زمان و نگرش، به زندگي و ابزارهاي دقيق تغيير کرده. در بازه اي از زمان، دقت يک متر بود و ابعاد با قدم و وجب اندازه گيري مي شد! در مدت کوتاهي دقت بيشتر شد و ذره بين وسعت ديد ماکرو را به ميليمتر رساند.در سال 2009 اينتل (Intel) اعلام کرد، تکنولوژي 35nm (نانومتر) را تجاري ساخته است. 35 نانومتر يعني سريتر، ارزانتر، خنک تر و در نهايت کوچکتر! و در مجموع، دقت يعني قدرت.

موتور استپ يکي از عناصر پايه بوجود آورنده دقت در جهان است و تکنولوژي آن به اندازه اي عمومي شده است که تجاري شده باشد. ساختار آن بسيار ساده تر از موتورهاي سروو بوده و کنترل کننده هاي آن به مراتب ارزانتر از کنترلرهاي سروو و موتورهاي هم خانواده ديگر ميباشد.

اين نوشته به شما کمک ميکند تا ساختار داخلي و نحوه عمل درايورهاي اين نوع از موتورها را بهتر درک کنيد. همچنين به شما کمک ميکند تا در انتخاب موتور هاي موجود در بازار با ديدگاه بهتري عمل نماييد و بهترين موتور و درايو سازگار را انتخاب کنيد.

ساختمان الکتريکي موتور استپ و نحوه عملکرد درايو ها

موتورهاي استپ ساختاري بسيار ساده دارند و جزء دسته موتورهاي دوفاز بحساب مي آيند (البته بعضی آين نوع از موتورها را موتورهای چهار فاز نيز مي نامند. متورهای DC با ولتاژ ثابت دو سيم ورودی کار ميکنند. موتورهای AC اصولا با سه ورودی که ولتاژ هر شاخه آن 120 درجه بايکديگر اختلاف فاز دارند کار ميکنند. در اين ميان موتورهای استپ با چهار ورودی با دو ولتاژ که اختلاف فاز آنها 90 درجه است کار ميکنند. هسته موتور استپ يک آهنربای چند قطبي و دارای تکنولوژي خاص است و عملکردي دقيق نسبت به موتورهاي هم تراز خود دارد. در شکل زير ساختمان شماتيک استپ موتور ديده ميشود:

هنگامي که به موتور استپ دو ولتاژ سينوسي با اختلاف فاز 90 درجه داده شود، موتور نرمترين حالت حرکت خود را خواهد داشت.

مشخصه های موتور استپ و انواع آن

موتورهای دوفاز گونه ساده تری نسبت به موتورهای پنج فاز میباشند. برای فرمان دادن به این موتورها، تنها کافی است که سر دو طرف سیم پیچ ها را به ولتاژ متصل نمود. راه اندازی موتورهای دوفاز به دو شکل انجام میگیرد. به صورت دوقطبی و تک قطبی. (Unipolar - Bipolar). در هر دو نوع راه اندازی از نظر تئوری تفاوتی بین نحوه عملکرد موتور وجود ندارد. تنها موتور میچرخد. اگر ولتاژ موتور را طبق جدول زیر به سر سیم پیچهای یک موتور چهار سیم یا شش سیم بدهیم، موتور میچرخد. در مورد موتورهای 8 سیم باید سر BC و YZ به یکدیگر متصل گردند. جدول زیر نحوه متصل نمودن یک موتور به ولتاژ را نمایش میدهد. ستون Step شماره استپ را نشان میدهد. در صورتی که اعمال ولتاژ به بوبین ها در جهت 1 به چهار حرکت کند، موتور در جهت مثبت و در صورتی که ترتیب تعویض قطب ها از مرحله چهار به یک باشد، در جهت منفی حرکت خواهد کرد.

برای موتورهای پنج سیم همانگونه که در بالا توضیح داده شد، باید سیم وسط سیم پیچها از یکدیگر جدا شوند.

