استپر موتور چیست؟

استپر موتور (همچنین به عنوان موتور پله ای یا پله ای نیز شناخته می شود) یک دستگاه الکترومکانیکی است که از طریق تبدیل پالس های الکتریکی به حرکات مکانیکی می رسد. موتورهای پله ای به جای ولتاژ اعمالی پیوسته، توسط پالس های دیجیتال هدایت می شوند. بر خلاف موتورهای الکتریکی معمولی که به طور پیوسته می چرخند، موتورهای پله ای با افزایش های زاویه ای ثابت می چرخند. موتور پله ای بیشتر برای کنترل موقعیت استفاده می شود. با طراحی سیستم استپر موتور/درایور/کنترل کننده، فرض بر این است که استپر موتور از دستورالعمل های دیجیتال پیروی می کند. یکی از جنبه های مهم موتورهای پله ای عدم وجود بازخورد برای حفظ کنترل موقعیت است که موتورهای پله ای را به عنوان سیستم های حلقه باز طبقه بندی می کند.

اجزای اصلی یک استپر موتور عبارتند از شفت، روتور و لمینیت استاتور، آهنربا، یاتاقان ها، سیم های مسی و سربی، واشرها و روکش های جلو و انتهایی. شفت معمولا از فلز فولاد ضد زنگ ساخته شده است، در حالی که لایه های استاتور و روتور از فولاد سیلیکونی تشکیل شده اند. فولاد سیلیکونی مقاومت الکتریکی بالاتری را ایجاد می کند که از دست دادن هسته را کاهش می دهد. آهنرباهای مختلف موجود در موتورهای پله ای امکان ملاحظات ساختمانی متعدد را فراهم می کند. آهنرباها ممکن است پلاستیک فریت، فریت متخلخل و آهنرباهای باند Nd-Fe-B باشند. یاتاقان ها با اندازه موتور متفاوت هستند. مواد محفظه از فلزات مختلف دیگری مانند آلومینیوم تشکیل شده است که مقاومت بالایی در برابر حرارت ایجاد می کند.

موتور پله ای چگونه کار می کند؟

کاربرد اصلی موتورهای پله ای کنترل حرکت، چه خطی و چه چرخشی است. در مورد حرکت چرخشی، دریافت پالس های دیجیتال در یک توالی صحیح به شفت اجازه می دهد تا در پله های گسسته بچرخد. یک پالس (که به آن سیگنال ساعت یا پله نیز گفته می‌شود) می‌تواند توسط ریزپردازنده‌ها، منطق زمان‌بندی، سوئیچ ضامن یا بسته شدن رله تولید شود. قطاری از پالس های دیجیتال به چرخش شفت تبدیل می شود. هر دور به تعداد مشخصی پالس نیاز دارد که هر کدام برابر با یک افزایش یا گام چرخشی است که تنها بخشی از یک چرخش کامل است. روابط متعددی بین پالس های ورودی و چرخش شفت موتور وجود دارد. یکی از این رابطه ها بین توالی پالس اعمال شده و جهت چرخش است. هنگامی که پالس های متوالی مناسب به دستگاه تحویل داده می شود، شفت تحت یک چرخش در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت قرار می گیرد. رابطه دیگر بین پالس های ورودی و چرخش موتور، رابطه بین فرکانس و سرعت است. افزایش فرکانس پالس ورودی سرعت چرخش شفت را افزایش می دهد.

انواع پایه موتورهای پله ای

یک موتور پله ای در هر کاربرد بر اساس ساختار و عملکرد متفاوت است. سه نوع رایج استپر موتور عبارتند از: رلوکتانس متغیر، آهنربای دائمی و موتورهای پله ای هیبریدی.

موتورهای پله ای رلوکتانس متغیر (VR).

موتورهای پله ای VR دارای چندین روتور آهنی نرم و یک استاتور زخمی هستند. آنها به طور کلی بر اساس اصل اساسی شار مغناطیسی کار می کنند که کمترین مسیر رلوکتانس را از طریق یک مدار مغناطیسی پیدا می کند. در عملکرد کلی، موتورهای پله ای VR دارای نرخ استپ نسبتاً بالایی از 5 تا 15 درجه و بدون گشتاور بازدارنده هستند. زوایای پله گرفته شده در موتورهای پله ای VR به تعداد دندانه های موجود در استاتور و روتور مربوط می شود. معادله مربوط به این دو متغیر را می توان در بخش فرمول این راهنما یافت.

