موتور پله ای همچنین به عنوان موتور پالس یا استپ موتور شناخته می شود. هر بار که وضعیت تحریک مطابق با سیگنال پالس ورودی تغییر می کند، زاویه خاصی را پیش می برد و زمانی که حالت تحریک بدون تغییر باقی می ماند در یک موقعیت ثابت باقی می ماند. بنابراین، موتور پله ای می تواند سیگنال پالس ورودی را به جابجایی زاویه ای مربوطه برای خروجی تبدیل کند. با کنترل تعداد پالس های ورودی، جابجایی زاویه ای خروجی را می توان با دقت تعیین کرد تا به عملکرد موقعیت یابی دست یابد. و با کنترل فرکانس پالس های ورودی می توان سرعت زاویه ای خروجی را به دقت کنترل کرد تا به هدف تنظیم سرعت دست یافت. بنابراین، هنگامی که به موقعیت یا کنترل سرعت دقیق نیاز است، می توان موتورهای پله ای را در نظر گرفت.
1.1 طبقه بندی موتورهای پله ای
سه نوع استپر موتور وجود دارد: راکتیو (نوع VR)، آهنربای دائمی (نوع PM) و هیبریدی (نوع HB).
پله آهنربای دائمی معمولاً دو فاز است، گشتاور و حجم آن کم است و زاویه پله معمولاً 7.5 درجه یا 15 درجه است که بیشتر در محصولات مصرفی کم هزینه استفاده می شود.
پله راکتیو به طور کلی سه فاز است که می تواند گشتاور خروجی زیادی را به دست آورد. زاویه گام به طور کلی 1.5 درجه است، اما سر و صدا و لرزش بسیار زیاد است. در کشورهای توسعه یافته مانند اروپا و ایالات متحده در دهه 1980 حذف شده است.
پله های ترکیبی به ترکیب مزایای آهنربای دائمی و راکتیو اشاره دارد. به دو فاز، سه فاز و پنج فاز تقسیم می شود. زاویه پله دو فاز به طور کلی 1.8 درجه و زاویه گام سه فاز 0.9 درجه است. زاویه گام پنج فاز معمولاً 0.72 درجه است. موتور پله ای هیبریدی مزایای دو نوع اول موتور پله ای را با هم ترکیب می کند. در حال حاضر، موتورهای پله ای مورد استفاده در صنعت ساخت تجهیزات داخلی، اساساً موتورهای پله ای هیبریدی هستند.
بنابراین، موتورهای پله ای که در زیر توضیح داده می شوند، همگی به عنوان "موتورهای پله ای هیبریدی" شناخته می شوند.
1.2 ساختار موتور پله ای
موتور پله ای از یک روتور (هسته روتور، آهنربای دائمی، شفت چرخان، بلبرینگ)، یک استاتور (سیم پیچ، هسته استاتور)، روکش های جلو و عقب و غیره تشکیل شده است. معمولی ترین موتور پله هیبریدی دو فاز دارای 8 دندانه بزرگ است. 40 دندانه کوچک در استاتور و 50 دندانه کوچک در روتور. استاتور موتور سه فاز دارای 9 دندانه بزرگ، 45 دندانه کوچک و روتور دارای 50 دندانه کوچک است. دندان
شکل 1 نمودار شماتیک ترکیب موتور پله ای
1.3 اصل کنترل موتور پله ای
استپر موتور نمی تواند مستقیماً به منبع تغذیه متصل شود تا کار کند و همچنین نمی تواند مستقیماً سیگنال های پالس الکتریکی را دریافت کند. باید با منبع تغذیه و کنترلر از طریق یک رابط ویژه - درایور استپر موتور - تعامل داشته باشد. درایور استپر موتور (شکل 2 را ببینید) عموماً از یک توزیع کننده حلقه و یک مدار تقویت کننده قدرت تشکیل شده است. توزیع کننده حلقه سیگنال های کنترلی را از کنترل کننده دریافت می کند. هر بار که یک سیگنال پالس دریافت می شود، خروجی توزیع کننده حلقه یک بار تبدیل می شود، بنابراین وجود یا عدم وجود سیگنال پالس و فرکانس می تواند تعیین کننده سرعت موتور پله، شتاب یا کاهش سرعت، استارت یا توقف باشد. توزیع کننده حلقه همچنین باید سیگنال جهت کنترلر را برای تعیین اینکه آیا انتقال حالت خروجی آن توالی مثبت است یا توالی معکوس، نظارت کند و در نتیجه جهت استپر موتور را تعیین کند.
