موتور پله ای

موتور پله ای یکی از انواع موتورهای الکتریکی است. در این مقاله ساختمان و طرز کار موتور پله ای بررسی شده است.

موتور پله ای

نوک انگشت خود را بالا بگیرید و بر روی نوک بینی خود بگذارید. مشکل نبود! همین کار را با چشمان بسته انجام دهید و هنوز هم ساده است: شما هرگز سوتی نمی دهید. حتی برای آدمهای ناشی همچون من، مغز به طور کامل کنترل اندامها را انجام می دهد. در قهرمانها، هنرمندان، رقاص های باله و جراح ها کنترل به معنای دقت مطلق است.حالا تصور کنید که می خواهید یک ربات را با همان درجه از خوبی با استفاده چرخ دنده ها، چرخها و اهرمها برای انجام کارهایی همانند آنچه استخوانها و عضلات انجام می دهند، بسازید. این سفارش و کار خیلی سخت تری است، که نشان می دهد بدن انسان بسیار پر ابهت و کامل است. یکی از مشکلات بزرگ برای اینکه روبوتها به خوبی عمل بکنند این است که موتورهای الکتریکی ساده قادر نیستند خیلی دقیق حرکت کنند. به همین دلیل است که موتورهای متعارف در روبوتها با موتورهایی که اصطلاحا پله ای نامیده می شوند جابجا شده اند. (یا گهگاه استپ موتور نامیده می شوند)، این موتورها می توانند به صورت مرحله ای (پله ای) با زوایایی که به دقت تعریف شده است و تحت کنترل الکترونیکی دقیق بچرخند. آنها چه چیزی هستند و چگونه کار می کنند؟ اجازه بدهید از نزدیکتر بررسی کنیم.

 موتور پله ای DC

عکس: یک جفت از موتورهای پله ای DC نوعی از یک پرینتر جوهری قدیمی. همانطور که می دانیم؟ چندین سر سیم مختلف از موتور بیرون آمده است (بر خلاف یک موتور DC ساده که فقط دو سیم خروجی دارد). روش دیگر برای شناسایی استپر موتور این است که اگر شما آن را نزدیک گوش خود نگه دارید و محور آن را با انگشتان خود بچرخانید. شما باید گذر از پله ها را شنیده و یا حس کنید، یک چیزی شبیه به صدا و ضربه پیچاندن ساعت مچی.

 الکتروموتورهای معمولی چه مشکلی دارند؟

یک الکتروموتور معمولی بر اساس علم فیزیک مغناطیس شامل یک تکه آهنربا می باشد که همه ما در مدرسه آموخته ایم در آن قطبهای غیر همنام همدیگر را جذب می کنند و قطبهای همسان همدیگر را دفع می کنند. موتورهای اولیه بر همین اساس کار می کنند. شما یک آهنربای حلقه شکل را بر می دارید، و یک کلاف سیم پیچ را داخل آن قرار می دهید، و برق را از داخل سیم پیچی عبور می دهید. سیم پیچی با عبور جریان برق به یک آهنربای موقتی تبدیل می شود- به عبارت دیگریک الکترومغناطیس – و میدان مغناطیسی که سیم پیچ ایجاد کرده میدان مغاطیسی حاصل از آهنربای دائم احاطه کننده را دفع می کند. با کلید زنی جریان و قطع و وصل آن بوسیله تجهیزی که کموتاتور نامیده می شود، و اتصالات الکتریکی که جاروبکها هستند، شما می توانید سیم را در یک جهت نامشخص بصورت پیوسته بچرخانید. برق (انرژی برق) را به داخل آن تزریق کرده و حرکت (انرژی مکانیکی) را دریافت می کنید. این اساس و ماهیت یک موتورDCاست که از جریان DC (مستقیم) تغذیه می کند. اگر نمی دانید این موتور چگونه کار می کند، می توانید مقاله ما عنوان الکتروموتور چیست را مطالعه کنید.

