محركات الخطوة Stepper Motors

محركات الخطوة Stepper Motors :

هناك نوع خاص من محركات التيار المستمر معروف باسم محرك الخطوة stepper motor وهو أما محرك تيار مستمر ذو مغناطيس دائم أو محرك تيار مستمر ذو مغناطيسية متغيرة variable reluctance لكنها تمتلك الخواص الأتية : يمكنها أن تتحرك في كلا الإتجاهين , يمكنها التحرك بخطوات زاوية دقيقة , تدعم عزم التوقف عند سرعة صفر , ويمكن التحكم فيها بواسطة دوائر رقمية . تتحرك هذه المحركات بخطوات تزايدية زاوية angular increments دقيقة استجابة لتطبيق نبضات رقمية علي دائرة المشغل الكهربية . يتحكم عدد النبضات ومعدلها في موضع وسرعة دوران المحرك . عموماً تم تصنيع محركات الخطوة بحيث منها عدد خطواته في الدورة الواحدة 12 ومنها 24 ومنها 72 أو 144 أو 180 أو 200 أي أن الخطوة الزاوية لهذه المحرمات هي 1.8° , 2° , 2.5° , 5° , 15° , 30° . يمكن تصميم دائرة خاصة يطلق عليها micro-stepping circuit تسمح بعدد أكثر ممل سبق من الخطوات لكل دورة ممكن أن يصل إلي 10000 steps/rev أو أكثر .

إما أن تكون محركات الخطوة ثنائية القطبية bipolar تحتاج إلي مصدرين قدرة أو مصدر قدرة واحد يمكن تحويل قطبيته , أو أن تكون أحادية القطبية unipolar تحتاج لمصدر قدرة واحد . تتغذي محركات الخطوة من مصدر تيار مستمر وتحتاج إلي دائرة رقمية لإنتاج سلسلة إشارات تغذيه ملف المحرك لإدارته . ليس دائما أن تكون هناك حاجة إلي تغذية مرتدة للتحكم , ولكن بإستخدام مشفر encoder او أي حساس موضع أخر يمكن التأكيد علي الدقة عندما يكون تحكم الموضع المضبوط حرجاً . الميزة في التشغيل بدون تغذية مرتدة feedback ( أي نظام المسار المفتوح ) أنه لا تكون هناك حاجة لنظام تحكم مغلق المسار .عموماً تنتج محركات الخطوة قدرة أقل من واحد حصان أي أقل من 746 وات ولذلك فهي تستخدم فقط في تطبيقات تحكم الموضع ذات القدرة المنخفضة منها علي سبيل المثال مشغل الأقراص المرنة بأجهزة الكمبيوتر .

يمتلك محلاك الخطوة التجاري عدد كبير من الأقطاب وهذا يعني أن العضو الدائر له عدد كبير من مواضع الإتزان . في حالة محرك الخطوة ذو المغناطيس الدائم , يحتوي العضو الثابت stator علي أقطاب عليها ملفات أما أقطاب العضو الدائر فهي مغناطيسيات دائمة . بإثارة مجموعة مختلفة لملفات العضو الثابت تسبب تحريك ولإيقاف العضو الدائر عند مواضع مختلفة . يمتلك محرك الخطوة ذو المعاوقة المغناطيسية المتغيرة عضو دائر ذو نفاذية مغناطيسية عالية أفضل مما هي في العضو الدائم . تنتج الحركة والتوقف عند المواضع المختلفة عن طريق التجاذب بين أقطاب العضو الثابت وأقطاب العضو الدائر وبمعاوقة مغناطيسية أقل ما يمكن والمجال المغناطيسي أقصي ما يمكن . يتمتع محرك الـ reluctance المتغيرة بميزة انخفاض القصور الذاتي inertia للعضو الدائر ولذلك استجابته الديناميكية سريعة , أما محرك الخطوة ذو المغناطيس الدائم فهو يتمتع بميزة صغر عزم التوقف المتبقي residual holding torque الذي يطلق عليه detent torque , حتي ولو كان العضو الثابت بدون إثارة .

