استپرموتور و درایور ها (موتورهای پله ای و درایو ها)

استپرموتور ها یا موتور های پله ای از جمله موتورهای هستند که جهت کنترل موقعیت و حرکت دقیق ساخته و مورد استفاده قرار می گیرند و به صورت پله به پله یا استپ بای استپ حرکت می کنند (و یا به عبارتی استپرموتورها زاویه مشخصی را طی می کنند). استاتور این موتورها به صورت اصطلاحاً دوفاز (2-Phase) ، سه فاز(3-Phase) و پنج فاز (5-Phase)، طراحی می شود که هرچه مقدار فاز بیشتر باشد دقت موتور بالاتر و یا به عبارتی مقدار زاویه گام یا استپ آنجل (Step Angel) کمترتر و دقیق تر است.

استاتور این موتورها به صورت آهنربای دائم (Permanent magnet) می باشد.

روتور این موتورها به صورت یک آهنربای دائم که دارای دندانه (tooth) و شیار (Slot) می باشد، طراحی شده است و البته در طراحی های گذشته، روتور استپرموتورها به صورت رلوکتانس متغیر طراحی می شدند و امروزه اکثر استپرموتورها به صورت هیبرید (Hybrid) یا ترکیبی، طراحی و ساخته می شوند که در اصل ترکیبی از روتور آهنربای دائم (permanent magnet) و روتور رلوکتانس متغیر (variable reluctance) می باشند.

Figure 1نمای برش خورده از یک استپرموتور

زاویه گام در استپرموتورها:

دوفاز1.8درجه (8^)
سه فاز 1.2درجه (2^)
پنج فاز 0.72درجه (72^)

می باشد.

عملکرد استپر موتور ها

به طور خلاصه عملکرد استپر موتور ها بدین صورت می باشد که، با اعمال يك پالس به سيم پيچ موتور ، رتور يك گام حركت خواهد كرد. ترتیب و توالي ارسال پالس (sequence) و اعمال به سيم پيچ هاي استپرموتور بايد رعايت شود تا حركت رتور بصورت گام به گام در يك جهت باشد.

Figure 2شماتیک متحرک چگونگی عملکرد استپر موتور

به جهت سادگي ساختار موتور پله اي، از مزایای این موتورها نسبت به سرو موتور می توان به قیمت مناسب و ارزان تر اشاره کرد و از معایب این موتورها به دليل نداشتن فيدبك انكودر، در كاربردهاي با سرعت پائین و متوسط ( حداكثر سرعت چرخش رتور تا حدود 500 دور بر دقیقه ) مورد استفاده قرار می گیرند.

البته ميتوان سرعت استپر موتور را بالاتر هم برد، در برخي مدل ها و سايز تا حدود 2000 دور بر دقیقه، ولی با کاهش بسیار زیاد گشتاور (Torque) تا حدی كه حتي در حالت بي باری نیز، قادر به شروع يا ادامه چرخش نباشد.

همچنین در استپرهای حلقه بسته ( یا Close-Loop) که استپرموتور دارای فیدبک (انکودر) و استپردرایو، قابليت فيدبك انكودر را دارد، عملكرد بهتري از استپر موتور قابل روئت می باشد،

از مزایای استپر های کلوزلوپ ( یا انکدر دار) می توان به:

شيب راه اندازي سريعتر
سرعت كار بالاتر
جريان مصرفي كمتر

نام برد.

می توان گفت عملکرد و اجرا در استپرهای انکدر دار و حلقه بسته نسبت به استپر موتورهای حلقه باز (Open-Loop) افزایش چشم گیری دارد و تا حدودی شبیه سرو موتور و درایو می باشد.

از قابلیت های استپر موتور و درایو های حلقه بسته (یا انکودر دار) می توان به:

امکان افزای سرعت تا 1000 دور بر دقیقه (rpm)
امکان شیب شتاب گیری سریعتر (Acceleration)
امکان پارامتر دهی و تنظیم درایو جهت کنترل مورد نیاز
تنظیم و متناسب بودن جریان موتور با بار (Load) توسط درایو که موجب کاهش جریان، خنک کار کردن موتور و نرم تر بودن حرکت در سرعتهای پائین می باشد.

(معمولاً نوع انكودري كه در استپر موتورهاي انكودردار می شود از مدل انكودر 1000 پالس با پالسهاي A, B (بدون پالس Z) مي باشد)

مدل دیگری از استپر موتور ها که ساخته و تولید می شود، استپر موتورهاي خطي Linear Stepper Motor مي باشد.

