استپر موتور ( Stepper Motor) چیست؟
استپر موتور وسیله ای الکترومکانیکی است که نیروی الکتریکی را به نیروی مکانیکی تبدیل می کند. همچنین، این یک موتور الکتریکی بدون جاروبک و سنکرون است که می تواند یک چرخش کامل را به تعداد زیادی پله تقسیم کند. موقعیت موتور را می توان با دقت و بدون هیچ مکانیزم بازخوردی(feedback) کنترل کرد، تا زمانی که دقت موتور پله ای مناسب پروژه باشد. موتور های پله ای مشابه موتور های رلوکتانس سوئیچینگ هستند. موتور پله‌ای از تئوری عملکرد آهن‌رباها استفاده می‌کند تا شفت موتور را با ایجاد یک پالس الکتریسیته در فاصله‌ای دقیق بچرخاند. استاتور دارای هشت قطب و روتور شش قطب است. روتور به 24 پالس الکتریکی نیاز دارد تا 24 استپ را طی کند و یک دور کامل انجام شود. روتور به ازای هر پالس الکتریکی که موتور دریافت می کند دقیقاً 15 درجه حرکت می کند.
حتما بخوانید:
چگونگی ساخت و اصول کارکرد استپر موتور:
چگونگی ساخت یک موتور پله ای نسبتاً شبیه به موتور DC است. این شامل یک آهنربای دائمی مانند روتور است که در وسط قرار دارد و با وارد شدن نیرو به آن می چرخد. استاتور یک سیم پیچ مغناطیسی است که در سراسر قسمت ثابت موتور پیچیده شده است. استاتور نزدیک به روتور قرار گرفته است تا میدان های مغناطیسی درون استاتورها بتوانند حرکت روتور را کنترل کنند.
استپر موتور را می توان با پالس الکتریکی به هر استاتور یک به یک کنترل کرد. بنابراین استاتور مغناطیسی می شود و مانند یک قطب الکترومغناطیسی عمل می کند که از انرژی دافعه روی روتور برای حرکت به جلو استفاده می کند.
اصول کار موتور پله ای , الکترو مغناطیس است. این شامل یک روتور است که با آهنربای دائمی ساخته شده است در حالی که یک استاتور با آهنرباهای الکتریکی است. هنگامی که منبع تغذیه به سیم پیچ استاتور متصل می شود، میدان مغناطیسی در داخل استاتور ایجاد می شود. اکنون روتور در موتور با میدان مغناطیسی دوار استاتور شروع به حرکت می کند. بنابراین این اصل اساسی کار این موتور است.
در این موتور یک آهن نرم وجود دارد که از طریق استاتور های الکترومغناطیسی محصور شده است. قطب های استاتور و همچنین روتور به نوع استپر بستگی ندارند. هنگامی که استاتورهای این موتور به منبع متصل می شوند، روتور می چرخد تا خود را با استاتور هماهنگ کند، در غیر این صورت کمترین فاصله را از طریق استاتور خواهد داشت. به این ترتیب استاتورها بصورت سری فعال میشوند تا استپر موتور را بچرخانند.
حتما بخوانید:
موتور برق چیست؟ انواع و کاربرد
روش های راه اندازی استپر موتور
روش های راه اندازی موتور پله‌ای به دلیل طراحی پیچیده‌ای که دارند، می‌توانند با برخی مدارهای خاص امکان‌پذیر باشند. تکنیک‌های مختلفی برای راه اندازی این موتور وجود دارد که در زیر به برخی از آنها پرداخته میشود.
حالت یک تحریک:
روش اصلی راه اندازی موتور پله ای حالت یک تحریک است. این یک روش قدیمی است و در حال حاضر زیاد استفاده نمی شود، اما باید در مورد این تکنیک بدانید. در این تکنیک هر فاز در استاتور در کنار یکدیگر به طور متناوب با مدار خاصی راه اندازی می شود. این کار استاتور را مغناطیسی و غیر مغناطیسی می کند تا روتور به جلو حرکت کند.
راه اندازی تمام استپ:
در این روش, دو استاتور در یک زمان به جای دیگری در یک دوره زمانی بسیار کوتاه به منبع متصل می شوند. این روش منجر به گشتاور بالا می شود و به موتور اجازه می دهد تا بار زیاد را راه اندازی کند.
راه اندازی به صورت نیم استپ:
این روش, به روش راه اندازی مرحله استپ کامل مربوط می شود زیرا دو استاتور در کنار یکدیگر قرار می گیرند به طوری که ابتدا به منبع متصل می شود در حالی که استاتور سوم بعد از آن به منبع متصل می شود. این نوع سیکل برای سوئیچ کردن دو استاتور ابتدا و بعد از آن سومین استاتور, موتور را به حرکت در می آورد. این تکنیک منجر به بهبود رزولوشن کاری موتور پله ای و کاهش گشتاور می شود.