موتور ماشین چمن زنی

عکس: موتور الکتریکی قدرتمند از یک ماشین چمن زنی قدیمی باز شده است. شیارهای قرار گرفته در جلوی آن بخشی از کموتاتور هستند، یک تجهیز ابتکاری و هوشمندانه است که جریان برق را معکوس کرده و باعث می شود روتور (قسمت گردنده موتور) در یک جهت مشخص و ثابت بچرخد.

 ما همچنین می توانیم موتورهایی بسازیم که با استفاده از برق AC (جریان متناوب) به جای DC کار کند. اگر چه طراحی مهندسی این موتورها از اساس به روش متفاوتی است. اما شباهتهیی نیز با موتورهای DC معمولی دارند. جریان در سیم پیچهای استاتور جاری می شود و باعث ایجاد یک میدان دوار می گردد این میدان باعث القایی یک ولتاژ داخل روتور می شود که از هم کنش میدان دوار روتور و استاتور قسمت متحرک (روتور) شروع به چرخش می کند. به این نوع از موتورها اصطلاحا موتور القایی می گویند. برای اطلاع بیشتر مقاله وبسایت ما با عنوان "موتورالقایی چگونه کار می کند" را مطالعه بفرمایید.

خواه الکتروموتور با برق DC و یا برق AC تغذیه شود. موتورهایی متعارف معمول عضلات الکتریکی پنهان هستند که به زندگی مدرن توان می دهند، شما آنها را در همه نوع ابزار و وسایل مکانیکی در دنیای اطراف خود می بینید. از مخلوط کن غذا و یخچالها بگیر تا جاروبرقی و قطارهای برقی. اما در تمامی این ماشینها، روتور موتور آنها به طور پیوسته می چرخد. وقتی که شما فرش را جاروبرقی می کشید یا خودتان را با مترو به محل کارتان می رسانید، با یک سرعتی موتور می چرخد: هیچ کنترل دقیقی بر روی سرعت و زمان گردش آن و زوایای که طی می کند وجود ندارد – و واقعا مساله هم این نیست.

 ربات سخنگو

عکس: روبات سخنگو: یک ربات مهیج که دارای صورت است و حالتهای مختلف را نشان می دهد. قطعات مختلف بوسیله استپر موتور کار می کنند، و بطور دقیق با مدارات الکترونیکی کنترل می شوند.

حالا فرض کنید که شما می خواهید یک بازوی رباتیک برقی بسازید به گونه ای که کاملا در زاویه درست بگردد (یک عدد صحیح بر حسب درجه) به گونه ای که بتواند با موفقیت یک فنجان قهوه را بر روی میز قرار دهد. شما می توانید یک موتور الکتریکی را بر روی اهرم چوبی یا پلاستیکی بگنجانید و هنگامی که برق را وصل می کنید بچرخد. و برق را بصورت ضربه ای و خیلی خلاصه قطع کنید به گونه ای که بازو در مسیر خود زاویه مشخصی را طی کرده و سپس متوقف شود. مشکلی که وجود دارد، هیچ راهی وجود ندارد که بدانیم موتور یا بازوی روباتیک چند درجه خواهد چرخید، این مورد بستگی به هر چیزی از قبیل توان موتور و جریان الکتریکی محرک آن تا وزن بازوی رباتیک و حتی اینکه باد در چه جهتی می وزد دارد. یک موتور که اینچنین خودسرانه حرکت می کند قطعا به کار ربات نمی آید: قهوه شما قطعا در نهایت بر روی زمین خواهد ریخت! اینجا جایی است که استپر موتور وارد می شود: نوع خاصی از یک موتور DC به گونه ای طراحی شده است که شما می توانید در زوایای مختلف مورد نظر خودتان بچرخانید، در مقایسه با موتورهای معمولی که به مقدار تصادفی می چرخند.