در اين مدل از استپر موتورها، چيزي بعنوان شفت ، مشابه موتورهاي معمولي وجود ندارد و در اصل تركيب استپر موتور با یک ليد اسكرو (Lead Screw) و يا بال اسكرو (Ball Screw) می باشد كه در تیپ هایی از آن، رتور نقش مهره ليد اسكرو را دارد. در این مدل ها، بال اسكرو و ليد اسكرو كه با قطرها ، گامها و طول هاي مختلفی، طراحی و تولید می شود و بصورت يكپارچه با موتور مونتاژ مي گردد. از مزایای اين مدل ها می توان به سادگي، كم حجم شدن و كوچك شدن مجموعه نهايي و حذف قطعات واسطه نسبت به طراحي و ساخت با استپرموتورهای معمولي اشاره کرد و از معایب آن نیز می توان به این اشاره کرد که در صورت آسیب دین استپرموتور چه در بخش موتور و یا اسکرو، می بایستی کل استپر خطی با یکی دقیقا مشابه همان طور موتور معیوب، تعویض شود و این عدم امکان استفاده و جایگزینی با موتورهای دیگر، سبب عدم مصرف از جانب بخشی از طراحان و سازندگان ماشین آلات می باشد.

انواع اتصال و سیم بندی، در استپر موتورها

در نظر داشته باشید که استپر موتورهای دوفاز حلقه باز، بسته به طراحی و سایز با سیم بندی های مختلفی (Leads) ارائه و تولید می شوند، اما در استپرموتورهای دو فاز حلقه بسته، استپرموتورهای سه فاز و پنچ فاز سیم بندی و تعداد سیم های خروجی موتور به یک صورت طراحی و ارائه می گردد.

در اینجا با برخی از سیم بندی های موتور آشنا می شویم.

درایو استپر های دو فاز و سه فاز (micro stepping driver)

درایوهای استپر به طور کلی به دو صورت اصطلاحا یونی پلار و بی پلار طراحی می شوند.

Unipolar & Bipolar

درایوهای بی پلار دارای چهار خروجی و یونی پلار دارای شش خروجی جهت اتصال به استپرموتور دوفاز می باشند. در درایوهای یونی پلار جهت جریان در سیم پیچهای موتور در یک جهت است و فقط عمل قطع و وصل جریان صورت می پذیرد در صورتی که در درایوهای بی پلار جهت جریان در سیم پیچهای موتور عوض (مثبت یا منفی) می شود. (البته متناسب با توالی مربوطه)

درایوهای استپر دو فاز به دو صورت بی پلار و یونی پلار ساخته می شوند ولی استپردرایو موتورهای سه فاز فقط به صورت بی پلار ساخته می شوند و فقط دارای سه خروجی جهت اتصال به استپرموتور سه فاز می باشند.

از کاربردهای استپرموتور و درایوها می توان در پروژها و ماشین آلاتی که:

نیاز به دقت توقف و مقدار حرکت

در کاربردهایی که نياز است تا هنگام توقف دقت خوب با سختی بالا (rigidity) وجود داشته باشد، استپر موتورها گزینه مناسبی می باشند.

انواع دستگاههاي تراش يا برش سی.ان.سی (CNC) كه به صورت حلقه باز open-loop كار مي كنند مانند:

دستگاههاي برش يا حكاكي ليزر (laser cutting and engraving)
برش فوم

مثال خوبی براین امر می باشند.

نیاز به استاپ و استارت مکرر و حرکت های چپگرد و راستگرد زیاد

در دستگاه ها و ماشین آلاتی که تعداد كه تعداد استاپ – استارت و یا تغییر جهت چرخش در یک زمان کاری زیاد است، مانند انواع فيدرهاي پانچ و پرس های کوچک و سبك مثل:

پانچ ورق آلمينيومی درب ليوان
فيدر ليبل در انواع ماشينهاي ليبل زن
چرخاندن تيوب و تنظيم نقطه مارك در انواع ماشين آلات پركن تيوب در صنايع آرايشي – بهداشتي و غذايي
فيدر رول پرينترهاي حرارتي يا كاربني
دستگاه چاپ طلاكوب
نیاز به کنترل حركت در سرعت هاي خيلي کم

از آنجا كه موتور های پله اي در سرعت هاي كم گشتاور بيشتري دارند لذا در كاربردهايي كه گشتاور زياد در دور كم با ثبات حركت و عدم نوسان دور نياز است از استپرموتورها استفاده می شود.