استپر موتورها جايگاه خاصي در ربات ها و دستگاه هاي CNC دارند و هنگامي كه سرعت حركت بالايي مورد نظر نباشد، از نظر عملكرد و هزينه موتور بسيار مناسبي براي حركت محورها محسوب مي شوند. اين موتورها كه گاهي از آنها با عنوان موتور Gearboxless نام برده مي شود، داراي حداكثر گشتاور در وضعيت متوقف و قفل هستند و گشتاور آنها با افزايش سرعت كاهش مي يابد. بنابراين اگر فركانس موج ورودي از مقدار مشخصي بالاتر برود، گشتاور خروجي موتور به حدي كاهش مي يابد كه حتي قادر به چرخاندن روتور خود هم نيست. پس مزيت استپر موتور از نظر گشتاور ، حركت در دورهاي پائين با حفظ گشتاور بالاست .

انواع استپر موتور

از نظر تعداد سيم پيچ هم استپر موتورهاي مورد استفاده معمولا دو فاز يا پنج فاز هستند كه در اين مقاله به موتورهاي دو فاز پرداخته مي شود استپر موتورها در انواع ۴ سيمه، ۵ سيمه، ۶ سيمه و ۸ سيمه وجود دارند. در نوع ۴ سيمه دو سيم پيچ مجزا وجود دارند كه بايد با روش Bipolar يا دو قطبي درايو شوند. در اين روش با قرار دادن هر سيم پيچ دريك مدار پل (Bridge)، جريان در دو جهت از سيم پيچ عبور مي كند.

نقطه مقابل اين روش، عبور جريان در يك جهت از سيم پيچ ها است كه به اين روش Unipolar يا تك قطبي گفته مي شود. سر وسط هر سيم پيچ در اين روش از موتور خارج مي شود و معمولا به تغذيه مثبت درايور متصل مي شود. با عملكرد ۴ سوئيچ قدرت، سرهاي خروجي هر سيم پيچ در زمان مناسب به زمين متصل مي شوند و بنابراين از هر نيمه سيم پيچ تنها در يك جهت جريان عبور ميكند.

روش دو قطبي از نظر مشخصه گشتاور و پاسخ موتور از هر جهت نسبت به روش تك قطبي مزيت دارد و تنها سادگي روش تك قطبي است كه پياده سازي آنرا راحت تر مي كند. در استپر موتورهاي ۵ سيمه، دو سر وسط سيم پيچ ها بصورت داخلي به يكديگر متصل شده اند و بنابراين بايد به روش تك قطبي درايو شوند. در موتور هاي ۶ سيمه، دو سر وسط در دسترس است تا هر يك از روش هاي تك قطبي يا دو قطبي را بتوان براي آنها بكار برد.

موتورهاي Bifilar

اما در موتورهاي با ۸ سيم خروجي هر نيمه سيم پيچ بصورت مجزا خارج شده و اين امكان وجود دارد كه اين نيمه سيم پيچ ها با يكديگر سري يا موازي شوند. علاوه بر اينكه اين موتورها را مي توان با سري كردن سيم پيچ ها به هر يك از دو روش تك قطبي و دو قطبي درايو كرد، اين امكان وجود دارد كه هر دو نيمه سيم پيچ با يكديگر موازي شوند و به صورت دو قطبي درايو شوند. موازي كردن سيم پيچ ها منجر به دوبرابر شدن جريان خروجي درايور است، اما ولتاژ لازم نسبت به روش دو قطبي را به نصف كاهش مي دهد. به اين نوع موتور ها، موتورهاي Bifilar گفته مي شود .

درايورهاي استپر موتور به دوصورت ولتاژي و جرياني عمل مي كنند. در نوع ولتاژي كه بسيار ساده تر است، ولتاژ هاي مناسبي توسط سوئيچ هاي الكترونيك به سيم پيچ هاي موتور اعمال مي شود و با فرض اينكه گشتاور بار از گشتاور موتور كمتر باشد، حركت مورد نظر در موتور ايجاد مي شود. اشكال اين روش اين است كه با افزايش سرعت موتور و به دليل خاصيت سلفي آن، جريان گذرنده از موتور با افزايش فركانس كاهش مي يابد و بنابراين گشتاور موتور هم به همين دليل كاهش مي يابد. اين روش در حين اينكه از نظر پياده سازي بسيار ساده تر است اما به دليل اين كه با افزايش فركانس ورودي عملا استپر موتور به سرعت كارايي خود را از دست مي دهد، به دورهاي پائين و حركت هاي كند منحصر مي شود. مثالي از اين نوع درايو موتور، قرار دادن ۴ عدد ترانزيستور براي سوئيچ كردن سيم پيچ هاي يك موتور دو فاز و با يك تغذيه ثابت است.