برای راه اندازی تک قطبی نیز کار بسیار ساده است. البته موتورهای چهار سیم به هیچ عنوان بصورت تک قطبی راه اندازی نمیشوند. برای راه اندازی موتورهای هشت سیم به شکل تک قطبی، ابتدا باید سیم های سر وسط را مشترک کرد و سپس به صورت جدول زیر سرهای مشترک را به یک طرف ولتاژ و مابقی سیم ها را به به ولتاژ متصل نمود. جدول زیر نمایانگر این روند میباشد:

مشخصه های درايور های موتور استپ

بر خلاف سادگی موتورهای استپ و راه اندازی آن به روش دستی و ساده جهت تست عملکردهای و کارهای دانشجویی، عملکرد اصولی و صحیح این درایورها پیچیدگی خاصی دارد.

از این نقطه به بعد تمامی نوشته ها براساس موتورهای دوفاز نوشته شده و موتورهای پنج فاز را به مقوله ای ديگر واگذار می کنیم. همچنین تصور این است که در موتورهای هشت سیم دو سیم با هم مشترک شده و ماننده موتورهای شش سیم عمل میکنند و موتورهای پنج سیم را نیز طبق توضیح بالا به موتوری شش سیم تبدیل کرده تا درایورهای دو قطبی بتوانند آنها را راه اندازی نمایند.

یک درایور خوب باید دارای مشخصات ویژه ای باشد. برخی از این مشخصات عبارت است از:

• دارای بازه ولتاژ ورودی وسیع باشد تا بتوان آن را در پروژه های مختلف بکار برد.
• جریان خروجی قابل کنترل دینامیک داشته باشد که بتواند موتور هایی با توانهای متفاوت را راه اندازی نماید و همچنین از یک موتور، قدرت های متفاوتی را بگیرد.
• موتورها را به صورت دو قطبی راه اندازی کند و انواع موتور ها را از نظر سيم بندی راه اندازی کند.
• توان دفع حرارتی روی آی سی مرکزی دستگاه را به وسیله هیت سینک خود دارا باشد تا بتوان از تمامی قدرت درایو بهره گرفت.
• ورودی های ساده جهت اتصال به میکروکنترلرها، پی ال سی ها و مدارات دیگر داشته باشد.
• ورودی های آن ایزوله بوده و در صورت اتصالی برق و ... به خروجی PLC یا کامپیوتر کنترل کننده آن صدمه ای وارد نکند.
• سرعت پالس ورودی و تبدیل آن به سیگنالهای ولتاژی و جریانی در محدوده موتورهای موجود در بازار و يا بالاتر از آنها باشد.
• در اثر افزایش طول کابل ورودی یا افزایش طول کابل خروجی، دچار اشکال ونویز نشود.
• از طریق کنترل جریان بتواند گرما را از طریق موتور یا هیت سینک دفع کند.
• حجم درایو کوچک باشد. چرا که حجم آن در پروژه هایی که از چند درایو جهت کنترل، استفاده میکنند جعبه کنترل دستگاه را بیش از حد حجیم مینماید.

مهمترین مشخصه پس از مشخصات کیفیتی ساخت، کنترل جریان است. درایورهایی که امکان کنترل جریان را نداشته باشند، عملا کاربرد خاصی ندارند و درایورهای آماتوری بحساب می آیند.

درایورهای فاقد کنترل جریان، موتور را بسیار کند راه اندازی میکنند و موتورها در کار به سرعت نهایی خود نمیرسند. این درایوها موتورها را بسیار داغ میکنند و هر چه موتور در حرکت سرعت بیشتری داشته باشد، قدرتش کاهش می یابد.

کلا دونوع درایور استپ وجود دارد.

• تك قطبي
• دو قطبي

درایورهای تک قطبی نوع چهار سیم موتورها را نمی توانند راه اندازی کنند و همچنین از نیمی از قدرت موتور استفاده میکنند. بدلیل آنکه این درایورها فقط یک قطب ولتاژی را میتوانند به سر موتور سوییچ کنند، به آنها تک قطبی گفته میشود. این درایورها بسیار ساده بوده و هزینه ای مناسب جهت خرید دارند. معمولا دانشجویان و کسانی که برای اولین بار درایور استپ موتور می سازند، اینگونه درایور را می سازند.