استپر موتور واقعا چیست؟

فلسفه پله های موتور پله ای

عکس: فلسفه پله ها: ما فکر می کنیم که پله ها راهی برای بالا رفتن از ارتفاع هستند، علاوه بر آن، همچنین روشی برای شکستن یک فاصله ثابت به اجزای کوچکتر مساوی است به گونه ای که کنترل بیشتری بر روی حرکت خود داشته باشیم. می توانیم موتور معمولی را به عنوان اندازه فاصله متغیر، مبهم و آنالوگ در نظر بگیریم در مقایسه با قطعات دیجیتال، مشخص و منفرد که موتور پله ای است.

موتورهای پله ای با موتورهای DC معمولی تفاوت دارند چهار تفاوت اصلی عبارتند از:

اولین تفاوت بین آنها که باید مورد توجه شما قرار گیرد این است که آنها هیچ جاروبک یا کموتاتوری ندارند (کموتاتور همان بخش از روتور موتور dc است که جریان برق را معکوس می کند و باعث می شود جهت دوران روتور در یک جهت ثابت باقی بماند). به عبارت دیگر، موتورهای پله ای مثالی از موتورهای هستند که ما بدون جاروبک می گوییم. (شما همچنین موتورهای بدون جاروبک را در خیلی از خودروهای برقی ببینید و برخی از آنها در توپی چرخ دوچرخه های برقی قرار می گیرد که هاب موتور نامیده می شوند.)

دومین تفاوت مهم در گردش آنها است. همان طور که می دانید در یک موتور DC متعارف در محیط خارجی آهنربای دائم یا سیم پیچی تحریک قرار گرفته است که ساکن بوده و استاتور نامیده می شوند و یک سری سیم پیچ در داخل آن قرار گرفته که می چرخند و روتور را تشکیل می دهند. در هاب موتور بدون جاروبک، پیچکهای سیم پیچی در مرکز موتور ساکن هستند و آهنربای دائم گرداگرد آن در محیط بیرونی می چرخد. موتور پله ای باز هم نسبت به اینها متفاوت است. در موتور پله ای آهنربای دائمی در داخل قرار گرفته و می چرخد (که روتور را تشکیل می دهد)، در حالیکه بوبینهای سیم پیچی در بیرون آنها قرار دارد (استاتور را تشکیل می دهند)

سومین اختلاف عمده بین موتورهای DC معمولی و یک موتور پله ای در طراحی استاتور و روتور است. به جای یک مگنت بزرگ که در موتور DC بر روی محیط خارجی قرار می گیرد(در استاتور) و یک تعداد بوبین بزرگ که در داخل آن می گردند (روتور)، یک موتور پله ای دارای یک مگنت ( آهنربا) درونی است که به طور موثر به بخش های جداگانه تقسیم می شود که به دندانه های روی یک چرخ دنده شباهت دارند. کویل های بیرونی دارای دندانه های مشابهی هستند که باعث ایجاد تکانه مغناطیسی، جذب، دفع وباعث چرخش داندانه های چرخ داخلی با گام های کوچک می شوند. زمانی که شما تصاویر را ادامه می بینید موضوع مشخص و واضح می گردد.

 تفاوت نهایی این است که یک موتور پله می تواند در موقعیت خاصی باقی بماند، مقدار مشخصی بچرخد و سپس ساکن باقی بماند. این مشخصه مهم است که اگر بخواهید یک موتور را به چیزی مانند بازوی ربات متصل کنید، که ممکن است یک مقدار مشخصی بچرخد و سپس درآن نقطه مشخص باقی بماند، در حالی که بخش دیگری از روبات کار دیگری انجام می دهد. گاهی اوقات این ویژگی را گشتاور نگه دارنده یا نگه داشتن گشتاور می نامند (گشتاور نیروی چرخشی است که توسط الکتروموتور تولید می شود، بنابراین "نگه داشتن گشتاور" به معنای توانایی موتور پله ای برای ساکن ماندن است)

