباها یا دندانه های روتور را جذب یا دفع می کند. این امر باعث می شود روتور خود را با میدان الکترومغناطیسی هماهنگ کند. با انرژی دادن و غیرفعال کردن متوالی مجموعه‌های مختلف آهن‌رباهای الکتریکی، می‌توان روتور را طوری ساخت که با افزایش‌های زاویه‌ای کوچک بچرخد.

موتورهای پله ای را می توان به دو نوع اصلی تقسیم کرد: دو قطبی و تک قطبی. در موتورهای دوقطبی، هر فاز دارای دو سیم پیچ است که برای ایجاد میدان مغناطیسی باید با قطبیت های مخالف به آنها انرژی داد. این امکان کنترل دقیق تری را فراهم می کند اما به مدارهای رانندگی پیچیده تری نیاز دارد. موتورهای تک قطبی دارای سیم‌پیچ‌هایی با یک شیر مرکزی هستند که می‌توان آن را تنها با یک قطبی روشن کرد که مدار حرکتی را ساده‌تر می‌کند اما دقت را قربانی می‌کند.

برای کنترل یک موتور پله‌ای، از مدار راه انداز استفاده می‌شود تا پالس‌های الکتریکی لازم را برای برق‌دهی و خاموش کردن سیم‌پیچ‌ها در یک توالی مشخص فراهم کند. توالی جهت و سرعت چرخش را تعیین می کند. با تغییر فرکانس و زمان این پالس ها می توان به سرعت ها و موقعیت های متفاوتی دست یافت.

موتورهای پله‌ای معمولاً در برنامه‌هایی استفاده می‌شوند که نیاز به موقعیت‌یابی دقیق یا چرخش مداوم در سرعت‌های پایین دارند، مانند چاپگرهای سه بعدی، ماشین‌های CNC، روباتیک و سیستم‌های اتوماسیون. آنها گشتاور بالایی را در سرعت های پایین ارائه می دهند و برای کنترل موقعیت به حسگرهای بازخورد مانند رمزگذارها نیاز ندارند.

به طور کلی، موتورهای پله ای راه حلی کارآمد و قابل اعتماد برای تبدیل سیگنال های الکتریکی به حرکت مکانیکی کنترل شده از طریق عملکرد گام به گام منحصر به فرد خود ارائه می دهند.

انواع مختلف استپر موتور

انواع مختلفی از موتورهای پله ای وجود دارد که عبارتند از:

1. استپر موتور مگنت دائمی (PM): این نوع استپر موتور دارای روتور آهنربای دائمی است و از استاتور با سیم پیچی استفاده می کند. معمولاً در کاربردهایی که به گشتاور و سرعت کم تا متوسط نیاز دارند استفاده می شود.

2. موتور پله ای رلوکتانس متغیر (VR): در این نوع استپر موتور، روتور دارای دندانه هایی است که از مواد مغناطیسی ساخته شده است، در حالی که استاتور دارای سیم پیچی است. روتور به دلیل جاذبه مغناطیسی خود را با دندانه های استاتور هماهنگ می کند و در نتیجه چرخش ایجاد می کند. موتورهای پله ای VR معمولاً در برنامه هایی استفاده می شوند که به سرعت بالا اما گشتاور کمتری نیاز دارند.

3. موتور پله ای هیبریدی: همانطور که از نام آن پیداست، موتورهای پله ای هیبریدی ویژگی های موتور پله ای PM و VR را با هم ترکیب می کنند. آنها یک روتور آهنربای دائمی با دندانه و یک استاتور با سیم پیچی دارند. موتورهای پله‌ای هیبریدی گشتاور بالاتر و عملکرد بهتری نسبت به انواع دیگر ارائه می‌دهند و آنها را برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب می‌سازد.

4. استپر موتور تک قطبی: این نوع استپر موتور دارای دو سیم پیچ در هر فاز است که یک سر آن به سیم مشترک متصل است. با انرژی دادن به هر سیم پیچ به ترتیب، موتور را می توان کنترل کرد تا مرحله به مرحله بچرخد. کنترل موتورهای پله ای تک قطبی نسبتاً آسان است اما در مقایسه با موتورهای دوقطبی گشتاور کمتری دارند.

