•Stepper
Motors موتورهای
پله ای
مباحث مطرح شده در پاور پوینت به همراه تصاویر
•موتور
پله ای چیست و مشخصه های اساسی آن کدامند؟
•موتور
پله ای یک موتور الکتریکی هست که ورودی الکتریکی دیجیتال را به یک حرکت مکانیکی
تبدیل می کند.
•
•این
موتور به نام موتور “رلوکتانس متغیر تک پشته ای” خوانده می شود.
•هسته
استاتور در شکل 2 دارای 6 قطب یا دندانه60 درجه می باشد.
•روتور
هم دارای 4 قطب 90 درجه می باشد.
•هر
دو هسته روتور و استاتور ار جنس فولاد نرم هستند.
•سه
دسته سیم پیچی همان طور که در شکل نشان داده شده است،
•به هر یک از این دسته سیم پیچ ها فاز می گویند.در نتیجه این ماشین یک موتور سه فاز است.
•جریان از یک منبع تغذیه DCاز طریق کلید های I III,II, تامین می شود.
•
•در وضعیت 1 سیم پیچی فاز I از طریق جریان کلید I تغذیه می شود. یا به اصطلاح فنی فاز I تحریک می شود.
•دو قطب برجسته استاتور که تحریک شده اند با دو دندانه از چهار دندانه روتور هم ردیف هستند.
•این حالت از نظر دینامیکی یک حالت تعادل است.
•هنگامیکه کلید II برای تحریک فازII علاوه بر فاز I بسته می شود، شار مغناطیسی در قطب های استاتور فاز II به حالت نشان
داده شده در وضعیت 2 به وجود می آید و گشتاوری در جهت عکس ساعتگرد به وجود می آید، از اینرو روتور سر انجام به وضعیت 3 خواهد رسید.
•روتور با یک زاویه ثابت می چرخد که زاویه پله خوانده می شود.
•
•سوییچ های الکترونیکی در درایو یک موتور پله ای به کار می رود و سیگنال های سوییچینگ توسط IC های دیجیتال یا ریز پردازنده ها تولید می شود.
•مزایای موتور پله ای:
•کم هزینه بودن آن
•ساختار ساده آن
•قابلیت اعتماد بالای آن
•عدم نیاز به نگهداری
•عدم نیاز به فید بک برای کنترل موقعیت یا سرعت
•سازگاری با تجهیزات دیجیتال مدرن
•معایب موتور پله ای:
•نیاز به زمان نسبتا زیاد برای راه اندازی
•کارایی نا مناسب در سرعت های پایین،مگر آنکه از درایو MicroStep استفاده شود.
•جریان مصرفی بالا
•تلفات حرارتی زیاد در سرعت های بالا و ایجاد تداخل در کارایی موتور
•انواع موتور های پله ای
اساسا سه نوع موتور پله ای وجود دارد:
•رلوکتانس متغیر VARIABLE RELUCTANCE
•آهنر بای دایمی PERMANENT MAGNET
•هیبرید HYBRID
تفاوت آنها بر حسب آنست که در ساختارشان از “آهنربای دایمی” یا “روتور آهنی با استاتور فولاد نرم لایه لایه” استفاده کرده باشند.
•رلوکتانس متغیر VARIABLE RELUCTANCE
•موتور V.R. از آهنربای دایمی استفاده نمی کند.
•روتور موتور می تواند بدون محدودیت گشتاور حرکت کند.
•این نوع ساختار برای کاربرد های غیر صنعتی که نیاز به گشتاور موتور با درجه بالا ندارند
•
•موتور نشان داده شده دارای چهار مجموعه استاتور پل (A,B,C) با زاویه 30 درجه می باشد.
•جریان وارد شده به پل A از طریق رشته موتور، یک جاذبه مغناطیسی ایجاد می کند که دندانه های روتور را با پل A همردیف می کند.
•نیروی استاتور پل B باعث می شود تا روتور به اندازه 30 درجه چرخش کند و همردیف با پل B شود.
•این رویه ادامه خواهد داشت تا پل C هم همردیف شود و دوباره در جهت عقربه های ساعت به پل A برگردد.
•این رویه را می توان به صورت معکوس و در جهت پاد ساعتگرد هم انجام داد.
•آهنربای دایمی PERMANENT MAGNET
•به موتور P.M. که CanStack هم گفته می شود،دارای یک روتور با آهنربای دایمی است.
