موتور های DC

موتور های DC دستگاههای الکترومکانیکی هستند که از تعامل میدانهای‌مغناطیسی و هادی‌ها برای تبدیل انرژی‌الکتریکی به انرژی مکانیکی چرخشی استفاده می‌کنند.

موتورهای الکتریکی DC محرکهای مداومی هستند که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند.

موتور DC با تولید یک چرخش مداوم زاویه ای که می تواند برای چرخاندن

• پمپ ها
• فن ها
• کمپرسورها
• چرخ ها

و … استفاده شود ، به این مهم دست می یابد.

همچنین موتورهای خطی چرخان معمولی، موتورهای خطی نیز در دسترس هستند که قادر به تولید یک حرکت خطی پیوسته هستند.

اساسا سه نوع موتور الکتریکی معمولی وجود دارد: نوع موتور AC، موتور های DC و Stepper موتورها.

موتورهای متناوب معمولاً در مصارف صنعتی تک یا چند فاز با قدرت بالا مورد استفاده قرار می گیرند.

گشتاور چرخشی ثابت دارند و برای کنترل بارهای بزرگ مانند فن ها یا پمپ ها به سرعت نیاز است.

در این مقاله آموزشی در مورد موتورهای الکتریکی ، ما فقط به موتور های DC سبک و استپ موتورها  که در انواع مختلفی از مدارهای الکترونیکی‌، کنترل موقعیتی‌، ریزپردازنده ،‌PIC و رباتیک استفاده می شوند‌، خواهیم پرداخت.

موتور DC پایه

موتور DC یا موتور جریان مستقیم که نام کامل آن را به خود اختصاص می دهد ، متداول ترین محرک برای تولید حرکت مداوم است و سرعت چرخش آن را می توان به راحتی کنترل کرد ، و آنها را برای استفاده در برنامه ها مانند کنترل سرعت ، کنترل نوع سروو و / یا موقعیت یابی لازم است.

یک موتور DC از دو قسمت تشکیل می شود‌، “استاتور” که قسمت ساکن است و “روتور” که قسمت چرخان است.

نتیجه این است که در اصل سه نوع موتور DC موجود است.

Brushed Motor – این نوع موتور با عبور جریان الکتریکی از یک سوئیچ و مونتاژ برس کربن ، یک میدان مغناطیسی در روتور زخم (بخشی که می چرخد) تولید می کند ، از این رو اصطلاحاً “Brushed” است.

میدان‌مغناطیسی استاتورها (قسمت ثابت) با استفاده از سیم پیچ میدان استاتور زخم یا با آهن ربا های دائمی تولید می‌شود.

موتورهای DC مسواک زده معمولاً ارزان ، کوچک و به راحتی کنترل می شوند.

موتور القایی – این نوع موتور یک میدان مغناطیسی را در روتور ایجاد می‌کند و با استفاده از مغناطیس دایم متصل به آن و تخفیف به صورت الکترونیکی به دست می‌آید.

آن‌ها به طور کلی کوچک‌تر اما گران‌تر از موتور های DC برس دار معمولی هستند چون آن‌ها از سوییچ‌های “اثر هال” در استاتور استفاده می‌کنند تا توالی دورانی روتور مورد نیاز را تولید کنند، اما آن‌ها ویژگی‌های گشتاور / سرعت بهتری دارند، و عمر عملیاتی طولانی‌تر نسبت به انواع برس دار برابر دارند.

سروو موتور

این نوع‌موتور در‌واقع یک موتور‌DC براق است که دارای نوعی کنترل بازخورد موقعیتی به شافت روتور متصل‌است.

آنها به یک کنترل‌کننده نوع PWM متصل و کنترل‌می‌شوند و عمدتا در سیستم‌های کنترل موقعیت و مدل‌های رادیو‌کنترل استفاده می‌شوند.

موتورهای DC عادی دارای ویژگیهای تقریباً خطی هستند که سرعت چرخش آنها توسط ولتاژ DC اعمال شده و گشتاور خروجی آنها توسط جریان عبوری از سیم پیچ های موتور تعیین می شود.

سرعت چرخش هر موتور DC می تواند از چند دور در دقیقه (دور در دقیقه) تا هزاران دور در دقیقه متفاوت باشد و آنها را برای کاربردهای الکترونیکی ، خودرویی یا رباتیک مناسب سازد.

