اصول پايه و ساختمان موتورهاي استپ و درايورها (Fundamental of Stepper Motors and Drivers)
مقدمه:
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 مي باشد.
اين نوشته به شما کمک مي کند تا ساختار داخلي و نحوه عمل درايورهاي اين نوع از موتورها را بهتر درک کنيد. همچنين به شما کمک مي کند تا در انتخاب موتور هاي موجود در بازار با ديدگاه بهتري عمل نماييد و بهترين موتور و درايو سازگار را انتخاب کنيد.
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 مي باشد.
اين نوشته به شما کمک مي کند تا ساختار داخلي و نحوه عمل درايورهاي اين نوع از موتورها را بهتر درک کنيد. همچنين به شما کمک مي کند 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 درايورها:
موتورهاي استپ ساختاري بسيار ساده دارند و جزء دسته موتورهاي دوفاز بحساب مي آيند (البته بعضي آين نوع از موتورها را موتورهاي چهار فاز نيز مي نامند. متورهاي DC با ولتاژ ثابت دو سيم ورودي کار مي کنند. موتورهاي AC اصولا با سه ورودي که ولتاژ هر شاخه آن 120 درجه بايکديگر اختلاف فاز دارند کار مي کنند. در اين ميان موتورهاي استپ با چهار ورودي با دو ولتاژ که اختلاف فاز آنها 90 درجه است کار مي کنند. هسته موتور استپ يک آهنرباي چند قطبي و داراي تکنولوژي خاص است و عملکردي دقيق نسبت به موتورهاي هم تراز خود دارد. در شکل زير ساختمان شماتيک استپ موتور ديده مي شود:
هنگامي که به موتور استپ دو ولتاژ سينوسي با اختلاف فاز 90 درجه داده شود، موتور نرمترين حالت حرکت خود را خواهد داشت.
درايور هاي موتور BP6A و BP6A+ از انواع خاص درايو هاي موتور مجموعه جمشاد هستند، که بنام درايور ميکرو استپ معروفند و خروجي شبه سينوسي فوق را براي موتور توليد مي کنند و موتور را با حرکتي نرم جابجا مينمايند. واضح است که اينگونه حرکت، دقتي بسيار بالاتر از دقت نامي موتور را براي موتور فراهم مي کند و موتور بجاي 200 يا 400 استپ نوشته شده در پشت آن با 2000 تا 10000 استپ در هر دور حرکت خواهد کرد. صداي موتور نرم بوده و حرکت آن مخصوصا در ابزارهاي دقيق بدون تنش است.
همانطور که در شکلهاي فوق ديده ميشود، آهنرباي دائمي در مرکز قرار گرفته و دوسيم پيچ ديگر در اطراف قرار دارند. هرگاه اين سيم پيچ ها همانند شکل چهار قسمتي بالا به ترتيب ولتاژ ورودي آن ها تغيير کند، آهنرباي هسته زاويه اي معادل فاصله مرکز سيم پيچ ها را مي پيمايد. اين کار به صورت دائم و بدون توقف انجام مي پذيرد تا موتور به گردش درآيد.
همانطور که در شکلهاي فوق ديده ميشود، آهنرباي دائمي در مرکز قرار گرفته و دوسيم پيچ ديگر در اطراف قرار دارند. هرگاه اين سيم پيچ ها همانند شکل چهار قسمتي بالا به ترتيب ولتاژ ورودي آن ها تغيير کند، آهنرباي هسته زاويه اي معادل فاصله مرکز سيم پيچ ها را مي پيمايد. اين کار به صورت دائم و بدون توقف انجام مي پذيرد تا موتور به گردش درآيد.
مشخصه هاي موتور استپ و انواع آن:
موتورهاي استپ داراي گوناگوني زيادي نيستند که تنوع آنها باعث گيج شدن خريداران گردد. موتورهاي استپ تنها دو گونه کاملا متفاوت دارند!
· موتورهاي پنچ فاز
· موتورهاي دوفاز
o موتورهاي دوفاز چهار سيم
o موتورهاي دوفاز پنج سيم
o موتورهاي دوفاز شش سيم
o موتورهاي دوفاز هشت سيم
· موتورهاي پنچ فاز
· موتورهاي دوفاز
o موتورهاي دوفاز چهار سيم
o موتورهاي دوفاز پنج سيم
o موتورهاي دوفاز شش سيم
o موتورهاي دوفاز هشت سيم
در شکل فوق از چپ به راست موتورهاي 4 و 6 و 8 سيم نمايش داده شده اند. موتورهاي 5 سيم همانند موتورهاي شش سيم هستند و تنها تفاوت آنها در اين است که سر وسط سيم پيچ ها ي X و Y (در شکل وسط)، با يکديگر مشترک شده اند.
(براي آنکه بتوانيد با درايورهاي مدل BP2A , BP4A , BP6A , BP8A موتورهاي پنج سيم را راه اندازي نماييد بايد ابتدا سر وسط سيم پيچ ها را از يکديگر جدا کنيد و سپس موتور را براي راه اندازي به درايو متصل نماييد. براي اين کار اغلب موتورهاي پنج سيم در محل اتصال سيم پيچ ها به موتور داراي فيبر مدارچاپي کوچکي هستند که ميتوان با تيغ روي مس را خراش داد و X و Y را از يکديگر جدا کرد. در غير اينصورت بايد پوسته موتور باز شده، و دو سيم مورد نظر از يکديگر جدا گردند.)
موتورهاي پنج فاز از مقوله فعلي خارج مي باشند و تنها به توضيح کوتاهي درباره آنها بسنده مي کنيم.