یک موتور پله ای VR چگونه کار می کند؟

با رجوع به نمودار زیر، وقتی سیم‌پیچ‌های استاتور با جریان DC انرژی می‌گیرند، قطب‌ها مغناطیسی می‌شوند. هنگامی که قطب ها مغناطیسی می شوند، دندانه های روتور به سمت قطب های استاتور پرانرژی جذب می شوند و می چرخند تا ردیف شوند. هنگامی که سیم‌پیچ‌های اطراف فاز A استاتور فعال می‌شوند، دندانه‌های روتور به سمت قطب‌های استاتور جذب می‌شوند و به قطب‌ها اجازه می‌دهند در یک راستا قرار گیرند. هنگامی که سیم‌پیچ‌های فاز A بی‌انرژی می‌شوند و فاز B انرژی می‌گیرند، روتور می‌چرخد تا دندان‌های خود را با دندان‌های استاتور ردیف کند. این فرآیند به ترتیب با فاز C ادامه می یابد و به دنبال آن فاز D انرژی می گیرد و باعث چرخش روتور می شود.

موتورهای پله ای PM از روتورهای آهنربای دائمی بدون دندانه تشکیل شده اند که به صورت عمود بر محور چرخش مغناطیسی می شوند. با انرژی دادن به چهار فاز به صورت متوالی، روتور به دلیل جاذبه قطب های مغناطیسی می چرخد. موتور پله ای نشان داده شده در نمودار زیر مراحل 90 درجه ای را طی می کند، زیرا سیم پیچ ها در حالت clo فعال می شوند.

دنباله در جهت چرخش: ABAB. موتورهای پله ای PM عموماً دارای زوایای گامی 45 یا 90 درجه هستند و با سرعت نسبتاً پایینی حرکت می کنند. با این حال، آنها گشتاور بالا و ویژگی های میرایی خوبی را نشان می دهند.

استپر موتور با گیربکس اسپور

موتورهای پله ای ادغام شده با گیربکس های اسپور به راحتی در دسترس، جمع و جور و کارآمد هستند. گیربکس های پله ای آناهیم اتوماسیون با نسبت دنده های 3:1 تا 150:1 در دسترس هستند. موتورهای پله‌ای با گیربکس اسپار در کاربردهایی که نیاز به افزایش یا کاهش سرعت و گشتاور خروجی بالا دارند، به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. هنگام در نظر گرفتن گیربکس های خار، مهم است که قطر سوراخ و شفت و مرکز دنده را در نظر بگیرید تا نیازهای کاربردی خاص را برآورده کنید.

موتورهای پله ای با گیربکس های سیاره ای

موتورهای پله ای ادغام شده با گیربکس های سیاره ای از نظر اندازه جمع و جور، کارآمد و دارای طول های مختلف هستند. کلمه "سیاره ای" از شباهت گیربکس به منظومه شمسی گرفته شده است. این سیستم از سه جزء اصلی تشکیل شده است: چرخ دنده خورشیدی، چرخ دنده حلقه ای و دو یا چند چرخ دنده سیاره ای. چرخ دنده خورشیدی در مرکز قرار دارد، چرخ دنده حلقه ای بیرونی ترین چرخ دنده است و چرخ دنده های سیاره ای چرخ دنده خورشیدی را در داخل چرخ دنده حلقه ای احاطه کرده اند. گیربکس سیاره ای در کاربردهایی برای واکنش کم، اندازه جمع و جور، راندمان بالا، مقاومت در برابر ضربه، نسبت گشتاور به وزن بالا و روانکاری بهبود یافته استفاده می شود.