یک موتور پله ای چگونه کار می کند ؟

ساختمان اساسی موتور پله ای

من قصد دارم ایده اولیه موتورهای پله ای را مختصرا و ساده تر توضیح دهم: (درون) روتور یک موتور پله ای با گام های کوچک و مجزا میچرخد، زیرا (خارج) استاتور ضربه های مغناطیسی اعمال می کند که باعث می شود در محیط استاتور روتور را رانده و یا جذب کند و باعث گردش آن در محیط دایروی شکل می گردد.

مشابه سازی موتور پله ای با دستهای رنگ شدهعکس: یک روتور موتور پله از دو دیسک به هم متصل شده است، بنابراین ما یک سری قطب های متناوب شمال و جنوب را می گیریم. من این ایده را با رنگ کردن دستهایم و قرار دادن آنها بر روی یکدیگر، شبیه سازی کردم، بنابراین انگشتان زمانی که از بالا مشاهده می شوند، جایگزین می شوند.

روتور

 روتور خودش از دو دیسک ساخته شده است، تا حدودی مانند چرخ دنده ها، یکی از آنها یک قطب شمال مغناطیسی (قرمز) و دیگری قطب جنوب (آبی) است. هنگامیکه دو دیسک را پشت به پشت قرار می دهیم، دندانه های قطب شمال و جنوب را در اطراف لبه متناوب می کنیم. تصویربالا را ببینید، تصور کنید دست چپ شما یک قطب شمال مغناطیسی با رنگ قرمزاست، در حالی که دست راست شما یک قطب جنوب مغناطیسی و آبی رنگ است. اگر یک دست را بر روی دیگر قرار دهید، انگشتان یک دست را بصورت یک در میان با انگشت های دست دیگر قرار دهید، سپس به پایین نگاه کنید، قطب شمال و جنوب را بصورت دندانه های متناوب در اطراف لبه خواهید دید. این چیزی است که ما در روتور یک موتور پله ای داریم.

استاتور

در بیرون روتور، ما استاتور را داریم: در این مثال، چهار الکترومغناطیس وجود دارد که می توانند به صورت جداگانه روشن و خاموش شوند. به طور کلی، الکترومغناطیس ها ( آهنرباهای الکتریکی ) در یک موتور پله ای بصورت جفت جفت کار می کنند، هر جفت مغناطیسی متضاد با هم، به هم متصل می شوند تا همزمان یک قطب شمال ایجاد کنند، به دنبال آن آهنرباهای با زاویه ی قائمه می آیند، بطوری که باز هم با یکدیگر کار می کنند. من ترجیح می دهم آن رابه روشی متفاوت تر، که فکر می کنم ساده تر وقابل فهم تر است ترسیم کنم. دقیقا روشن شدن آن، به تعداد دندانه های روتور (مراحل) و تعداد سیم پیچ های الکترومغناطیسی که در اطراف آن وجود دارد، بستگی دارد: هندسه و تراز یک موتور پله ای باید درست باشد تا باعث چرخش روتور شود.

 چگونگی عملکرد موتور پله ای

 موتور پله ای چگونه می چرخد

به حالتهای مختلف موتور که در شکل با عدد مشخص شده است دقت کنید و در هر مرحله به توضیحات مربوط به آن مرحله مراجعه کنید.

1- آهنربای الکتریکی سمت راست برق دار شده و به یک قطب شمال تبدیل می شود (قرمز) و آهنربای الکتریکی سمت چپ تبدیل به قطب جنوب (آبی) می شود. این کشش های اطراف روتور باعث می شود که روتور در یک مرحله بچرخد تا دندانه آبی روی روتور به سمت الکترومغناطیس راست استاتور جذب شود و دندانه قرمز به سمت الکترو مغناطیس سمت چپ استاتور جذب شود.