شکل 2 شماتیک کنترل موتور پله ای
2 پارامتر اصلی استپر موتور
2.1 شماره فریم عمدتاً شامل 20، 28، 35، 42، 57، 60، 86 و غیره است.
2.2 تعداد فازها تعداد سیم پیچ های داخل استپر موتور. تعداد فازهای موتور پله ای به طور کلی شامل دو فاز، سه فاز و پنج فاز می باشد. موتور پله ای مورد استفاده در چین عمدتا دو فاز است و سه فاز نیز در برخی کاربردها استفاده می شود. در ژاپن از موتورهای پله ای پنج فاز بیشتر استفاده می شود.
2.3 زاویه پله مربوط به ورودی سیگنال پالس، جابجایی زاویه ای روتور موتور است. فرمول محاسبه زاویه گام استپر موتور به شرح زیر است:
در فرمول: - زاویه پله موتور پله. m - تعداد فازهای موتور پله. - تعداد دندانه های روتور موتور پله ای.
با توجه به فرمول محاسباتی بالا، زوایای پله موتورهای پله ای دوفاز، سه فاز و پنج فاز به ترتیب 1.80، 1.20 و 0.72 درجه می باشد.
2.4 گشتاور نگهدارنده (گشتاور استاتیک) به گشتاوری اشاره دارد که در آن استاتور روتور را قفل می کند زمانی که سیم پیچ استاتور موتور با جریان نامی تامین می شود، اما روتور نمی چرخد. گشتاور نگهدارنده مهمترین پارامتر موتور پله ای است و مبنای اصلی انتخاب موتور است.
2.5 گشتاور بازدارنده به گشتاور مورد نیاز برای چرخاندن روتور با نیروی خارجی زمانی که موتور جریان ندارد اشاره دارد. این گشتاور یکی از شاخص های عملکرد موتور است. با یکسان بودن سایر پارامترها، هرچه گشتاور بازدارنده کوچکتر باشد، "اثر گیره" کوچکتر است، که برای پایداری موتور در سرعت کم مفیدتر است.
2.6 مشخصه فرکانس گشتاور عمدتاً به مشخصه فرکانس گشتاور بیرون کشیدن اشاره دارد، حداکثر گشتاوری که موتور می تواند بدون از دست دادن پله تحمل کند، زمانی که موتور به طور پایدار با سرعت معین کار می کند. منحنی گشتاور-فرکانس برای توصیف رابطه بین حداکثر گشتاور و سرعت (فرکانس) بدون از دست دادن پله استفاده می شود. منحنی گشتاور-فرکانس پارامتر مهم موتور پله ای است و یکی از پایه های اصلی برای انتخاب موتور است. منحنی مشخصه ممان-فرکانس (شکل 3 را ببینید).
شکل 3 منحنی گشتاور-فرکانس موتور پله ای
2.7 جریان نامی مقدار rms جریان سیم پیچ موتور مورد نیاز برای حفظ گشتاور نامی.
شکل 4 جدول پارامترهای موتور پله ای (برگرفته از کاتالوگ کلی محصولات پله ای هوشمند Leisai 2021-2022)
3 مرحله انتخاب موتور پله ای
سرعت موتور پله ای مورد استفاده در کاربردهای صنعتی به 600 تا 1500 می رسد و هر چه سرعت بیشتر باشد می توان درایو موتور پله ای حلقه بسته را در نظر گرفت یا طرح درایو سروو مناسب تر است. مراحل انتخاب موتور پله ای (شکل 5 را ببینید).
