استپر موتور چیست و چگونه کار می‌کند؟

استپر موتور یا همان موتور پله ای تقریبا در همه جا، از یک پخش کننده DVD یا پرینتر ساده در منزل شما گرفته تا یک دستگاه CNC یا بازوی رباتی بسیار پیچیده پیدا می‌شود. قابلیت کنترل الکترونیکی دقیق حرکات باعث شده این موتورها در بسیاری از زمینه‌ها مانند دوربین‌های نظارتی، هارد دیسک‌ها، دستگاه‌های CNC، پرینترهای سه بعدی، رباتیک، ربات‌های مونتاژ، برش‌دهنده‌های لیزری و موارد بسیار دیگر کاربرد داشته باشند. در ادامه با نحوه استفاده از آن‌ها آشنا می‌شویم.

معرفی استپر موتورها

استپر موتورها مانند تمام موتورها، دارای استاتور و روتور هستند. ولی برخلاف موتورهای DC معمولی، استاتور آن‌ها از دسته سیم‌پیچ‌های مستقل از هم تشکیل شده است. تعداد این سیم‌پیچ‌ها بسته به نوع این موتور متفاوت است، اما برای شروع کافی است بدانیم که روتور در یک استپر موتور شامل قطب‌های فلزی است و هر قطب توسط یک دسته سیم‌پیچ‌‌ استاتور جذب می‌شود. شکل زیر استپر موتوری با استاتور 8 قطبی و روتور 6 قطبی را نشان می‌دهد.

اگر به سیم‌پیچ‌های استاتور نگاه کنید، متوجه می‌شوید که به صورت جفت سیم‌پیچ قرار گرفته‌اند، مثلا A و A’ یک زوج سیم‌پیچ و B و B’ زوج سیم‌پیچ دیگری را تشکیل می‌دهند. پس هر یک از این زوج سیم‌پیچ‌ها یک آهنربای الکترومغناطیسی تشکیل داده و می‌توانند به‌صورت مستقل توسط یک مدار درایور برق دار شوند. وقتی یک سیم‌پیچ برق دار شود مانند آهنربا عمل می‌کند و قطب روتور در راستای آن قرار می‌گیرد. وقتی روتور برای قرارگیری در راستای سیم‌پیچ استاتور می‌چرخد، به این معنا است که موتور یک گام (step) حرکت کرده است. به همین شکل با برق‌دار کردن پی در پی سیم‌پیچ‌ها می‌توانیم موتور را با گام‌های کوچک حرکت دهیم تا یک چرخش کامل داشته باشیم.

انواع استپر موتور

به‌طور کلی استپر موتورها (موتور پله ای) از نظر ساختار به سه دسته تقسیم می‌شوند که عبارتند از:

• استپر موتور رلوکتانس متغیر: در این نوع از استپر موتورها، روتور به‌صورت یک چرخدنده آهنی است که به سمت قطب‌های استاتور جذب شده و با حداقل رلوکتانس بین روتور و استاتور حرکت را فراهم می‌کنند.
• استپر موتور مغناطیس دائم: روتور از یک آهنربای دائم تشکیل شده است و بسته به پالس‌های اعمال شده، به سمت استاتور جذب یا دفع می‌شوند. استپر موتورهای مغناطیس دائم به دلیل زاویه پله بیشتر، از دقت کمتری برخوردارند.
• استپر موتور هایبرید سنکرون: این  نوع استپر موتورها ترکیبی از استپر موتور رلوکتانس متغیر و مغناطیس دائم هستند.

علاوه بر این، می‌توان استپر موتور را بسته به نوع سیم‌پیچی استاتور به دو دسته تک قطبی و دو قطبی نیز تقسیم کرد:

استپر موتور دو قطبی: در این نوع موتور، سیم‌پیچ‌های استاتور دارای سیم مشترک نیستند و برای هر فاز از یک سیم پیچ استفاده شده است. راه اندازی این استپر موتور متفاوت و پیچیده است و علاوه بر این، مدار راه انداز آن را نمی‌توان به‌سادگی بدون یک میکروکنترلر طراحی کرد.