با اتصال آنها به جعبه دنده یا چرخ دنده می توان سرعت خروجی آنها را کاهش داد.

در عین حال گشتاور خروجی موتور را با سرعت زیاد افزایش داد.

موتور DC “Brushed”

یک موتور DC براش معمولی اساساً از دو قسمت تشکیل شده است:

بدنه ثابت موتور به نام‌ Stator و قسمت داخلی که می‌چرخد ​​و حرکتی به‌نام Rotor یا‌”Armature”‌برای ماشین‌های DC را ایجاد‌می‌کند.

موتورهای القایی استاتور یک مدار آهن ربای الکتریکی است که شامل حلقه‌های الکتریکی متصل به هم در یک پیکربندی مدور متصل به قطب جنوب و سپس یک قطب شمال – قطب و قطب میدان مغناطیسی ساکن برای چرخش است، بر خلاف ماشین‌های AC که حوزه استاتور آن پیوسته با فرکانس اعمال‌شده می‌چرخد.

جریانی که در این سیم‌پیچ میدانی جریان دارد به عنوان جریان میدان موتور شناخته می‌شود.

این سیم پیچهای الکترومغناطیسی که میدان استاتور را تشکیل می دهند می توانند بصورت سری ، موازی یا هر دو با ترکیب آرمیچر موتورها به هم متصل شوند.

یک موتور DC زخمی سری سیم پیچ های استاتور خود را به صورت سری با آرماتور متصل می کند.

به همین ترتیب ، یک موتور DC شنت زخمی سیم پیچ های استاتور خود را به صورت موازی با آرماتور متصل می کند.

همانطور که نشان داده شده است.

موتور متصل به سری و شنت

روتور یا آرماتور یک ماشین DC از هادی های حامل جریان متصل شده  که از انتها به هم متصل شده اند و به بخشهای مس جدا شده از برق که کموتاتور نامیده می شوند ، می باشد.

کموتاتور اجازه می‌دهد تا با چرخش‌آرماتور اتصال برق از طریق برس های کربنی‌(از این رو موتور “Brushed”) به‌منبع‌تغذیه ‌خارجی انجام‌شود.

تنظیم میدان مغناطیسی توسط روتور سعی می کند خود را با میدان ثابت استاتور هماهنگ کند و باعث چرخش روتور در محور خود شود ، اما به دلیل تاخیرهای تخلیه نمی تواند خود را تراز کند.

سرعت چرخش‌موتور به قدرت میدان مغناطیسی روتورها بستگی‌دارد و ولتاژ بیشتری که به‌موتور وارد می‌شود سریعتر چرخش روتور انجام می‌شود.

با تغییر این ولتاژ DC اعمال شده می توان سرعت چرخش موتور را نیز تغییر داد.

موتور DC معمولی (Brushed)

آهنربای دائمی (PMDC) موتور DC مسواک زده شده معمولاً بسیار کوچکتر و ارزان تر از همتای خود، موتور DC نوع استاتور زخم معادل آن است زیرا آنها هیچ پیچشی در میدان ندارند. در موتورهای مگنت دائمی DC (PMDC) این سیم پیچ ها با آهن ربا های قوی از نوع خاکی کمیاب (یعنی Samarium Cobolt یا Neodymium Iron Bor) جایگزین می شوند که دارای میدان های انرژی مغناطیسی بسیار بالایی هستند.

استفاده از آهن ربا های دائمی به دلیل وجود میدان مغناطیسی دائمی و گاهاً بسیار قوی ، ویژگی خطی / گشتاور خطی به موتور DC را بسیار بهتر از موتورهای زخمی معادل می دهد ، و آنها را برای استفاده در مدل ها ، رباتیک ها و سِرو ها مناسب تر می کند.

اگرچه موتورهای برس دار DC بسیار کارآمد و ارزان هستند ، اما مشکلات مربوط به موتور DC برس این است که جرقه زدن در شرایط بار سنگین بین دو سطح کموتاتور و برس کربن ایجاد می شود که منجر به تولید خود گرما ، عمر کوتاه و سر و صدای الکتریکی ناشی از جرقه ، که می تواند به هر وسیله تعویض نیمه هادی مانند MOSFET یا ترانزیستور آسیب برساند. برای غلبه بر این معایب ، موتورهای Brushless DC تولید شدند.

موتور DC “Brushless”

موتور‌DC بدون برس (BDCM) شباهت‌زیادی به موتور‌DC آهنربا دائمی‌دارد اما به‌دلیل جرقه ‌زدن کموتاتور هیچ برس قابل تعویض یا فرسودگی‌ندارد.

