استپ موتور چیست و چگونه کار می‌کند؟

استپ موتور یا موتور پله ای، یک نوع موتور dc است که به شکل گسسته یا پله ای حرکت می‌کند. در این مقاله از پینیون می‌خواهیم به این سوال پاسخ دهیم که استپ موتور چیست و چگونه کار می‌کند؟ همچنین در ادامه بررسی خواهیم کرد که استپ موتور چه کاری انجام می دهد و کاربرد آن چیست؟ پس تا انتها با ما همراه شوید.

استپ موتور چیست؟

استپ موتور در واقع یک موتور الکتریکی براشلس است که پالس‌های دیجیتال را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند. در این موتور الکتریکی، هر دور کامل 360 درجه، به تعدادی پله یا استپ مساوی تقسیم شده که با وارد شدن پالس، یک گام برداشته می‌شود. بنابراین با استفاده از این موتور که از منبع DC تغذیه می‌کند، می‌توان حرکت زاویه‌ای گسسته‌ای را در شفت ایجاد کرد.

درون این موتور پله ای، گروه‌های مختلفی از سیم‌پیچ‌ها وجود دارند که به نام فاز شناخته می‌شوند؛ زمانی که جریان الکتریسیته از این فازها عبور کند، موتور شروع به حرکت کرده و سرعت آن بر اساس «گام بر واحد زمان» تعیین می‌شود. نکته مهم اینجا است که کنترل موقعیت در انواع استپ موتور، بدون سیستم فیدبک انجام می‌شود و همین موضوع نشان‌دهنده تفاوت استپ موتور و سروو موتور است.

استپ موتور چگونه کار می کند؟

هر دو موتور پله ای، دارای تعدادی گام مجزا با فاصله زاویه ای مشخص است. زمانی که ولتاژ یا پالس مربعی به ترمینال های آن اعمال شود، موقعیت شفت به این میزان مشخص تغییر خواهد کرد و موتور شروع به دوران می کند. هر پالس بسته به قدرتی که دارد، تنها به مقدار مشخصی میتواند زاویه محور را تغییر دهد.

به دلیل اینکه هر پالس باعث می‌شود که موتور با زاویه دقیقی بچرخد، برای کنترل موقعیت موتور نیازی به فیدبک نداریم. بنابراین هر زمان که سیگنال‌های کنترلی به صورت پالس‌های دیجیتال ظاهر شوند؛ می‌توان از این نوع موتور استفاده کرد. هر استپ موتور از تعدادی الکترومگنت تشکیل شده که با استفاده از یک کنترلر خارجی مانند انواع پی ال سی فعال و غیرفعال میشوند؛ به این ترتیب میتوان با این موتورها، به کنترل سرعت و موقعیت بسیار دقیقی رسید. هر پالس می‌تواند به میزان مشخصی زاویه محور را تغییر داده و موقعیت شفت را عوض کند.

ساختار موتور پله ای

استپر موتور دارای یک هسته مرکزی به شکل سیلندر آهنی دندانه‌دار است که تعدادی الکترومگنت یا آهنربای الکتریکی دندانه‌دار در اطراف آن قرار گرفته‌اند. یک کنترلر خارجی مانند PLC می‌تواند بر روی این الکترومگنت ها تاثیر گذاشته و آن‌ها را فعال و غیرفعال کند.

زمانی که نخستین آهنربای الکتریکی برانگیخته شد، سیلندر مرکزی به گونه‌ای می‌چرخد که دندانه‌های روی آن، مقابل دندانه اولین آهنربا قرار بگیرند. حال آهنربای اول غیرفعال شده و دومین الکترومگنت برانگیخته می‌شود؛ در این صورت دوباره استپ موتور شروع به چرخش می‌کند تا دندانه‌های روی روتور با دندانه‌های آهنربای بعدی انطباق پیدا کنند. به هر کدام از این حرکات، یک استپ گفته می‌شود که می‌تواند به سمت جلو یا عقب حرکت کند. همین فرایند در کل زمان کار استپ موتور ادامه پیدا کرده و در نهایت حرکت زاویه‌ای دقیقی را برای ما به ارمغان می‌آورد.

اجزای تشکیل دهنده استپ موتور چیست؟

هر استپ موتور دارای سه قسمت اصلی به نام روتور، استاتور و قاب‌های سر و انتها است که وظایف هریک را در ادامه برای شما بیان می‌کنیم.