استپر موتور تک قطبی: در این نوع موتور می‌توانیم وسط سیم‌پیچ هر دو فاز را به عنوان زمین یا تغذیه مشترک مانند شکل زیر در اختیار داشته باشیم. به معنای دیگر در استپر موتور تک قطبی، هر فاز از دو سیم پیچ تشکیل شده است. این موضوع باعث راه اندازی ساده‌تر موتورها می‌شود، موتورهای تک قطبی هم خود به انواع مختلفی دسته‌بندی می‌شوند.

حالت‌های کاری استپر موتور

از آنجایی که استاتور استپر موتور از چندین جفت سیم‌پیچ تشکیل شده است، هر جفت سیم‌پیچ می‌تواند با روش‌های مختلفی برق‌دار شود. این نکته باعث می‌شود هر نوع موتور خود به روش‌های مختلفی راه اندازی شود. در ادامه انواع درایو را بررسی کردیم.

حالت گام کامل

در روش گام کامل می‌توانیم با کمترین تعداد گام یک چرخش کامل 360 درجه داشته باشیم. اما این موضوع باعث کاهش اینرسی شده و حرکت روانی نخواهیم داشت. روش راه اندازی گام کامل خود به دو دسته یک فاز روشن و دو فاز روشن تقسیم می‌شود.

روش یک فاز روشن یا موجی: در این روش فقط یک ترمینال (فاز) موتور در هر لحظه برق‌دار می‌شود. این روش تعداد گام‌ کمتری دارد. از این رو می‌تواند به چرخش کامل 360 دست پیدا کند. جریان مصرفی در این روش نیز به خاطر کم بودن تعداد گام‌ها بسیار کم است. جدول زیر توالی گام‌های روش موجی برای استپر موتور 4 فازه را نشان می‌دهد.

گام	فاز 1	فاز 2	فاز 3	فاز 4
1	1	0	0	0
2	0	1	0	0
3	0	0	1	0
4	0	0	0	1

روش دو فاز روشن: همان‌طور که از اسم آن مشخص است، در این روش در هر لحظه دو فاز روشن می‌شوند. تعداد گام این روش با روش موجی یکسان است اما به دلیل برق‌دار شدن دو سیم پیچ در هر لحظه، امکان دست‌یابی به گشتاور و سرعت بهتری را در مقایسه با روش قبلی فراهم می‌کند. اما یکی از معایب این روش، جریان و توان مصرفی بیشتر آن است.

گام	فاز 1	فاز 2	فاز 3	فاز 4
1	1	1	0	0
2	0	1	1	0
3	0	0	1	1
4	1	0	0	1

حالت گام نیمه

روش گام نیمه ترکیبی از روش‌های یک فاز روشن و دو فاز روشن است. این ترکیب کمک می‌کند نقاط ضعف این دو روش پوشش داده شوند. همان‌طور که ممکن است حدس بزنید، از آنجا که ترکیبی از هر دو روش بالا را داریم، در این روش باید 8 گام طی کنیم تا یک چرخش کامل داشته باشیم. توالی کلیدزنی برای استپر موتور 4 فازه در جدول زیر نشان داده شده است:

گام	فاز 1	فاز 2	فاز 3	فاز 4
1	1	0	0	0
2	1	1	0	0
3	0	1	0	0
4	0	1	1	0
5	0	0	1	1
6	0	0	0	1
7	1	0	0	1
8	1	0	0	0

روش گام ریز

روش گام ریز ترکیبی از همه این روش‌ها است، اما دقت بسیار خوبی را در کنار گشتاور و نرم کار کردن موتور ارائه می‌کند. در این روش، سیم‌پیچ با دو موج سینوسی که با هم 90 درجه اختلاف فاز دارند، تحریک می‌شود. به این شکل جهت و اندازه جریان جاری در سیم‌پیچ کنترل می‌شود و به ما کمک می‌کند تا تعداد گام مورد نیاز برای یک چرخش کامل را افزایش دهیم. به کمک روش گام ریز می‌توان تعداد گام برای یک دور چرخش را تا 256 گام افزایش داد. این باعث می‌شود موتور چرخش سریع و روان‌تری داشته باشد.

