موتور پله‌ای

اصول کارکرد

وقتی ولتاژ به ترمینال موتورهای DC اِعمال می‌گردد، به نرمی حرکت می‌کنند. موتور پله‌ای با اِعمال پالس‌های ورودی، در فواصل کوچک مشخص می‌چرخد. هر پالس محور موتور را به اندازهٔ زاویه‌ای مشخص می‌چرخاند.
موتور پله‌ای اساساً دارای دندانه‌های مغناطیسی در اطراف یک شفت مرکزی از جنس آهن می‌باشند. الکترومغناطیسها بوسیله یک مدار راه انداز خارجی یا یک میکروکنترلر تغذیه می‌گردند. جهت چرخاندن شفت ابتدا به یکی از مغناطیس‌ها توان داده می‌شود، که مغناطیس باعث جذب دندانه‌های دنده می‌گردد. زمانیکه دندانه دنده روبروی اولین مغناطیس می‌ایستد، نسبت به مغناطیس بعدی دارای یک فاصله می‌باشد. این به معنای آنست که در صورت روشن شدن الکترومغناطیس بعدی و خاموش شدن اولی دنده به آهستگی می‌چرخد تا دندانه روبروی مغناطیس دوم قرار گیرد. از آنجا فرایند آغاز می‌گردد. هر یک از این چرخشها یک گام (استپ) نامیده می‌شود، تعداد مشخصی از این گامها یک دور کامل موتور را می‌سازند (دقت شود نسبت تعداد گامها به دور موتور همواره یک عدد صحیح است). و به این ترتیب یک موتور می‌تواند با زوایای مشخص بچرخد.

موتور پله‌ایی دو فاز

دو نوع سیم پیچی جهت هسته‌های مغناطیس موتور پله‌ایی دو فاز وجود دارد: تک قطبی و دوقطبی.

موتورهای تک قطبی

یک موتور تک قطبی دارای سیم پیچی با سر مرکزی می‌باشد. جریان در هر قسمت از سیم پیچ جهت ایجاد میدان مغناطیسی برقرار می‌گردد. در این آرایش، قطبهای مغناطیسی بدون تغییر در جهت جریان می‌توانند معکوس گردند، بنابراین کموتاسیون در مدار به راحتی صورت می‌گیرد (به عنوان مثال با یک ترانزیستور). اساساً، هر فاز، دارای یک سر مرکزی مشترک است: سه سیم برای هر فاز و شش سیم برای یک موتور دو فاز. اغلب سر مشترک هر دو فاز با هم یکی شده و بنابراین هر موتور دارای پنج سیم می‌باشد. به همین دلیل این موتورها را تک قطبی می‌نامند زیرا توان همواره از طریق همین قطب وارد می‌گردد.
یک میکروکنترلر یا کنترلر استپ موتور می‌تواند جهت فعال‌سازی ترانزیستورهای راه انداز در مسیر درست استفاده گردد. این عملکرد موتورهای تک قطبی باعث محبوبیت آن‌ها گردیده‌است، این راحت‌ترین راه جهت یک حرکت زاویه‌ای است.
(بوسیله اندازه‌گیری مقاومت دو سر سیم پیچها می‌توان آن‌ها را شناسایی نمود. مقاومت بین سیم سر وسط و سیم انتهای کویل نصف مقاومت دو سیم انتهایی کویل می‌باشد) یک راه سریع جهت تست صحت عملکرد استپ موتور، اتصال کوتاه کردن دو سر کویلها و سعی در چرخش شفت است، هر زمان که مقاومتی بیش از مقاومت نرمال احساس گردید نشانگر بسته بودن مدار آن سیم پیچ مشخص است و نشانه عملکرد صحیح فاز است.

موتورهای دوقطبی

موتورهای دوقطبی دارای یک سیم پیچ در هر فاز می‌باشند. جهت معکوس کردن قطبهای مغناطیسی جریان در یک سیم پیچ بایستی معکوس گردد، بنابراین مدار راه انداز پیچیده‌تر می‌باشد، و اساساً با یک آرایش پل H بدست می‌آید. (البته مدارات راه انداز زیادی برای این موضوع وجود دارد). دو سیم برای هر فاز وجود دارد و هیچ سر مشترکی وجود ندارد.
در صورتی‌که فرکانس اعمالی به استپ موتور بیش از فرکانس پاسخگویی موتور باشد باعث افزایش اثر اصطکاک ساکن می‌گردد.
به دلیل استفاده بهتر از سیم پیچها، توان موتورهای دوقطبی نسبت به موتور تک قطبی هم وزن خود بیشتر است. این به دلیل فضای فیزیکی اشغال شده توسط سیم پیچهاست. یک موتور تک فاز دارای دوبرابر سیم بیشتر در حجم یکسان است اما نصف توان نقطه به نقطه در هر زمان را ارائه می‌دهد که به معنای تأثیر گذاری۵۰٪ یا حداکثر ۷۰٪ است. با وجود آنکه موتور دو قطبی جهت راه اندازی پیچیده‌تر است اما فراوانی تراشه‌های راه انداز به معنی آنست که دستیابی به این سیستم چندان هم سخت نیست.
یک استپ موتور ۸ سیمه مانند یک موتور تک قطبی است اما سیمها به سر مشترک وصل نیستند. این نوع سیم پیچی موتور به چند شکل قابل استفاده است:
- تک قطبی
- دوقطبی با سیم پیچی سری. این امر باعث ارائه اندوکتانس بالاتر و جریان پایین‌تر در هر سیم پیچ می‌گردد.
- دو قطبی با سیم پیچی موازی. این امر نیاز به جریان بالاتر دارد اما می‌تواند باعث کاهش و بهینه شدن اندوکتانس گردد.
- دوقطبی با یک سیم پیچ در هر فاز. این روش باعث راه اندازی موتور با نصف سیم پیچ قابل دسترس می‌گردد که باعث کاهش گشتاور سرعت پایین با جریان مورد نیاز کمتر می‌گردد.
با اندازه‌گیری مقاومت بین سیمها می‌توان این دو نوع موتور را از هم تشخیص داد. اگر دو سیمی که اندازه‌گیری می‌نمایید مربوط به دو کویل مجزا باشند مقاومت بینهایت دیده می‌شود.
مانند سایر موتورها، موتور پله‌ای نیز به توانی بیش از آنچه میکروکنترلرها تأمین می‌نمایند نیاز دارند بنابراین به یک منبع تغذیه مجزا نیازمندید. به صورت ایدئال بایستی ولتاژ اعلام شده توسط کارخانه سازنده را بدانید اما در صورت عدم اطلاع، یک منبع تغذیه DC متغیر را به دو سیم یک کویل اعمال نمایید، از ولتاژ حداقل 3V آغاز نمایید و به تدریج آن را افزایش دهید تا زمانیکه موتور بسختی به نظر می‌رسد آماده حرکت است. بیش از آن ولتاژ اعمال ننمایید چون باعث آسیب به موتور می‌گردد. اساساً ولتاژ مورد نیاز موتورها 5V, 9V, 12V, 24V است و بالاتر از 24Vبسیار نادر است.