قيادة المحركات الخطوية Stepper motors - I-Electrician
قيادة المحركات الخطوية Stepper motors

قيادة المحركات الخطوية Stepper motors

شارك المقال

التعريف بالمحركات الخطوية: 

المحركات الخطوية : هي كباقي المحركات الكهربائية تعتمد في دورانها على مبدأ تشابك الفيض المغناطيسي بين الثابت والدوار ولكنها تمتازبأنها تمكننا من التحكم بمقدار زاوية الدوران
ومن الجديربالذكر أن محركات السيرفو يمكنها أيضا أن تتحكم بزاوية الدوران إلا أنه هناك فرق بين استخدام محركات السيرفو والمحركات الخطوية في مجال التحكم بزاوية الدوران.
فمحركات السير فو بحاجة إلى تغذية عكسية وهذا يتضمن وجود مقسّم جهد من أجل تحويل الموضع
أو زاوية الدوران إلى الجهد وهذا الجهد يقارن مع الجهد المرجعي الذي تم ضبطه على دخل وحدة التحكم
وبالتالي فإن التحكم به يكون بواسطة نظام الحلقة المغلقة .
وبما أن الإشارة المرجعية هي عبارة عن جهد فهي قابلة للتعرض لأي تشويش وبالتالي عدم وجود في زاوية الدوران



أما المحركات الخطوية فإن التحكم بها يتم بواسطة التحكم بتواتر النبضات المطبقة على مداخلها حيث أن كل نبضة(أي حالة عمل) تجعلها تدور بزاوية معينة مثلاً ْ 30 وعند التحكم بعدد النبضات يمكن التحكم بزاوية الدوران ،وبالتالي فهي ليست بحاجة إلى تغذية عكسية ولذلك يمكن أن تعمل في نظام الحلقة المفتوحة كما تمتاز بدقة عالية.
إن من ميزة التحكم بالحلقة المفتوحة هو انها تقلل من الجاجة إلى المتعلقات والأدوات التي تحتاجها الحلقة المغلقة مثل المرمزات والمشفرات و المقارنات.

أنواع المحركات الخطوية حسب بنية الدوار:

يوجد تقريبياً ثلاثة أنواع للمحركات الخطوية:
1- المحركات ذات الممانعة المتغيرة
2 - المحركات ذات المغانط الدائمة
3- المحركات الهجينة 

1- المحركات ذات الممانعة المتغيرة :

في هذه المحركات يكون الدوار مصنوع من الحديد الطري ويكون مسنن ومحاط بأسنان الثابت التي تلف عليها الوشائع كما في الشكل (1)
وعندما تتغذى إحدى الو شائع بالتيار الكهربائي المستمر فإنها تتحول إلى مغناطيس تجذب بدورها السن القريب منها نلاحظ أن عدد أسنان الدوار يختلف عن الثابت وفي معظم المحركات يكون عدد أسنان الدوار أقل بسنين حيث يستفاد من الفروق الزاوية بين الثابت والدوار من أجل التحكم بزاوية الخطوة . 

2 - المحركات ذات المغانط الدائمة

يكون فيها الدوار عبارة اسطوانة غير مسننة وتتألف من مجموعة من المغانط الدائمة التي تتابع فيها أقطابها بشكل متناوب كما في الشكل(2)
وتمتاز هذه المحركات بأن زاويتها الخطوية كبيرة نسبياً من 7.5 إلى 15 درجة إلا أن مميزة ( السرعة - عزم) جيدة

3 - المحركات الهجينة:

وهي محركات ثمنها أغلى من محركات المغانط الدائمة ولكنها تتميز بأن زاويتها الخطوية صغيرة جداً تتراوح (0.9 -3.6 ) درجة حيث يلزمنا تطبيق مابين 100 إلى 400 نبضة عمل من أجل إتمام دورة كاملة وهذا يعطينا دقة عالية في العمل.
ويكون فيها الدوار يشبه دوار المغانط الدائمة إلا أنها مسننة الشكل (3) لذلك فهي هجينة بين محركات الدائمة والممانعة المتغيرة.
و يكون فيها محور الدوران عبارة عن مغناطيس دائم وتقوم الأسنان بتوجيه الفيض المغناطيسي في الثغرة الهوائية بين الثابت والدوار. 


