مبانی استپر موتور: انواع، هدف و نحوه کار آنها

در این مقاله به اصول اولیه موتورهای پله ای می پردازیم.با اصل کار، روش کنترل، کاربرد و انواع استپر موتورها آشنا خواهید شد.

معرفی استپر موتور

مبانی موتور پله ای

موتور پله ای موتور الکتریکی است که ویژگی اصلی آن این است که شفت آن با انجام مراحل، یعنی با یک درجه حرکت ثابت می چرخد.این ویژگی به لطف ساختار داخلی موتور به دست می آید و به سادگی با شمارش نحوه انجام مراحل انجام شده و بدون نیاز به سنسور اجازه می دهد تا موقعیت زاویه ای دقیق شفت را بدانید.این ویژگی همچنین آن را برای طیف گسترده ای از برنامه ها مناسب می کند.

اصول کار موتور پله ای

مانند همه موتورهای الکتریکی، موتورهای پله ای دارای یک قسمت ثابت (استاتور) و یک قسمت متحرک (روتور) هستند.روی استاتور، دندانه هایی وجود دارد که سیم پیچ ها روی آنها سیم پیچ می شوند، در حالی که روتور یا یک آهنربای دائمی است یا یک هسته آهنی با رلوکتانس متغیر.بعداً به ساختارهای مختلف روتور عمیق تر خواهیم پرداخت.اصل کار موتور پله ای به شرح زیر است: با انرژی دادن به یک یا چند فاز استاتور، یک میدان مغناطیسی توسط جریانی که در سیم پیچ می گذرد ایجاد می شود و روتور با این میدان همراستا می شود.با تامین فازهای مختلف به صورت متوالی می توان روتور را با مقدار مشخصی چرخاند تا به موقعیت نهایی مطلوب برسد.

انواع درایور موتور پله ای

درایورهای موتور پله ای مختلفی در بازار موجود است که ویژگی های متفاوتی را برای کاربردهای خاص به نمایش می گذارد.مهمترین ویژگی ها شامل رابط ورودی است.رایج ترین گزینه ها عبارتند از:

• Step/Direction – با ارسال یک پالس بر روی پایه Step، درایور خروجی خود را به گونه ای تغییر می دهد که موتور یک مرحله را انجام می دهد که جهت آن توسط سطح روی پایه Direction تعیین می شود.

• Phase/Enable – برای هر فاز سیم پیچی استاتور، Phase جهت جریان را تعیین می کند و در صورت روشن بودن فاز، فعال کردن را فعال می کند.

• PWM - به طور مستقیم سیگنال های گیت FET های پایین و سمت بالا را کنترل می کند.

یکی دیگر از ویژگی های مهم درایور استپر موتور این است که فقط قادر به کنترل ولتاژ در سراسر سیم پیچ یا جریان عبوری از آن باشد:

• با کنترل ولتاژ، راننده فقط ولتاژ را در سراسر سیم پیچ تنظیم می کند.گشتاور ایجاد شده و سرعت اجرای مراحل فقط به مشخصات موتور و بار بستگی دارد.

• درایورهای کنترل جریان پیشرفته تر هستند، زیرا جریان عبوری از سیم پیچ فعال را تنظیم می کنند تا کنترل بهتری بر گشتاور تولید شده و در نتیجه رفتار دینامیکی کل سیستم داشته باشند.

انواع موتور پله ای

1. استپر موتور راکتیو 

استاتور موتور پله ای راکتیو از ورق های فولادی سیلیکونی ساخته شده است و دو قطب مغناطیسی مخالف با سیم پیچی یکسان با جهت های سیم پیچ متفاوت پیچیده می شوند.هنگامی که انرژی می گیرد، یک جفت قطب N و S تشکیل می شود و هیچ سیم پیچی در روتور موتور وجود ندارد.روتور موتور از مواد مغناطیسی نرم ساخته شده است.تعداد زیادی دندانه کوچک با اندازه و فاصله یکسان در سطح خارجی قطب روتور و سطح داخلی قطب استاتور وجود دارد.نیروی الکترومغناطیسی نیروی محرکه برای حرکت استپر موتور راکتیو است.تحت تأثیر نیروی الکترومغناطیسی، روتور به موقعیت حداکثر نفوذپذیری مغناطیسی (یا حداقل مقاومت مغناطیسی) حرکت می کند و در حالت متعادل قرار می گیرد.