بنابراین ، گرمای کمی در روتور تولید می شود که باعث افزایش عمر موتورها می شود.

اگر موتور مغناطیسی روتور یک آهنربا دائمی باشد که همیشه با سنسور استاتور هماهنگ شده و امکان کنترل دقیق تر سرعت و گشتاور را فراهم می کند ، طراحی موتور بدون برس نیاز به برس را برطرف می کند.

پس از آن، ساخت یک موتور DC بدون برس بسیار شبیه به‌موتور AC است که آن را یک‌موتور سنکرون‌حقیقی می‌سازد.

اما یک عیب آن این است که آن گران‌تر از طراحی موتور “برس” است.

کنترل موتورهای DC بدون برس بسیار متفاوت از موتور DC مسواک زده شده معمولی است.

از این جهت که این نوع موتور دارای برخی ابزارها برای تشخیص موقعیت زاویه ای روتورها (یا قطب های مغناطیسی) مورد نیاز برای تولید سیگنال های بازخورد مورد نیاز برای کنترل سوئیچ نیمه هادی است دستگاه ها رایج ترین سنسور موقعیت / قطب “سنسور اثر هال” است ، اما در بعضی از موتورها از سنسورهای نوری نیز استفاده می شود.

با استفاده از سنسورهای اثر هال ، قطب آهن ربا توسط مدارهای درایو کنترل موتور روشن می شود.

سپس موتور می تواند به راحتی با سیگنال ساعت دیجیتال هماهنگ شود و کنترل دقیق سرعت را فراهم کند.

موتورهای DC بدون برس می توانند ساخته شوند که دارای یک روتور آهنربای دائمی خارجی و یک استاتور الکترومغناطیسی داخلی یا یک روتور آهنربای دائمی داخلی و یک استاتور الکترومغناطیسی خارجی است.

از مزایای موتور DC Brushless در مقایسه با همتای آن:

• کارایی بالاتر
• قابلیت اطمینان بالا
• صدای کم الکتریکی
• کنترل سرعت خوب

و از همه مهمتر ، عدم استفاده از برس و کموتاتور برای فرسودگی سرعت بسیار بالاتر است.

با این حال عیب آنها این است که گران ترند و کنترل آنها پیچیده تر است.

سِروو موتور DC

درصورتی که موقعیت شافت موتور خروجی به مدار کنترل موتور برگردانده شود ، از سرو موتورهای DC استفاده می شود.

دستگاه‌های معمولی‌”بازخورد”‌شامل رزولوشن‌‎،‌رمزگذار و پتانسیومتر است که در مدل‌های کنترل رادیویی مانند هواپیماها و قایق ها و غیره استفاده می‌شود.

سروو موتور به‌طور کلی شامل جعبه‌دنده داخلی برای کاهش سرعت است و قادر است گشتاورهای بالا را مستقیماً تحویل دهد.

شافت خروجی موتور سروو به دلیل اتصال جعبه دنده و دستگاه های بازخورد‌، مانند شافت های موتورهای DC آزادانه نمی‌چرخد.

نمودار بلوک موتور سروو DC

یک موتور فرمان یار شامل یک موتور DC، جعبه‌دنده انتقال، ابزار بازخورد موضعی و نوعی اصلاح خطا می‌باشد.

سرعت یا موقعیت در ارتباط با سیگنال ورودی موقعیتی یا سیگنال مرجع اعمال‌شده بر روی دستگاه کنترل می‌شود.

تقویت کننده تشخیص خطا به این سیگنال ورودی نگاه می کند و آن را با سیگنال بازخورد از شافت خروجی موتورها مقایسه می کند و تعیین می کند که آیا شافت خروجی موتور در وضعیت خطا قرار دارد یا خیر و در این صورت ، کنترل کننده اصلاحات مناسب را انجام می دهد یا سرعت موتور را کم می کند یا سرعت را کاهش می دهد از کار افتاد.

این پاسخ به دستگاه بازخورد موقعیتی به این معنی است که سرو موتور در یک “سیستم حلقه بسته” کار می‌کند.

علاوه بر کاربردهای صنعتی بزرگ ، از سرو موتورها در مدل های ریموت کنترل کوچک و رباتیک نیز استفاده می‌شود‌.