كيفية قيادة المحركات :

تختلف دارات قيادة المحركات باختلاف أ نواعها و معظم المحركات يتحكم بها إما بواسطة الكومبيوتر أو بواسطة المايكروكونترولر حيث يتم كتابة برامج خاصة للمحرك تأمن تسلسل النبضات على مداخله

قيادة المحركات الخطوية

تتعلق قيادة المحركات الخطوية ببنية المحرك (أي ذات مغانط دائمة أو ممانعة متغيرة) وبطريقة لف ملفات الثابت

أولا ً: قيادة المحركات ذات الممانعة المتغيرة:

بفرض لدينا محرك يحتوي على ثلاثة ملفات ملفوفة على الثابت توصل هذه الملفات مع بعضها بطرف مشترك ويطبق على هذا الطرف إما جهد موجب أو سالب. أما الدوار فيتألف من أربعة أسنان


عندما نطبق على الو شيعة رقم 1 نبضة عمل أي نوصل طرفها الحر إلى القطب الموجب أو السالب حسب قطبية الطرف المشترك فإن التيار سوف يمر في الو شيعة وبالتالي سوف تولد حقل مغناطيسي يجذب إليها السن 1 و3 ثم نفصل التغذية عن الو شيعة 1 ونطبق نبضة على الو شيعة 2 فتجذب إليها السن 2 و4 بعدها نفصل التغذية عن الو شيعة 2 ونطبق نبضة على الو شيعة 3 فتجذب إليها السن 1و 3وهكذا نقوم بتكرير النبضات على أقطاب المحرك فيستمر بالدوران كما في الشكل .

والمخطط التالي يظهر لنا تسلسل النبضات على أقطاب المحرك من أجل إتمام دورتين
ومن أجل حساب زاوية الخطوة فإننا نستخدم القانون التالي
زاوية الخطوة = 360\(عدد الاقطاب * عدد الاسنان)
ففي مثالنا الزاوي=360÷(4*3)=30 درجة 
ومن أجل تصغير زاوية الخطوة فإننا نزيد عدد الملفات إلى4أو5 أو نزيد عدد الأسنان في الدوار أما طريقة القيادة لا تختلف تبقى نفسها ولكن تتغير زاوية الخطوة.

ثانيا ً قيادة المحركات أحادية القطبية :

وهي محركات ذات مغانط دائمة أو هجينة وأطلق عليها هذا الاسم لأن لأقطابها الثابتة قطبية واحدة (إما موجبة أو سالبة حيث يكون لكل قطبين متقابلين وشيعة ملفوفة عليهما ولها طرفين A,B) وطرف في المنتصف نصل الطرفين إلى الجهد السالب والطرف في المنتصف نصله إلى الجهد الموجب

أ- طريقة الخطوة الكاملة:

وفي هذه الطريقة نطبق نبضة على إحدى أقطاب المحرك بينما الأقطاب البقية تكون مفصولة فيجذب القطب السن الموافق لمغنطته ثم نطبق نبضة على القطب التالي إما اليميني أو اليساري وذلك حسب اتجاه الدوران ثم نطبق نبضة على القطب الذي يليه وهكذا














والشكل التالي يوضح لنا تسلسل النبضات من أحل إتمام دورتين


يوجد طريقة أخرى للقيادة بالخطوة الكاملة وفيها نقوم بتطبيق نبضتين على كل قطبين متجاورين كما في الشكل وهذه الطريقة تزيد من عزم المحرك بنسبة 1.4 من العزم الذي تنتجه الطريقة السابقة
ويظهر لنا الشكل التالي تسلسل النبضات من أجل إتمام دورتين 














ب- طريقة النصف خطوة:

وهي تشبه كثيرا ً الطريقة الثانية السابقة ولكن تختلف معها في أن بعد تطبيق نبضتين على القطبين المتجاورين نطبق نبضة على أ حدهما فقط ثم نطبق نبضتين على نفس القطب وعلى الذي يليه وهكذا
وبهذه الطريقة نكون قد استطعنا تصغير زاوية الخطوة إلى النصف وبدون أن نغير في بنية المحرك
ملاحظة: نقصد بالنبضة هو أننا نطبق جهد ما إما سالب أو موجب لفترة زمنية معينة
















ويظهر لنا الشكل التالي تسلسل النبضات

ثالثا ً قيادة المحركات الثنائية القطبية :

وهذه المحركات لها نفس بنية المحرك الأحادي القطبية إلا أنه لا يوجد طرف ثالث في منتصف الوشائع الملفوفة على الأقطاب ولمرور التيار في الأقطاب فإنه ينبغي أن نطبق جهد عالي على أحد الأقطاب وجهد منخفض على القطب المقابل لذلك فقيادة الثنائية القطبية أصعب من الأحادية