در زير دو نمونه از سيم پيچ هاي موتورهاي پنج فاز ديده شود. براي آنکه موتور بتواند کار کند بايد به هر يک از سر سيم پيچ هايي که در مدار وجود دارد ولتاژ مثبت و منفي داد. فقط در اين شرايط است که سيستم با قدرت و دقت نامي کار مي کند. بنابراين نکته مهم آن است که بتوان پنج عدد قطعه پوش پول را به يک مدار کنترل متصل نمود. (Push pull)
حال براي سيستم، کنترلري لازم است که به هريک از خروجي ها فرمان دهد، جريان هريک را بطور جداگانه اندازه گيري کند و از ورودي پالس جهت و مقدار حرکت را دريافت نمايد.
(براي آنکه بتوانيد با درايورهاي مدل BP2A , BP4A , BP6A , BP8A موتورهاي پنج سيم را راه اندازي نماييد بايد ابتدا سر وسط سيم پيچ ها را از يکديگر جدا کنيد و سپس موتور را براي راه اندازي به درايو متصل نماييد. براي اين کار اغلب موتورهاي پنج سيم در محل اتصال سيم پيچ ها به موتور داراي فيبر مدارچاپي کوچکي هستند که ميتوان با تيغ روي مس را خراش داد و X و Y را از يکديگر جدا کرد. در غير اينصورت بايد پوسته موتور باز شده، و دو سيم مورد نظر از يکديگر جدا گردند.)
موتورهاي پنج فاز از مقوله فعلي خارج مي باشند و تنها به توضيح کوتاهي درباره آنها بسنده مي کنيم.
در زير دو نمونه از سيم پيچ هاي موتورهاي پنج فاز ديده شود. براي آنکه موتور بتواند کار کند بايد به هر يک از سر سيم پيچ هايي که در مدار وجود دارد ولتاژ مثبت و منفي داد. فقط در اين شرايط است که سيستم با قدرت و دقت نامي کار مي کند. بنابراين نکته مهم آن است که بتوان پنج عدد قطعه پوش پول را به يک مدار کنترل متصل نمود. (Push pull)
حال براي سيستم، کنترلري لازم است که به هريک از خروجي ها فرمان دهد، جريان هريک را بطور جداگانه اندازه گيري کند و از ورودي پالس جهت و مقدار حرکت را دريافت نمايد.
موتورهاي دوفاز گونه ساده تري نسبت به موتورهاي پنج فاز مي باشند. براي فرمان دادن به اين موتورها، تنها کافي است که سر دو طرف سيم پيچ ها را به ولتاژ متصل نمود. راه اندازي موتورهاي دوفاز به دو شکل انجام مي گيرد. به صورت دوقطبي و تک قطبي. (Unipolar - Bipolar). در هر دو نوع راه اندازي از نظر تئوري تفاوتي بين نحوه عملکرد موتور وجود ندارد. تنها موتور ميچرخد. اگر ولتاژ موتور را طبق جدول زير به سر سيم پيچ هاي يک موتور چهار سيم يا شش سيم بدهيم، موتور ميچرخد. در مورد موتورهاي 8 سيم بايد سر BC وYZ به يکديگر متصل گردند. جدول زير نحوه متصل نمودن يک موتور به ولتاژ را نمايش ميدهد. ستون Step شماره استپ را نشان ميدهد. در صورتي که اعمال ولتاژ به بوبين ها در جهت 1 به چهار حرکت کند، موتور در جهت مثبت و در صورتي که ترتيب تعويض قطب ها از مرحله چهار به يک باشد، در جهت منفي حرکت خواهد کرد.
| Step | A | B | C | D |
| 1- | + | - | + | - |
| 2/ | - | + | + | - |
| 3| | - | + | - | + |
| 4\ | + | - | - | + |
| 5- | + | - | + | - |
| 6/ | - | + | + | - |
| 7| | - | + | - | + |
| 8\ | + | - | - | + |
| ... |
براي موتورهاي پنج سيم همانگونه که در بالا توضيح داده شد، بايد سيم وسط سيم پيچها از يکديگر جدا شوند.
براي راه اندازي تک قطبي نيز کار بسيار ساده است. البته موتورهاي چهار سيم به هيچ عنوان بصورت تک قطبي راه اندازي نمي شوند. براي راه اندازي موتورهاي هشت سيم به شکل تک قطبي، ابتدا بايد سيم هاي سر وسط را مشترک کرد و سپس به صورت جدول زير سرهاي مشترک را به يک طرف ولتاژ و مابقي سيم ها را به به ولتاژ متصل نمود. جدول زير نمايانگر اين روند ميباشد:
براي راه اندازي تک قطبي نيز کار بسيار ساده است. البته موتورهاي چهار سيم به هيچ عنوان بصورت تک قطبي راه اندازي نمي شوند. براي راه اندازي موتورهاي هشت سيم به شکل تک قطبي، ابتدا بايد سيم هاي سر وسط را مشترک کرد و سپس به صورت جدول زير سرهاي مشترک را به يک طرف ولتاژ و مابقي سيم ها را به به ولتاژ متصل نمود. جدول زير نمايانگر اين روند ميباشد:
| Step | A | B | C | D | x | y |
| 1- | + | + | - | - | ||
| 2/ | + | + | - | - | ||
| 3| | + | + | - | - | ||
| 4\ | + | + | - | - | ||
| 5- | + | + | - | - | ||
| 6/ | + | + | - | - | ||
| 7| | + | + | - | - | ||
| 8\ | + | + | - | - | ||
| ... |
راه اندازي به صورت تک قطبي بسيار آسان است. تنها کافي است سر وسط سيم پيچ ها را به زمين مدار يا ولتاژ منفي متصل نماييد و سر سيم پيچها را از طريق يک ترانزيستور يا MOSFET با يک مدار ساده سوييچ کنيد. در صورتي که ترتيب سوييچ ها صحيح باشد، موتور درست حرکت ميکند و ميچرخد.
