معرفی استپر موتور(stepper motor)

ShahBaz | سه شنبه, ۱ اسفند ۱۳۹۶، ۰۸:۳۲ ب.ظ

معرفی استپر موتور(stepper motor)

جلال ۱۷,آبان ۱۳۹۴ ۲ نظرها 6,821 بازدید

در این پست بحث ما در مورد موتور پله‌ ای است. موتور پله‌ ای(stepper motor) یک وسیله پرکاربرد است که پالس های الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می کند.در کاربرد هایی مانند کنترل هارد دیسک،چاپگرهای ماتریس نقطه ای و روباتیک، موتور پله‌ ای برای کنترل موقعیت استفاده میشود. موتور پله‌ ای نمونه ای از موتورهای الکتریکی هستند که بدون استفاده از فیدبک امکان کنترل سرعت و تنظیم موقعیت حرکتی را در اختیار ما قرار می دهند.با تحریک ورودی توسط پالس موتور به اندازه چند درجه حول محور خود دوران می کند.در حقیقت یک موتور پله‌ ای پالس الکتریکی را به حرکت مکانیکی تبدیل می کند.عملکرد اصلی یک موتور پله ای به شفت موتور اجازه می دهدتا به اندازه زاویه ای دقیق مطابق پالس های الکتریکی ارسالی به موتور بچرخد. از آنجا که شفت موتور فقط به اندازه زاویه طراحی شده هنگام پالس الکتریکی حرکت می کنه می توان با کنترل پالس های الکتریکی ارسالی موقعیت و سرعت را کنترل کرد.

اگر شفت موتور در حالت سکون یا صفر باشد، میزان گشتاوری که از طرف یک منبع خارجی برای تکان دادن شفت از محل فعلیش نیاز است، گشتاور نگهدارنده نامیده می شود.گشتاور نگهدارنده به موتور های پله ای این اجازه را می دهد که موقعیت خود را به هنگام توقف به طور محکم حفط کنند.موتور پله ای عموما در موقعیت توقف بدون انرژی باقی می ماند و هنگامی که تغذیه موتور به طور کلی قطع شود بصورت مغناطیسی در موقعیت قبلی خود قفل می شود.واحد سرعت موتور پله ای (step/s) یا گام بر ثانیه می باشد که تابعی از میزان سوئیچینگ می باشد.یعنی با افزایش سرعت پالس دهی سرعت موتور زیاد می شود. موتور پله‌ ای امتیازاتی را نسبت به موتورهای عادی دارند که مهمترین آن کنترل گشتاور است. تا زمانی که انرژی لازم برای یک موتور پله ای فراهم شود، استاتور در برابر هر تلاش برای تغییر وضعیت مقاومت خواهد کرد.

در موتور های معمولی با اعمال ولتاژ به موتور، شفت آن در یک جهت مشخص و با سرعت معینی شروع به چرخش می کند.سرعت چرخش را ولتاژ و جریان و جهت چرخش را قطبیت ولتاژ یا پلاریته ولتاژ تعیین می کند.در این موتور ها چرخش شفت تا زمانی که ولتاژ متصل باشد ادامه دارد و حتی زمانی که ولتاژ قطع می شود اگر شفت قفل نشود تا زمان متوقف شدن مقداری به چرخش خود ادامه می دهد.در بعضی از کاربردها لازم است که شفت موتور با تعداد دور معینی بچرخد و یا حتی زاویه و سرعت چرخش مشخص باشد.در این گونه کاربرد ها از موتور پله ای استفاده می شود.حتی می توان سرعت را در این موتورها کنترل کرد.

مهمترین اجزاء تشکیل دهنده یک موتور الکتریکی

۱-روتور:

روتور همان شفت مرکزی موتور می باشد.در موتورهای dc معمولی سیم پیچها برروی روتور قرار دارند و با چرخش روتور می چرخند و آهن ربای دائم ثابت است. ولی در موتورهای پله ای آهن ربای دائم بر روی روتور قرار می گیرد و سیم پیچ ثابت می باشد.