•این نوع موتورها برای وسایلی با سرعت پایین،گشتاور پایین و زاویه پله بالا مانند 45 یا 90 درجه مناسب است.
•ساختار ساده و هزینه کم این نوع موتور ها آنها را برای کاربرد های غیر صنغتی به یک انتخاب ایده آل تبدیل کرده است.
•مانند پرینتر خطی
•
•شکل 5 یک موتور P.M. ساده با زاویه 90 درجه که دارای 4 فاز A,B,C,D را نشان می دهد.
•جریان وارد شده به هر فاز باعث می شود که روتور مغناطیس شده و بچرخد.
•اگر چه این موتور دارای سرعت نسبتا کمی است ولی گشتاور بالایی دارد.
•HYBRID هیبرید
•موتور های هیبرید از بهترین ویژگی های V.R. و P.M. تشکیل شده اند.
•آنها از پل های استاتور چند دندانه ای و یک روتور آهنربای دایمی ساخته شده اند.
•
•موتور هیبرید استاندارد دارای 200 دندانه است که تحت زاویه 1.8 درجه می چرخد.
•سایر موتورهای هیبرید تحت زاویه پله 0.9 و 3.6 ساخته شده اند.
•این موتورها دارای
–گشتاور استاتیک و دینامیکی بالایی هستند
–و سرعت پله بالایی دارند.
•موتورهای هیبرید به صورت گسترده در کاربردهای صنعتی مختلفی استفاده می شوند.
•سیم پیچی موتورMOTOR WINDINGS
به طور کلی دو نوع سیم پیچی موتور های پله ای وجود دارد:
•
•سیم پیچی تک رشته ای UNIFILAR
•
•سیم پیچی دو رشته ای BIFILAR
•سیم پیچی تک رشته ای UNIFILAR
•سیم پیچی تک رشته ای ،همانطور که از نامش پیداست ، در هر پل استاتور فقط دارای یک رشته سیم است.
•موتورهای پله ای با سیم پیچی UNIFILAR دارای چهار رشته سیم است.
•شکل زیر نوعی از سیم پیچی UNIFILAR را نشان می دهد:
•سیم پیچی دو رشته ایBIFILAR
•موتورهای با سیم پیچی دو رشته ای به این معنا هستند که هر پل استاتور آنها بوسیله دو رشته سیم کاملا یکسان پیچیده شده اند.
•این شکل از سیم پیچی عملیات انتقال جریان از یک سیم پیچ به دیگری را ساده می کند.
•سیم پیچی در جهت مخالف، جهت چرخش محور موتور را معکوس می کند، در حالیکه در موتورهای UNIFILAR برای تغییر جهت چرخش باید جهت جریان را تغییر دهیم.
•
•
•STEP MODES مد های پله
انواع مدهای پله عبارتند از:
•Full Step
•
•Half Step
•
•Micro Step
•Full Step
•موتور پله ای هیبرید استاندارد شامل یک روتور 200 دندانه ای و یا به بیان دیگر 200 پله کامل در هر دوران محور موتور است.
•با تقسیم 360 درجه چرخش بر 200 پله مقدار 1.8 زاویه پله کامل بدست می آید.
•در حالت کلی در این مد باید همه سیم پیچ های استاتور همزمان با هم تحریک شوند.
•Half Step
•Half Step به طور ساده به این معناست که موتور در هر دوران 400 پله چرخش می کند.
•در این مد ابتدا یکی از سیم پیچ ها تحریک می شود و سپس به طور متناوب هر دو سیم پیچ تحریک می شوند و این باعث می شود تا روتور نصف فاصله چرخش کند.( یا همان 0.9 ذرجه زاویه پله)
•در حالت Full Step نیز با 400 پله در هر دوران موتور نیز می توان حالت Half Step را به دست آورد.
•Half Step بیشتر برای کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.
•در این مد گشتاور کمتر است.
•حساسیت کمتر از حالتFull Step است.
•
•Micro Step
•Micro Step در تکنولوژی موتور های پله ای جدید استفاده می شوند، که می تواند جریان را در سیم پیچ موتور تا درجه ای کنترل کند که فاصله بین هر دو پل را به زیر فواصل دلخواه تقسیم کند.
•AMS Micro Step قابلیت چرخش تا 1/256 هر پله را دارد، بنابراین می توان تا 51’000 پله را در هر دوران ایجاد کرد.