مشخصه هاي درايورهاي موتور استپ:
بر خلاف سادگي موتورهاي استپ و راه اندازي آن به روش دستي و ساده جهت تست عملکردهاي و کارهاي دانشجويي، عملکرد اصولي و صحيح اين درايورها پيچيدگي خاصي دارد.
از اين نقطه به بعد تمامي نوشته ها براساس موتورهاي دوفاز نوشته شده و موتورهاي پنج فاز را به مقوله اي ديگر واگذار مي کنيم. همچنين تصور اين است که در موتورهاي هشت سيم دو سيم با هم مشترک شده و ماننده موتورهاي شش سيم عمل مي کنند و موتورهاي پنج سيم را نيز طبق توضيح بالا به موتوري شش سيم تبديل کرده تا درايورهاي دو قطبي بتوانند آنها را راه اندازي نمايند.
يک درايور خوب بايد داراي مشخصات ويژه اي باشد. برخي از اين مشخصات عبارت است از:
· داراي بازه ولتاژ ورودي وسيع باشد تا بتوان آن را در پروژه هاي مختلف بکار برد.
· جريان خروجي قابل کنترل ديناميک داشته باشد که بتواند موتور هايي با توان هاي متفاوت را راه اندازي نمايد و همچنين از يک موتور، قدرت هاي متفاوتي را بگيرد.
· موتورها را به صورت دو قطبي راه اندازي کند و انواع موتور ها را از نظر سيم بندي راه اندازي کند.
· توان دفع حرارتي روي آي سي مرکزي دستگاه را به وسيله هيت سينک خود دارا باشد تا بتوان از تمامي قدرت درايو بهره گرفت.
· ورودي هاي ساده جهت اتصال به ميکروکنترلرها، پي ال سي ها و مدارات ديگر داشته باشد.
· ورودي هاي آن ايزوله بوده و در صورت اتصالي برق و ... به خروجي PLC يا کامپيوتر کنترل کننده آن صدمه اي وارد نکند.
· سرعت پالس ورودي و تبديل آن به سيگنال هاي ولتاژي و جرياني در محدوده موتورهاي موجود در بازار و يا بالاتر از آنها باشد.
· در اثر افزايش طول کابل ورودي يا افزايش طول کابل خروجي، دچار اشکال و نويز نشود.
· از طريق کنترل جريان بتواندگرما را از طريق موتور يا هيت سينک دفع کند.
· حجم درايو کوچک باشد. چرا که حجم آن در پروژه هايي که از چند درايو جهت کنترل، استفاده مي کنند جعبه کنترل دستگاه را بيش از حد حجيم مينمايد.
مهمترين مشخصه پس از مشخصات کيفيتي ساخت، کنترل جريان است. درايورهايي که امکان کنترل جريان را نداشته باشند، عملا کاربرد خاصي ندارند و درايورهاي آماتوري بحساب مي آيند.
درايورهاي فاقد کنترل جريان، موتور را بسيار کند راه اندازي مي کنند و موتورها در کار به سرعت نهايي خود نمي رسند. اين درايوها موتورها را بسيار داغ ميکنند و هر چه موتور در حرکت سرعت بيشتري داشته باشد، قدرتش کاهش مي يابد.
کلا دونوع درايور استپ وجود دارد.
· تک قطبي
· دو قطبي
درايورهاي تک قطبي نوع چهار سيم موتورها را نمي توانند راه اندازي کنند و همچنين از نيمي از قدرت موتور استفاده ميکنند. بدليل آنکه اين درايورها فقط يک قطب ولتاژي را ميتوانند به سر موتور سوييچ کنند، به آنها تک قطبي گفته مي شود. اين درايورها بسيار ساده بوده و هزينه اي مناسب جهت خريد دارند. معمولا دانشجويان و کساني که براي اولين بار درايور استپ موتور مي سازند، اينگونه درايور را مي سازند.
درايورهاي موتور استپ تک قطبي داراي برتري ها و اشکالاتي هستند نسبت به درايورهاي دوقطبي هستند.
مزايا: ساده بودن مدار الکترونيکي و قدرت، قيمت تمام شده بسيار ارزان و درايو موتورهاي پنج، شش و هشت سيم.
معايب: توان راه اندازي موتورهاي چهار سيم را ندارند. سرعت راه اندازي موتور به وسيله اين درايوها معمولا يک سوم راه اندازهاي دوقطبي است. گرمايش کنترل جريان تنها موتور را گرم ميکند و درايور توان دفع آن را ندارد. در ولتاژ مساوي از تمام قدرت موتور استفاده نميکند.
با کمي تحقيق ميتوان گفت درايوهاي دوقطبي کاملترين نوع کنترل را دارند. اين نوع درايورها بسته به نوع و کيفيت شرکت سازنده، داراي مزاياي زيادي هستند. ولي در چند جمله ميتوان گفت:
معايب: معمولا گرانتر از درايوهاي تک قطبي هستند. براي درايو موتورهاي پنج سيم بايد در موتور تغييراتي بوجود آورد.
مزايا: کليه موتورهاي استپ دوفاز را راه اندازي مي کنند. تنها سد روبروي سرعت راه اندازي موتور، ولتاژ ورودي است و هرچه ولتاژ ورودي بالاتر رود، درايو راحت تر موتور را به دور ميرساند. از تمام قدرت موتور استفاده ميکند و دفع حرارت را ميتواند از هيت سينک درايو به موتور و همچنين از موتور به هيت سينک درايو منتقل کند.
