موتور های پله ای

موتور های پله ای (Stepper Motor) ، موتور ها ی دی سی (DC Motor) هستند که حرکتشان بر اساس گام­ های گسسته رخ می­دهد. آن­ها دارای تعداد مشخص کویل می­ باشند که در گروهایی به نام “فاز” قرار گرفته شده­ اند. با انرژی دار 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 شده اند. 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 یا موتور های پله ای برای چه کاربردهایی مناسب می­باشند؟

  • موقعیت گیری: از آن­جایی که این موتورها به صورت گام و پله ای حرکت می­کنند، استفاده از آن­ها در صنایع با دقت موقعیت گیری بالا همانند پرینترهای سه بعدی، CNC، پلتفرم های دوربینی و پلاترهای x-y بسیار مناسب می­باشد.
  • 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 سرعت های پایین است. اما موتورهای استپر دارای بالاترین گشتاور در سرعت های پایین می باشند. به عبارت دیگر این موتورها انتخاب مناسبی برای کاربردهایی هستند که نیاز به سرعت پایین و دقت و گشتاور بالا می باشد.

موتور استپر

محدودیت های 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 یا موتور های پله ای

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.

steppermotor4robotmakers-ir

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.

steppermotor5robotmakers-ir

گام استپر:

نکته دیگری که بایستی به آن توجه شود رزولوشن موقعیت گیری است که شما لازم دارید. معمولا دقت رزولوشن موتورهای استپر بر حسب درجه بیان می­شود. برای مثال یک موتور ۱٫۸ deg دارای رزولوشن ۲۰۰ گام در هر دور است.

به طور کلی مصالحه ای 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 سرعت های پایین تر به حداکثر گشتاور خود می­رسند.

steppermotor6robotmakers-ir

 گیربکس:

یکی از راه­های رسیدن به رزولوشن موقعیت گیری بالا استفاده از گیربکس است. با قرار دادن یک گیربکس ۳۲:۱ 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.

steppermotor7robotmakers-ir

میله شفت خروجی موتور:

یکی دیگر از مشخصاتی که بایستی مورد بررسی قرار بگیرد، نحوه اتصال خروجی موتور استپر  یا موتور های پله ای 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. پولی ها، چرخ دنده ها و کوپلینگ­ها طوری طراحی شده ­اند که بر روی این شفت قرار می­گیرند. شفت های گرد دارای یک پخ در انتهای خود هستند تا از لغزیدن جلوگیری کنند. این سطوح صاف در انتهای شفت باعث شده که این نوع شفت ها  در گشتاورهای بالا مورد استفاده قرار گیرند.
  • شفت دارای دنده: در برخی از شفت ها دندانه هایی 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.

موتور های پله ای

سیم کشی:

تعداد متنوعی سیم کشی در موتورهای استپر  یا موتور های پله ای وجود دارد. اما ما بر روی موتورهایی متمرکز می شویم که کاربرد بیشتری در صنعت دارند. موتورهای مغتاطیس یا هیبرید دائم به صورت دو قطبی-دو فازی و تک قطبی-چهار فازی سیم کشی خواهند شد.

موتور های پله ای

کویل ها و فازها:

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

موتور های پله ای

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 کویل ها 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 می باشد. 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 تعدادسیم های 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 سیم های کویل پایه از داخل به یکدیگر متصلند. این موتور تنها به صورت تک قطبی راه اندازی می­شود.

موتور های پله ای

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 موتور ها را نیز به صورت دوقطبی نیز راه اندازی کنید.

موتور های پله ای-ir

موتور با هشت سیم

این نوع موتور نسبت به دو موتور قبلی تطبیق پذیر تر می­باشد و به صورت­های زیر راه اندازی می­شود:

  • تک قطبی چهار فاز: در این دراینوع راه اندازی، همانند موتور ۵ سیمه رفتار می کنیم. به عبارت دیگر همه سیم های 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 می شود. اما برای راه اندازی موتور نیاز به جریان بالاتری داریم. از ویژگی های این نوع سیم کشی بالاتر بودن گشتاور و سرعت است.

موتور های پله ای

مزایای استپر موتور  یا موتور های پله ای (Advantages of stepper motor):

موتور های پله ای

  • هزینه‌ی پایین کنترل
  • گشتاور بالا در شروع حرکت و با سرعت کم
  • ساختار ساده
  • استحکام بالا
  • عملکرد در یک سیستم کنترل باز
  • هزینه‌ی تعمییر و نگهداری پایین
  • امکان لرزش کم
  • امکان کارکرد در هر نوع شرایط محیطی
  • استفاده در سیستم‌های رباتیک در اندازه‌های بزرگ
  • قابلیت اعتمادپذیری بالا
  • زاویه‌ی دوران متناسب با پالس ورودی
  • پاسخ مناسب در شروع، پایان و جهت عکس چرخش
  • عدم وجود جاروبک (افزایش استحکام و اعتماد پذیری)
  • امکان چرخش با سرعت‌های مختلف

 

معایب استپر موتور  یا موتور های پله ای(Disadvantages of stepper motor):

  • بازده‌ی پایین نسبت به سرووموتورها
  • کاهش چشم‌گیر گشتاور با سرعت (گشتاور عکس سرعت است)
  • دقت پایین
  • نیاز به میکرو استپینگ (Microstepping) (برای حرکت آرام)
  • عدم فیدبک
  • امکان گرم شدن بالا
  • عدم شتاب‌گیری سریع
  • توان خروجی پایین نسبت به نیروی وارده
  • ایجاد صدای زیاد

موتور های پله ای

 

لینک کوتاه این مطلب مناسب جهت ارسال به دیگران : http://mobinchoob.com/6298