شکل 5 مراحل انتخاب موتور پله ای
3.1 انتخاب زاویه گام
همانطور که در 1.1 ذکر شد، با توجه به تعداد فازهای موتور، سه زاویه پله وجود دارد: 1.8{8}} (دو فاز)، 1.20 (سه فاز) و 0.72 درجه (پنج فاز). البته دقت زاویه گام پنج فاز بالاترین است، اما موتور و درایور آن گران است، بنابراین در چین به ندرت استفاده می شود. علاوه بر این، درایورهای استپر جریان اصلی کنونی همگی از فناوری درایو زیربخش استفاده می کنند. در زیر 8 بخش فرعی، هنوز هم می توان دقت زاویه پله تقسیم بندی را تضمین کرد، بنابراین اگر شاخص دقت زاویه گام را به تنهایی در نظر بگیرید، پله پنج فاز موتور را می توان با یک موتور پله ای دو فاز یا سه فاز جایگزین کرد.
به عنوان مثال، در یک کاربرد بار پیچ سرب با سرب 5 میلی متر، اگر از موتور پله ای دو فاز استفاده شود و درایور روی 8 زیربخش تنظیم شود، تعداد پالس در هر دور موتور 200×8=1600 ، و معادل پالس 5 ÷1 600=0 0.00313 mm=3 0.13 است، این دقت می تواند اکثر الزامات برنامه را برآورده کند.
3.2 انتخاب گشتاور استاتیک (گشتاور نگهدارنده)
مکانیزم های رایج انتقال بار شامل تسمه های سنکرون، میله های پیچ، قفسه ها و پینیون ها و غیره می باشد. ابتدا بار دستگاه (عمدتاً گشتاور شتاب به اضافه گشتاور اصطکاک) را محاسبه کرده و آن را به گشتاور بار مورد نیاز روی شفت موتور تبدیل کنید. سپس با توجه به حداکثر سرعت مورد نیاز موتور، یک استپر موتور با گشتاور نگهدارنده مناسب برای دو مورد مختلف زیر انتخاب می شود:
(1) برای اعمال سرعت موتور مورد نیاز زیر 300: اگر بار ماشین به گشتاور بار مورد نیاز روی شفت موتور تبدیل شود، گشتاور بار در یک ضریب ایمنی SF (معمولاً 1.5) ضرب می شود. ~ 2.0)، یعنی گشتاور نگهداری مورد نیاز موتور پله ای.
(2) برای کاربردهایی که سرعت موتور مورد نیاز بیش از 300 است: حداکثر سرعت را تنظیم کنید، اگر بار ماشین به گشتاور بار مورد نیاز روی شفت موتور تبدیل شود، گشتاور بار در ضریب ایمنی SF ضرب می شود (به طور کلی 2.5). ~ 3.5) برای به دست آوردن گشتاور نگهداری. با مراجعه به شکل 6، ابتدا یک مدل مناسب انتخاب شده است. سپس منحنی گشتاور-فرکانس را بررسی و مقایسه کنید: در منحنی گشتاور-فرکانس، از حداکثر سرعت مورد نیاز استفاده کنید تا دریابید که حداکثر گشتاور خارج از مرحله مربوط به حداکثر سرعت 20 درصد یا بیشتر است. در غیر این صورت، لازم است موتوری با گشتاور نگهدارنده بزرگتر دوباره انتخاب شود و با توجه به منحنی گشتاور-فرکانس موتور تازه انتخاب شده مجددا بررسی و مقایسه شود.
3.3 انتخاب اندازه قاب موتور
هرچه قاب موتور بزرگتر باشد، گشتاور نگهداری آن بیشتر است. اندازه های رایج قاب و محدوده گشتاور نگهدارنده موتورهای پله ای (شکل 6 را ببینید).
شکل 6 اندازه قاب متداول موتورهای پله ای و گشتاور نگهداری آنها
با توجه به گشتاور نگهدارنده محاسبه شده در مرحله (2)، اندازه قاب مناسب و مشخصات خاص موتور مربوطه را از شکل 4 انتخاب کنید.
3.4 درایور استپر منطبق را با توجه به جریان نامی انتخاب کنید
به عنوان مثال، اگر جریان نامی موتور 57CM23 5A باشد، حداکثر جریان مجاز درایور انتخابی شما باید بیش از 5A باشد (لطفاً توجه داشته باشید که به جای مقدار پیک، مقدار RMS است)، در غیر این صورت اگر یک درایور با حداکثر جریان فقط 3A، پس حداکثر گشتاور خروجی موتور فقط می تواند حدود 60 درصد باشد!