– استاتور

در هر استپ موتور، تعدادی گروه سیم‌پیچ به نام فاز وجود دارد که در قسمت استاتور قرار گرفته‌اند. بنابراین استپ موتور دو فاز، دارای دو گروه سیم‌پیچ است که در قسمت داخلی به هم متصل شده‌اند و 4 سیم از آن‌ها خارج شده است. بسته به نیاز، ممکن است این سیم‌ها از داخل استاتور، با هم سری یا موازی شده و سپس بیرون بیایند.

– روتور

یکی دیگر از اجزای اصلی در ساختار استپ موتور، روتور نام دارد که بسته به گشتاور و طول موتور پله ای، تعداد طبقات آن مشخص می‌شود. هرچه تعداد طبقات بیشتر باشند، طول و گشتاور موتور پله ای هم بیشتر خواهد بود.

– قاب یا فریم

در انواع استپ موتور، فقط دو بلبرینگ وجود دارند و خبری از ذغال یا بوش نیست. به همین دلیل است موتورهای پله ای طول عمر زیادی دارند؛ زیرا ذغالی ندارند که تمام شود و بوشی هم در آن‌ها وجود ندارد که جا بیندازد و خراب شود.

کاربرد استپ موتور چیست

معمولا استپ موتور در هر جایی به کار می‌رود که سرعت کمتر از 500 دور بر دقیقه نیاز داریم و گشتاور مورد نیاز هم از 30 نیوتن متر کمتر است. خرید استپ موتور در این موارد می‌تواند منجر به کاهش چشمگیر هزینه‌ها شود. برخی از کاربردهای صنعتی و علمی استپ موتور عبارت‌اند از:

• رباتیک برای ساخت بازوها و اجزای دقیق
• پرینترهای سه بعدی و جوهرافشان
• اسکنرها و پلاترها
• لنز بعضی از دوربین‌های دیجیتال
• ماشین ابزار
• دستگاه‌های کنترل موقعیت
• دستگاه‌های سیم برش خودکار
• دستگاه‌های اتصال سیم
• دستگاه‌های کنترل دقیق سیال

انواع استپ موتور از نظر تعداد فاز

همان‌طور که گفتیم، گروه‌های سیم‌پیچی در درون هر موتور پله ای قرار دارند که به آن‌ها فاز میگوییم. انواع استپ موتور از نظر فاز را در جدول زیر نشان داده‌ایم و برخی از مشخصات فنی آن‌ها را با هم مقایسه کرده‌ایم.

به طور معمول زمانی که نیاز به دقت و سرعت بالا داشته باشیم، از استپ موتور 5 فاز استفاده می‌کنیم. زیرا این نوع از موتور پله ای، با درایور معمولی، لرزش بسیار کمی ایجاد می‌کند و نیازی به درایو میکرو استپ ندارد. از سوی دیگر اگر بخواهیم حرکت‌هایی با رفت و برگشت زیاد و سریع داشته باشیم، به سراغ استپ موتور 3 فاز می‌رویم. با این حال استپ موتور 2 فاز با درایور معمولی Full/half لرزش زیادی را ایجاد می‌کند و نیاز به استفاده از روش‌های مکانیکی برای حذف این موارد دارد.

میکرو استپ در استپ موتور چیست

هر کدام از انواع استپ موتور از نظر فاز و درجه حرکت، دارای طول گام‌های متفاوتی هستند که در جدول قبلی بیان شدند. منظور از طول گام، مقدار زاویه‌ای است که در اثر ولتاژ دهی، فاصله میان فاز قبلی به بعدی طی می‌شود. از درایو میکرو استپ زمانی استفاده می‌شود که بخواهیم این حالت صفر و یک بودن ولتاژ را از بین ببریم.

به عبارت بهتر میکرواستپ، هر گام را به قسمت‌های کوچکتری تقسیم کرده و به این ترتیب امکان حرکت در گام‌های کوچک‌تر را برای ما فراهم می‌کند. برای مثال اگر میکرو استپ با تقسیمات 16 را در یک استپ موتور دو فاز داشته باشیم، در مرحله اول 16/1 به فاز اول و 16/15 به فاز دوم تحویل داده خواهد شد. به همین ترتیب در هر مرحله، یکی به فاز اول اضافه و از فاز دوم کم می‌شود. با این کار می‌توان رزولوشن حرکت موتور پله ای را به شکل قابل توجهی افزایش داد.