اکثر اين درايوها به دليل آنکه سيستمي ديجيتال دارند به جاي موج سينوسي، موجي مربعي را توليد
مي نمايند. بنابراين حرکت موتور به صورت خشک و خشن به نظر ميرسد. اما اثر آن در دقت موتور فرقي نمي کند. در زير ميتوانيد شکل موج مربعي با اختلاف فاز 90 درجه را با موج سينوسي همسان آن مشاهده نماييد.
از اين نقطه به بعد تمامي نوشته ها براساس موتورهاي دوفاز نوشته شده و موتورهاي پنج فاز را به مقوله اي ديگر واگذار مي کنيم. همچنين تصور اين است که در موتورهاي هشت سيم دو سيم با هم مشترک شده و ماننده موتورهاي شش سيم عمل مي کنند و موتورهاي پنج سيم را نيز طبق توضيح بالا به موتوري شش سيم تبديل کرده تا درايورهاي دو قطبي بتوانند آنها را راه اندازي نمايند.
يک درايور خوب بايد داراي مشخصات ويژه اي باشد. برخي از اين مشخصات عبارت است از:
· داراي بازه ولتاژ ورودي وسيع باشد تا بتوان آن را در پروژه هاي مختلف بکار برد.
· جريان خروجي قابل کنترل ديناميک داشته باشد که بتواند موتور هايي با توان هاي متفاوت را راه اندازي نمايد و همچنين از يک موتور، قدرت هاي متفاوتي را بگيرد.
· موتورها را به صورت دو قطبي راه اندازي کند و انواع موتور ها را از نظر سيم بندي راه اندازي کند.
· توان دفع حرارتي روي آي سي مرکزي دستگاه را به وسيله هيت سينک خود دارا باشد تا بتوان از تمامي قدرت درايو بهره گرفت.
· ورودي هاي ساده جهت اتصال به ميکروکنترلرها، پي ال سي ها و مدارات ديگر داشته باشد.
· ورودي هاي آن ايزوله بوده و در صورت اتصالي برق و ... به خروجي PLC يا کامپيوتر کنترل کننده آن صدمه اي وارد نکند.
· سرعت پالس ورودي و تبديل آن به سيگنال هاي ولتاژي و جرياني در محدوده موتورهاي موجود در بازار و يا بالاتر از آنها باشد.
· در اثر افزايش طول کابل ورودي يا افزايش طول کابل خروجي، دچار اشکال و نويز نشود.
· از طريق کنترل جريان بتواندگرما را از طريق موتور يا هيت سينک دفع کند.
· حجم درايو کوچک باشد. چرا که حجم آن در پروژه هايي که از چند درايو جهت کنترل، استفاده مي کنند جعبه کنترل دستگاه را بيش از حد حجيم مينمايد.
مهمترين مشخصه پس از مشخصات کيفيتي ساخت، کنترل جريان است. درايورهايي که امکان کنترل جريان را نداشته باشند، عملا کاربرد خاصي ندارند و درايورهاي آماتوري بحساب مي آيند.
درايورهاي فاقد کنترل جريان، موتور را بسيار کند راه اندازي مي کنند و موتورها در کار به سرعت نهايي خود نمي رسند. اين درايوها موتورها را بسيار داغ ميکنند و هر چه موتور در حرکت سرعت بيشتري داشته باشد، قدرتش کاهش مي يابد.
کلا دونوع درايور استپ وجود دارد.
· تک قطبي
· دو قطبي
درايورهاي تک قطبي نوع چهار سيم موتورها را نمي توانند راه اندازي کنند و همچنين از نيمي از قدرت موتور استفاده ميکنند. بدليل آنکه اين درايورها فقط يک قطب ولتاژي را ميتوانند به سر موتور سوييچ کنند، به آنها تک قطبي گفته مي شود. اين درايورها بسيار ساده بوده و هزينه اي مناسب جهت خريد دارند. معمولا دانشجويان و کساني که براي اولين بار درايور استپ موتور مي سازند، اينگونه درايور را مي سازند.
درايورهاي موتور استپ تک قطبي داراي برتري ها و اشکالاتي هستند نسبت به درايورهاي دوقطبي هستند.
مزايا: ساده بودن مدار الکترونيکي و قدرت، قيمت تمام شده بسيار ارزان و درايو موتورهاي پنج، شش و هشت سيم.
معايب: توان راه اندازي موتورهاي چهار سيم را ندارند. سرعت راه اندازي موتور به وسيله اين درايوها معمولا يک سوم راه اندازهاي دوقطبي است. گرمايش کنترل جريان تنها موتور را گرم ميکند و درايور توان دفع آن را ندارد. در ولتاژ مساوي از تمام قدرت موتور استفاده نميکند.
با کمي تحقيق ميتوان گفت درايوهاي دوقطبي کاملترين نوع کنترل را دارند. اين نوع درايورها بسته به نوع و کيفيت شرکت سازنده، داراي مزاياي زيادي هستند. ولي در چند جمله ميتوان گفت:
معايب: معمولا گرانتر از درايوهاي تک قطبي هستند. براي درايو موتورهاي پنج سيم بايد در موتور تغييراتي بوجود آورد.
مزايا: کليه موتورهاي استپ دوفاز را راه اندازي مي کنند. تنها سد روبروي سرعت راه اندازي موتور، ولتاژ ورودي است و هرچه ولتاژ ورودي بالاتر رود، درايو راحت تر موتور را به دور ميرساند. از تمام قدرت موتور استفاده ميکند و دفع حرارت را ميتواند از هيت سينک درايو به موتور و همچنين از موتور به هيت سينک درايو منتقل کند.