2- اکنون آهنربای پایینی به یک قطب شمال تبدیل می شود، آهنربای بالا یک قطب جنوب می شود و دو آهنربای افقی غیرفعال می شوند. مجددا دندانه های روتور با یک گام به یک طرف کشیده می شوند.

3- آهنرباهای عمودی در حال حاضر غیرفعال می شوند و آهنرباهای افقی دوباره فعال می شوند، اما با قطب مخالف (الگوی مغناطیسی) که قبلا داشتند. دندانه های روتور با یک گام دیگر پیش می روند.

4- در نهایت، آهنرباهای عمودی دوباره فعال می شوند، با قطبیت مخالف نسبت به قبل، و آهنرباهای افقی غیرفعال می شوند. روتور طبق معمول یک گام دیگر می چرخد و این چرخه دوباره تکرار می شود.

به یاد داشته باشید که یک موتور پله ای واقعا به منظور اینکه مدام به دور خودش بچرخد طراحی نشده است. با ارسال چندین یا چند پالس به الکترومغناطیس استاتور که در بیرون قرار دارد در صورت لزوم، ما می توانیم روتور را به تعداد گام مشخصی بچرخانیم (و به همین ترتیب توسط یک زاویه دقیق) ما می توانیم با معکوس کردن جریان الکتریکی آن را در جهت مخالف بچرخانیم.

انواع موتورهای پله ای

این فقط یک مرور ساده از موتورهای پله ای است و من جزئیات بیشتری در مورد تمام انواع مختلفی که شما پیدا می کنید را نخواهم داد. بعضی از اصطلاحات فنی درباره موتورهای پله ای، که دانستن آنها ارزش ویژه ای دارد اغلب در ادبیات (و در صفحات وب) وجود دارد. هیچگونه توضیحی در مورد آنها داده نشده است.

قطبها

موتوری که من در اینجا نشان داده ام یک آهنربای چرخان دارد که به تعداد زیادی قطب شمال و جنوب متناوب تقسیم شده است، بنابراین این طراحی به عنوان یک موتور چند قطبی شناخته شده است. قطب بیشتر، سبب می شود برای چرخیدن موتور در هر گام فاصله کوتاهتر شود و می توان با دقت بیشتری آن را کنترل کرد.

فازها

در یک موتور، "فاز" معمولا به معنی یک یا دو آهنربای الکتریکی متضاد است که به صورت متناوب عمل می کنند ( بدون هماهنگی با یکدیگر یا خارج از فاز یا مرحله، اگر شما ترجیح می دهید). موتوري که در بالا نشان داده ایم دو فاز دارد،(دو جفت آهنربا، به طبع چهار قطب الکترومغناطيسي در مجموع، که با زاویه 90 درجه نسبت به هم قرار دارند). در یک موتورپله ای سه فاز، شما ممکن است سه آهنربا را در زاویه 120 درجه نسبت به هم قرار دهید (به همین ترتیب سه آهنربای جداگانه، اگرچه یک موتور سه فاز نیز می تواند دارای سه جفت آهنربا باشد که فاصله قطب های آن از هم 60 درجه باشد). یک موتور چهار فاز دارای هشت قطب الکترومغناطیسی است که در چهار جفت قرار گرفته اند و زاویه آنها نسبت به هم 45 درجه است.