با بیشتر سروو موتورها می توان تا حدود 180 درجه در هر دو جهت چرخش پیدا کرد و آنها را برای موقعیت دقیق زاویه ای ایده آل می کند.

با این‌حال‌، این سرووهای نوع RC قادر به چرخش مداوم با سرعت‌بالا مانند‌موتورهای‌معمولی DC نیستند‌، مگر اینکه به‌طور خاص اصلاح‌شده‌باشد.

سروو موتور متشکل از چندین‌دستگاه در یک بسته است‌، موتور‌، گیربکس‌، دستگاه بازخورد و تصحیح‌خطا برای کنترل‌موقعیت‌، جهت یا سرعت.

آنها به طور گسترده ای در رباتیک و مدل های کوچک مورد استفاده قرار می گیرند.

زیرا فقط با استفاده از سه سیم Power ، Ground و Signal Control به راحتی کنترل می شوند.

سوئیچینگ و کنترل موتور DC

موتورهای کوچک DC را می توان با استفاده از کلیدها ، رله ها ، ترانزیستورها یا مدارهای MOSFET “روشن” یا “خاموش” روشن کرد که ساده ترین شکل کنترل موتور کنترل “خطی” است.

در این نوع مدارها از ترانزیستور دو قطبی به عنوان سوئیچ استفاده می شود.

ترانزیستور دارلینگتون نیز ممکن است در صورت‌نیاز به درجه جریان‌بالاتر مورد‌استفاده قرار گیرد برای کنترل‌موتور از یک منبع تغذیه واحد.

با تغییر مقدار جریان پایه که به ترانزیستور می رود ، می توان سرعت موتور را کنترل کرد.

به عنوان مثال ، اگر ترانزیستور از نیمه راه روشن باشد‌، فقط نیمی از ولتاژ تغذیه به موتور می رسد.

اگر ترانزیستور کاملاً روشن شود (اشباع شده) ، تمام ولتاژ تغذیه به موتور می رود و سریعتر می چرخد.

سپس برای این نوع کنترل خطی ، برق به طور مداوم به موتور می رسد مانند شکل زیر.

کنترل سرعت موتور

مدار سوییچینگ ساده بالا، مدار برای یک مدار کنترل سرعت حرکتی یونی را نشان می‌دهد.

از آنجا که سرعت دورانی یک موتور DC با ولتاژ بین ترمینال‌ها متناسب است.

ما می‌توانیم این ولتاژ ترمینال را با استفاده از یک ترانزیستور تنظیم کنیم.

این دو ترانزیستور به عنوان یک جفت darlington به هم متصل شده‌اند تا جریان اصلی آرماتور موتور را کنترل کنند.

برای کنترل میزان درایو پایه به اولین ترانزیستور خلبان TR1 ، که به نوبه خود ترانزیستور اصلی سوئیچینگ را کنترل می کند ، از پتانسیومتر 5kΩ استفاده می شود ، TR2 اجازه می دهد تا ولتاژ DC موتور از صفر تا Vcc متغیر باشد ، در این مثال 9 تا 12 ولت.

دیودهای چرخ دنده اختیاری از طریق ترانزیستور سوئیچینگ ، TR2 و پایانه های موتور به هم متصل می شوند تا از هر نوع EMF پشتی تولید شده توسط موتور هنگام چرخش محافظت کنند.

پتانسیومتر قابل تنظیم را می توان با سیگنال منطقی مداوم “1” یا “0” منطقی که مستقیماً به ورودی مدار وارد می شود ، تعویض کرد تا موتور به ترتیب “کاملاً روشن” (اشباع) یا “کاملاً خاموش” (قطع) باشد از درگاه میکروکنترلر یا PIC.

همچنین می توان از مدار یک‌سان برای کنترل سرعت دورانی موتور استفاده کرد.

با تغییر مکرر جریان موتور‌”روشن”‌و‌”خاموش” در‌فرکانس به اندازه کافی‌بالا، سرعت موتور می‌تواند بین استند‌(۰ rpm)و سرعت کامل (۱۰۰ %)متغیر باشد.

این امر با تغییر نسبت “زمان” ((tON به زمان “خاموش” (tOFF)به دست می‌آید و این می‌تواند با استفاده از فرآیندی به نام مدولاسیون پهنای پالس بدست آید.

کنترل سرعت پالس

ما قبلا گفتیم که سرعت دورانی یک موتور DC به‌طور مستقیم با مقدار ولتاژ میانگین (متوسط)در پایانه‌های خود متناسب است.