2. موتور پله آهنربای دائمی

مواد روتور موتور پله ای آهنربای دائم مغناطیس دائمی است، تعداد قطب های روتور و استاتور یکسان است، گشتاور خروجی موتور بزرگ است و زاویه گام نسبتاً بزرگ است، اما عملکرد کار خوب است.

3. استپر موتور هیبریدی

ساختار استپر موتور هیبریدی مانند استپر موتور راکتیو است.روتور در جهت محوری به دو بخش تقسیم می شود.تعداد و اندازه دندان های کوچک به طور مساوی در جهت محیطی هسته آهنی دو بخش توزیع شده است، اما به اندازه نصف فاصله دندانی در جای خود قرار نمی گیرند.همانطور که در شکل 1.1 نشان داده شده است، یک آهنربای دائمی در وسط دو هسته آهنی تعبیه شده است، به طوری که هسته آهنی در یک انتهای روتور قطب N و هسته آهنی در انتهای دیگر قطب S است.قطبیت های N و S روتور بدون تغییر باقی می مانند و تغییر متوالی قطب های مغناطیسی N و S قطب های مغناطیسی استاتور با کنترل جریان سیم پیچ استاتور محقق می شود و نیروی متناظری بر روی قطب های N و S روتور ایجاد می شود. تا روتور را فشار دهید تا در صورت لزوم بچرخد.از آنجایی که میدان مغناطیسی دائمی روتور موتور پله ای هیبریدی نیز بخشی از گشتاور را تولید می کند، از گشتاور تولید شده توسط میدان مغناطیسی استاتور موتور پله ای راکتیو بزرگتر است.

انتخاب یک موتور پله ای برای CNC به درک نیازهای گشتاور و RPM (سرعت) شما بستگی دارد.

بهترین موتور پله ای می تواند گشتاور مورد نیاز شما را ارائه دهد و در عین حال به اندازه کافی سریع باشد. من بهترین انتخاب هایم را بسته به دسته موتور پله ای به شما می گویم:

موتورهای پله ای هیبریدی

موتورهای حلقه بسته

موتورهای پله ای گیربکس

موتورهای پله ای PM

موتورهای پله ای ویژه

مزایای موتورهای پله ای

اکنون که اصول کار موتورهای پله ای را فهمیدیم، مفید است که مزایا و معایب آنها را در مقایسه با انواع دیگر موتورها خلاصه کنیم.