أ- القيادة بخطوة كاملة:

نقوم في هذه الطريقة بتطبيق جهد موجب على أحد أطراف الو شيعة وجهد سالب على الطرف المقابل أما الو شائع الأخرى فلا يمر تيار فيها ثم نقوم بتطبيق هذا الجهد على الو شائع المجاورة وهكذا كما في الشكل 
كما أنه يوجد طريقة ثانية للخطوة الكاملة حيث أننا نمرر التيار في نفس الاتجاه في وشيعيتين متجاورتين ثم نناوب بين الو شائع كما في الشكل ونستخدم هذه الطريقة من أجل زيادة العزم إلا أنها تزيد من الطاقة المستهلكة ويوضح الشكل التالي كيفية تطبيقها.


ب- القيادة بنصف الخطوة

نمرر التيار في وشيعيتين متتاليتين ثم نمرر التيار في إحداهما فقط ثم بها وبالتي تليها وهكذا

الحجم والقدرة

أولا :الحجم

بالإضافة إلى أن المحركات الخطوية تصنف تبعا إلى زاوية الخطوة فهي تصنف أيضا تبعا إلى حجوم إطاراتها التي تقابل قطر جسم المحرك, على سبيل المثال محرك له حجم 11 أ ي له قطر جسم 1.1 بوصة ومحرك حجمه 23 أي له قطر قدره 2.3 انش أي 58 ميليمتر وطول جسم المحرك يختلف من واحد لآخر الأمر الذي يؤدي إلى اختلاف العزم المتولد من كل واحد حيث أن العزم يتنا سب مع الطول

ثانيا:القدرة

تكون مستويات القدرة في المحركات الخطوية الصغيرة أقل من واحد وات,بينما تتراوح في المحركات الكبيرة بين (10إلى20) وات
يمكن تحديد القيمة العظمى للمستوى الحراري أو لمستوى القدرة بالعلاقة التالية:
Pe=EIV
مثلا محرك حجمه 23 خطوة يكون لكل فاز 6فولط و 1 أمبير حيث لفازين يكون للمحرك 12 وات أي يضاعف المحرك من قدرته..

خصائص منحني العزم و زاوية الدوران:

العلاقة بين العزم وزاوية الدوران هي العلاقة بين إزاحة الطور والعزم الذي قدم إلى دوار المحرك عزم المحرك المثالي موضح بالمقطع السابع حيث أن A,B,C يشيرون إلى المواضع التي يكون عندها الحمل المطبق على الدوار معدوم وعندما يقدم حمل للدوار أو تطبق قوة خارجية تسبب إزاحة في الطور وحسب هذه الإزاحة سيقوم المحرك بالتباطئ أو التسارع, ولكن عندما يحمل المحرك بحمل يؤدي إلى إيقافه أو يولد عزما أكبرأو يساوي عزم المحرك فإن المحرك سيولد عزما لكي يوازن عزم الحمل وعندما يتجاوز العزم الحد الأقصى يدخل المحرك منطقة غير مستقرة حيث يكون العزم معكوس الاتجاه لذلك ينتقل الدوار من فوق النقطة الغير مستقرة إلى النقطة المستقرة على المنحني.













خصائص العزم والسرعة :

منحني العزم والسرعة هو المفتاح لاختيار المحرك الصحيح الملائم لوضع التطبيق والعمل وهذه الخصائص تعتمد على تغير المحرك الشكل 9 يبين منحني عزم –سرعة.
عز م اللي الأقصى الذي ينتجه المحرك في وضع الإيقاف يسبب سحب المنحني مما يحدد منطقة تشير إلى منطقة بدء وتوقف المحرك وهذه هي منطقة التردد التي عندها يبدأ المحرك بالعمل ويتوقف بشكل أني حيث ينطبق تردد الخطوة
الأقصى دون حمل على منحني الأنسحاب حيث يمكن أن نرى من منحني الشكل أن معدل الخطوة يؤثر على عزم قدرة المحرك الخطوي 















رد فعل الخطوة الوحيدة والرنين:

عندما تطبق نبضة واحدة للمحرك الخطوي سيسلك الدوار سلوك المنحني المبين في الأعلى يعرف زمن الخطوة بأنه الزمن الذي يحتاجه الدوار حتى يدور بمقدار زاوية خطوة واحدة عند نبضة الخطوة الأولى المطبقة ويعتمد بشكل رئيسي على عزم اللي وكما يعرف أيضا زمن الاستقرار الذي يعبر عن الزمن اللازم حتى تتوقف الذبذبات الرئيسية.




