مقاله

استپر موتور چیست و چگونه کار می کند

استپر موتور

استپر موتور چیست از یک دستگاه پخش دی وی دی یا پرینتر ساده در خانه خود گرفته تا یک ماشین CNC بسیار پیشرفته یا Robotic Arm ، موتورهای Stepper تقریباً در همه جا یافت می شوند. توانایی این دستگاه در ایجاد حرکات دقیق الکترونیکی کنترل شده باعث شده است که این موتورها در بسیاری از دستگاههای فلش مانند دوربین های مداربسته ، هارد دیسک ، دستگاههای CNC ، چاپگرهای سه بعدی ، روباتیک ، روباتهای مونتاژ ، برشهای لیزری و موارد دیگر کاربرد پیدا کنند. در این مقاله به ما می آموزیم که چه چیزی این موتورها را خاص و نظریه موجود در پشت آن می کند. ما یاد خواهیم گرفت که چگونه از یکی برای برنامه خود استفاده کنیم.

آشنایی با استپر موتور

 

مانند تمام موتورها ، موتورهای استپر نیز دارای استاتور و روتور هستند ، اما برخلاف موتور DC معمولی ، استاتور از مجموعه های کویل جداگانه ای تشکیل شده است. تعداد سیم پیچ ها بر اساس نوع موتور پله متفاوت خواهد بود ، اما اکنون بدانید که در یک موتور استپ روتور از قطب های فلزی تشکیل شده است و هر قطب توسط مجموعه ای از سیم پیچ در استاتور جذب می شود. نمودار زیر یک موتور استپ با ۸ قطب استاتور و ۶ قطب روتور را نشان می دهد.

استپر موتور چیست

 

اگر به کویل های استاتور نگاهی بیندازید ، آنها از نظر جفت سیم پیچ چیده شده اند ، مانند A و A یک جفت B و B تشکیل می دهد و یک جفت و غیره را تشکیل می دهد. بنابراین هر یک از این جفت کوئلها یک الکترومغناطیس تشکیل می دهند و می توانند با استفاده از مدار درایور بصورت جداگانه انرژی بگیرند. هنگامی که یک سیم پیچ انرژی می شود ، به عنوان آهنربا عمل می کند و قطب روتور با آن هم تراز می شود ، هنگامی که روتور می چرخد ​​تا خودش را تنظیم کند تا با استاتور تراز شود ، آن را یک مرحله می نامند . به طور مشابه با انرژی دادن به کویلها در یک دنباله می توانیم موتور را در مراحل کوچک بچرخانیم تا یک چرخش کامل انجام شود.

انواع موتورهای استپر

 

به طور عمده سه نوع موتور استپ بر پایه ساخت وجود دارد که عبارتند از:

  • موتور پله بی میل متغیر:  آنها دارای روتور هسته آهنی هستند که به سمت قطب استاتور جذب می شوند و با حداقل عدم تمایل بین استاتور و روتور حرکت می کنند.
  • موتور استپر آهنربای دائمی:  آنها دارای روتور آهنربای دائمی هستند و طبق پالسهای اعمال شده به سمت استاتور دفع یا جذب می شوند.
  • موتور استپ سنکرون ترکیبی:  آنها ترکیبی از عدم تمایل متغیر و موتور پله پایدار آهنربا هستند.

جدای از این ما می توانیم موتورهای استپر را نیز بر اساس نوع سیم پیچ استاتور به عنوان یونیپولار و دو قطبی طبقه بندی کنیم .

  • Bipolar Stepper Motor:   سیم پیچ های استاتور موجود در این نوع موتور سیم مشترک ندارند. رانندگی این نوع موتور پله ای متفاوت و پیچیده است و همچنین بدون رانندگی میکروکنترلر نمی توان مدار رانندگی را به راحتی طراحی کرد.
  • موتور استرپ تک قطبی:   در این نوع موتور پله ای می توانیم از مرکز سیم کشی هر دو سیم پیچ فاز برای یک زمین مشترک یا برای یک قدرت مشترک مانند شکل زیر استفاده کنیم. این امر باعث می شود رانندگی موتورها بسیار آسان باشد ، در موتورهای استپ یونی قطبی نیز انواع مختلفی وجود دارد