این مقدار بالاتر، حداکثر به ولت موتور مجاز است، که موتور سریع‌تر حرکت می‌کند. به عبارت دیگر، ولتاژ بیشتر است.

با تغییر نسبت بین زمان “روشن” (tON)و زمان “خاموش” (tOFF)، “نسبت وظیفه” یا “چرخه وظیفه”، مقدار متوسط ولتاژ موتور و در نتیجه سرعت دورانی آن می‌تواند متفاوت باشد.

برای یک قطبی ساده، نسبت عوارض به صورت زیر مشخص می‌شود:

و میانگین ولتاژ خروجی DC تغذیه شده به موتور بدین صورت است:

Vmean = β x Vsupply

سپس با تغییر عرض پالس a ، ولتاژ موتور و از این رو توان وارد شده به موتور قابل کنترل است و به این نوع کنترل Pulse Width Modulation یا PWM گفته می شود.

روش دیگر برای کنترل سرعت چرخش موتور تغییر فرکانس (و از این رو مدت زمان ولتاژ کنترل) است در حالی که زمان های نسبت “روشن” و “خاموش” ثابت نگه داشته می شوند. به این نوع کنترل Pulse Frequency Modulation یا PFM گفته می شود.

با مدولاسیون فرکانس پالس ، ولتاژ موتور با استفاده از پالس هایی با فرکانس متغیر کنترل می شود.

به عنوان مثال:

در یک فرکانس پایین یا با پالس های بسیار‌کم‌، ولتاژ متوسط ​​اعمال‌شده به موتور پایین است و بنابراین سرعت‌موتور کند‌است.

در فرکانس بالاتر یا با پالس های زیاد‌، متوسط ​​ولتاژ ترمینال موتور افزایش می‌یابد و سرعت موتور نیز افزایش می‌یابد.

سپس ، از ترانزیستورها می توان برای کنترل مقدار توان وارد شده به موتور DC استفاده کرد که حالت کار آنها‌”خطی” (ولتاژ متفاوت موتور) ، “مدولاسیون عرض پالس” (تغییر عرض پالس) یا “فرکانس پالس” است. مدولاسیون »(فرکانس نبض متفاوت).

معکوس کردن جهت موتور DC

در حالی که کنترل سرعت یک موتور DC با یک ترانزیستور دارای مزایای زیادی است.

اما یک نقطه ضعف اصلی نیز دارد ، جهت چرخش همیشه یکسان است.یک مدار “یک جهته”.

در بسیاری از برنامه ها ، ما باید موتور را در دو جهت جلو و عقب کار کنیم.

برای کنترل جهت یک موتور‌DC‌، قطبیت‌توان‌DC اعمال شده به اتصالات موتور باید معکوس‌شود تا اجازه‌چرخش‌ شافت آن در جهت مخالف‌باشد.

یک روش بسیار‌ساده و ارزان برای کنترل جهت چرخش‌موتور DC استفاده از کلیدهای‌مختلف است که به روش زیر مرتب شده‌اند:

کنترل جهت موتور DC

مدار اول برای کنترل قطبیت اتصالات موتورها از یک سوئیچ دو قطبی ، دو پرتاب (DPDT) استفاده می کند.

با تغییر روی کنتاکت ها ، تغذیه ترمینال های موتور معکوس شده و موتور جهت معکوس می دهد.

مدار دوم کمی پیچیده‌تر است و از چهار سوئیچ تک قطبی‌، یک پرتاب‌(SPST) که با پیکربندی “H”‌مرتب شده‌اند‌، استفاده می‌کند.

کلیدهای‌مکانیکی به صورت جفت سوئیچینگ مرتب شده‌اند و برای کارکردن یا توقف موتور DC باید در یک ترکیب خاص کار‌کنند.

به عنوان مثال ، کلید ترکیبی A + D چرخش رو به جلو را کنترل می کند در حالی که سوئیچ های B + C چرخش معکوس را مطابق شکل نشان می دهد.

ترکیبات A + B یا C + D باعث خاموش شدن ترمینال موتور شده و باعث ترمز سریع آن می‌شود.

با این حال ، استفاده از سوئیچ به این روش خطرات خود را دارد زیرا سوئیچ های عامل A + C یا B + D با هم باعث قطع منبع تغذیه می شوند.