درایورهای موتور استپ تک قطبی دارای برتری ها و اشکالاتی هستند نسبت به درایورهای دوقطبی هستند.

مزایا: ساده بودن مدار الکترونیکی و قدرت، قیمت تمام شده بسیار ارزان و درایو موتورهای پنج، شش و هشت سیم.

معایب: توان راه اندازی موتورهای چهار سیم را ندارند. سرعت راه اندازی موتور به وسیله این درایوها معمولا یک سوم راه اندازهای دوقطبی است. گرمایش کنترل جریان تنها موتور را گرم میکند و درایور توان دفع آن را ندارد. در ولتاژ مساوی از تمام قدرت موتور استفاده نمیکند.

با کمی تحقیق میتوان گفت درایوهای دوقطبی کاملترین نوع کنترل را دارند. این نوع درایورها بسته به نوع و کیفیت شرکت سازنده، دارای مزایای زیادی هستند. ولی در چند جمله میتوان گفت:

معایب: معمولا گرانتر از درایوهای تک قطبی هستند. برای درایو موتورهای پنج سیم باید در موتور تغییراتی بوجود آورد.

مزایا: کلیه موتورهای استپ دوفاز را راه اندازی میکنند. تنها سد روبروی سرعت راه اندازی موتور، ولتاژ ورودی است و هرچه ولتاژ ورودی بالاتر رود، درایو راحت تر موتور را به دور میرساند. از تمام قدرت موتور استفاده میکند و دفع حرارت را میتواند از هیت سینک درایو به موتور و همچنین از موتور به هیت سینک درایو منتقل کند.

اکثر اين درایوها به دلیل آنکه سیستمی دیجیتال دارند به جای موج سینوسی، موجی مربعی را تولید مینمایند. بنابراین حرکت موتور به صورت خشک و خشن به نظر میرسد. اما اثر آن در دقت موتور فرقی نمیکند. در زیر میتوانید شکل موج مربعی با اختلاف فاز 90 درجه را با موج سینوسی همسان آن مشاهده نمایید.

درابورهای دوقطبی به نام Bipolar معروفند. حرف BP در ابتدای محصولات درابور موتور مجموعه جمشاد به مفهوم دوقطبی بودن کنترل خروجی آنها میباشد. عدد بعدی نشانگر مقدار جریان خروجی است. برای مثال محصول BP4A درايور 4 آمپری دوقطبی است.

رابطه بين سرعت و قدرت موتور استپ با ولتاژ و جريان موتور

همواره اين سوال مطرح بوده که سرعت و قدرت موتور استپ چه رابطه ای با همديگر دارند؟

موتورهای استپ دارای قدرتی بیش از موتورهای DC و هم اندازه های سه فاز خود هستند. موتورهای استپ سیم پیچهای تابت دارند و آهنربای هسته آنها به دور خود می چرخد. بنابراین برای راه اندازی آنها باید، فرکانسی را از طریق درایور به آنها داد تا به راه بیفتند. خوب حالا مهم این است که این فرکانس تا کجا میتواند بالا رود و تحمل موتور چقدر است؟

سیم پیچ موتور، یک سلف است. بنابراین تمام قوانین سیم پیچها درباره آن صدق میکند. یعنی در شرایطی که فرکانس از حدی بالاتر رود، مقدار مقاومت آن تا اندازه ای زیاد میشود که مانع از جریان یافتن الکتریسته در خود میشود. برای آنکه بتوان فرکانس را بالاتر برد تنها راه حل بالابردن ولتاژ است. پس ولتاژ بالاتر به مفهوم دور بیشتر است. درایورهای BP2A و BP4A مجموعه جمشاد، از 12 تا 35 ولت کارمیکنند و برای مدلهای BP6A , BP8A ولتاژ 40 ولت هم قابل تحمل است. بهترین ولتاژ کاری آنها 24 ولت بوده، و در این ولتاژ هنگامی که ورودی ها با یک PLC و یا مداری واسط با ولتاژی بیش از 12 ولت تحریک شود، تا فرکانس 16KHz توان راه اندازی موتور را دارند. البته اين فرکانس برای يک موتور با راه اندازی نیم استپ، معادل 40 دور در ثانیه و یا 2400Rpm است که سرعت بسیار بالایی بوده و تنهای مدلهای خاصی از موتور آن را پشتیبانی میکنند که به سری H معروفند.