اکثر اين درايوها به دليل آنکه سيستمي ديجيتال دارند به جاي موج سينوسي، موجي مربعي را توليد
مي نمايند. بنابراين حرکت موتور به صورت خشک و خشن به نظر ميرسد. اما اثر آن در دقت موتور فرقي نمي کند. در زير ميتوانيد شکل موج مربعي با اختلاف فاز 90 درجه را با موج سينوسي همسان آن مشاهده نماييد.
درايورهاي دوقطبي به نام Bipolar معروفند. حرف BP در ابتداي محصولات درايور موتور مجموعه جمشاد به مفهوم دوقطبي بودن کنترل خروجي آنها ميباشد. عدد بعدي نشانگر مقدار جريان خروجي است. براي مثال محصول BP4A درايور 4 آمپري دوقطبي 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 اي با همديگر دارند؟
موتورهاي استپ داراي قدرتي بيش از موتورهاي DC و هم اندازه هاي سه فاز خود هستند. موتورهاي استپ سيم پيچ هاي ثابت دارند و آهنرباي هسته آنها به دور خود مي چرخد. بنابراين براي راه اندازي آنها بايد، فرکانسي را از طريق درايور به آنها داد تا به راه بيفتند. خوب حالا مهم اين است که اين فرکانس تا کجا ميتواند بالا رود و تحمل موتور چقدر است؟
سيم پيچ موتور، يک سلف است. بنابراين تمام قوانين سيم پيچ ها درباره آن صدق مي کند. يعني در شرايطي که فرکانس از حدي بالاتر رود، مقدار مقاومت آن تا اندازه اي زياد ميشود که مانع از جريان يافتن الکتريسته در خود ميشود. براي آنکه بتوان فرکانس را بالاتر برد تنها راه حل بالابردن ولتاژ است. پس ولتاژ بالاتر به مفهوم دور بيشتر است. درايورهايBP2A و BP4A مجموعه جمشاد، از 12 تا 35 ولت کارميکنند و براي مدلهاي BP6A , BP8A ولتاژ 40 ولت هم قابل تحمل است. بهترين ولتاژ کاري آنها 24 ولت بوده، و در اين ولتاژ هنگامي که ورودي ها با يک PLC و يا مداري واسط با ولتاژي بيش از 12 ولت تحريک شود، تا فرکانس 16KHz توان راه اندازي موتور را دارند. البته اين فرکانس براي يک موتور با راه اندازي نيم استپ، معادل 40 دور در ثانيه و يا 2400Rpm است که سرعت بسيار بالايي بوده و تنهاي مدل هاي خاصي از موتور آن را پشتيباني مي کنند که به سري H معروفند.
هر چه فرکانس و به عبارت ديگر دور موتور بالاتر رود، ضريب سلفي افزايش مي يابد. بنابراين موتور جريان کمتري مصرف ميکند و درايورهايي که کنترل جريان درستي دارند، ولتاژ سر بوبين ها را افزايش ميدهند. بنابر اين توان موتور ثابت است و تنها موتور از حالت مصرف جرياني به مصرف ولتاژ ميرسد. افت توان موتور زماني صورت ميگيرد که فرکانس آنقدر بالا رود، تا ديگر افزايش ولتاژ جوابگوي تامين جريان نباشد. دراين حالت توان موتور و در نتيجه گشتاور موتور کاهش مي يابد.
نکته بسيار مهم درباره درايورهاي توليد شده در مجموعه جمشاد، خروجي حالت سوييچينگ آن است. اين جمله به مفهوم عدم اتلاف انرژي در درايوها است. براي روشن تر شدن اين مطلب بايد گفت، مثلا شما موتوري 5 ولت و 3 آمپردر اختيار داريد. ولتاژ ورودي درايو 20 ولت است. درحالت سکون که ضريب سلفي و اهمي بوبين ها حداکثر است، انتظار داريم که هربوبين 3 آمپر جريان مصرف نمايد. ولي جريان ورودي درايور هرگاه با اهمتر گرفته شود، رقم 0.75 تا 0.9 را نمايش ميدهد. اگر توجه نماييد، توان اين موتور 15 وات است. درابور هر همين مقدار انرژي مصرف مينمايد. درايور به روش سوييچينگ جريان بوبين را ثابت نگهداشته و همين عامل باعث صداي سوت خفيفي در موتورميشود. جريان روي بوبين ها با اندکي خطا حدود سه آمپر بوده و موتور با توان درست کارميکند. اين عملکرد، ايده عالترين عملکرد يک درايور استپر موتور است. هرگاه که با دادن فرکانس به ورودي Clkموتور شروع به چرخش کند، ديده مي شود که جريان ورودي هم افزايش مي يابد. دليل اين امر خروج انرژي از موتور و تبديل آن به انرژي جنبشي است. در نتيجه جريان مصرفي افزايش خواهد يافت.
توجه داشته باشيد، هرگز جريان خروجي روي بوبين را با اهمترهاي معمولي نميتوان گرفت و براي اين کار شما نياز به دستگاه هايي با امکان اندازه گيري جريان موثر (True RMS) داريد. اندازه گيري جريان در خروجي درايورهاي تکنولوژي سوييچينگ، ممکن است به دستگاه شما صدمه وارد کند.
معمولا قدرت يک موتور استپ با توان مصرفي آن بيان نميشود. قدرت موتور استپ با گشتاور موتور عنوان مي گردد که واحد آن Kg.Cm است. (کيلوگرم سانتيمتر) البته در کارهاي مهندسي واحد گشتاور معمولا نيوتون متر است. براي تبديل هر نيوتون متر به کيلوگرم سانتيمتر متوان گفت، مقدار واحد نيوتون متر را در 10 ضرب کرده تا به کيلوگرم سانتيمتر تبديل شود.