راه اندازی به صورت میکرو استپ:
این روش به دلیل دقت آن بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. جریان پله متغیر توسط مدار راه انداز موتور پله ای به سیم پیچ های استاتور در قالب یک شکل موج سینوسی تامین می شود. دقت هر مرحله را می توان با این جریان گام کوچک افزایش داد. این تکنیک به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد زیرا دقت بالایی را ارائه می دهد و همچنین نویز هنگام کار را تا حد زیادی کاهش می دهد.
مدار استپر موتور و نحوه کار آن
تفاوت استپر موتور با موتور DC:
موتورهای پله ای متفاوت از موتور های با جاروبک DC عمل می کنند که با اعمال ولتاژ به آنها کار می کنند. از طرف دیگر موتور های پله ای به طور موثر دارای آهنرباهای الکترومغناطیس دندانه دار متعددی هستند که در اطراف یک قطعه آهنی چرخ دنده ای شکل مرکزی قرار گرفته اند. علاوه براینها الکترومغناطیس توسط یک مدار کنترل خارجی به عنوان مثال یک میکروکنترلر تغذیه می شود.
عوامل گردش روتور استپر موتور:
برای چرخاندن شفت موتور از طریق الکترومغناطیس نیرو داده می شود. اینکار باعث می شود دندانه های چرخ دنده به صورت مغناطیسی به دندانه های آهنربای الکتریکی جذب شوند. در نقطه ای که دندانه های چرخ دنده به این ترتیب با آهنربای الکترومغناطیسی اول تراز می شوند کمی نسبت به آهنربای الکتریکی بعدی فاصله دارند. بنابراین هنگامی که آهنربای الکتریکی بعدی تغذیه می شود و اتصال اولی قطع می شود چرخ دنده کمی می چرخد تا با آهنربای بعدی هماهنگ شود و از آنجا این روند تکرار می شود. هر یک از آن چرخش های جزئی را یک پله می نامند که تعداد صحیحی از مراحل یک چرخش کامل را ایجاد می کند.
چرا استپر موتور به صورت پیوسته کار نمی کند؟
با توجه به آنچه ذکر شد می توان موتور را با یک کنترلر با دقت بالا راه اندازی کرد. استپر موتور به طور پیوسته نمی چرخد بلکه به صورت پله ای اینکار را انجام میدهد. 4 سیم پیچ با زاویه 90 درجه روی استاتور قرار گرفته است. اتصالات استپر موتور با نحوه اتصال سیم پیچ ها به یکدیگر تعیین می شود. در موتور پله ای، سیم پیچ ها متصل نیستند. موتور دارای یک مرحله چرخش 90 درجه است که سیم پیچ ها به ترتیب سیکل، به منبع متصل شده و جهت چرخش شفت را تعیین می کنند.
عملکرد این موتور با استفاده از سوئیچ نشان داده می شود. کویل ها به صورت سری در فواصل 1 ثانیه ای فعال می شوند. شفت هر بار که سیم پیچ بعدی فعال می شود 90 درجه می چرخد. گشتاور سرعت کم آن، بطور مستقیم با جریان تغییر می کند.
انواع استپر موتور
سه نوع اصلی استپر موتور وجود دارد که عبارتند از:
- آهنربای دائمی
- سنکرون هیبریدی
- رلوکتانس متغیر
موتور پله ای با آهنربای دائمی
موتور های آهنربای دائم از یک آهنربای دائمی (PM) در روتور استفاده می کنند و بر روی جاذبه یا دافعه بین PM روتور و آهنربا های الکتریکی استاتور عمل می کنند.
این رایج ترین نوع استپر موتور در مقایسه با انواع مختلف استپر موتور موجود در بازار است. این موتور شامل آهنربا های دائمی در ساخت موتور می باشد. این نوع موتور همچنین به عنوان موتور can-stack شناخته می شود. مزیت اصلی این استپر موتور هزینه ساخت کمتر است. برای هر چرخش، 48-24 استپ دارد.
موتور پله ای رلوکتانس متغیر
موتور های رلوکتانس متغیر (VR) دارای یک روتور آهنی ساده هستند 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. همانطور که از نام آن پیداست موقعیت زاویه‌ای روتور عمدتاً به عدم تمایل مدار مغناطیسی بستگی دارد که می‌تواند در بین دندانه های استاتور و همچنین روتور ایجاد شود.
موتور پله ای سنکرون هیبریدی
موتور های پله ای هیبریدی به این دلیل نامگذاری شده اند که از ترکیبی از آهنربای دائمی (PM) و رلوکتانس متغیر (VR) برای دستیابی به حداکثر قدرت در اندازه های کوچک استفاده می کنند.
محبوب ترین نوع موتور، موتور پله ای هیبریدی است زیرا در مقایسه با روتور آهنربای دائمی از نظر سرعت، رزولوشن پله و گشتاور نگهدارنده عملکرد خوبی دارد. اما این نوع استپر موتور در مقایسه با موتور های پله ای آهنربای دائم گران است. این موتور ویژگی های هر دو موتور پله ای آهنربای دائم و رلوکتانس متغیر را به صورت تلفیقی دارد. این موتورها در مواردی استفاده می شوند که به زاویه پله کمتری مانند 1.5، 1.8 و 2.5 درجه نیاز است.