5. موتور پله ای دوقطبی: موتورهای پله ای دوقطبی دارای دو سیم پیچ در هر فاز هستند و جریان می تواند در هر دو جهت از هر سیم پیچ عبور کند. این امکان کنترل دقیق تری بر حرکت موتور را فراهم می کند و گشتاور بیشتری را در مقایسه با موتورهای تک قطبی فراهم می کند.

6. موتور پله ای خطی: برخلاف موتورهای پله ای دورانی سنتی، موتورهای پله ای خطی به جای حرکت چرخشی، حرکت خطی تولید می کنند. آنها از یک بخش متحرک (معمولاً مترجم نامیده می شود) تشکیل شده اند که در امتداد یک مسیر خطی حرکت می کند که توسط نیروهای الکترومغناطیسی ایجاد شده توسط سیم پیچ ها یا آهنرباها هدایت می شود.

اینها برخی از انواع متداول موتورهای پله ای هستند که در کاربردهای مختلف صنعتی، تجاری و مصرفی مورد استفاده قرار می گیرند. انتخاب استپر موتور به نیازهای خاص کاربرد مانند گشتاور، سرعت، دقت و هزینه بستگی دارد.

برخي از استپر موتورها**(استپرموتورهاي رايج در بازار)**

استپر موتور 390 اونس. اینچ 3/8 اینچی XLR

روتر تراش آسیاب CNC STEPPERONLINE با گشتاور بالا نما 23 موتور 114 میلی متری 425 اونس.

موتور پله ای 1.8 درجه LDO-42STH48-2804AH

موتور پله ای AUTONICS: NEMA 23 / قاب 56 میلی متری، 1.54 نانومتر / حداکثر 218.03 اونس اینچ. گشتاور نگهدارنده دو فاز

موتور پله ای STEPPERONLINE نما 17 دوقطبی 40 میلی متری 64 اونس (45 نیوتن متر) 2 آمپری 4 سرب چاپگر سه بعدی سرگرمی CNC

نما 17 محرک موتور پله ای خطی غیر محصور کننده 48 میلی متر پشته 1.8 درجه 1.68 آمپر سرب 8 میلی متر/0.31496 اینچ لید اسکرو 200 میلی متر

موتور پله ای نما 34 با گیربکس 4.5 8.5 نیوتن متر برای چاپگر سه بعدی – مدل را انتخاب کنید

نما 17 استپر موتور خطی خارجی 1.8 درجه 26 نیوتن متر (36.8 اونس. اینچ) 12 ولت 0.4 آمپر پیچ سرب 32 میلی متر سرب/دور: 8 میلی متر (0.315 اینچ)

موتور پله ای AUTONICS: NEMA 24 / قاب 60 میلی متری، 1.63 نانومتر / حداکثر 230.53 اونس اینچ. گشتاور نگهدارنده پنج فاز

42BYGH34 (17HS1401) 2 فاز گشتاور بالا نما 17 موتور پله ای 42 پله موتور میکرو استپر موتور 34 میلی متر

MAX683/M – 6 محوره نانومکس استیج، موتورهای پله ای، پیزوهای حلقه بسته، راست دست، متریک

موتور پله ای NEMA17 برای چاپگر سه بعدی KL17H248-15-4A، 76 اونس اینچ

نمونه كدنويسي استپر موتور با آردوينو

در اینجا یک کد مثال برای کنترل استپر موتور با استفاده از آردوینو آورده شده است:

“`cpp// شامل کتابخانه Stepper#include <Stepper.h>// تعداد مراحل در هر دور را تعریف کنیدconst int stepPerRevolution = 200;// استپر موتور را با تعداد پله ها و پین های متصل به سیم پیچ های موتور راه اندازی کنیدStepper myStepper(stepsPerRevolution, 8, 9, 10, 11);void setup() { // تنظیم سرعت موتور بر حسب دور در دقیقه (دور در دقیقه) myStepper.setSpeed(60);}حلقه خالی() { // موتور را یک دور در جهت عقربه های ساعت بچرخانید myStepper.step(stepsPerRevolution); // قبل از چرخش در جهت مخالف برای یک ثانیه تاخیر تاخیر (1000); // موتور را یک دور در خلاف جهت عقربه های ساعت بچرخانید myStepper.step(-stepsPerRevolution); // قبل از تکرار فرآیند برای یک ثانیه تاخیر تاخیر (1000);}“`

 