۲-استاتور:

استاتور در موتورهای dc معمولی از یک آهنربای دائمی تشکیل شده است که گرداگرد شفت روتور قرار گرفته است. در موتورهای پله ای سیم پیچها در این بخش قرار دارند. برخی موتورها مخصوصأ موتورهای بزرگتر از یک آهنربای الکتریکی به عنوان استاتور استفاده می کنند. پیش از اینکه آهنرباهای دائمی با قدرت های متنوع امروزی ساخته شوند، استاتورها از آهنرباهای الکتریکی تشکیل شده بودند.

زاویه پله

زاویه ای را که شفت موتور به ازای پیمودن یک گام طی می کند زاویه پله می گویند.به عبارتی زاویه پله مینیمم زاویه چرخش در ارتباط با یک پله است.

باید توجه داشت که برخلاف برداشت اولیه ای که به ذهن می رسد یک موتور پله ای برای رسیدن به پله های کوچکتر نیاز به تعداد سیم های بیشتری در استاتور ندارد.بیشتر موتورها ۴ سیم برای سیم پیچ استاتور(A,B,C,D) و دو سیم مشترک برای سر وسط دارند.برخی از تولید کنندگان به جای دو سیم فقط از یک سیم برای سیگنال مشترک استفاده می کنند.

ارتباط تعداد پله در ثانیه و RPM

اگر تعداد دور بر دقیقه(RPM) را در تعداد پله در یک دور ضرب کنیم و بعد عدد حاصل را بر ۶۰ تقسیم کنیم تعدارد پله در ثانیه بدست می آید.

موتورهای پله ای به دو دسته کلی تقسیم می شوند

۱- موتورهای تک قطبی

متعارفترین موتورهای پله ای تک قطبی چهار استاتور سیم پیچ دارند که دو به دو باهم زوج هستند و بر طبق شکل زیر (lead-5)دارای یک سر وسط مشترک میباشند. در این موتورها از سیم پیچ ها در یک جهت جریان کشیده می شود و به همین جهت به موتور پله ای چهار فاز یا تک قطبی معروف هستند.شفت موتور پله ای یک حرکت تکرار پذیر یا پله ای دارد که امکان حرکت آن به یک مکان دقیق را فراهم می کند.این موتورها دارای پنج یا شش سیم برای اتصال هستند و معمولأ با ۳٫۶ در هر گام ( ۱۰۰ گام در یک چرخ کامل) و یا ۷٫۵در هر گام ( ۴۸ گام در یک چرخ کامل) ساخته می شوند.

اگر موتور پله ای پنج سیمه باشد، یکی از آنها سیم مشترک است که به مثبت منبع تغذیه متصل می شود و چهار سیم دیگر به فازهای موتور متصل می شوند.برخی انواع موتورهای پله ای شش سیمه هستند. این موتورها دارای دو مجموعه سیم پیچ هستند و معمولأ در پرینترها استفاده می شوند.جابه جایی موتور پله ای از یک نقطه به نقطه دیگر باعث حرکت دورانی آن می شود. تعداد جابه جایی هایی که برای انجام یک چرخش کامل انجام می شود با تعداد گام های آن برابر است و از ویژگی های اختصاصی هر موتور پله ای می باشد. معمولأ موتورها با تعداد گام ها و یا درجه ی هر گام توصیف می شوند. تعدادی سیم پیچ در بدنه این موتورها تعبیه شده است که جابجایی دقیق موتور از یک نقطه به نقطه دیگر را ممکن می سازد.این سیم پیچ ها در استاتور یا بدنه موتور قرار گرفته اند.در شکل زیر آرایش انواع موتور های تک قطبی ۴،۵ و ۶ سیم را مشاهده می کنید.

شکل زیر یک موتور پله ای تک قطبی از نوع شش سیم دوفاز است.در هر فاز سر شماره ۲ سر مشترک است.در این شکل فاز یک با رنگ قرمز و فاز ۲ با رنگ آبی نمایش داده شده است.

با اعمال یک توالی ولتاژ به سر هر سیم پیچ استاتور، روتور خواهد چرخید.هنگامی که قطب های استاتور برق دار می شوند، قطب های مغناطیسی مخالف، استاتور را جذب می کنند و باعث چرخش موتور می گردند.