محاسن المحركات الخطوية :

1- زاوية دوران الدوار في هذه المحركات تتعلق بشكل نسبي مع النبضات المقدمة.
2- يبدي المحرك الخطوي عزما تاما في حالة التوقف إذا كانت اللفات منشطة.
3- قابيلية الإعادة للحركة جيدة ودقيقة بمقدار3-5% من مقدار الخطوة وهذا الخطأ غير متراكم من خطوة إلى أخرى أي أنه لا يتزايد بمعدل تزايد الخطوات .
4- استجابة هذه المحركات ممتازة ( للتشغيل والإيقاف وعكس اتجاه الدوران)
5- لا يحتوي على فحمات مثل محركات التيار المستمر .
6- استجابة المحرك الخطوي للنبضات الرقمية المطبقة تؤمن حلقة تحكم مفتوحة مما يجعل من المحرك أبسط وأقل كلفة بحيث يجعل التحكم به أسهل .
7- من الممكن أن يحقق المحرك سرعات منخفضة متزامنة مع دوران الحمل المرتبط مع الدوار.
8- مجال سرعات الدوران يتناسب مع تردد النبضات المدخلة.

مساوىء المحركات الخطوية:

1- يمكن أن يحدث رنين إذا لم يتم التحكم بالمحرك بشكل جيد
2- ليس من السهل أن يعمل المحرك بسرعات عالية دون أن يؤثر ذلك على جودة عمله.

تطبيقات المحركات الخطوية :

يستخدم المحرك الخطوي في التطبيقات التي تحتاج إلى دقة عالية في الموضع مثال على ذلك المحركات الموجودة في الطابعات الليزرية والراسمات والروبوتات وفي التطبيقات الصناعية والشكل التالي يبين لنا استخدام المحرك الخطوي للتوجيه ال Telescope
باتجاه معين ودقيق عن طريق الكومبيوتر




أما الشكل التالي يظهر لنا بوضوح استخدام المحرك الخطوي في آلة لتعبئة كبسولات الأدوية

يوجد شركات عدة تتنافس في إنتاج المحركات الخطوية وأهمها شركة MICROCHIP المشهورة في مجال تصنيع الأجهزة الإلكترونية و ا لمحركات الخطوية

وصل المايكروكنترولر بالمحرك الخطوي:

يوجد للمحرك الخطوي المستخدم في التجربة خمسة أقطاب (1)أرضي و (4) للتحكم بالدوران.
لايمكن وصل أقطاب المحرك الخطوي إلى المايكروكنترولر بشكل مباشر لأن المحرك الخطوي يحتاج جهود أكبر 5فولط وتيار أكبر بكثير من 20ميلي امبير وهي أكبر قيم يمكن أن يقدمها المايكروكنترولر لذلك لابد من دارة تحقق الربط بين المايكروكنترولر والمحرك الخطوي
ملاحظة: عند استجرار تيار من قطب المايكرو أكثر من20ميلي امبيريؤدي ذلك الى عطب القطب وبالتالي يجب أن يكون هناك عزل بين أقطاب المايكروكنترولر وأقطاب المحرك الخطوي ويتم ذلك عن طريق عازل ضوئي
إن المحرك المستخدم يمتلك ملفين وكل ملف له نقطة مشتركة وسوف نقوم بجمع النقاط المشتركة بنقطة واحدة , حيث سيتم تطبيق الجهد الموجب عليها.
نصل الترانزيستور الحقلي مع كل نهاية من نهايات الملفين و بالتالي سنحتاج إلى أربع ترانزيستورات وسوف تعمل هذه الترانزيستورات كمفاتيح إلكترونية من أجل تمرير التيار أو قطعه عن ملفات المحرك.
وعلى إعتبار أن المحرك الخطوي يعتبر من الأحمال التحريضية والإستطاعية, لذلك فمن غير الوارد أن نصل هذه الملفات مباشرة مع أقطاب المتحكم عبر الترانزيستورات الحقلية
لأن الوصل المباشر له العديد من المشاكل مثل التشويش الكهرطيسي الناشئ عن ملفات المحرك عند وصل وفصل التيار المار فيها والذي يؤثر بشكل كبير على أداء المتحكم لذلك سوف نضع وسيطاً ما بين المتحكم و المحرك الخطوي وهو العوازل الضوئية.

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق

يسعدنا مشاركتك معنا