چگونه از یک استپر موتور (موتور پله ای) استفاده کنیم؟

از مباحث تئوری خسته کننده که بگذریم، فرض کنید شما به راه اندازی استپر موتور 28BYJ48 علاقه‌مندید، تا الان باید فهمیده باشید که به حرکت در آوردن این موتورها تنها با اتصال تغذیه ممکن نیست، پس باید چه کار کنیم؟ بیایید نگاهی به استپر موتور 28BYJ48 داشته باشیم.

برخلاف موتورهای DC معمولی، از این استپر موتور 5 سیم رنگارنگ بیرون آمده است. برای اینکه بفهمیم چرا، اول باید طرز کار این موتور را بشناسیم که در مورد آن صحبت کردیم. اما به طور کلی استپر موتورها به‌طور پیوسته نمی‌چرخند، بلکه به صورت گام به گام حرکت می‌‍کنند. نام استپر موتور هم به همین دلیل برای این نوع موتور انتخاب شده است. همان‌طور که گفتیم این موتورها از سیم‌پیچ‌های متوالی تشکیل شده‌اند که باید به شکل خاصی برق‌دار شوند تا موتور به حرکت درآید. با برق‌دار شدن هر سیم پیچ، موتور یک گام حرکت کرده و با انجام این کار به‌صورت پیوسته موتور گام‌های پشت سر هم برداشته و می‌چرخد. اما برای شناخت کامل این موتورها، حال بیایید به سیم‌پیچ‌های داخل موتور دقیق‌تر نگاه کنیم تا بدانیم این سیم‌ها دقیقا از کجا می‌آیند.

همان‌طور که می‌بینید موتور ساختار تک قطبی با 5 سر سیم‌پیچ دارد. 4 سیم پیچ این موتور باید با یک ترتیب خاص برق‌دار شوند. سیم قرمز به تغذیه 5 ولت متصل می‌شود و برای برق دار کردن هر کدام از سیم پیچ‌ها، سیم مربوط به آن به زمین متصل می‌شود. برای تحریک سیم‌پیچ‌ها با یک ترتیب مشخص و حرکت موتور با تعداد پله موردنظر می‌توان از هر میکروکنترلری استفاده کرد. این نکته دوباره قابل ذکر است که روش‌های مختلفی برای انجام این ترتیب وجود دارد. معمولا از 4 گام برای کنترل استپر موتور استفاده می‌شود، اما می‌توان برای کنترل دقیق‌تر از 8 گام نیز استفاده کرد. جدول  کنترل با 4 گام را در زیر آمده است:

گام	سیم‌پیچ برق‌دار
گام 1	A و B
گام 2	B و C
گام 3	C و D
گام 4	D و A

 حال بیایید به برخی از اطلاعات فنی مهم موتور 28BYJ48 که از دیتاشیت آن گرفتیم، نگاهی بکنیم:

در این جدول تنها به چند مورد مهم می‌پردازیم تا نوع استپر موتوری را که استفاده می‌کنیم، بشناسیم و بتونیم به نحو کارآمدی آن را راه‌اندازی کنیم. اول از همه، می‌دانیم که استپر موتور ما 5 ولتی است، پس به سیم قرمز ولتاژ 5 ولت اعمال می‌کنیم. سپس، این را هم می‌دانیم که موتور 4 فازه است و 4 سیم‌پیچ دارد. حال، نسبت چرخ‌دنده‌ها 1:64 داده شده است که یعنی شافتی که در خروجی دیده می‌شود، وقتی یک دور می‌زند که موتور داخل 64 دور بزند. این به خاطر چرخ‌دنده‌هایی است که بین موتور و شافت خروجی قرار دارند و باعث کمک به افزایش گشتاور می‌شوند.