موتورهاي استپ داراي قدرتي بيش از موتورهاي DC و هم اندازه هاي سه فاز خود هستند. موتورهاي استپ سيم پيچ هاي ثابت دارند و آهنرباي هسته آنها به دور خود مي چرخد. بنابراين براي راه اندازي آنها بايد، فرکانسي را از طريق درايور به آنها داد تا به راه بيفتند. خوب حالا مهم اين است که اين فرکانس تا کجا ميتواند بالا رود و تحمل موتور چقدر است؟
سيم پيچ موتور، يک سلف است. بنابراين تمام قوانين سيم پيچ ها درباره آن صدق مي کند. يعني در شرايطي که فرکانس از حدي بالاتر رود، مقدار مقاومت آن تا اندازه اي زياد ميشود که مانع از جريان يافتن الکتريسته در خود ميشود. براي آنکه بتوان فرکانس را بالاتر برد تنها راه حل بالابردن ولتاژ است. پس ولتاژ بالاتر به مفهوم دور بيشتر است. درايورهايBP2A و BP4A مجموعه جمشاد، از 12 تا 35 ولت کارميکنند و براي مدلهاي BP6A , BP8A ولتاژ 40 ولت هم قابل تحمل است. بهترين ولتاژ کاري آنها 24 ولت بوده، و در اين ولتاژ هنگامي که ورودي ها با يک PLC و يا مداري واسط با ولتاژي بيش از 12 ولت تحريک شود، تا فرکانس 16KHz توان راه اندازي موتور را دارند. البته اين فرکانس براي يک موتور با راه اندازي نيم استپ، معادل 40 دور در ثانيه و يا 2400Rpm است که سرعت بسيار بالايي بوده و تنهاي مدل هاي خاصي از موتور آن را پشتيباني مي کنند که به سري H معروفند.
هر چه فرکانس و به عبارت ديگر دور موتور بالاتر رود، ضريب سلفي افزايش مي يابد. بنابراين موتور جريان کمتري مصرف ميکند و درايورهايي که کنترل جريان درستي دارند، ولتاژ سر بوبين ها را افزايش ميدهند. بنابر اين توان موتور ثابت است و تنها موتور از حالت مصرف جرياني به مصرف ولتاژ ميرسد. افت توان موتور زماني صورت ميگيرد که فرکانس آنقدر بالا رود، تا ديگر افزايش ولتاژ جوابگوي تامين جريان نباشد. دراين حالت توان موتور و در نتيجه گشتاور موتور کاهش مي يابد.
نکته بسيار مهم درباره درايورهاي توليد شده در مجموعه جمشاد، خروجي حالت سوييچينگ آن است. اين جمله به مفهوم عدم اتلاف انرژي در درايوها است. براي روشن تر شدن اين مطلب بايد گفت، مثلا شما موتوري 5 ولت و 3 آمپردر اختيار داريد. ولتاژ ورودي درايو 20 ولت است. درحالت سکون که ضريب سلفي و اهمي بوبين ها حداکثر است، انتظار داريم که هربوبين 3 آمپر جريان مصرف نمايد. ولي جريان ورودي درايور هرگاه با اهمتر گرفته شود، رقم 0.75 تا 0.9 را نمايش ميدهد. اگر توجه نماييد، توان اين موتور 15 وات است. درابور هر همين مقدار انرژي مصرف مينمايد. درايور به روش سوييچينگ جريان بوبين را ثابت نگهداشته و همين عامل باعث صداي سوت خفيفي در موتورميشود. جريان روي بوبين ها با اندکي خطا حدود سه آمپر بوده و موتور با توان درست کارميکند. اين عملکرد، ايده عالترين عملکرد يک درايور استپر موتور است. هرگاه که با دادن فرکانس به ورودي Clkموتور شروع به چرخش کند، ديده مي شود که جريان ورودي هم افزايش مي يابد. دليل اين امر خروج انرژي از موتور و تبديل آن به انرژي جنبشي است. در نتيجه جريان مصرفي افزايش خواهد يافت.
توجه داشته باشيد، هرگز جريان خروجي روي بوبين را با اهمترهاي معمولي نميتوان گرفت و براي اين کار شما نياز به دستگاه هايي با امکان اندازه گيري جريان موثر (True RMS) داريد. اندازه گيري جريان در خروجي درايورهاي تکنولوژي سوييچينگ، ممکن است به دستگاه شما صدمه وارد کند.
معمولا قدرت يک موتور استپ با توان مصرفي آن بيان نميشود. قدرت موتور استپ با گشتاور موتور عنوان مي گردد که واحد آن Kg.Cm است. (کيلوگرم سانتيمتر) البته در کارهاي مهندسي واحد گشتاور معمولا نيوتون متر است. براي تبديل هر نيوتون متر به کيلوگرم سانتيمتر متوان گفت، مقدار واحد نيوتون متر را در 10 ضرب کرده تا به کيلوگرم سانتيمتر تبديل شود.
1N.m = 10 Kg.Cm
براي مثال يک موتور استپ 13.5 کيلوگرم داراي گشتاور 1.3 نيوتون متر است. اين به مفهوم آن است که، اگر يک وزنه 100 گرمي (يک نيوتوني) به سر يک بازوي بدون وزن يک متر در حالت افقي بسته شود، موتور توان نگهداري و چرخاندن آن را دارد. واحد ديگري که براي نمايش گشتاور يک موتور استپ عنوان ميشود پوند اينچ است که به اختصار در پشت موتورها به صورت OZ نوشته ميشود. روش تبديل آن بصورت زيراست:
1 N.m = 141.612 Oz.Inch
1 Oz.Inch = 0.000706 N.m
1 Kg.Cm = 14.1612 Oz.Inch
براي مثال گشتاور موتوري که در پشت آن رقم 120 oz نوشته شده برابر 8.5 Kg.cm است.
