موتور پله‌ ای

موتور پله‌ ای را می‌توان جز گروه سیستم‌های محرکه بدون جاروبک به حساب آورد. کاربرد اصلی این نوع موتور در سیستم تثبیت و سیستم تنظیم موقعیت حلقه‌باز است. موتورهای پله‌ای از نوع ac هستند و فرمان ورودی به شکل پالس‌های الکتریکی است.

موتور پله ای

اصول کارکرد

موتورهای DC زغالی زمانیکه ولتاژ به ترمینالهای آنها تزریق می گردد به نرمی حرکت می کنند. استپ موتور بوسیله قابلیت تبدیل پالسهای ورودی به فواصل کوچک مشخص در موقعیت شفت شناخته می شوند. هر پالس شفت را به یک زاویه مشخص می برد. استپ موتورها اساسا دارای دندانه های مغناطیسی در اطراف یک شفت مرکزی از جنس آهن می باشند. الکترومغناطیسها بوسیله یک مدار راه انداز خارجی یا یک میکروکنترلر تغذیه می گردند. جهت چرخاندن شفت ابتدا به یکی از مغناطیس ها توان داده می شود ، که مغناطیس باعث جذب دندانه های دنده می گردد. زمانیکه دندانه دنده روبروی اولین مغناطیس می ایستد ، نسبت به مغناطیس بعدی دارای یک فاصله می باشد. این به معنای آنست که در صورت روشن شدن الکترومغناطیس بعدی و خاموش شدن اولی دنده به آهستگی می چرخد تا دندانه روبروی مغناطیس دوم قرار گیرد. از آنجا فرآیند آغاز می گردد. هر یک از این چرخشها یک گام ( استپ ) نامیده می شود، تعداد مشخصی از این گامها یک دور کامل موتور را می سازند ( دقت شود نسبت تعداد گامها به دور موتور همواره یک عدد صحیح است ). و به این ترتیب یک موتور می تواند با زوایای مشخص بچرخد.

انواع استپ موتورها

چهار نوع اصلی از استپ موتورها وجود دارد :

۱- استپ موتورهای با مغناطیس دائم

۲- استپ موتورهای سنکرون هایبرید

۳- استپ موترهای با مقاومت مغناطیسی متغیر

۴- استپ موتورهای لاوت LAVET TYPE

روتور موتورهای مغناطیس دائم(PM) از مغناطیسهای دائم تشکیل گردیده است و و با جاذبه و دافعه بین مغناطیس روتور و مغناطیس استاتور عمل می نماید. موتورهای با مقاومت مغناطیسی متغیر از یک صفحه آهنی به عنوان روتور استفاده گردیده و بر این اساس عمل می نماید که حداقل مقدار مقاومت مغناطیسی ، زمانیکه روتور در حال جذب به سمت قطبهای استاتور است، زمانی رخ می دهد که حداقل فاصله وجود دارد . گروه سوم را به آین دلیل هایبرید می نامند که در ساختار آنها از دو تکنیک مغناطیس دائم و مقاومت مغناطیسی متغیر با هم، جهت رسیدن به حداکثر توان در کوچکترین فضا استفاده شده است

استپ موتورهای دو فاز

دو نوع سیم پیچی جهت هسته های مغناطیس استپ موتورهای دو فاز وجود دارد : تک قطبی و دوقطبی.

موتورهای تک قطبی

یک موتور تک قطبی دارای سیم پیچی با سر مرکزی می باشد. جریان در هر قسمت از سیم پیچ جهت ایجاد میدان مغناطیسی برقرار می گردد. در این آرایش ، قطبهای مغناطیسی بدون تغییر در جهت جریان می توانند معکوس گردند، بنابراین کموتاسیون در مدار به راحتی صورت می گیرد ( به عنوان مثال با یک ترانزیستور ) . اساسا ، هر فاز ، دارای یک سر مرکزی مشترک است : سه سیم برای هر فاز و شش سیم برای یک موتور دو فاز. اغلب سر مشترک هر دو فاز با هم یکی شده و بنابراین هر موتور دارای پنج سیم می باشد. به همین دلیل این موتورها را تک قطبی می نامند زیرا توان همواره از طریق همین قطب وارد می گردد.

یک میکروکنترلر یا کنترلر استپ موتور می تواند جهت فعال سازی ترانزیستورهای راه انداز در مسیر درست استفاده گردد. این عملکرد موتورهای تک قطبی باعث محبوبیت آنها گردیده است ، این راحت ترین راه جهت یک حرکت زاویه ای است.