مشخصه قابل توجه دیگر زاویه گام 5.625/64 درجه است. به این معنا که اگر موتور به‌صورت گام نیمه راه‌اندازی شود و کنترل آن با 8 گام باشد، زاویه گام 5.625 درجه است و در حالت گام نیمه به 64 گام نیاز است تا یک دور کامل صورت گیرد. (360=5.625*64).

//5.625 درجه است.  به این معنا که اگر موتور به‌صورت گام نیمه راه‌اندازی شود و کنترل آن با 8 گام باشد، زاویه گام 5.625 درجه است و در حالت گام نیمه به 64 گام نیاز است تا یک دور کامل صورت گیرد. (360=5.625*64).

محاسبه تعداد گام بر دور استپر موتور

دانستن نحوه محاسبه تعداد گام بر دور استپر موتور برای برنامه‌ریزی و راه‌اندازی مناسب آن اهمیت دارد.

فرض کنیم موتور را با ترتیب 4 گامه راه‌اندازی کنیم. پس زاویه گام 11.25 درجه خواهد بود. زیرا در دیتاشیت برای ترتیب 8 گامه 5.625 داده شده است. (11.25=5.625*2).

گام بر دور = زاویه گام/360
 32=360/11.25

پس 32 گام برای یک دور کامل نیاز است.

چرا به ماژول‌های راه انداز استپر موتور نیاز داریم؟

بیشتر استپر موتورها فقط با کمک یک ماژول راه انداز کار می‌کنند. به این خاطر که ماژول کنترلر (میکروکنترلر/ مدار دیجیتال) امکان جریان‌دهی کافی به موتور را از پین‌های ورودی/ خروجی خود ندارد.  پس باید از یک ماژول دیگر مانند ماژول ULN2003 به عنوان راه انداز استپر موتور استفاده کرد. انواع مختلفی از ماژول‌های درایور موجود است که مشخصات آن‌ها بسته به نوع موتور مورد نظر متفاوت است. اما تمام ماژول‌های راه انداز باید بتواند جریان مورد نیاز موتور را تامین کند. جدا از این، ماژول‌هایی هستند که عملیات منطقی از قبل در آن‌ها برنامه‌ریزی شده که صحبت در مورد آن‌ها از حوصله این مقاله خارج است.

حال بیایید به نقاط قوت و ضعف این آن‌ها بپردازیم.

نقاط قوت

یک مزیت بزرگ استپر موتورها کنترل عالی موقعیت است که باعث می‌شود در کاربردهای کنترل دقیق مورد استفاده قرار بگیرد. همچنین گشتاور نگه‌دارنده بسیار خوب این موتورها، آن‌ها را به انتخابی ایده‌آل برای کاربردهای رباتیک تبدیل کرده است. علاوه بر این، این موتورها در مقایسه با موتور DC معمولی یا سروو موتورها طول عمر بیشتری دارند.

نقاط ضعف

مانند تمام موتورها، استپر موتورها هم نقاط ضعف خود را دارند. از آنجایی‌که گام‌های کوچک حرکت می‌کنند، امکان رسیدن به سرعت‌های بالا را ندارند. همچنین حتی در حالت بدون حرکت، برای گشتاور نگه‌دارنده انرژی مصرف می‌کنند که باعث افزایش مصرف برق آن‌ها می‌شود.

امیدواریم از این مطلب لذت برده باشید و نکات خوبی را یاد گرفته باشید. اگر سوالی داشتید، برای ما بنویسید. علاوه بر این، اگر به نوشتن مطلب در زمینه الکترونیک علاقه دارید، می توانید در سایت ما مقالات خود را پس از تایید مسئولین فنی ما منتشر کنید.