هر چه فرکانس و به عبارت دیگر دور موتور بالاتر رود، ضریب سلفی افزایش می یابد. بنابراین موتور جریان کمتری مصرف میکند و درایورهایی که کنترل جریان درستی دارند، ولتاژ سر بوبین ها را افزایش میدهند. بنابر این توان موتور ثابت است و تنها موتور از حالت مصرف جریانی به مصرف ولتاژ میرسد. افت توان موتور زمانی صورت میگیرد که فرکانس آنقدر بالا رود، تا دیگر افزایش ولتاژ جوابگوی تامین جریان نباشد. دراين حالت توان موتور و در نتیجه گشتاور موتور کاهش می یابد.

نکته بسیار مهم درباره درایورهای توليد شده در مجموعه جمشاد، خروجی حالت سوییچینگ آن است. این جمله به مفهوم عدم اتلاف انرژی در درایوها است. برای روشن تر شدن اين مطلب بايد گفت، مثلا شما موتوری 5 ولت و 3 آمپردر اختیار دارید. ولتاژ ورودی درایو 20 ولت است. درحالت سکون که ضریب سلفی و اهمی بوبین ها حداکثر است، انتظار داریم که هربوبین 3 آمپر جریان مصرف نماید. ولی جریان ورودی درایور هرگاه با اهمتر گرفته شود، رقم 0.75 تا 0.9 را نمایش ميدهد. اگر توجه نمایید، توان این موتور 15 وات است. درابور هر همين مقدار انرژی مصرف مینماید. درایور به روش سوییچینگ جریان بوبین را ثابت نگهداشته و همین عامل باعث صدای سوت خفیفی در موتورمیشود. جریان روی بوبین ها با اندکی خطا حدود سه آمپر بوده و موتور با توان درست کارمیکند. این عملکرد، ایده عالترین عملکرد یک درایور استپر موتور است. هرگاه که با دادن فرکانس به ورودی Clk موتور شروع به چرخش کند، دیده می شود که جریان ورودی هم افزایش می یابد. دلیل این امر خروج انرژی از موتور و تبدیل آن به انرژی جنبشی است. در نتیجه جریان مصرفی افزایش خواهد یافت.

توجه داشته باشید، هرگز جریان خروجی روی بوبین را با اهمترهای معمولی نمیتوان گرفت و برای این کار شما نیاز به دستگاه هایی با امکان اندازه گیری جریان موثر (True RMS) دارید. اندازه گیری جریان در خروجی درایورهای تکنولوژی سوییچینگ، ممکن است به دستگاه شما صدمه وارد کند.

معمولا قدرت یک موتور استپ با توان مصرفی آن بیان نمیشود. قدرت موتور استپ با گشتاور موتور عنوان می گردد که واحد آن Kg.Cm است. (کیلوگرم سانتیمتر) البته در کارهای مهندسی واحد گشتاور معمولا نیوتون متر است. برای تبدیل هر نیوتون متر به کیلوگرم سانتیمتر متوان گفت، مقدار واحد نیوتون متر را در 10 ضرب کرده تا به کیلوگرم سانتیمتر تبدیل شود.

1N.m = 10 Kg.Cm

برای مثال یک موتور استپ 13.5 کیلوگرم دارای گشتاور 1.3 نیوتون متر است. این به مفهوم آن است که، اگر یک وزنه 100 گرمی (یک نیوتونی)  به سر یک بازوی بدون وزن یک متر در حالت افقی بسته شود، موتور توان نگهداری و چرخاندن آن را دارد.