چگونگي راه اندازي موتورهاي بسيار سريع (شتاب شروع و خاتمه) و فرکانس استال (Stall):
دو پارامتر بسيار مهم در درايو موتورهاي استپ، شتاب شروع و خاتمه است.
شايد تا به حال نام موتورهاي سري H يا سريع را شنيده باشيد. ممکن است از مدلهاي اين سري حتي خريد هم کرده باشيد اما تفاوت خاصي بين آن و موتورهاي معمولي که داشته ايد حس نشده باشد. دليل آن چيست؟ در کاتالوگ و ديتاشيت هاي همه موتورهاي استپ پارامتري به نام اينرسي هسته وجود دارد. ممکن است پارامتر گشتاور بدليل آنکه هسته موتور به مرور ضعيف ميشود و کارخانه سازنده نميخواهد براي خود بدنامي بوجود آورد نوشته نشده باشد، ولي مقدار اينرسي هسته، همواره در کليه شرايط در کاتالوگ همراه با ولتاژ و جريان موتور نوشته شده اند. هسته و قطعاتي که برروي موتور بسته ميشوند، داراي اينرسي خاصي هستند. اين اينرسي در هنگام راه افتادن و توقف موتور، ايجاد گشتاوري در جهت و يا خلاف جهت گردش موتور ميکند. به همين دليل موتور ناگهان نميتواند به حرکت درآمده و يا از حرکت باز ايستد.نمودار سرعت حرکت موتور بايد به شکل زير باشد تا بتواند با حداکثر سرعت خود حرکت کند.
شايد تا به حال نام موتورهاي سري H يا سريع را شنيده باشيد. ممکن است از مدلهاي اين سري حتي خريد هم کرده باشيد اما تفاوت خاصي بين آن و موتورهاي معمولي که داشته ايد حس نشده باشد. دليل آن چيست؟ در کاتالوگ و ديتاشيت هاي همه موتورهاي استپ پارامتري به نام اينرسي هسته وجود دارد. ممکن است پارامتر گشتاور بدليل آنکه هسته موتور به مرور ضعيف ميشود و کارخانه سازنده نميخواهد براي خود بدنامي بوجود آورد نوشته نشده باشد، ولي مقدار اينرسي هسته، همواره در کليه شرايط در کاتالوگ همراه با ولتاژ و جريان موتور نوشته شده اند. هسته و قطعاتي که برروي موتور بسته ميشوند، داراي اينرسي خاصي هستند. اين اينرسي در هنگام راه افتادن و توقف موتور، ايجاد گشتاوري در جهت و يا خلاف جهت گردش موتور ميکند. به همين دليل موتور ناگهان نميتواند به حرکت درآمده و يا از حرکت باز ايستد.نمودار سرعت حرکت موتور بايد به شکل زير باشد تا بتواند با حداکثر سرعت خود حرکت کند.
در شرايطي که بخواهيم يک موتور را سريعتر از مقدار نيروي اينرسي هسته اش به حرکت درآوريم، بايد ابتدا از سرعت کم شروع کرده و به تدريج سرعت را زياد کنيم. درنمودار فوق Acc مبين اين مطلب است. در هنگام سکون هم بايد به تدريج توقف نمود تا دقيقا در سرجاي خود بايستد. Acc و Dec مخفف کلمات Acceleration و Deceleration هستند که مفهوم آنها شتاب حرکت و شتاب سکون است.
کنترلري که به درايو استپ شما متصل ميگردد، وظيفه ايجاد شتاب را دارد. کنترل کننده هاي CNC ساخت مجموعه تحقيقاتي جمشاد، اين امکان را دارند که شتاب حرکت و سکون را رعايت کرده و GCode مطابق با استاندارد RS274NGC را دريافت نمايند. با رعايت شتاب حرکت و سکون، با درايورهاي ما ميتوانيد موتورهاي سري H را ، تا سرعت 16000 استپ در ثانيه راه اندازي نماييد.
کنترلري که به درايو استپ شما متصل ميگردد، وظيفه ايجاد شتاب را دارد. کنترل کننده هاي CNC ساخت مجموعه تحقيقاتي جمشاد، اين امکان را دارند که شتاب حرکت و سکون را رعايت کرده و GCode مطابق با استاندارد RS274NGC را دريافت نمايند. با رعايت شتاب حرکت و سکون، با درايورهاي ما ميتوانيد موتورهاي سري H را ، تا سرعت 16000 استپ در ثانيه راه اندازي نماييد.
کاربرد موتورهاي استپ :
موتورهاي استپ کاربردهاي بسيار زيادي دارند و دور تا دور ما را پر کرده اند. براي مثال ميتوان گفت:
· کيلومتر شمار و ساعت ماشين هاي پژو
· حرکت هد فلاپي درايوها
· حرکت کاغذ و هد چاپ در پرينترهاي Epson
· دستگاه هاي CNC کوچک و بزرگ
· سيستم هاي کنترل خطي و positioning
· روبات هاي ساده
· ساعت هاي بزرگ شهري
· بازو بسته کردن دريچه هاي هوا و اگزوزهاي دقيق
· سيستم هاي سيم پيچي ترانس و هسته هاي فريت
ومجموعه اي کامل و بي انتها از کاربردها وجود دارد که ميتوان از اين نوع موتورهاي در آنها استفاده نمود.
· کيلومتر شمار و ساعت ماشين هاي پژو
· حرکت هد فلاپي درايوها
· حرکت کاغذ و هد چاپ در پرينترهاي Epson
· دستگاه هاي CNC کوچک و بزرگ
· سيستم هاي کنترل خطي و positioning
· روبات هاي ساده
· ساعت هاي بزرگ شهري
· بازو بسته کردن دريچه هاي هوا و اگزوزهاي دقيق
· سيستم هاي سيم پيچي ترانس و هسته هاي فريت
ومجموعه اي کامل و بي انتها از کاربردها وجود دارد که ميتوان از اين نوع موتورهاي در آنها استفاده نمود.