استپ موتور

 

حالت های کار در استپر موتور

 

از آنجا که استاتور حالت استپر از جفت های مختلف کویل ساخته شده است ، هر جفت کوئل می تواند در روش های مختلفی هیجان زده شود ، این امر باعث می شود حالت ها در بسیاری از حالت های مختلف هدایت شوند. در زیر طبقه بندی گسترده ای وجود دارد

حالت کامل

 

در حالت تحریک مرحله ای می توان به چرخش کامل ۳۶۰ درجه با حداقل تعداد چرخش (مراحل) دست یافت. اما این منجر به عدم تحرک کمتر می شود و چرخش نیز صاف نخواهد بود. دو مرحله طبقه بندی بیشتر در مرحله تحریک کامل وجود دارد ، آنها یک مرحله پله پله و دو حالت فاز در هستند .

۱٫ یک مرحله پله یا پله پله: در این حالت فقط یک ترمینال (فاز) موتور در هر زمان معین انرژی می گیرد. این تعداد مراحل کمتر است و از این رو می تواند به چرخش کامل ۳۶۰ درجه برسد. از آنجا که تعداد مراحل کمتر است ، میزان مصرف شده توسط این روش نیز کم است. جدول زیر دنباله پله موج را برای یک موتور پله ای ۴ فاز نشان می دهد

 
گام فاز ۱ فاز ۲ فاز ۳ فاز ۴
۱ ۱ ۰ ۰ ۰
۲ ۰ ۱ ۰ ۰
۳ ۰ ۰ ۱ ۰
۴ ۰ ۰ ۰ ۱

 

۲٫ دو مرحله مرحله به مرحله: همانطور که از نام در این روش مشخص است ، دو مرحله یکی خواهد بود. دارای همان مراحل پله پله است ، اما از آنجا که دو سیم پیچ در یک زمان انرژی دارند می توانند گشتاور و سرعت بهتری را نسبت به روش قبلی فراهم کنند. اگرچه یک طرف پایین این است که این روش انرژی بیشتری را نیز مصرف می کند.

گام فاز ۱ فاز ۲ فاز ۳ فاز ۴
۱ ۱ ۱ ۰ ۰
۲ ۰ ۱ ۱ ۰
۳ ۰ ۰ ۱ ۱
۴ ۱ ۰ ۰ ۱

حالت نیم مرحله ای

 

حالت Half Step ترکیبی از حالت های یک مرحله ای و دو فاز در حالت های مختلف است. این ترکیب به ما کمک می کند تا از معایب ذکر شده در هر دو حالت بر طرف شویم.

همانطور که شاید آن را حدس زده باشید زیرا ما در حال ترکیب هر دو روش هستیم که باید ۸ مرحله را در این روش انجام دهیم تا چرخش کامل به دست آید. توالی سوئیچینگ برای یک موتور پله ۴ فاز که در زیر نشان داده شده است

گام فاز ۱ فاز ۲ فاز ۳ فاز ۴
۱ ۱ ۰ ۰ ۰
۲ ۱ ۱ ۰ ۰
۳ ۰ ۱ ۰ ۰
۴ ۰ ۱ ۱ ۰
۵ ۰ ۰ ۱ ۱
۶ ۰ ۰ ۰ ۱
۷ ۱ ۰ ۰ ۱
۸ ۱ ۰ ۰ ۰

حالت میکرو مرحله ای

 

حالت پله میکرو پیچیده از همه است ، اما دقت بسیار خوبی را در کنار گشتاور خوب و عملکرد صاف ارائه می دهد. در این روش سیم پیچ با دو موج سینوسی که از فاصله ۹۰ درجه فاصله دارند ، هیجان زده می شود. به این ترتیب می توان هر دو جهت و دامنه جریان را از طریق سیم پیچ کنترل کرد که به ما در افزایش تعداد مراحلی که موتور برای انجام یک چرخش کامل کمک می کند ، کمک می کند. میکرو پله می تواند ۲۵۶ قدم را انجام دهد تا یک چرخش کامل انجام شود ، این باعث می شود موتور سریعتر و نرم تر چرخش کند.