موتورهای پله ای چگونه کنترل می شوند؟

یک موتور پله‌ای تبدیل پالس‌های منطقی را با توالی‌بندی توان به سیم‌پیچ‌های استپر موتور انجام می‌دهد. به طور کلی، یک پالس عرضه شده یک مرحله چرخشی موتور را ایجاد می کند. این کنترل دقیق توسط یک درایور پله ای ارائه می شود که سرعت و موقعیت موتور را کنترل می کند. موتور پله ای با هر پالس کنترل مقدار دقیقی را افزایش می دهد و اطلاعات دیجیتال را بدون نیاز به دستگاه های بازخورد مانند سرعت سنج یا رمزگذار به چرخش دقیق افزایشی تبدیل می کند. از آنجایی که استپر موتور و درایور یک سیستم حلقه باز هستند، مشکلاتی مانند تغییر فاز حلقه بازخورد و ناپایداری ناشی از آن که در سیستم های سروو موتور رایج است، حذف می شوند.

نحوه انتخاب یک موتور پله ای

چندین معیار مهم در انتخاب استپر موتور مناسب وجود دارد:

• حرکت مکانیکی مورد نظر
• سرعت
• بار
• حالت پله ای
• پیکربندی سیم پیچ

با پالس‌های منطقی کافی، موتورهای پله‌ای می‌توانند دو جهته، سنکرون، شتاب سریع، اجرا/توقف، و ارتباط آسان با سایر مکانیسم‌های دیجیتالی باشند. موتور پله ای که دارای ممان اینرسی کم روتور، بدون رانش و خطای موقعیت یابی غیر تجمعی است، راه حلی مقرون به صرفه برای بسیاری از کاربردهای کنترل حرکت است. به طور کلی، موتورهای پله ای بدون بازخورد به صورت حلقه باز کار می کنند و گاهی اوقات با عملکرد سیستم های سروو DC گران تر مطابقت دارند.

الزامات حرکت، ویژگی های بار، تکنیک های کوپلینگ،قبل از اینکه طراح سیستم بتواند بهترین ترکیب استپر موتور/درایور/کنترل کننده را برای یک کاربرد خاص انتخاب کند، نیازهای الکتریکی باید درک شود. در حالی که کار دشواری نیست، چندین فاکتور کلیدی باید در هنگام تعیین راه حل بهینه موتور پله ای در نظر گرفته شود. طراح سیستم باید ویژگی های عناصر تحت کنترل خود را برای برآوردن مشخصات طراحی تنظیم کند. آناهیم اتوماسیون گزینه های زیادی را در خط گسترده محصولات موتور پله ای خود ارائه می دهد که حداکثر انعطاف در طراحی را ممکن می سازد. نتیجه داشتن تعداد زیادی آپشن، سیستمی با کارایی بالا است که مقرون به صرفه نیز می باشد. عناصری که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از: انتخاب های استپر موتور، درایور و منبع تغذیه، و همچنین انتقال مکانیکی، مانند چرخ دنده یا کاهش وزن بار از طریق استفاده از مواد جایگزین. برخی از این روابط و پارامترهای سیستم در این راهنما توضیح داده شده است.

بارهای اینرسی

اینرسی اندازه گیری مقاومت جسم در برابر تغییر سرعت است. هر چه اینرسی یک جسم بزرگتر باشد، گشتاور مورد نیاز برای شتاب دادن یا کاهش سرعت آن بیشتر است. اینرسی تابعی از جرم و شکل یک جسم است. یک طراح سیستم ممکن است بخواهد شکل جایگزین یا مواد با چگالی کم را برای عملکرد بهینه انتخاب کند. اگر مقدار محدودی گشتاور در یک سیستم انتخابی موجود باشد، زمان شتاب و کاهش سرعت باید افزایش یابد. توصیه می کنیم نسبت اینرسی سیستم به اینرسی روتور از 10:1 تجاوز نکند. ممکن است برای دستیابی به این نسبت از گیربکس استفاده شود.

بارهای اصطکاکی

تمام سیستم های مکانیکی مقداری نیروی اصطکاک از خود نشان می دهند. طراح یک سیستم موتور پله ای باید بتواند عناصر ایجاد کننده اصطکاک در سیستم را پیش بینی کند. این عناصر ممکن است به شکل کشش یاتاقان، اصطکاک لغزشی، سایش سیستم، یا ویسکوزیته جعبه دنده پر از روغن (وابسته به دما) باشند. موتور پله ای انتخاب شده باید بتواند بر هرگونه اصطکاک سیستمیک غلبه کند و در عین حال گشتاور لازم را برای تسریع بار اینرسی فراهم کند.