هرچه تعداد میکرواستپ ها بیشتر باشد، دقت حرکت موتور پله ای هم بالاتر می‌رود و تا حد زیادی می‌توان لرزش ایجاد شده در استپ موتور را کنترل کرد. با این حال استفاده از این روش می‌تواند گشتاور موتور را کاهش دهد.

انواع استپ موتور بر اساس نوع روتور

به طور کلی بر اساس نوع روتور، استپ موتورها را به 3 دسته تقسیم می‌کنند که عبارت‌اند از:

• استپ موتور با مغناطیس دائم: اگر روتور موتورهای مغناطیسی، از مغناطیس دائم یا PM تشکیل شده باشد، می‌توان از آن برای کاربردهای گشتاور بالا یا زاویه زیاد 45 یا 90 درجه استفاده کرد.
• استپ موتور با مقاومت مغناطیسی متغیر: در این حالت از یک صفحه آهنی در محل روتور استفاده شده که می‌تواند در زمان به حداقل رسیدن فاصله، حداقل مقاومت مغناطیسی را ایجاد کند. این نوع موتور پله ای، ساده‌ترین ساختار را دارد و می‌تواند تنها با اعمال ولتاژ DC به روی سیم‌پیچ‌های استاتور، باعث ایجاد چرخش شود.
• استپ موتور سنکرون هیبرید: ساختار استپ موتور هیبرید از ترکیب دو مورد قبلی به دست می‌آید و برای رسیدن به بیشترین میزان توان در کوچک‌ترین فضا استفاده می‌شود. در این حالت مرکز روتور قطب S و استپ‌ها، قطب N هستند و سه درجه استاندارد 0.9، 1.8 و 3.6 را دارند.

انواع استپ موتور هیبرید

علاوه بر این‌ها، تقسیم‌بندی دیگری هم برای انواع استپ موتور هیبرید وجود دارد که به صورت زیر تعریف می‌شود:

– استپ موتور ترمزدار

یکی از کاربردهای موتور پله ای، حمل و جابجایی بار در طول محور عمودی است. اما مواقعی پیش می‌آید که اتصال برق استپر موتور قطع شود؛ در نتیجه نیاز به ترمزی داریم که این بار را در محلی ثابت نگه دارد. در این موارد باید از استپ موتور ترمزدار استفاده کرد که می‌تواند موتور پله ای را در چنین مواردی قفل کند.

– استپ موتور گیربکس دار

یکی دیگر از انواع استپ موتور به نام گیربکس دار شناخته می‌شود؛ این استپر موتور در زمانی به کار می‌رود که بخواهیم دور موتور و گشتاور را کنترل کنیم. به طور معمول هر جایی که نیاز به گشتاور بالا وجود داشته باشد، می‌توان از استپر موتور گیربکس دار کمک گرفت.

– استپر موتور انکودر دار

یکی دیگر از انواع استپ موتور هیبریدی به عنوان انکودر دار شناخته می‌شود. در حالت عادی، عملکرد موتورهای پله ای بدون نیاز به فیدبک انجام می‌شود و سیستم، حلقه باز است. اما اگر بخواهیم کنترلی بر روی موقعیت مکانی به دست آوریم و سرعت پایین باشد، می‌توان از استپ موتور انکودر دار استفاده کنیم.

نحوه محاسبه دقت استپ موتور

برای اینکه بتوانیم دقت استپ موتور را محاسبه کنیم، باید گام موتور پله ای را به دست آوریم. منظور از گام، کوچک‌ترین چرخشی است که با استفاده از این موتور قابلیت کنترل دارد. برای این کار باید تعداد استپ هایی را که موتور در یک ثانیه طی می‌کند، در سرعت موتور ضرب کرده و سپس بر 60 تقسیم کنیم. به این ترتیب دقت واقعی موتوری که با سرعت 300 دور بر دقیقه کار می‌کند و 200 استپ دارد، برابر 1000 خواهد بود. این، تعداد استپ هایی است که این موتور پله ای در عرض یک ثانیه می‌تواند طی کند.