نحوه استفاده از موتور پله ای

 

به فرض تئوری خسته کننده ، بیایید فرض کنیم کسی به شما یک موتور پله ای را می دهد بگوید معروف ۲۸-BYJ48 و شما واقعاً کنجکاو هستید که آن را عملی کنید. تا این زمان می فهمیدید که نمی توان این موتورها را فقط با برق دادن به آنها از طریق یک چرخش چرخانید ، بنابراین چگونه این کار را انجام می دهید؟

بگذارید نگاهی بیاندازیم به این  موتور ۲۸-BYJ48 استپر .

blank

 

باشه ، بنابراین بر خلاف یک موتور DC معمولی ، این پنج سیم از همه رنگهای فانتزی بیرون آمده و چرا چنین است؟ برای درک این موضوع ابتدا باید بدانیم که پله ای که قبلاً در مورد آن صحبت کردیم چگونه است. اول از همه  موتورهای پله ای نمی چرخند ، آنها پله می روند و بنابراین به عنوان موتورهای پله نیز شناخته می شوند  . یعنی ، آنها فقط یک قدم در یک زمان حرکت می کنند. این موتورها دنباله ای از کویلهای موجود در آنها را دارند و این چرخش ها برای چرخش موتور باید با روشی خاص انرژی بخورند. هنگامی که هر سیم پیچ انرژی می شود موتور یک پله را می گیرد و دنباله ای از انرژی باعث می شود موتور قدم های پیوسته برداشته شود ، بنابراین باعث چرخش آن می شود. بگذارید نگاهی به سیم پیچهای موجود در موتور بیاندازیم تا دقیقاً بدانیم این سیم ها از کجا آمده اند.

blank

 

همانطور که می بینید موتور دارای آرایش ۵ قطبی سیم پیچ تک قطبی است . چهار سیم پیچ وجود دارد که باید در یک دنباله خاص انرژی شوند. سیمهای قرمز با + ۵ ولت تأمین می شوند و چهار سیم باقیمانده نیز برای ایجاد سیم پیچ مربوطه به زمین کشیده می شوند. ما از هر میکروکنترلر برای انرژی دادن به این کویل ها در یک دنباله خاص استفاده می کنیم و باعث می شود موتور تعداد مراحل لازم را انجام دهد. باز هم توالی بسیاری وجود دارد که می توانید از آنها استفاده کنید ، به طور معمول از یک مرحله ۴ مرحله ای استفاده می شود و برای کنترل دقیق تر می توان از یک کنترل ۸ مرحله ای نیز استفاده کرد. جدول دنباله کنترل ۴ مرحله ای در زیر نشان داده شده است.

گام سیم پیچ انرژی
مرحله ۱ الف و ب
گام ۲ ب و ج
مرحله ۳ C و D
مرحله ۴ D و A

حالا ، چرا این موتور  ۲۸-BYJ48 نامیده می شود ؟ به طور جدی!!! من نمی دانم. هیچ دلیل فنی برای نامگذاری این موتور وجود ندارد. شاید ما نباید خیلی عمیق تر به آن شیرجه بزنیم. بگذارید برخی از داده های فنی مهم به دست آمده از داده های این موتور را در تصویر زیر بررسی کنیم.

استپر موتور
داده های فنی از مجموعه داده های استپ موتور

این سرشار از اطلاعات است ، اما ما باید چند مورد مهم را بررسی کنیم تا بدانیم از کدام نوع پله ای استفاده می کنیم تا بتوانیم به طور موثر برنامه ریزی کنیم. ابتدا می دانیم که این موتور ۵ ولت استپر است زیرا سیم قرمز را با ۵ ولت انرژی می دهیم. سپس ، ما همچنین می دانیم که این یک موتور پله ای چهار فاز است زیرا چهار سیم پیچ در آن قرار دارد. اکنون ، نسبت دنده ۱:۶۴ داده می شود. این بدان معنی است که شافتی که در خارج مشاهده می کنید تنها در صورتی می تواند چرخش کامل انجام دهد که موتور داخل آن ۶۴ بار بچرخد. این امر به دلیل چرخ دنده هایی است که بین موتور و شافت خروجی متصل می شوند ، این چرخ دنده ها در افزایش گشتاور کمک می کند.