(بوسیله اندازه گیری مقاومت دو سر سیم پیچها می توان آنها را شناسایی نمود. مقاومت بین سیم سر وسط و سیم انتهای کویل نصف مقاومت دو سیم انتهایی کویل می باشد. ) یک راه سریع جهت تست صحت عملکرد استپ موتور ، اتصال کوتاه کردن دو سر کویلها و سعی در چرخش شفت است، هر زمان که مقاومتی بیش از مقاومت نرمال احساس گردید نشانگر بسته بودن مدار آن سیم پیچ مشخص است و نشانه عملکرد صحیح فاز است.

موتورهای دوقطبی

موتورهای دوقطبی دارای یک سیم پیچ در هر فاز می باشند. جهت معکوس کردن قطبهای مغناطیسی جریان در یک سیم پیچ بایستی معکوس گردد، بنابراین مدار راه انداز پیچیده تر می باشد ، و اساسا با یک آرایش پل H بدست می آید. ( البته مدارات راه انداز زیادی برای این موضوع وجود دارد ). دو سیم برای هر فاز وجود دارد و هیچ سر مشترکی وجود ندارد.

در صورتیکه فرکانس اعمالی به استپ موتور بیش از فرکانس پاسخگویی موتور باشد باعث افزایش اثر اصطکاک ساکن می گردد.

به دلیل استفاده بهتر از سیم پیچها ، توان موتورهای دوقطبی نسبت به موتور تک قطبی هم وزن خود بیشتر است. این به دلیل فضای فیزیکی اشغال شده توسط سیم پیچهاست. یک موتور تک فاز دارای دوبرابر سیم بیشتر در حجم یکسان است اما نصف توان نقطه به نقطه در هر زمان را ارائه می دهد که به معنای تاثیر گذاری۵۰% یا حداکثر ۷۰% است. با وجود آنکه موتور دو قطبی جهت راه اندازی پیچیده تر است اما فراوانی تراشه های راه انداز به معنی آنست که دستیابی به این سیستم چندان هم سخت نیست.

یک استپ موتور ۸ سیمه مانند یک موتور تک قطبی است اما سیمها به سر مشترک وصل نیستند. این نوع سیم پیچی موتور به چند شکل قابل استفاده است :

– تک قطبی

– دوقطبی با سیم پیچی سری. این امر باعث ارائه اندکتانس بالاتر و جریان پایین تر در هر سیم پیچ می گردد.

– دو قطبی با سیم پیچی موازی. این امر نیاز به جریان بالاتر دارد اما می تواند باعث کاهش و بهینه شدن اندکتانس گردد.

– دوقطبی با یک سیم پیچ در هر فاز. این روش باعث راه اندازی موتور با نصف سیم پیچ قابل دسترس می گردد که باعث کاهش گشتاور سرعت پایین با جریان مورد نیاز کمتر می گردد.

با اندازه گیری مقاومت بین سیمها می توان این دو نوع موتور را از هم تشخیص داد. اگر دو سیمی که اندازه گیری می نمایید مربوط به دو کویل مجزا باشند مقاومت بینهایت دیده می شود.

مانند سایر موتورها ، استپ موتورها نیز به توانی بیش از آنچه میکروکنترلرها تامین می نمایند نیاز دارند بنابراین به یک منبع تغذیه مجزا نیازمندید. بصورت ایده آل بایستی ولتاژ اعلام شده توسط کارخانه سازنده را بدانید اما در صورت عدم اطلاع ، یک منبع تغذیه DC متغیر را به دو سیم یک کویل اعمال نمایید ، از ولتاژ حداقل ۳V آغاز نمایید و بتدریج آنرا افزایش دهید تا زمانیکه موتور بسختی به نظر می رسد آماده حرکت است. بیش از آن ولتاژ اعمال ننمایید چون باعث آسیب به موتور می گردد. اساسا ولتاژ مورد نیاز موتورها ۵V, 9V, 12V, 24V است و بالاتر از ۲۴Vبسیار نادر است.

مقایسه با موتورهای سنتی

در جدول زیر موتور پله‌ای با موتورهای سنتی به طور کلی مقایسه شده است:

مزایا و معایب

مزایا

1. کنترل دیجیتالی ساده
2. فاقد خطای تجمعی
3. توقف ناگهانی بدون آسیب
4. بدون جاروبک
5. بدون نیاز به فیدبک
6. پایدار
7. ساختمان مکانیکی ساده
8. راه‌اندازی ساده و ارزان

معایب

1. توان خروجی محدود
2. دوارن با پله ثابت
3. قادر به تغذیه بار با اینرسی زیاد نیست.
4. پرش و نوسان زیاد
5. راندمان کم

انواع موتور پله‌ای

• موتور پله‌ای الکترومکانیکی
• موتور پله‌ای الکترومغتاطیسی
• موتور پله‌ای هیدرولیکی

موتور پله‌ای الکترومغتاطیسی کاربرد بیشتری دارد.