واحد دیگری که برای نمایش گشتاور یک موتور استپ عنوان میشود پوند اینچ است که به اختصار در پشت موتورها به صورت OZنوشته میشود. روش تبدیل آن بصورت زیراست:

1 N.m = 141.612 Oz.Inch

1 Oz.Inch = 0.000706 N.m

1 Kg.Cm = 14.1612 Oz.Inch

برای مثال گشتاور موتوری که در پشت آن رقم 120 oz نوشته شده برابر 8.5 Kg.cm است.

چگونگی راه اندازی موتورهای بسيار سريع (شتاب شروع و خاتمه) و فرکانس استال Stall

دو پارامتر بسیار مهم در درایو موتورهای استپ، شتاب شروع و خاتمه است.

شاید تا به حال نام موتورهای سری H یا سریع را شنیده باشید. ممکن است از مدلهای این سری حتی خرید هم کرده باشید اما تفاوت خاصی بین آن و موتورهای معمولی که داشته اید حس نشده باشد. دلیل آن چیست؟ در کاتالوگ و دیتاشیت های همه موتورهای استپ پارامتری به نام اینرسی هسته وجود دارد. ممکن است پارامتر گشتاور بدلیل آنکه هسته موتور به مرور ضعیف میشود و کارخانه سازنده نمیخواهد برای خود بدنامی بوجود آورد نوشته نشده باشد، ولی مقدار اینرسی هسته، همواره در کلیه شرایط در کاتالوگ همراه با ولتاژ و جریان موتور نوشته شده اند. هسته و قطعاتی که برروی موتور بسته میشوند، دارای اینرسی خاصی هستند. این اینرسی در هنگام راه افتادن و توقف موتور، ایجاد گشتاوری در جهت و یا خلاف جهت گردش موتور میکند. به همین دلیل موتور ناگهان نمیتواند به حرکت درآمده و یا از حرکت باز ایستد.نمودار سرعت حرکت موتور باید به شکل زیر باشد تا بتواند با حداکثر سرعت خود حرکت کند.

در شرایطی که بخواهیم یک موتور را سریعتر از مقدار نیروی اینرسی هسته اش به حرکت درآوریم، باید ابتدا از سرعت کم شروع کرده و به تدریج سرعت را زیاد کنیم. درنمودار فوق Acc مبین این مطلب است. در هنگام سکون هم باید به تدریج توقف نمود تا دقیقا در سرجای خود بایستد. Acc و Dec مخفف کلمات Acceleration  و Deceleration هستند که مفهوم آنها شتاب حرکت و شتاب سکون است.

کنترلری که به درایو استپ شما متصل میگردد، وظیفه ایجاد شتاب را دارد. کنترل کننده های CNC ساخت مجموعه تحقیقاتی جمشاد، این امکان را دارند که شتاب حرکت و سکون را رعایت کرده و GCode مطابق با استاندارد RS274NGC را دریافت نمایند.

با رعایت شتاب حرکت و سکون، با درایورهای ما میتوانید موتورهای سری H را ، تا سرعت 16000 استپ در ثانیه راه اندازی نمایید.

کاربرد موتورهای استپ

موتورهای استپ کاربردهای بسیار زیادی دارند و دور تا دور ما را پر کرده اند. برای مثال میتوان گفت:

• کیلومتر شمار و ساعت ماشین های پژو
• حرکت هد فلاپی درایوها
• حرکت کاغذ و هد چاپ در پرینترهای Epson
• دستگاه های CNC کوچک و بزرگ
• سیستم های کنترل خطی و positioning
• روبات های ساده
• ساعت های بزرگ شهری
• بازو بسته کردن دریچه های هوا و اگزوزهای دقیق
• سیستم های سیم پیچی ترانس و هسته های فریت

ومجموعه ای کامل و بی انتها از کاربردها وجود دارد که میتوان از این نوع موتورهای در آنها استفاده نمود.

سخن آخر