یکی دیگر از داده های مهم که باید به آن توجه کنید  Stride Angle: 5.625 ° / ۶۴ است. این بدان معنی است که موتور هنگام کار در توالی ۸ مرحله ای ، برای هر مرحله ۵٫۶۲۵ درجه حرکت می کند و برای انجام یک چرخش کامل ۶۴ مرحله (۶۴۶ * ۶۴ = ۳۶۰) طول می کشد.

محاسبه مراحل در هر انقلاب برای استپر موتور

 

این مهم است که بدانید که چگونه مراحل مربوط به هر انقلاب را برای موتور پله خود محاسبه کنید ، زیرا تنها در این صورت می توانید آن را به طور موثر برنامه ریزی و رانندگی کنید.

بیایید فرض کنیم موتور را در دنباله ۴ مرحله ای کار خواهیم کرد بنابراین زاویه استحکام ۱۱٫۲۵ درجه خواهد بود زیرا ۵٫۶۲۵ درجه (داده شده در برگه داده) برای توالی ۸ مرحله است ، آن ۱۱٫۲۵ درجه خواهد بود (۵٫۶۲۵ * ۲ = ۱۱٫۲۵).

مراحل در هر انقلاب = ۳۶۰ / زاویه مرحله 
در اینجا ، ۳۶۰ / ۱۱٫۲۵ = ۳۲ پله در هر انقلاب.

چرا ما به ماژول های راننده برای استپر موتور نیاز داریم؟

 

بیشتر  موتورهای پله ای  فقط با کمک ماژول راننده کار می کنند. این امر به این دلیل است که ماژول کنترلر (میکروکنترلر / مدار دیجیتال) قادر به تأمین جریان کافی از پین های I / O خود برای عملکرد موتور نخواهد بود. بنابراین ما از یک ماژول خارجی مانند   ماژول ULN2003 به عنوان  درایور موتور پله استفاده خواهیم کرد. انواع مختلفی از ماژول درایور وجود دارد و امتیاز آن بر اساس نوع موتور استفاده شده تغییر خواهد کرد. اصل اصلی برای همه ماژول های درایور ، منبع / غرق شدن جریان کافی برای موتور است. گذشته از آن ، ماژول های درایور نیز وجود دارند که منطق را از پیش برنامه ریزی کرده اند ، اما ما در اینجا درباره آن بحث نمی کنیم.

اگر کنجکاو هستید که می دانید چگونه می توانید موتور پله ای را با استفاده از برخی میکروکنترلرها و آی سی درایور بچرخانید ، ما مقالات بسیاری در مورد عملکرد آن را با میکروکنترلرهای مختلف پوشانده ایم

  • رابط موتور استپر با آردوینو اونو
  • رابط موتور Stepper با STM32F103C8
  • رابط موتور Stepper با میکروکنترلر PIC
  • رابط موتور Stepper با MSP430G2
  • رابط موتور استپر با ۸۰۵۱ میکروکنترلر
  • کنترل موتور Stepper با Raspberry Pi

اکنون من معتقدم که شما اطلاعات کافی برای کنترل هر موتور پله ای که برای پروژه خود نیاز دارید ، بیایید به مزایا و مضرات موتورهای استپر نگاهی بیندازیم.

مزایای استفاده از موتورهای استپر

 

یکی از مهمترین مزایای موتور پله این است که از کنترل موقعیت بسیار خوبی برخوردار است و از این رو می توان برای کاربرد کنترل دقیق استفاده کرد. همچنین گشتاور نگهداری بسیار خوبی دارد که آن را به انتخابی مناسب برای برنامه های روبوتیک می کند. همچنین در نظر گرفته می شود که موتورهای استپر دارای عمر بالاتری نسبت به موتورهای معمولی DC یا سروو موتور هستند.

مضرات استپر موتور

مانند تمام موتورهای استپ موتور نیز معایب خاص خود را دارد ، زیرا با قدم های کوچک می چرخد ​​و نمی تواند به سرعت بالایی برسد. همچنین این نیرو برای نگه داشتن گشتاور حتی در صورت ایده آل ، مصرف انرژی را نیز افزایش می دهد. 

دیدگاهتان را بنویسید

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

دکمه بازگشت به بالا