در این مثال، ابتدا کتابخانه «Stepper» را گنجانده ایم. سپس، یک «stepsPerRevolution» ثابت تعریف می‌کنیم که تعداد مراحل لازم برای یک دور کامل موتور پله‌ای خاص شما را نشان می‌دهد.در مرحله بعد، یک شی «Stepper» به نام «myStepper» را مقداردهی اولیه می کنیم و تعداد مراحل و پین های متصل به هر سیم پیچ موتور پله را مشخص می کنیم.در تابع «setup()»، سرعت موتور را با استفاده از «myStepper.setSpeed()» تنظیم می کنیم. آرگومان ارسال شده به این تابع بر حسب RPM (دور در دقیقه) است.در نهایت، در تابع «loop()»، با استفاده از «myStepper.step()» استپر موتور را یک دور در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخانیم و به دنبال آن یک تأخیر وجود دارد. سپس، آن را یک دور در خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخانیم و دوباره تأخیر می‌کنیم. این روند به طور نامحدود تکرار می شود.مطمئن شوید که استپر موتور خود را به درستی به برد آردوینو وصل کرده اید و شماره پین ها را مطابق با کد تنظیم کنید.

١٠ تا پروژه آردوينو با استفاده از استپر موتور

1. بازوی رباتیک کنترل‌شده آردوینو: از یک موتور پله‌ای برای کنترل حرکت بازوی روباتیک استفاده کنید و به آن اجازه می‌دهد اشیا را بگیرد و حرکت دهد.

2. لغزنده خودکار دوربین: یک نوار لغزنده دوربین بسازید که می تواند به طور خودکار دوربین را در یک مسیر از پیش تعریف شده با استفاده از یک موتور پله ای حرکت دهد.

3. ماشین CNC: ماشین CNC خود را با استفاده از موتورهای پله ای برای کنترل حرکت ابزار برش ایجاد کنید.

4. چاپگر سه بعدی: چاپگر سه بعدی خود را با استفاده از موتورهای پله ای برای کنترل حرکت هد چاپ و پلت فرم بسازید.

5. پرده های خودکار: از یک موتور پله ای برای خودکار کردن باز و بسته شدن پرده ها یا پرده ها در خانه خود استفاده کنید.

6. حکاکی لیزری: یک حکاکی لیزری ایجاد کنید که از یک موتور پله ای برای حرکت دادن سر لیزر در سراسر سطح حکاکی شده استفاده می کند.

7. تغذیه خودکار آکواریوم: یک تغذیه خودکار ماهی بسازید که از یک موتور پله ای برای توزیع غذا در زمان های از پیش تعیین شده استفاده می کند.

8. سیستم آبیاری خودکار گیاه: از یک موتور پله ای برای کنترل جریان آب در سیستم آبیاری خودکار گیاه استفاده کنید.

9. اسکیت برد برقی DIY: اسکیت برد برقی خود را با استفاده از یک موتور پله ای برای به حرکت درآوردن چرخ ها ایجاد کنید.

10. بارمن رباتیک: یک بارمن رباتیک بسازید که می تواند نوشیدنی ها را با استفاده از موتورهای پله ای مخلوط کرده و بریزد تا حرکت اجزای مختلف را کنترل کند.

سوالات پیشنهادات و یا انتقادات خود را میتوانید در قسمت نظرات با ما به اشتراک بگذارید

رضا قنبری
متخصص آموزش رباتیک

رضا قنبری هستم متخصص آموزش رباتیک با بیش از 10 سال سابقه فعالیت در ایران

این مطلب را به اشتراک بگذارید

استپر موتور

تعريف Stepper موتور قبل از خواندن مقاله استپر موتور بهتر است در نظر داشته باشید مقالاتی که با عنوان ماژول در سایت قرار گرفته اند

دسته بندی نشده

شیلد CNC مخصوص آردوینو UNO

تعريف شیلد CNC مخصوص اردوینو UNO قبل از خواندن مقاله شیلد CNC مخصوص اردوینو UNO بهتر است در نظر داشته باشید مقالاتی که با عنوان

شیلد SIM900 GSM/GPRS

تعريف شیلد SIM900 GSM/GPRS قبل از خواندن مقاله شیلد SIM900 GSM/GPRS بهتر است در نظر داشته باشید مقالاتی که با عنوان ماژول در سایت قرار

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *