استپر موتور چیست – قسمت اول

استپر موتور چیست

موتورهای پله ای موتورهای الکتریکی هستند که در گام های کوچک و دقیق حرکت می کنند و امکان تعیین موقعیت و کنترل دقیق را فراهم می کنند. موتورهای پله ای به جای چرخش مداوم مانند سایر موتورها، در مراحل متوالی دقیق حرکت می کنند. بنابراین، آنها برای رشته‌هایی مانند رباتیک، ماشین‌های CNC، تجهیزات پزشکی، چاپ و تصویربرداری و سیستم‌های اتوماسیون که کنترل دقیق و موقعیت‌یابی لازم است، عالی هستند. موتورهای پله ای در اشکال مختلفی از جمله موتورهای پله ای مغناطیسی دائمی، هیبریدی و رلوکتانس متغیر وجود دارند که هر کدام دارای مزایا و ویژگی هایی هستند.

انواع استپر موتور

موتورهای پله ای مگنت دائمی

موتور پله‌ای آهنربای دائم (PM) نوعی موتور پله‌ای با قطب‌های برجسته با سیم‌پیچ‌های استاتور است که در قطب‌ها با آهنرباهای دائمی ساخته شده از فولاد با احتباس بالا متمرکز شده‌اند. این استپر موتور شامل دو قطب روی روتور و چهار قطب روی استاتور است.

در عملکرد یک موتور پله ای PM، قطب ها با توجه به تحریک سیم پیچ ها با قطب های استاتور هماهنگ می شوند. این موتور گشتاور بالایی با سطوح سرعت پایین تولید می کند. در یک موتور پله ای PM دو فاز، سیم پیچ های استاتور A و B را می توان به چهار روش مجزا تحریک الکتریکی کرد.

موتورهای پله ای رلوکتانس متغیر
موتور پله‌ای رلوکتانس متغیر (VR) نوعی موتور پله‌ای است که روتور آن از مواد مغناطیسی نرم و استاتور از سیم‌پیچ‌های پیچیده تشکیل شده است. دنباله خاصی از انرژی دهی سیم پیچ برای ایجاد یک چرخش پله ای کوچک موتور پله ای ساخته شده است. این به نوبه خود امکان دقت در کنترل سرعت و موقعیت موتور را فراهم می کند.

در زیر برخی از ویژگی های کلیدی موتورهای پله ای رلوکتانس متغیر آورده شده است.

رلوکتانس مغناطیسی: رلوکتانس مغناطیسی در روتور یکی از مشخصات فنی اصلی موتورهای پله ای VR است. این عدم تمایل مغناطیسی معیار مقاومت یا تضاد میدان مغناطیسی در استاتور و میدان مغناطیسی در روتور است. هنگامی که سیم پیچ روتور روشن می شود، عدم تمایل مغناطیسی در روتور باعث چرخش آن می شود و باعث می شود که موتور پله ای VR بسیار پاسخگو باشد و قادر به تولید گشتاور بالا در سرعت های پایین باشد.

وضوح گام: وضوح پله یکی دیگر از ویژگی های موتورهای پله ای VR است که تعداد پله ها در هر دور و تعداد سیم پیچ های استاتور را تعیین می کند. رزولوشن در موتورهای پله ای VR نسبتاً کمتر از سایر موتورهای پله ای است اما می تواند گشتاور بالایی در عملیات های با سرعت پایین ایجاد کند.

طراحی ساده و جمع و جور: در مقایسه با سایر طرح های موتور پله ای، طرح های موتور پله ای VR جمع و جور و ساده هستند زیرا به مواد معدنی کمیاب خاکی نیاز ندارند و به همین دلیل مقرون به صرفه تر هستند.

موتورهای پله ای هیبریدی
این نوع استپر موتور بهترین ویژگی های موتورهای پله ای VR و PM را در کنار هم قرار می دهد. این ترکیب آن را در کنترل و موقعیت یابی دقیق تر می کند.

در زیر برخی از ویژگی های کلیدی موتورهای پله ای هیبریدی آورده شده است.

وضوح پله ای: این وضوح در موتورهای هیبریدی کمتر از یک موتور پله ای PM است اما بالاتر از یک موتور پله ای VR است، بنابراین برای کاربردهای با دقت و دقت بالا مناسب است.

گشتاور خروجی: گشتاور اندازه گیری نیروی دورانی است. موتورهای پله‌ای هیبریدی می‌توانند گشتاور بالایی در سرعت‌های پایین تولید کنند و برای عملیات‌های سنگین و دقیق مناسب باشند.

طراحی: موتورهای پله ای هیبریدی بزرگتر و از نظر طراحی پیچیده تر از انواع دیگر هستند. موتور گران است زیرا از مواد معدنی کمیاب استفاده می کند.