سخن آخر :
نوشته فوق، تنها بخش کوچکي از مرور بر تکنولوژي استپ ميباشد. سعي براين بود که اين متن پاسخي به سئوالات عمومي مصرف کنندگان موتورهاي استپ باشد و کاربران اين موتورها بتوانند بهتر و بهينه موتور و درايور مورد نياز خود را انتخاب نمايند. توضيحات پيرامون فرآيندهاي کنترل و ساخت درايو نياز به وقت بسيار بيشتر و پيچيدگيهاي فراتر دارد. اميد است که اين متن براي خوانندگان موثر و مفيد واقع شود و ديدگاه بهتر در انتخاب موتور و درايور مورد نظر به آنها بخشد.
نوشته: ش.جمشاد
دي ماه 1388
info@jamshad.com <mailto:info@jamshad.com>
دي ماه 1388
info@jamshad.com <mailto:info@jamshad.com>
موتورهاي دوفاز، در بين مردم بيشتر شناخته شده هستند. درايورهاي آنها در مقايسه با درايورهاي موتورهاي پنج فازها، ارزانتر است. اغلب کارخانجات توليد کننده، آنها را توليد مي کنند و در بازار تنوع بيشتري دارند. در مقابل موتورهاي پنج فاز هيچيک از اين محاسن را ندارند. تنها برتري موتورهاي پنج فاز دقت آن ها است.
موتورهاي دوفاز در بازار با دقت هاي 8spr يا 45 درجه، 48spr يا 7.5 درجه، 200spr يا 1.8 درجه و 400spr يا 0.9 درجه يافت مي شوند و اين درحالي است که موتورهاي پنج فاز معمولا 0.9 درجه بوده و تنوع خاصي ندارند. البته به دليل آنکه سازندگان اينگونه موتورها شرکت هاي بسيار معتبر هستند، کيفيتي مطلوب نيز دارند. (spr مخفف کلمات Step Per Round بوده و به مفهوم تعداد استپ بر دور است).
موتورهاي دوفاز، در اغلب مغازه ها جاي دارند و بيشترين مصرف را در بين دانشجويان، مراکز آموزشي، طرح هاي تحقيقاتي و صنايع کوچک دارند. قدرت آنها از 0.01Nm آغاز شده و در برخي مدلها به 100Nm ميرسد. در مقياس بزرگ در برخي موارد موتور هاي استپ از سروو موتورهاي هم اندازه خود قويتر و سريعتر هستند.
تنوع موتورهاي دوفاز و انواع آن ها زياد است. اما در کليه موارد ساختمان آنها يکسان بوده و تنها اندکي اختلاف بين آنها وجود دارد. درايوري جهت راه اندازي اين نوع موتورها مناسب است که بتواند قدرت، سرعت و دقت اين موتور ها را بکار گيرد، و همچنين بتواند همه چهار دسته موجود در بازار را راه اندازي نمايد. تمام درايورهاي موتور استپ اين شرکت ميتوانند کليه انواع موتورهاي دوفاز را راه اندازي نمايند. تنها قدرت موتور، تعيين کننده مدل 2A, 4A, 6A, 8A است.
در زير نگاهي به ساختمان موتورهاي استپ دوفاز نموده و آنها را با هم مقايسه مي کنم. عکس زير سه دسته از چهار دسته موتورهاي استپ را نمايش ميدهد:
موتورهاي دوفاز در بازار با دقت هاي 8spr يا 45 درجه، 48spr يا 7.5 درجه، 200spr يا 1.8 درجه و 400spr يا 0.9 درجه يافت مي شوند و اين درحالي است که موتورهاي پنج فاز معمولا 0.9 درجه بوده و تنوع خاصي ندارند. البته به دليل آنکه سازندگان اينگونه موتورها شرکت هاي بسيار معتبر هستند، کيفيتي مطلوب نيز دارند. (spr مخفف کلمات Step Per Round بوده و به مفهوم تعداد استپ بر دور است).
موتورهاي دوفاز، در اغلب مغازه ها جاي دارند و بيشترين مصرف را در بين دانشجويان، مراکز آموزشي، طرح هاي تحقيقاتي و صنايع کوچک دارند. قدرت آنها از 0.01Nm آغاز شده و در برخي مدلها به 100Nm ميرسد. در مقياس بزرگ در برخي موارد موتور هاي استپ از سروو موتورهاي هم اندازه خود قويتر و سريعتر هستند.
تنوع موتورهاي دوفاز و انواع آن ها زياد است. اما در کليه موارد ساختمان آنها يکسان بوده و تنها اندکي اختلاف بين آنها وجود دارد. درايوري جهت راه اندازي اين نوع موتورها مناسب است که بتواند قدرت، سرعت و دقت اين موتور ها را بکار گيرد، و همچنين بتواند همه چهار دسته موجود در بازار را راه اندازي نمايد. تمام درايورهاي موتور استپ اين شرکت ميتوانند کليه انواع موتورهاي دوفاز را راه اندازي نمايند. تنها قدرت موتور، تعيين کننده مدل 2A, 4A, 6A, 8A است.
در زير نگاهي به ساختمان موتورهاي استپ دوفاز نموده و آنها را با هم مقايسه مي کنم. عکس زير سه دسته از چهار دسته موتورهاي استپ را نمايش ميدهد:
Fundamental of Stepper Motor and Drivers :
استفاده از مقالات سايت با ذکر منبع و URL آن بلامانع است.