در حالی که دو مدار بالا برای اکثر کاربردهای کوچک موتور DC بسیار خوب کار می کنند.

آیا ما واقعاً می خواهیم از ترکیب کلیدهای مکانیکی مختلف استفاده کنیم تا جهت موتور را معکوس کنیم ؟

نه! ما می توانیم سوئیچ های دستی را برای مجموعه ای از رله های الکترومکانیکی تغییر دهیم و یک دکمه یا سوئیچ عقب برعکس داشته باشیم یا حتی از یک سوئیچ چهار جانبه CMOS 4066B حالت جامد استفاده کنیم.

اما روش بسیار خوب دیگر برای دستیابی به کنترل دو جهته یک موتور (و همچنین سرعت آن) اتصال موتور به ترتیب مدار از نوع ترانزیستور H-Bridge است که در زیر نشان داده شده است.

مدار Bi-directional H-bridge پایه

مدار H-Bridge بالا به این دلیل نامگذاری شده است که پیکربندی اصلی چهار سوئیچ ، رله های الکترو مکانیکی یا ترانزیستورها شبیه حرف “H” با موتور قرار گرفته روی میله مرکزی است.

ترانزیستور یا پل MOSFET H احتمالاً یکی از متداول ترین نوع مدارهای کنترل موتور DC دو جهته است.

این “جفت ترانزیستور مکمل” هر دو NPN و PNP در هر شاخه با ترانزیستورها به صورت جفت به هم متصل شده برای کنترل موتور استفاده می شود.

ورودی کنترل A موتور را در یک جهت یعنی چرخش به جلو حرکت می‌کند در حالی که ورودی B موتور را در جهت دیگر (یعنی چرخش معکوس)هدایت می‌کند.

سپس با روشن کردن ترانزیستورهای “روشن” یا “خاموش” در “جفت مورب” خود منجر به کنترل مستقیم موتور می‌شود

به عنوان مثال ، هنگامی که ترانزیستور TR1 “روشن” است و ترانزیستور TR2 “خاموش” است ، نقطه A به ولتاژ منبع تغذیه (+ Vcc) و اگر ترانزیستور TR3 “خاموش” و ترانزیستور TR4 “ON” باشد ، نقطه B به B متصل می شود 0 ولت (GND).

سپس موتور در یک جهت متناظر با مثبت بودن ترمینال موتور و منفی ترمینال موتور می چرخد.

اگر حالتهای سوئیچینگ معکوس شود تا TR1 “خاموش” باشد ، TR2 “روشن” باشد ، TR3 “روشن” و TR4 “خاموش” است ، اکنون جریان موتور در جهت مخالف جریان می یابد و باعث چرخش موتور در عکس می شود جهت.

سپس با استفاده از‌سطوح منطقی‌مخالف “1” یا “0” به ورودی‌های A و B می‌توان جهت‌چرخش موتورها را به‌صورت زیر کنترل‌کرد.

جدول حقیقت H-Bridge

Input A	Input B	Motor Function
TR1 and TR4	TR2 and TR3
0	0	Motor Stopped (OFF)
1	0	Motor Rotates Forward
0	1	Motor Rotates Reverse
1	1	NOT ALLOWED

مهم است که هیچ ترکیب دیگری از ورودی ها مجاز نباشد.

زیرا ممکن است باعث‌کوتاه‌شدن منبع تغذیه شود‌، یعنی هر دو ترانزیستور‌، TR1 و TR2 همزمان “روشن” شوند (فیوز = بنگ!).

همانطور که در کنترل موتور DC یک جهته مشاهده می شود ، سرعت چرخش موتور نیز می تواند با استفاده از Pulse Width Modulation یا PWM کنترل شود.

سپس با ترکیب سوئیچینگ پل H با کنترل PWM می توان جهت و سرعت موتور را به‌طور دقیق کنترل کرد.

IC های رمزگشای قفسه ای مانند SN754410 ، Quad Half ، H-Bridge IC یا L298N که دارای 2 H-Brid می باشد با تمام منطق کنترل و ایمنی لازم برای سیستم های کنترل موتور دو جهته پل H طراحی شده است .

موتور پله ای DC (استپ موتور)

مانند موتور DC در بالا ، Stepper Motors نیز محرکهای الکترومکانیکی است که سیگنال ورودی دیجیتال پالسی را به یک حرکت مکانیکی گسسته (افزایشی) تبدیل می کند که به طور گسترده ای در برنامه های کنترل صنعتی استفاده می شود.