چگونه یک استپر موتور انتخاب کنیم؟
قبل از انتخاب یک موتور پله ای برای نیاز خود، بررسی منحنی گشتاور – سرعت موتور بسیار مهم است. بنابراین این اطلاعات از طرف طراح موتور ارائه می شود و نماد گرافیکی گشتاور موتور در سرعت مشخص است. منحنی گشتاور – سرعت موتور باید کاملاً با کاربرد مورد نیاز، مطابقت داشته باشد. در غیر این صورت، عملکرد مورد انتظار سیستم را نمی توان به دست آورد.
حتما بخوانید: هیدروموتور (موتور هیدرولیک) چیست؟
تفاوت بین استپر موتور و سروو موتور
سروو موتور ها برای کاربرد های با گشتاور و سرعت بالا مناسب هستند در حالی که موتور پله‌ای ارزان‌تر است. بنابراین در مواردی استفاده میشوند که گشتاور نگهدارنده بالا، با شتاب کم تا متوسط، انعطاف‌پذیری در عملیات حلقه باز یا حلقه بسته مورد نیاز است. تفاوت بین استپر موتور و سروو موتور شامل موارد زیر است.
مطلب مرتبط:
سروو موتور چیست؟ مزایا و معایب
روش های مختلف راه اندازی الکتروموتور
تفاوت استپر موتور در برابر موتور DC
هر دو موتور پله ای و dc در کاربرد های صنعتی مختلف استفاده می شوند اما تفاوت های اصلی بین آنها وجود دارد. در اینجا ما برخی از ویژگی های مشترک بین این دو طرح را فهرست می کنیم. هر مشخصه در زیر مورد بحث قرار گرفته است.
حتما بخوانید: انتخاب موتور القایی مناسب برای کاربرد های صنعتی
مزایای استپ موتور:
از مزایای موتور پله ای می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ساختار ساده
- می تواند در یک سیستم کنترل حلقه باز کار کند
- هزینه تعمیر و نگهداری کم
- در هر شرایطی کار می کند.
- قابلیت اطمینان بالا
- زاویه چرخش موتور متناسب با پالس ورودی است.
- موتور در حالت سکون دارای گشتاور کامل است.
- موقعیت یابی دقیق و تکرارپذیری حرکت زیرا موتورهای پله ای خوب دقت 3 تا 5 درصد یک پله را دارند.
- واکنش عالی به شروع، توقف و معکوس کردن.
- بسیار قابل اعتماد زیرا هیچ جاروبکی در موتور وجود ندارد. بنابراین عمر موتور صرفاً به عمر بلبرینگ بستگی دارد.
- پاسخ موتور به پالس‌های ورودی دیجیتال، امکان کنترل به صورت حلقه باز را فراهم می‌کند و کنترل موتور را ساده‌تر و کم هزینه تر می‌کند.
- دستیابی به سرعت بسیار پایین سنکرون با باری که مستقیماً به شفت کوپل شده است امکان پذیر است.
- طیف وسیعی از سرعت ها را دارد زیرا سرعت متناسب با فرکانس پالس‌های ورودی است.
معایب استپ موتور:
از معایب استپر موتور می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- راندمان پایین
- گشتاور موتور به سرعت بستگی دارد و با سرعت زیاد کاهش می یابد.
- دقت پایین
- بازخوردی برای مشخص کردن استپ های از دست رفته احتمالی را ندارد.
- گشتاور کم به نسبت اینرسی
- به شدت پر سر و صدا
- اگر موتور به درستی کنترل نشود، ممکن است تشدید ایجاد شود.
- این موتوربرای کار در سرعت های خیلی بالا مناسب نیست.
- نیازمند مدار کنترل
- در مقایسه با موتورهای DC، جریان بیشتری مصرف می کند.
کاربرد استپ موتور
از کاربرد های استپر موتور می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- ماشین های صنعتی: موتورهای پله‌ای در تجهیزات تولید اتوماتیک ماشین ابزار استفاده میشوند.
- امنیت: محصولات نظارتی جدید برای صنعت امنیت.
- پزشکی: موتورهای پله‌ای در داخل اسکنرهای پزشکی، نمونه بردارها و همچنین در داخل عکاسی دیجیتال دندانپزشکی، پمپ‌های مایع، ماسک‌ها و ماشین‌های آنالیز خون استفاده میشوند.
- لوازم الکترونیکی: موتورهای پله ای در دوربین ها برای فوکوس و زوم دوربین دیجیتال خودکار و…
حتما بخوانید: اتوماسیون صنعتی چیست؟
گروه صنعتی سپیانی با بهره گیری از تجارت و مهارت مهندسین مجرب در زمینه ی اتوماسیون صنعتی ، آماده ی ارائه ی مشاوره در زمینه های ابزار دقیق، تجهیزات و ابزارآلات صنعتی از جمله استپر موتور میباشد. جهت اطلاعات بیشتر میتوانید با ما در ارتباط باشید.