توجه: مقداری اصطکاک مورد نظر است، زیرا می تواند زمان ته نشینی را کاهش دهد و عملکرد را بهبود بخشد.

حالت های موتور پله ای

موتورهای پله ای توسط شکل موج هایی که به شکل موج های سینوسی تقریب دارند به حرکت در می آیند. سه حالت تحریک معمولاً برای موتورهای پله ای استفاده می شود: تمام استپ، نیمه پله و میکرو استپ.

پیکربندی سیم پیچ

با پالس‌های منطقی کافی، موتورهای پله‌ای می‌توانند دو جهته، سنکرون، شتاب سریع، اجرا/توقف، و ارتباط آسان با سایر مکانیسم‌های دیجیتالی باشند. موتور پله ای که دارای ممان اینرسی کم روتور، بدون رانش و خطای موقعیت یابی غیر تجمعی است، راه حلی مقرون به صرفه برای بسیاری از کاربردهای کنترل حرکت است. به طور کلی، موتورهای پله ای بدون بازخورد به صورت حلقه باز و گاهی اوقات کار می کنند

مزایای موتور پله ای

• مقرون به صرفه
• طرح های ساده
• قابلیت اطمینان بالا
• ساخت و ساز بدون برس
• تعمیر و نگهداری رایگان
• اگر سیم پیچ ها در حالت سکون فعال شوند، موتور دارای گشتاور کامل است
• هیچ مکانیزم بازخورد مورد نیاز نیست
• شتاب و نرخ توان بالا
• طیف گسترده ای از سرعت های چرخشی را می توان به دست آورد زیرا سرعت متناسب با فرکانس پالس ورودی است
• توان خروجی کم برای اندازه و وزن

موتورهای پله ای در کجا استفاده می شوند؟

اگرچه استپ موتورقبلاً توسط سیستم های سروو برای کنترل حرکت تحت الشعاع قرار گرفته بود، اما به طور فزاینده ای به عنوان فناوری ترجیحی در زمینه های مختلف ظاهر شده است. عامل اصلی در این گرایش به سمت موتور پله‌ای، رواج کنترل دیجیتال، ظهور ریزپردازنده، طراحی‌های بهبود یافته (مثلا مدل‌های با گشتاور بالا) و هزینه کمتر است. امروزه از موتورهای پله‌ای در کاربردهایی در اطراف ما استفاده می‌شود: چاپگرها (تغذیه کاغذ، چرخ چاپ)، درایوهای دیسک، ساعت‌ها و ساعت‌ها و همچنین اتوماسیون کارخانه و ماشین‌آلات. موتور پله ای اغلب در سیستم های حرکتی که نیاز به کنترل موقعیت دارند یافت می شود.

خط تولید موتور پله ای مقرون به صرفه انتخاب عاقلانه ای برای حساب های OEM و کاربر است. این خط مشتریان متنوعی را به خود جلب می کند: شرکت های صنعتی که ماشین آلات یا فرآیندهای خودکار شامل مواد غذایی، لوازم آرایشی و بهداشتی یا بسته بندی های پزشکی، الزامات برچسب زدن یا دستکاری، برنامه های کاربردی، مونتاژ، نوار نقاله، جابجایی مواد، رباتیک، خاص را طراحی یا اجرا می کنند. جلوه های فیلمبرداری و طرح ریزی، تشخیص پزشکی، ردیابی دوربین، دستگاه های بازرسی و امنیتی، کنترل هواپیما، کنترل جریان پمپ، ساخت فلز (ماشین آلات CNC) و ارتقاء تجهیزات.

خط تولید استپر موتور یک استپر موتور، درایور و کنترلر همسان را در یک واحد ادغام می کند. این مفهوم طراحی فرآیند انتخاب را ساده می کند، بنابراین خطاها و زمان سیم کشی را کاهش می دهد.

 منبع:anaheimautomation