تصویر زیر نحوه اعمال پالس به یک موتور پله ای ۶ سیمه، در حالت نیم گام را نشان می دهد.سیم a سر مشترک دوسیم ۱a و ۲a، و سیم b سر مشترک دو سیم ۱b و ۲b می باشد.

انواع آرایش موتور پله ای تک قطبی

۱-دوفاز:

مصرف توان در این حالت دوبرابر حالت نوسانی است. در این حالت در هر لحظه به دوسیم پالس ارسال می شود.

۲-نیم گام:

در این آرایش گام موتور نصف گام در حالت دوفاز است و دقت بالاتری دارد.در موتورهای نیم گام، ابتدا دو سیم پیچ و سپس یک سیم پیچ روشن می شود و این فرایند به صورت متناوب ادامه می یابد.

۳-نوسانی:

در این آرایش در هر لحظه تنها به یک سیم پالس ارسال می شود.

تشخیص سیم های موتور پله ای تک قطبی پنج سیمه

برای تشخیص آرایش مناسب یک موتور تک قطبی پنج سیمه به یک باتری و یک نوار چسب نیاز داریم. از یک ماژیک برای نشانه گذاری سیم پیچ ها استفاده می کنیم تا در قسمت های بعدی مکان روتور قابل تشخیص باشد.با استفاده از یک ولتمتر دیجیتالی سیم مشترک را پیدا می کنیم. این سیم نسبت به تمام سیم پیچ ها مقدار مقاومت یکسانی را نشان می دهد. سیم مشترک را به مثبت تغذیه متصل می کنیم. ولتاژ مناسب ۵ تا ۶ ولت است.تکه ای از نوار چسب را به صورت عمودی بر روی شفت موتور قرار می دهیم. این نوار چسب به عنوان یک نشانه و برای مشاهده جابجایی موتور پله ای استفاده می شود.به دلخواه یک سیم پیچ را انتخاب می کنیم و آن را فاز یک می نامیم. این سیم را به زمین متصل می کنیم، ممکن است پس از اتصال شفت جابجایی کوچکی داشته باشد. در این وضعیت روتور بر روی فاز یک قفل می شود. سیم دیگری را انتخاب کرده و آن را به زمین متصل می کنیم و به دقت تغییرات نوار چسب روی شفت را مشاهده می کنیم. اگر شفت کمی به سمت راست چرخید، این سیم فاز دو می باشد. سیم دیگری را انتخاب نموده و آن را به زمین متصل می کنیم، به دقت نوار چسب روی شفت را نگاه می کنیم. اگر شفت مقدار کمی به سمت چپ بچرخد، این سیم فاز چهار می باشد.سیم آخر را انتخاب کرده و به زمین متصل می کنیم و به دقت به حرکت شفت نگاه می کنیم. اگر شفت ثابت بماند و جابجایی نداشته باشد، این سیم فاز سوم می باشد.

راه اندازی موتور پله ای تک قطبی

برای راه اندازی یک موتور پله ای می توانیم از ترانزیستور های ماسفت و دوقطبی استفاده کنیم.بسته به توان مصرفی موتور می توان نوع و قدرت ترانزیستور را مشخص کرد.البته درایورهایی به صورت مدار مجتمع در بازار وجود دارد که معمول ترین آنها آیسی های uln2003 و uln2004 می باشند.

۲- موتورهای دو قطبی

در این موتورها هر سیم پیچ در دو جهت برق دار می شود و هر کدام از سیم پیچ ها می تواند پلاریته مربوط به خود را داشته باشد. این موتورها یک سیمه نیز نامیده می شوند زیرا هر قطب یک سیم پیچ دارد. موتورهای پله ای دو قطبی چهار سیم پیچ دارند و هر جفت از آنها برای یک سیم پیچ در نظر گرفته شده است. هر سیم پیچ در یک موتور پله ای دو قطبی به یک منبع تغذیه معکوس شونده مانند درایور H-bridge نیاز دارد. از آنجاییکه موتورهای دو قطبی قوی تر از انواع تک قطبی هستند، در طراحی هایی که فضا محدودتر است مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از کاربردهای این موتورها استفاده در فلاپی درایورهای کامپیوتر است.

انواع آرایش موتور پله ای دو قطبی