موتور پله ای نوعی موتور همزمان بدون برس است که دارای آرماتور با کموتاتور و برس های کربنی نیست.

اما دارای روتور است که از بسیاری ساخته شده است.

در بعضی از انواع آنها صدها دندان مغناطیسی دائمی و استاتور با سیم پیچ های جداگانه وجود دارد.

همانطور که از نام آن پیداست ، موتور پله ای به طور مداوم مانند یک موتور DC معمولی نمی چرخد.

​​بلکه به صورت “گام” یا “افزایش” گسسته حرکت می کند.

با زاویه هر‌حرکت چرخشی یا گام به تعداد قطب های استاتور و روتور بستگی دارد دندانهایی که استپر موتور دارد.

به دلیل عملکرد گام مجزا ، موتورهای پله ای به راحتی می توانند در یک زمان کسری محدودی از چرخش مانند 1.8 ، 3.6 ، 7.5 درجه و غیره را بچرخانند.

به عنوان مثال‌، بیایید فرض‌کنیم که یک موتور پله‌ای یک دور کامل (360 درجه در 100 مرحله) را کامل می‌کند.

سپس زاویه گام برای موتور به صورت 360 درجه / 100 پله = 3.6 درجه در هر قدم داده می‌شود.

موتور پله ای Angle Step

این مقدار معمولاً به عنوان موتور پله ای Angle Step شناخته می شود.

سه نوع اساسی موتور پله ای وجود دارد ، Variable Reluctance ، Permanent Magnet و Hybrid (نوعی ترکیب هر دو).

Stepper Motor به ویژه برای برنامه هایی که نیاز به موقعیت دقیق و تکرارپذیری دارند.

با پاسخ سریع به شروع ، توقف ، برگشت و کنترل سرعت و یکی دیگر از ویژگی های اصلی موتور پله ای ، توانایی آن در ثابت نگه داشتن بار پس از موقعیت لازم است. به دست آورد.

به طور کلی ، موتورهای پله ای دارای یک روتور داخلی با تعداد زیادی “دندانه” آهن ربا دائمی هستند که تعدادی “دندانه” آهنربا الکتریکی روی استاتور نصب کرده اند.

مغناطیس‌های‌الکتریکی استاتورها به صورت متوالی قطبی و دپلاریزه می‌شوند و باعث می شود که روتور در یک نوبت یک قدم‌بچرخد.

موتورهای پله‌ای چند‌قطب و چند‌دندانه مدرن قادر به دقت‌کمتر از 0.9 درجه در هر مرحله (400 پالس در دور) هستند.

عمدتا برای سیستم های موقعیت یابی بسیار دقیق مانند آنهایی که برای هد مغناطیسی در دیسک های فلاپی / دیسک سخت استفاده می شود ، چاپگرها / توطئه گرها یا برنامه های رباتیک.

موتور پله ای که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد موتور پله ای 200 قدم در دور است.

دارای روتور 50 دندانه ای ، استاتور 4 فاز و زاویه پله 1.8 درجه (360 درجه / (50 × 4)) است.

ساخت و کنترل موتور پله ای

در مثال ساده ما از یک موتور پله‌ای تمایل متغیر بالا، موتور شامل یک روتور مرکزی است که توسط چهار قطب میدان مغناطیسی برچسب A، B، C و D احاطه شده‌است.

تمام سیم‌پیچ با همان حرف به هم متصل می‌شوند.

به‌طوری که energising ها می‌گویند که حلقه‌های علامت‌گذاری شده A باعث‌می‌شود روتور مغناطیسی‌خودش را با این مجموعه از سیم‌پیچ‌ها ترکیب‌کند.

با اعمال قدرت برای هر مجموعه از سیم‌پیچ‌ها در چرخش روتور، روتور را می توان برای چرخش یا “گام” از یک موقعیت به مرحله بعدی با زاویه‌ای که با زاویه گام مرحله آن تعیین می‌شود، و با تنظیم پیچ در توالی روتور، یک حرکت گردان ایجاد می‌کند.

درایور موتور پله‌ای با فعال‌کردن سیم پیچ‌های میدان در یک‌دنباله تنظیم شده‌، هم زاویه و هم سرعت موتور را کنترل‎می‌کند.