لكي نفهم كيف يتحرك العضو الدائر بطريقة خطوة بخطوة , نفرض أن لدينا تصميم يشتمل علي أربعة أقطاب بالعضو الثابت وعضو دائر ذو مغناطيس دائم كما هو موضح بالشكل في stepo يكون العضو الدائر في حالة إتزان equilibrium , لأن الأقطاب المختلفة في العضو الثابت مع أقطاب العضو الدائر مواجهة لبعضها البعض ولذلك فهي في حالة تجاذب , أما عند تغيير قطبية أقطاب العضو الثابت فإن العضو الدائر يبقي في موضعه متحملاً العزم المضاد إلي أن يصبح العزم المضاد عند قيمة تسمي holding torque (عزم الإمساك ) , في هذه الحالة يسبب العزم المسلط علي العضو الدائر إلي موضع الإتزان الجديد Step1 الموضح في الشكل . عند تغيير قطبية العضو الثابت مرة أخري كما هو مبين في الشكل ( من Step1 إلي Step2 ) , فإنه يتولد عزم علي العضو الدائر ينقله إلي Step2 . بالتغيير المتتالي لقطبية العضو الثابت بنفس

Mechanical actuators 21_03 

Figure Stepper motor step sequence

الطريقة , فإن العضو الدائر يمكنه أن ينتقل إلي مواضع اتزان متعاقبة في إتجاه عقرب الساعة . يمكن الحصول علي حركة في اتجاه عقرب الساعة عن طريق تطبيق تعاقب القطبية في الاتجاه المعاكس . يرتبط عزم المحرك مباشرة مع قوة المجال المغناطيسي لأقطاب العضو الثابت والعضو الدائر.

يجب الأخد في الإعتبار الاستجابة الديناميكية للعضو الدائر والحمل المتصل به في التطبيقات التي تحتاج إلي بدء حركة وتوقف سريع وتغيير في السرعة سريع أو تغيير كبير الأحمال .

نتيجة القصور الذاتي للعضو الدائر والحمل المتصل به فإنه قد يتعدي الدوران عدد الخطوات المطلوبة . أيضاً , كما هو مبين في الشكل فإن محرك الخطوة الذي يقوم بدفع نظام ميكانيكي نموذجي خلال خطوة واحدة فإنه يعرض استجابة تحت الكبت underdamped response .إذا زاد الكبت في النظام , علي سبيل المثال , ميكانيكا أو احتكاكيا أو كبت اللزوجة

Mechanical actuators 22_03

Figure Dynamic response of a single step

Figure Stepper motor torque – speed curves

Viscous damping , فإن الاستجابة response يمكن أن تتعدل بأن يقل التذبذب كما هو مبين في الشكل . ومع ذلك , حتي مع الاختيار المثالي للكبت , فإن المحرك يحتاج إلي وقت لكي يستقر settle كلية عند الموضع المحدد له . يتغير زمن الاستقرار settling time هذا علي حسب حجم الخطوة ومقدار الكبت . أنه لمن المهم أن نلاحظ أن العزم المطلوب من المحرك يزداد مع إضافة كبت .

عادة يتم تقسيم خواص العزم – السرعة لمحرك الخطوة إلي منطقتين كما هو مبين في الشكل أحدهما تسمي locked step mode والأخري تسمي slewing mode في الـ locked step يتباطأ العضو الدائر حتي أنه يقف بين كل خطوة . في هذه المنطقة يمكن لمحرك أن يبدأ حركته أو يتوقف أو يعكس حركته لحظيا دون أن يفقد اكتمال الخطوة . أما في مود الالتفاف slewing mode فإن السرعة تكون كبيرة جداً لتسمح بالبدء اللحظي والتوقف اللحظي وعكس حركة لحظي . لكي يدخل المحرك هذه المنطقة فإن العضو الدائر يجب أن تتزايد سرعته تدريجيا لكي يدخل هذا المود ويجب أن يتباطأ تدريجيا ليخرج من هذا المود mode . أثناء وجود المحرك في مود الـ slewing , يكون العضو الدائر في تزامن مع دوران مجال العضو الثابت ولا يستقر بين الخطوات . يبين المنحني بين المنطقتين أن أقصي عزوم يمكن أن يقدمها محرك الخطوة عند سرعات مختلفة تكون بدون slewing . يمثل المنحني الخارجي لمنطقة الـ slewing mode العزوم القصوي المطلقة التي يمكن أن يقدمه محرك الخطوة عند سرعات مختلفة .