انتخاب موتور پله ای مناسب

عواملی که باید در نظر گرفته شوند
انتخاب موتور مناسب به معنای در نظر گرفتن برخی عوامل مهم است تا اطمینان حاصل شود که موتور نیازهای خاص شما را برآورده می کند.

دقت گام: این معیار گام در هر دور و دقت حرکت موتور است. دقت مرحله بالا در کاربردهای با دقت بالا مانند رباتیک حیاتی است.

گشتاور: نیرویی است که هنگام چرخش موتور ایجاد می شود. سطوح بالاتری از گشتاور در عملیات بارهای سنگین اعمال می شود. این سطوح گشتاور برای شتاب گیری و کاهش سرعت نیز مناسب هستند.

سرعت: حداکثر سرعتی است که یک استپر موتور می تواند بچرخد. سرعت را می توان بسته به درخواست یا نیاز شما انتخاب کرد. موتورهای کم سرعت دقت بالاتری دارند.

اندازه و وزن: این دو فاکتور مهمی هستند که باید در کاربردهای فضای محدود یا جاهایی که موتور برای قابل حمل بودن لازم است در نظر گرفت.

محاسبات
محاسبات استپر موتور در تعیین عملکرد و مناسب بودن موتورها برای کاربردهای خاص حیاتی است. این محاسبات می تواند به مهندسان کمک کند تا انتخاب درستی در سیستم های موتور و کنترل برای عملکرد بهینه داشته باشند.

محاسبات زاویه گام: زاویه گام، جابجایی زاویه ای روتور برای هر پله است که بر حسب درجه بیان می شود. برای محاسبه زاویه گام، تعداد پله ها در هر دور و تعداد قطب های استاتور را تعیین کنید.

محاسبات گشتاور: این اندازه گیری نیروی دورانی در موتورهای پله ای را می توان با جمع کردن گشتاور اصطکاکی با (Tf) با گشتاور اینرسی (Ti) تعیین کرد.

بنابراین گشتاور کل را می توان به صورت زیر بیان کرد:

T=Tf+Ti
برای تعیین نیروی اصطکاک Tf از عبارت زیر استفاده می شود.
Tf=F×r
جایی که F نیروی مورد نیاز برای جابجایی بار و r شعاع چرخش است.

محاسبه گشتاور اینرسی Ti را می توان در رابطه زیر بیان کرد

Ti=I(ωt)πθK
جایی که I بار اینرسی موتور است

t زمان در ثانیه است

نرخ گام در ثانیه است

زاویه گام است

K یک ثابت است

گشتاور در یک موتور پله ای را می توان با استفاده از جریان I، شعاع روتور r و گشتاور ثابت Kt نیز محاسبه کرد. گشتاور در رابطه زیر بیان می شود

T=Kt∗I/2πr
محاسبات گشتاور نگهدارنده: این حداکثر گشتاور اعمال شده به روتور بدون ایجاد چرخش روی آن است. می توان آن را به صورت زیر بیان کرد:

Th=Vm∗N/2πr
جایی که Vm چگالی شار مغناطیسی است

N چرخش استاتور است

فرکانس تشدید: این فرکانس نوسان یک سیستم هنگام کار در فرکانس طبیعی آن است. می توان آن را به صورت زیر بیان کرد:

f=12π∗√KtJ
جایی که f فرکانس تشدید است

Kt ثابت گشتاور است

J ممان اینرسی روتور است

رلوکتانس مغناطیسی: این اندازه گیری تضاد میدان مغناطیسی استاتور و روتور را می توان با استفاده از موارد زیر محاسبه کرد:

Rm=μLA
جایی که Rm عدم تمایل مغناطیسی است

L طول روتور است

A سطح مقطع روتور است

نکات اولیه استپر موتورز
در زیر خلاصه ای از نکات مهمی که در مقاله باید به آن توجه کنید آمده است.

موتورهای پله ای موتورهای الکتریکی هستند که برای دقت در موقعیت یابی و کنترل با افزایش های دقیق کمی می چرخند.

آهنربای دائمی، رلوکتانس متغیر و هیبریدی از انواع موتورهای پله ای هستند.

دقت استپ، سرعت، گشتاور، اندازه و وزن عواملی هستند که باید در انتخاب استپر موتور مناسب در نظر گرفته شوند.

محاسبات مربوط به استپر موتور عبارتند از: زاویه گام، گشتاور، رلوکتانس مغناطیسی و محاسبات فرکانس تشدید.

فرمول محاسبه

گشتاور است

T=Kt∗I/2πr

نگه داشتن گشتاور است

Th=Vm∗N/2πr

عدم تمایل مغناطیسی است

Rm=μ/LA

فرکانس رزونانس است

f=1/2π∗√K/tJ