موتورهای پله ای موتورهای الکتریکی هستند که پالس های الکتریکی را به حرکات مکانیکی دقیق تبدیل می کنند و آنها را به یک راه حل ایده آل برای بسیاری از کاربردهای پزشکی تبدیل می کنند.دستگاه‌ها و تجهیزات پزشکی اغلب به موقعیت‌یابی با دقت بالا، صدای کم و قابلیت‌های گشتاور بالا نیاز دارند که همه اینها با موتورهای پله‌ای قابل دستیابی است.
یکی از مزایای اولیه موتورهای پله ای توانایی آنها در ارائه حرکات دقیق و دقیق است.این باعث می شود که آنها برای کاربردهای پزشکی مانند ربات های جراحی، پمپ های تزریق و اسکنرهای سی تی انتخاب عالی باشند، جایی که حتی انحرافات کوچک از مسیر یا موقعیت مورد نظر می تواند عواقب جدی داشته باشد.موتورهای پله‌ای را می‌توان طوری برنامه‌ریزی کرد که حرکتی نرم و کنترل‌شده را ارائه دهد، که در روش‌های جراحی و تصویربرداری پزشکی ضروری است.با چرخش موتور، درصد خطای گام جمع نمی شود.
1. قادر به دویدن در طیف وسیعی از سرعت ها، از جمله سرعت های بسیار آهسته بدون دنده کاهش می باشد.
2. استپر موتور پاسخ عالی را در حالت شروع، توقف و معکوس ارائه می دهد.
3. بسیار قابل اعتماد است زیرا از هیچ برس یا کموتاتور استفاده نمی شود.طول عمر آن به عمر بلبرینگ بستگی دارد.
4. مدار کنترل استپر موتور ساده و کم هزینه است.این عمدتا برای کاربردهای کم توان استفاده می شود. تعداد فازهای موتور پله ای: به تعداد گروه های سیم پیچ در داخل موتور اشاره دارد.در حال حاضر معمولا از دو فاز و سه فاز استفاده می شود.
1. زاویه گام: مربوط به یک سیگنال پالس، جابجایی زاویه ای روتور موتور.
پارامترهای الکتریکی: جریان، مقاومت، اندوکتانس.
گشتاور نگهدارنده: به لحظه ای اطلاق می شود که استپر موتور روشن می شود اما نمی چرخد، استاتور روتور را قفل می کند.
2. گشتاور موقعیت یابی: گشتاور قفل شدن خود روتور موتور در زمانی که موتور تغذیه نمی شود.
3. مشخصه های گشتاور-فرکانس در حال اجرا: منحنی رابطه بین گشتاور خروجی و فرکانس در حین کارکرد موتور که تحت شرایط آزمایشی خاص اندازه گیری می شود.

استپر موتورز Aکاربردهای

اولاً، موتور پله ای عمدتاً در برخی موارد با الزامات موقعیت یابی استفاده می شود، مانند: کشیدن میز سیم برش، میز دستگاه تافتینگ (موقعیت منافذ)، دستگاه بسته بندی (طول ثابت)، اساساً همه مواردی که شامل موقعیت یابی می شوند از آن استفاده کنید.

دوم، به طور گسترده در چاپگرهای سه بعدی، تجهیزات مانیتورینگ، قفل های هوشمند، آنالایزرهای خون، میکروسکوپ های هوشمند، تسترهای بینایی و سایر زمینه ها استفاده می شود، به ویژه برای کاربردهایی که نیاز به عملکرد پایدار، نویز کم، پاسخ سریع، عمر طولانی و گشتاور خروجی بالا دارند. .

سوم، موتورهای پله ای به طور گسترده در ماشین آلات و تجهیزات نساجی مانند ماشین های گلدوزی کامپیوتری استفاده می شوند.ویژگی های این نوع موتورهای پله ای این است که گشتاور زیاد نیست، سرعت پاسخ مکرر راه اندازی سریع است، صدای کار کم است، عملکرد پایدار است و عملکرد کنترل خوب است.، هزینه کل دستگاه کم است.

اقدامات احتیاطی در استفاده از موتور پله ای:
  1. موتور پله ای در موارد با سرعت کم استفاده می شود --- سرعت از 1000 دور در دقیقه (6666PPS در 0.9 درجه) تجاوز نمی کند، ترجیحا بین 1000-3000PPS (0.9 درجه) و می تواند در اینجا توسط یک دستگاه کاهش سرعت استفاده می شود.در این زمان، موتور دارای راندمان کاری بالا و صدای کم است.
   2. موتور پله بهتر است از حالت تمام گام استفاده نکنید، ارتعاش در حالت تمام گام بزرگ است.

   3. برای بارهای با گشتاور اینرسی زیاد، یک موتور با اندازه فریم بزرگ باید انتخاب شود.
4. وقتی موتور در سرعت بالاتر یا بار اینرسی زیاد باشد، ژن است.

ویدئویی از استپر موتور