•این مد در کاربردهایی که به موقعیت یابی های دقیق و درجه وضوح بالا در بازه های مختلفی از سرعت نیاز دارند استفاده می شود.
•ملاحظات طراحیdesign consideration
•مطابقت الکتریکی موتور و درایور مهم ترین فاکتور در طراحی سیستم موتور پله ای است.
•برخی از معیارهای اصلی در انتخاب این اجزا عبارتند از:
–اندوکتانس موتور
–ارتباط سری و موازی
–ولتاژ درایور
–سختی موتور
–گرمای موتور
•اندوکتانس Inductance
•
•موتورهای پله ای با درجات متفاوتی از اندوکتانس وجود دارد.
•
•یک موتور با اندوکتانس بالا گشتاور زیادی را تحت سرعت پایین ، و بالعکس سرعت بالایی را تحت گشتاوری پایین تامیین می کند.
•
•
•ارتباطات سری و موازی
•دو روش برای ارتباط موتور پله ای وجود دارد:
–سری
–موازی
•
•
•شکل زیر نمونه ای از منحنی سرعت/گشتاور برای یک درایور AMS و ارتباط سرعت و گشتاوررا به صورت سری و موازی نشان می دهد.
•ولتاژ درایور
••هر چه ولتاژ خروجی درایور بیشتر باشد، گشتاور و سرعت بیشتر می شود.
••عموما خروجی ولتاز درایور باید از مقدار ولتاژ موتور بیشتر باشد.
••سختی موتور
•طراحی نامناسب موتورهای پله ای آنها را به سمت سختی گرایش می دهد.
•کاهش درصد کمی از جریان به سمت موتور می تواند چرخش موتور را راحت تر کند.
•
•افزایش جریان موتور باعث سختی موتور می شود.
•
•تبادلات بین سرعت،گشتاور و رزولوشن از ملاحظات اصلی در طراحی یک موتور پله ای است.
•گرمای موتور
•موتورهای پله ای برای کار در حرارت های بالا طراحی شده اند.
•
•اما جریان بسیار زیاد باعث گرمای بیش از اندازه و در نتیجه آسیب دیدن ایزولاسیون و سیم پیچی موتور می شود.
•محصولات موتورهای پله ای AMS ریسک گرم شدن بیش از حد موتور را با تهیه یک خصیصه قابل برنامه ریزی Run/Hold جریان کاهش می دهد.
•سیستم درایو
•سیم پیچ موتورهایی که از درایورChopper Bipolar استفاده می کنند با روشن شدن یک مجموعه از Switching Transistor ها به طور کامل تحریک می شوند.
•مقاومت، افزایش جریان را تا جایی کنترل می کند که به سطح مورد نیاز برسد.
•در این لحظه Switching Transistor های بالایی باز می شوند و جریان در سیم پیچ موتور توسط سوئیچ ترانزیستورهای پایین و دیود حفظ می شود.
•با گذشت زمان ، مادامیکه موتور به وضعیت از پیش تعیین شده برسد، جریان کاهش می یابد و در این زمان پروسه پایان می یابد.
•این اثر جدا کردن منبع باعث می شود که همواره مقدار صحیحی از جریان و ولتاژ در موتور باشد.
•
•درایور R/L
•این نوع درایور با توجه به استاندارد های امروزه یک تکنولوژی قدیمی است. اما هنوز در بعضی کاربردهای با توان پایین وجود دارد.زیرا بسیار ساده و کم هزینه هستند.
•اشکال این درایور آنست که تقریبا 10 برابر مقدار جریانی که موتور برای داشتن سرعت مناسب و فعالیت مفید نیاز دارد ، مصرف می کند.
•این مساله باعث می شود که مقدار گرمای زیادی تولید شود.
•برای راه اندازی مدار از منبع تغذیه DC استفاده میشود.
••درایو های دیسک سخت
•در کامپیوترهای بزرگ انواع مختلفی از موتورها برای درایو دیسک به کار میرود
•اما برای کامپیوترهای شخصی برای طراحی فشرده تر از یک موتور DC استفاده می شود.
•ماشین های فاکس
•اصول اساسی یک ماشین فاکس در شکل 28 نشان داده شده است.
•طرح قرار داده شده روی استوانه در جهت های عمودی و چرخش اسکن می شود.
•موتورهای پله ای برای درایو استوانه و قلم به کار می رود.
و ...