به عنوان مثال “ADCB ، ADCB ، ADCB ، A…” و غیره ، روتور در یک جهت (جلو) و برگشت توالی پالس به “ABCD ، ABCD ، ABCD ، A…” و غیره ، روتور در جهت مخالف می چرخد ​​(معکوس).

بنابراین در مثال ساده ما در بالا ، موتور پله ای دارای چهار سیم پیچ است که آن را به یک موتور 4 فاز تبدیل می کند ، تعداد قطب های استاتور هشت (2 * 4) است که در فواصل 45 درجه فاصله دارند. تعداد دندانهای روتور شش عدد است که با فاصله 60 درجه از یکدیگر فاصله دارند.

سپس 24 (6 دنده 4 سیم پیچ) موقعیت یا “گام” ممکن برای روتور وجود دارد تا یک دور کامل را انجام دهد. بنابراین ، زاویه گام بالا به صورت زیر ارائه می شود: 360o / 24 = 15o.

بدیهی است :

که دندان‌های بیشتر روتور و یا سیم‌پیچ استاتور منجر به کنترل بیشتر و زاویه گام بهتر می‌شوند.

همچنین اتصال سیم‌های برق موتور در پیکربندی‌های مختلف، زوایای کامل، نیمه و micro ممکن است.

با این حال، برای رسیدن به پله‌ای فرعی، موتور پله‌ای باید توسط جریان سینوسی (شبه)هدایت‌شود که اجرای آن هزینه‌بر است.

همچنین می توان با تغییر تاخیر زمانی بین پالس های دیجیتال اعمال شده روی سیم پیچ ها (فرکانس) ، سرعت چرخش یک موتور پله ای را کنترل کرد ، هرچه این تاخیر بیشتر باشد ، سرعت برای یک دور کامل کاهش می یابد.

با اعمال تعداد ثابت پالس ها به موتور ، شافت موتور از یک زاویه مشخص چرخانده می شود.

مزیت استفاده از پالس تاخیری در زمان این است که نیازی به هر نوع بازخورد اضافی نخواهد بود.

زیرا با شمارش تعداد پالس های داده شده به موتور ، موقعیت نهایی روتور کاملاً مشخص خواهد شد.

این پاسخ به تعداد معینی از پالس های ورودی دیجیتال به موتور پله ای اجازه می دهد

تا در یک “سیستم حلقه باز” کار کند و کنترل آن را آسان تر و ارزان تر می کند.

به عنوان مثال:

بیایید فرض کنیم که موتور پله‌ای ما در بالا دارای زاویه پله 3.6 درجه در هر‌مرحله است.

برای چرخاندن موتور از زاویه 216 درجه و سپس توقف مجدد در موقعیت مورد نیاز ، فقط نیاز به 216 درجه / (3.6 درجه در هر مرحله) = 80 پالس است که به سیم پیچ های استاتور اعمال می شود.

IC کنترلر موتور پله‌ای زیادی در دسترس است که می‌تواند سرعت گام ، سرعت چرخش و جهت موتورها را کنترل‌کند.

یکی از این آی سی های کنترل کننده SAA1027 است که تمام مقابله و تبدیل کد داخلی لازم را دارد و می تواند به صورت خودکار 4 خروجی پل کاملاً کنترل شده را با توالی صحیح به موتور هدایت کند.

جهت چرخش همچنین می تواند همراه با حالت تک مرحله‌ای یا چرخش مداوم (بدون مرحله) در جهت انتخاب شده انتخاب‌شود.

اما این امر مسئولیت کنترل کننده را سنگین می کند.

هنگام استفاده از کنترل کننده دیجیتال 8 بیتی ، 256 میکرو پله در هر مرحله نیز امکان پذیر است.

تراشه کنترل موتور پله ای SAA1027

در این آموزش درباره محرکهای چرخشی ، ما موتور DC بدون برس ، موتور سروو DC و موتور استپر را به عنوان یک محرک الکترومکانیکی بررسی کرده ایم که می تواند به عنوان یک دستگاه خروجی برای کنترل موقعیت و سرعت استفاده شود.

در آموزش بعدی در مورد دستگاه های ورودی / خروجی ، ما نگاه خود را به دستگاه های خروجی به نام محرک ها ادامه خواهیم داد ، و یکی بخصوص یکی که سیگنال های الکتریکی را دوباره با استفاده از الکترومغناطیس به امواج صوتی تبدیل می کند. نوع دستگاه خروجی که در آموزش بعدی به آن نگاه خواهیم کرد ، بلندگو است.