يبين الشكل مخطط لملفات المجال لمحرك خطوة أحادي القطبية unipolar مزود بترانزستورات قدرة خارجية مهمتها القيام بعملية التحويل off , on لتنتج التعاقب المحكوم لقطبية العضو الثابت لتنشأ عنه الحركة . ألوان الأسلاك الموضحة في الشكل تعد معيارية لمعظم المصانع .

يبين الشكل التكوين وتعاقب الخطوات لمحرك خطوة أحادي القطبية ذو أربعة أوجه 4-phsae يتمكون هذا المحرك من عضو دائر ذو قطبين دائمين وعضو ثابت مزود بأربعة أقطاب , كل قطب ملفوف عليه ملفين متنامين مثلاً ( إذا كان الأول ينتج فيض ∅1 فإن الثنائي ∅2 في الاتجاه العكس ) . يعرض الجدول التالي التعاقب الوجهي اللازم لانتقال المحرك من خطوة إلي أخري بخطوات كاملة , حيث يتم إثارة (ON) اثنين من الأربعة أوجه ويتم استقطاب كل قطب من أقطاب العضو الثابت . يقدم الجدول الذي يليه التعاقب الوجهي للنصف خطوة half stepping , حيث بين كل خطوة كاملة يتم إثارة (ON) وجه واحد فقط بينما يستقطب polarized قطبين فقط من العضو الثابت .

Mechanical actuators 23_03

Figure Standard unipolar stepper motor field

Figure Example of a unipolar stepper motor

Mechanical actuators 24_03

إن التحليل أو عدد خطوات المحرك في مود النصف خطوة half-step mode ( أي 8 steps/rev عند 45° ) يكون ضعف التحليل في مود الخطوة الكاملة full-step mode ( أي 4 steps/rev عند °90 ) ولكن عزم الإمساك holding torque وعزم الدفع drive torque يتغير بين قيمتين علي دورتين مختلفتين وذلك في مود النصف خطوة half-step mode . هناك طريقة أخري لزيادة عدد الخطوات يطلق عليها micro-stepping حيث يتم التحكم في تيارات الأوجه عن طريق مقادير كسرية بدلاً من مجرد الـ ON والـ OFF , مما ينتج عنه مواضع اتزان مغناطيسي أكثر بين الأقطاب ويتم ذلك بتسليط موجات جيبية متقطعة discretized علي الأوجه بدلاًلا من موجات مربعة . من محركات الخطوة الشائعة والمتاحة تجارياً تمتلك 200 steps/rev في مود الخطوة الكاملة full-step mode وأحيانا يشار إليها بمحركات الخطوة ذات الـ (360/200) 1.8° . أما في مود الـ micro-stepping فإن محركات الخطوة في هذه الحالة 10000 خطوة لكل دورة .

يبين الشكل التكوين وهندسة الأقطاب وتوصيلات الملفات لمحرك خطوة . محرك الخطوة هذا يمكن توصيله كمحرك أربعة أوجه أحادي القطبية أو كمحرك ذو وجهين ثنائي القطبية . يبين الشكل عضو دائر مشطور ذو 50 سنة (50-tooth spilt rotor ) حيث أحد جوانبه شمالي القطبية بينما الجانب الأخر جنوبي القطبية .

Mechanical actuators 25_03

Figure Typical stepper motor rotor and stator

Configuration ( Courtesy of Oriental Motor . Torrance . CA )

Figure Actual stepper motor rotor . ( Courtesy of Oriental Motor . Torrance . CA )

Possibly Related Posts:


كتب في نفس المجال او من نفس الفئة

About farahat 1475 Articles
الــبــاجور - المـنـوفـيـة - جمهورية مصر العربية 0106331333 مهندس /احمد فرحات درس هندسه و علوم النظم و الحاسبات و له خيرة 18 عام في المجالات الهندسية المتعلقه بالنظم الهندسية كافة سواء كانت نظم لها علاقة بالعتاد (كهربيه - الكترونية - ميكانيكية) او نظم لها علاقة بالبرمجيات و قد حصل علي دبلومة مابعد التخرج في هندسه و علم الحاسب

2 Comments

Leave a Reply

Your email address will not be published.


*