ساختمان یک موتور پله ای

 عکس ها: در داخل یک دو فاز ، موتور پله ای می تواند پشته شود ( سر هم شود ): همه موتورهای پله ای که دیده اید دقیقا مانند تصاویر و تصاویر متحرک من در بالا عمل نمی کنند. این یک نمونه از یک آهنربای دائمی است، موتور پله، که در آن قطعات در لایه هایی چیده شده اند، می تواند پشته شود ( سر هم شود ). در اولین عکس، می توانید ببینید چه اتفاقی افتاده است. در عکس دوم، من تمام قطعات را برداشته ام و آنها را به ترتیب چیده ام. آنها عبارتند از: 1) درپوش بالایی استاتور و دندان های بیرونی. 2) روتور (یک آهنربای دائمی چند قطبی ثابت به یک شفت در حال چرخش)؛ 3) سیم پیچ بالا 4) دندان های استاتور داخلی؛ 5) سیم پیچ پایین؛ 6) درپوش و دندانه های پایینی استاتور. این موتور مشابه با موتوری که در بالا توضیح دادم کار می کند، به جز اینکه دندان ها ثابت (بخشی از استاتور) هستند، در حالی که یک آهنربای دائمی ( ساخته شده از چند قطب) در داخل آنها می چرخد و شفت موتور را بدین صورت می چرخاند.

 مزایا و معایب موتورهای پله ای

 

عکس: داخل یک چاپگر جوهر افشان، یک کاربرد بسیار رایج موتورهای پله ای است. شما می توانید دو موتور پله ای را اینجا ببینید: در قسمت بالا یکی کارتریج جوهر را حرکت می دهد و با چرخاندن تسمه سیاه و قهوه ای از سمت چپ به راست چاپ می کند، در حالی که در پایین دیگری چرخ دنده های سفید را می چرخاند، که غلطک های کاغذ را می چرخاند و تغذیه کاغذ را از طریق آن انجام می دهد.

کاربرد موتور پله ای در پرینتر

 دلیل استفاده از یک موتور پله ای، دستیابی به کنترل دقیق است: شما می توانید آن را در یک زاویه تعریف شده حرکت دهید. اما اشکالات زیادی نیز وجود دارد. موتورهای پله ای گاهی اوقات می توانند کاملا نامنظم باشند، زیرا هر گام را با یک ضربه ناگهانی شروع و یا متوقف می کنند، اگرشما برای ساخت یک ماشین دقیق تلاش می کنید چیزی که شما همیشه می خواهید نیست. یک جایگزین برای استفاده از یک موتور پله ای، استفاده از یک موتور سروو است: یک موتور که با مکانیسم بازخورد ( فید بک ) ساخته شده است. به طور معمول، یک موتور سروو چیزی است که یک انکودر نوری به روتور آن متصل است. به انگلیسی ساده، این یک دیسک الگوی سیاه و سفید است که در مقابل چیزی شبیه یک سلول فوتوالکتریک حرکت می کند. همانطور که دیسک روشن می شود، سلول نوری الگوی سیاه و سفید را تشخیص می دهد و مدار الکتریکی بیرون از این نشان می دهد که دقیقا دیسک چقدر چرخانده شده است. با استفاده از این بازخورد، موتور را می توان نرمتر (و به طور معمول خیلی دقیق تر) از یک موتور پله ای ساده کنترل کرد. موتورهای سروو در طراحي بسيار پيچيده تر از موتورهاي پله اي هستند و گرانتر هستند، به همین دلیل در هر جا که امکان داشته باشد استپرها اغلب به جای آن استفاده می شود.

چه کسی موتور پله ای را اختراع کرد؟

 در یک ثبت اختراع دو گانه Frank W. Wood در سالهای 1912 و 1918 این موتور را ثبت کرده است. در اینجا، در سال 1918 طراحی شده (که به طور رسمی در تاریخ 7 مارس 1922 ثبت شده است) با عنوان "هنر تولید حرکت های گام به گام" که یک حلقه بیرونی از پنج آهن ربا (که در ترکیب های مختلف برقدار می گردد) استفاده می شود تا در یک جفت از آهنرباهای داخلی و شفت چرخش ایجاد شود.

ثبت اختراع موتور پله ای

مرجع

1- ,Stepper Motors,by Chris Woodford. Last updated: January 10, 2018 www.explainthatstuff.com

 

نظرات کاربران

نظر خود را ثبت نمایید

CAPTCHA code