ایزی سروو چیست؟

جدیدترین نسل استپ موتورها به نام ایزی سروو شناخته می‌شود که در دسته استپ موتورهای انکودر دار قرار دارد. ezi-servo بر خلاف سایر موتورهای پله ای، به شکل حلقه بسته و با دقت بالا کار می‌کند. در صورتی که می‌خواهید بدانید سیستم حلقه بسته چیست و چه تفاوتی با حلقه باز دارد؟ پیشنهاد می‌کنیم مقاله ما را در این مورد مطالعه کنید. به این ترتیب شما می‌توانید از حرکات انجام‌شده توسط استپ موتور یک فیدبک دریافت کنید که دقت کار را بالا می‌برند. مزیت استفاده از ایزی سروو به جای سروو موتور این است که قیمت پایین‌تر و ابعاد کوچک‌تری دارد و می‌تواند در دور پایین، گشتاور زیادی تولید کند. در نتیجه در دستگاه‌های cnc بسیار پرکاربرد خواهد بود و می‌تواند عملکرد بدون لقی از خود نشان دهد.

فریم سایزهای استاندارد استپ موتور

فریم سایز
	0.79 اینچ	1.10 اینچ	1.38 اینچ	1.65 اینچ
	20 میلیمتر	28 میلیمتر	35 میلیمتر	42 میلیمتر
	NEMA 8	NEMA 11	NEMA 14	NEMA 17
نوع استپر موتور	حلقه بسته 2 فاز	حلقه بسته 2 فاز 5 فاز	2 فاز	حلقه بسته 2 فاز 5 فاز
امکانات اضافه	انکودر مکانیکی	انکودر مکانیکی ترمز الکترومغناطیسی	انکودر ترمز الکترومغناطیسی	انکودر مکانیکی ترمز الکترومغناطیسی
بیشینه گشتاور نگهداری	2.8 تا 5.1 اونس اینچ 0.02 تا 0.036 نیوتن متر	7.3 تا 340 اونس اینچ 0.052 تا 2.4 نیوتن متر	28 تا 52 اونس اینچ 0.2 تا 0.37 نیوتن متر	19.8 تا 4149 اونس اینچ 0.14 تا 29.3 نیوتن متر
ولتاژ ورودی درایور	DC	DC	DC	DC یا AC

گشتاور نگهداری استپ موتور چیست؟

گشتاور نگهداری در استپ موتور زمانی ایجاد میشود که موتور به درایو متصل است و درایو حالت فعال دارد، اما موتور حرکتی نمیکند. به همین دلیل مقدار این گشتاور در مقایسه با مقادیری که در زمان حرکت موتور ایجاد میشود، بیشتر خواهد بود. هرچه دور موتور بیشتر شود، گشتاور نگهداری آن کمتر خواهد شد. به عبارت بهتر رابطه میان گشتاور و دور موتور بر اساس نمودارهای زیر مشخص میشوند که به نام نمودار سرعت – گشتاور یا Spped – Tourque هم شهرت دارند.

در این نمودارها هم میتوان به وضوح کاهش گشتاور نگهداری را با افزایش دور استپ موتور مشاهده کرد. البته باید بدانید که روش اتصال سیمهای استپر موتور در کنار ولتاژ اعمال شده بر روی آن، از متغیرهای تاثیرگذار بر روی این نمودارها هستند. با این حال نکته ای که به وضوح با استفاده از این شکلها به دست میآید، این است که پس از سرعت 200 تا 300 دور، گشتاور تولیدشده توسط موتور به شکل قابل توجهی افت پیدا کرده و عملا کارایی زیادی ندارد.

سخن پایانی

 در این مقاله تلاش کردیم تا همه اطلاعاتی را که باید برای پاسخ دادن به سوال استپ موتور چیست و چگونه کار می‌کند؟ داشته باشید، در اختیار شما قرار دهیم. همچنین درباره میکرو استپینگ و نسل جدید استپ موتورها به نام ایزی سروو صحبت کردیم. در کنار این‌ها انواع استپ موتور از نظر فاز را بررسی کرده و مورد مقایسه قرار دادیم.

سوالات متداول

• آیا امکان راه‌اندازی استپ موتور بدون درایور وجود دارد؟

خیر. هر استپ موتور برای راه‌اندازی نیاز به درایوری دارد که بتواند ولتاژ را در میان فازهای آن جا به جا کند.

• کاربرد منحنی گشتاور سرعت در استپر موتور چیست؟

به طور معمول برای انتخاب درایور مناسب با استپ موتور، نیاز به منحنی گشتاور سرعت داریم که به ما در انتخاب درایور مناسب کمک می‌کند.