آشنایی با استپر موتور

استپر موتورها جایگاه خاصی در ساخت دستگاه های CNC دارند و در سرعت های پائین، موتور بسیار مناسبی از نظر عملکرد و هزینه برای حرکت محورها محسوب می شوند. استپر موتورها که گاهی از آنها با عنوان موتور Gearboxless نام برده می شود، دارای حداکثر گشتاور در وضعیت متوقف و قفل هستند و گشتاور آنها با افزایش سرعت شروع به کاهش می کند و اگر فرکانس موج ورودی از مقدار مشخصی بالاتر برود، گشتاور خروجی موتور به حدی کاهش می یابد که حتی قادر به چرخاندن روتور خود هم نیست. پس از نظر گشتاور مزیت استپر موتور حرکت در دورهای پائین اما با گشتاور بالاست…

123 (2)

استپر موتورها جایگاه خاصی در ساخت دستگاه های CNC دارند و در سرعت های پائین، موتور بسیار مناسبی از نظر عملکرد و هزینه برای حرکت محورها محسوب می شوند. استپر موتورها که گاهی از آنها با عنوان موتور Gearboxless نام برده می شود، دارای حداکثر گشتاور در وضعیت متوقف و قفل هستند و گشتاور آنها با افزایش سرعت شروع به کاهش می کند و اگر فرکانس موج ورودی از مقدار مشخصی بالاتر برود، گشتاور خروجی موتور به حدی کاهش می یابد که حتی قادر به چرخاندن روتور خود هم نیست. پس از نظر گشتاور مزیت استپر موتور حرکت در دورهای پائین اما با گشتاور بالاست .
از نظر تعداد سیم پیچ هم استپر موتورهای مورد استفاده اکثرا دو فاز یا پنج فاز هستند که موتورهای پنج فاز دارای سرعت بالاتری نسبت به نوع دو فاز هستند، اما مدارات درایور لازم برای اینکار هم به نسبت پیچیده تر و گران قیمت تر می باشد .
از نظر دقت حرکت هم استپر موتورها با دقت های مختلفی عرضه می شوند که برای نوع دو فاز معمول ترین آن دارای دقت 1.8 درجه بر استپ و نوع 5 فاز دارای دقت 0.72 درجه بر استپ است. در بحث دقت موتور، استفاده از روش پیشرفته ای به نام “میکرواستپ” یا microstepping می تواند برای استپر موتور، دقتی بسیار بیشتر از دقت نامی آن را ایجاد کند و پله های حرکت یک موتور را به مقادیر ریزتری تقسیم کند. بنابراین در اکثر دستگاه های CNC از درایورهای میکرواستپ به منظور رسیدن به دقت بالای حرکت استفاده می شود. نکته قابل ذکر این است که هرچند از طریق کاهش دور موتور با سیستم های مکانیکی می توان به دقت مورد نظر در روش های معمول درایو رسید، اما این کاهش دور علاوه بر هزینه هایی که می تواند از نظر مکانیکی بر سیستم تحمیل کند، موجب کند شدن حرکت خروجی می شود و افزایش دقت منجر به کاهش سرعت می شود و این امر مطلوبی نیست. بنابراین برای رسیدن به دقت مورد نظر در حین حفظ سرعت، چاره ای جز استفاده از روش های افزایش دقت به صورت الکترونیکی نیست و به همین دلیل است که درایورهای معمول full/half جایگاه چندانی در CNC های دقیق که از استپر موتور استفاده می کنند، ندارند و موتورهای دو فاز و پنج فاز معمولا به صورت میکرواستپ درایو می شوند .
درايورهاي استپر موتور به دوصورت ولتاژي و جرياني عمل مي كنند. در نوع ولتاژي كه بسيار ساده تراست، 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 سرعت 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 4 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 L297-L298 از طريق ايجاد يك فيدبك جريان و مقايسه آن با يك ولتاژ reference مشخص است .
استپر موتورهای دو فاز در انواع 4 سیمه، 5 سیمه، 6 سیمه و 8 سیمه وجود دارند. در نوع 4 سیمه دو سیم پیچ مجزا وجود دارند که باید با روش Bipolar یا دو قطبی درایو شوند. در این روش با قرار دادن هر سیم پیچ در یک مدار پل (Bridge) ، جریان در دوجهت از سیم پیچ عبور می کند. نقطه مقابل این روش، عبور جریان در یک جهت از سیم پیچ ها است که به این روش Unipolar یا تک قطبی گفته می شود. سر وسط هر سیم پیچ در این روش از موتور خارج می شود و معمولا به تغذیه مثبت درایور متصل می شود. با قرار دادن 4 سوئیچ قدرت، سرهای خروجی هر سیم پیچ در زمان مناسب به زمین متصل می شوند و بنابراین از هر نیمه سیم پیچ تنها در یک جهت جریان عبور می کند. روش دو قطبی از نظر مشخصه گشتاور و پاسخ موتور از هر جهت نسبت به روش تک قطبی مزیت دارد و تنها سادگی روش تک قطبی است که پیاده سازی آنرا راحت تر می کند. در استپر موتورهای 5 سیمه، دو سر وسط سیم پیچ ها بصورت داخلی به یکدیگر متصل شده اند و بنابراین باید به روش تک قطبی درایو شوند. در موتور های 6 سیمه، دو سر وسط در دسترس است تا هر یک از روش های تک قطبی یا دو قطبی را بتوان برای آنها بکار برد. اما در موتورهای با  8 سیم خروجی هر نیمه سیم پیچ بصورت مجزا خارج شده و این امکان وجود دارد که این نیمه سیم پیچ ها با یکدیگر سری یا موازی شوند. علاوه بر اینکه می توان این موتورها را با سری کردن سیم پیچ هابه هر یک از دو روش تک قطبی و دو قطبی درایو کرد، این امکان وجود دارد که هر دو نیمه سیم پیچ با یکدیگر موازی شوند و به صورت دو قطبی درایو شوند. موازی کردن سیم پیچ ها منجر به دوبرابر شدن جریان خروجی درایور است، اما ولتاژ لازم نسبت به روش دو قطبی را به نصف کاهش می دهد. به این نوع موتور ها، موتورهای  Bifilar گفته می شود .