در روش درايو جرياني كه روش پيشرفته اي محسوب مي شود، از مقدار جريان هاي موتور فيدبك گرفته مي شود و متناسب با جرياني كه بايد از سيم پيچ موتور عبور كند، زمان اعمال ولتاژ به آن تغيير مي كند و اين زمان مقدار ثابتي نيست. درايور موتور در اين حالت به عنوان يك منبع جريان و نه منبع ولتاژ عمل مي كند و بنابراين با اعمال هوشمند ولتاژ به موتور، سيم پيچ هاي آن را مجبور مي كند كه جريان مورد نظر را از خود عبور دهند. به همين دليل پاسخ موتور از نظر گشتاور و بالاتر بودن فركانسي كه موتور مي تواند در آن به حركت درست خود ادامه دهد، بسيار بهتر از درايو ساده از طريق اعمال ولتاژ در زمان هاي ثابت است. مثالي از اين نوع درايور، عملكرد مجموعه IC هاي L298-L297 از طريق ايجاد يك فيدبك جريان و مقايسه آن با يك ولتاژ reference مشخص است. استپر موتورها به ۳ روش step Full و step Half و microstepping درايو مي شوند كه در مورد اين روش ها در ادامه مقاله توضيح داده خواهد شد .

روش های افزایش سرعت استپر موتورها

براي افزايش سرعت استپر موتورها معمولا دو روش مورد استفاده قرار مي گيرد. در روش اول براي كاهش ثابت زماني شارژ جريان موتور، يك مقاومت با هر سيم پيچ موتور سري مي شود. بنابراين در ثابت زماني R/L به دليل افزايش مخرج كسر، كاهشي با نسبت عكس نسبت مقدار مقاومت ايجاد مي شود. در اين روش بايد تغذيه درايور هم به مقدار مناسب افزايش يابد تا ولتاژ موتور تامين شود. اگر مقاومت سري موتور R در نظر گرفته شود و مقاومت NR با آن سري شود، ثابت زماني به ميزان ۱+Nمرتبه كاهش مي يابد و تغذيه اعمال شده به كل مجموع موتور و مقاومت هم بايد ۱+N برابر شود تا جريان موتور حفظ شود.

اشكال اصلي اين روش، ايجاد تلفات حرارتي روي مقاومت سري و نياز به تغذيه با ولتاژهاي به مراتب بزرگتر از ولتاژ نامي استپر موتور است .
در روش دوم كه به chopping معروف است، تغذيه اي به مراتب بزرگتر از مقدار نامي به سيم پيچ موتور اعمال مي شود. بنابراين جريان موتور با شيب بزرگتري نسبت به وضعيتي كه با ولتاژ نامي خود درايو شود، رشد مي كند. به محض رسيدن جريان موتور به مقدار مورد نظر، وضعيت ولتاژ اعمال شده به آن تغيير ميكند و بنابراين جريان مجددا كاهش مي يابد. اين سيكل نوساني منجر به تثبيت جريان موتور در حوالي جريان مورد نظر مي شود و همان عملكرد منبع جريان را شبيه سازي مي كند. ( منبع THOMSON-SGS )

براي انتخاب يك استپر موتور و درايور آن بايد به مسائلي نظير دقت موتور، مشخصه گشتاور خروجي، ولتاژ و جريان نامي، تعداد سيم پيچ ها و ابعاد فيزيكي موتور توجه شود. از نظر مشخصه گشتاور براي يك استپر موتور يك پارامتر شود مي تعريف برحسب Holding Torque سوالي كه براي بسياري از استفاده كننده ها از استپر موتورها مطرح مي شود اين است كه اين اعداد را بايد چطور تعبير كرد تا به قدرت موتور پي برد؟ مثلا موتوري با گشتاور cm.18kgf در عمل چقدر قدرت دارد؟ پاسخ اين سوال در تعريف كميت گشتاور نهفته است. چنين موتوري مي تواند در فاصله يك سانتيمتري از مركز محور خود، ۱۸kgf نيرو بصورت مماس بر دايره چرخش وارد كند يا به صورت ديگر در فاصله ۱۰ سانتي متري از مركز محور خود مي تواند ۸kgf.1 نيرو وارد كند. البته مقدار گشتاور با شروع چرخش موتور به تدريج كاهش مي يابد و حداكثر آن در وضعيت قفل موتور اعمال مي شود. پس با توجه به اين گشتاور و نسبت تبديل هايي كه در سيستم مكانيكي وجود دارد مي توان استپر موتور را از نظر گشتاور خروجي آن انتخاب كرد .
درايورهاي صنعتي استپر موتور كه براي ساخت CNC مورد استفاده قرار مي گيرند، معمولا داراي ۳ ورودي Pulse يا (Clock) و Direction و Enable هستند. در برخي انواع پيشرفته تر ممكن است بتوان بصورت سريال و با ارسال دستورالعمل هايي به درايور، جهت و مقدار حركت و ساير موارد را به درايور اعلام كرد. ممكن است خروجي هايي هم از درايور براي تشخيص شرايط  Fault و مانند آن پيش بيني شده باشد . براي تنظيم سطح جريان موتور معمولا يك پتانسيومتر روي درايور قرار دارد كه جريان موتور بوسيله آن تنظيم مي شود و تغذيه اعمال شده به درايور هم به دليل مكانيزم كنترل جرياني كه وجود دارد، بسيار بزرگتر از ولتاژ نامي موتور در نظر گرفته مي شود. دقت حركت درايور هم مي تواند بوسيله ورودي هاي فرمان يا switch Dip يا فرمان سريال تعيين شود كه همه اين موارد بستگي به نوع درايور مورد استفاده قرار مي گيرد.

نويسنده: اوژن كي نژاد

منبع: سایت http://knowledgeplus.ir