برای افزایش سرعت استپر موتورها معمولا دو روش مورد استفاده قرار می گیرد. در روش اول برای کاهش ثابت زمانی شارژ جریان موتور، یک مقاومت با هر سیم پیچ موتور سری می شود. بنابراین در ثابت زمانی L/R به دلیل افزایش مخرج کسر، کاهشی با نسبت عکس نسبت مقدار مقاومت ایجاد می شود. در این روش باید تغذیه درایور هم به مقدار مناسب افزایش یابد تا ولتاژ موتور تامین شود. اگر مقاومت سری موتور R در نظر گرفته شود و مقاومت NR با آن سری شود، ثابت زمانی به میزانN+1 مرتبه کاهش می یابد و تغذیه اعمال شده به کل مجموع موتور و مقاومت هم باید N+1 برابر شود تا جریان موتور حفظ شود.اشکال اصلی این روش، ایجاد تلفات حرارتی روی مقاومت سری و نیاز به تغذیه با ولتاژهای به مراتب بزرگتر از ولتاژ نامی استپر موتور است .
در روش دوم که به chopping معروف است، تغذیه ای به مراتب بزرگتر از مقدار نامی به سیم پیچ موتور اعمال می شود. بنابراین جریان موتور با شیب بزرگتری نسبت به وضعیتی که با ولتاژ نامی خود درایو شود، رشد می کند. به محض رسیدن جریان موتور به مقدار مورد نظر، وضعیت ولتاژ اعمال شده به آن تغییر می کند و بنابراین جریان مجددا کاهش می یابد. این سیکل نوسانی منجر به تثبیت جریان موتور در حوالی جریان مورد نظر می شود و همان عملکرد منبع جریان را شبیه سازی می کند. در شکل زیر نمایی از هر سه روش نمایش داده شده است.

Untitled

برای بکار بردن استپر موتور و درایور آن در یک دستگاه CNC باید به چه مواردی توجه شود؟ مسائلی نظیر دقت موتور، مشخصه گشتاور خروجی، ولتاژ و جریان نامی، تعداد سیم پیچ ها و ابعاد فیزیکی از جمله موارد تعیین کننده هستند. در مورد دقت موتور و امکان بکارگیری هر یک از درایورهای Full/Half و یا میکرواستپ در بخش های قبل توضیح داده شد. از نظر مشخصه گشتاور برای یک استپر موتور یک پارامتر Holding Torque برحسب kgf.cm یا N.cm یا N.m تعریف می شود. سوالی که برای بسیاری از استفاده کننده ها از استپر موتورها مطرح می شود این است که این اعداد را باید چطور تعبیر کرد تا به قدرت موتور پی برد؟ مثلا موتوری با گشتاور 18kgf.cm در عمل چقدر قدرت دارد؟ پاسخ این سوال در تعریف کمیت گشتاور نهفته است. چنین موتوری می تواند در فاصله یک سانتیمتری از مرکز محور خود، 18 نیرو بصورت مماس بر دایره چرخش وارد کند. به صورت دیگر در فاصله 10 سانتی متری از مرکز محور خود می تواند 1.8 نیرو وارد کند. البته مقدار گشتاور با شروع چرخش موتور به تدریج کاهش می یابد و حداکثر آن در وضعیت قفل موتور اعمال می شود .
پس با توجه به این گشتاور و نسبت تبدیل هایی که در سیستم مکانیکی وجود دارد می توان استپر موتور را از نظر گشتاور خروجی آن انتخاب کرد .
برای انتخاب موتور و درایور باید بسته به سیستم مکانیکی خود بسنجید که چه گشتاوری لازم است و گشتاور خروجی موتور را بر آن اساس انتخاب کنید. از روی ابعاد هم نمی توان در این مورد اظهار نظر کرد و این امر به نوع مکانیزم و وزن سیستم  و گام پیچ و موارد فراوان دیگری وابسته است. برای درایور هم بستگی به دقت حرکت شما دارد که مطابق آن می توانید از درایورهای Full/Half یا میکرواستپ استفاده کنید .

 

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *