ما هو الـ stepper motor؟

  |   تكنولوجيا

الـ stepper motor هو محرك يتحرك خطوة بخطوة بدلا من الدوران المستمر ويعمل بالتيار المستمر. يوجد داخل المحرك العديد من الملفات الموزعة بنظام في مجموعات تسمى “مراحل”. بتنشيط كل مرحلة على حدا يدور المحرك خطوة واحدة في كل مرة.

من خلال البرمجة الحاسوبية يتم التحكم في المحرك لتحديد الموضع بدقة أو التحكم في السرعة. لهذا السبب تعد محركات stepper هي المناسبة للعديد من التطبيقات التي تتطلب التحكم الدقيق في الحركة. تأتي المحركات في العديد من الأحجام والأنماط المختلفة والخصائص الكهربائية.

ما هي عيوب محرك الاستيبر؟

الكفاءة منخفضة – على عكس محركات التيار المستمر، فإن استهلاك التيار مستقل عن الحمل. يستهلك المحرك قدر كبير من التيار عندما يكون في وضع السكون. ولهذا السبب ترتفع درجة حرارته الـ stepper.

عزم الدوران محدود عند السرعة العالية – بشكل عام، تتميز هذه المحركات بعزم دوران أقل عند السرعات العالية مقارنة بالسرعات المنخفضة. بعض المحركات تكون مهيئة للحصول على أداء فائق السرعة، ولكن يجب توصليه اولا بمتحكم (driver) مناسب لتحقيق هذا الأداء.

لا تعطي رد فعل موضعي- على عكس محركات السيرفو، فإن معظم ال steppers لا تعطي اشارة عن الموضع، على الرغم من الدقة الكبيرة التي يمكن تحقيقها من خلال تشغيل “open loop”.

ما هي التطبيقات المناسبة لمحركات stepper؟

الدقة- نظرًا لأن المحرك يتحرك في خطوات دقيقة قابلة للتكرار، فإنه يتفوق في التطبيقات التي تتطلب تحديد المواقع بدقة مثل الطابعات ثلاثية الأبعاد، CNC، XY Plotters. تستخدم بعض محركات الأقراص للتحكم بموضع رأس القراءة / الكتابة.

التحكم في السرعة – تسمح الدقة العالية للحركة بالتحكم الممتاز في سرعة الدوران لأتمتة العمليات والروبوتات.

عزم دوران منخفض السرعة – لا تتمتع محركات التيار المستمر العادية بعزم دوران كبير عند السرعات المنخفضة. بينما يمتلك محرك الـ Stepper أقصى عزم دوران عند السرعات المنخفضة، لذا فهو اختيار جيد للتطبيقات التي تتطلب سرعة منخفضة بدقة عالية.

أنواع محركات stepper

هناك مجموعة واسعة من أنواع محركات stepper، والتي تتطلب متحكمات drivers خاصة للغاية. بعض الأنواع تشمل: المغناطيس الدائم ثنائية القطب ورباعية القطب.

حجم المحرك

معظم المحركات لها عزم دوران متفاوت. هذا هو ما يجب النظر إليه لتحديد ما إذا كان المحرك لديه القدرة اللازمة للقيام بالعمل المحدد له.

NEMA 17 هو حجم شائع للاستخدام في الطابعات ثلاثية الأبعاد وماكينات CNC الصغيرة. المحركات الصغيرة تستخدم في العديد من التطبيقات الآلية والحيوية.

تحدد أرقام NEMA الأبعاد القياسية للوحة تركيب المحرك، ولكن لا تحدد الخصائص الأخرى للمحرك. قد يكون المحركين NEMA 17 ولكنهما مختلفين في المواصفات الكهربائية أو الميكانيكية تمامًا ولا يمكن استبدالهما بالضرورة.

الشيء التالي الذي يجب مراعاته هو دقة تحديد الموضع الذي تحتاجه. يتراوح عدد الخطوات لكل لفة من 4 إلى 400. ويتم التعبير عن اللفة غالبًا كدرجات لكل خطوة. فالمحرك الذي يتحرك بـ 1.8 درجة هو نفسه محرك يدور بـ 200 خطوة / لفة.

الحصول على دقة في الحركة يأتي على حساب السرعة وعزم الدوران. فالمحركات التي تقوم بعمل العديد من الخطوات تكون سرعة دورانها اقل بالمقارنة بمثيلاتها. وكلما كانت الخطوة اللازمة صغيرة كلما كان عزم الدوران أقل عن المحركات التي تتحرك بخطوة اكبر.

عمود الدوران

شيء آخر يجب مراعاته للحصول على موضع دقيق هو كيفية انتقال الحركة من عمود دوران المحرك لبقية النظام. تتوفر أعمدة المحركات بأنماط متعددة:

العمود الدائري أو على شكل حرف “D”: يتوفر شكل العمود في مجموعة متنوعة من الأقطار القياسية ليناسب البكرات والتروس المختلفة. تحتوي الأعمدة على شكل حرف “D” على جانب مسطح للمساعدة في منع الانزلاق. وهو بالطبع مرغوب عند الحاجة لعزم الدوران العالي.

عمود الدوران المسنن: تحتوي بعض الأعمدة على أسنان ترسية، هذه الاعمدة مصممة عادة لتتوافق مع التروس المعيارية.

عمود الدوران اللولبي: تُستخدم المحركات ذات الأعمدة اللولبية الرصاصية لتشغيل المحركات الخطية. يمكن العثور على اشكال مصغرة من هذه الاعمدة في العديد من محركات الأقراص.

كيف يعمل الـ stepper motor؟

StepperMotor-حركة

تنقسم كل لفة في المحرك الخطوي إلى عدد محدد من الخطوات في كثير من الاحيان 200 خطوة، ويجب أن يرسل الى المحرك اشارة منفصلة لكل خطوة. يمكن للمحرك الخطي اتخاذ خطوة واحدة فقط في كل مرة وتكون كل خطوة بنفس المقدار.

نظرًا لأن كل نبضة تؤدي إلى دوران المحرك لزاوية محددة عادةً 1.8 درجة، يمكن التحكم في موضع المحرك دون الحاجة لأي آلية للتغذية العكسية. ومع زيادة الاشارات الرقمية في التردد تتغير الحركة من الخطوات إلى دوران المستمر حيث تتناسب سرعة الدوران مباشرة مع تردد النبضات.

تُستخدم محركات Stepper يوميًا في كل من التطبيقات الصناعية والتجارية بسبب كلفتها المنخفضة وكفاءتها العالية وعزم الدوران العالي بسرعات منخفضة والبنية بسيطة.

متحكمات أحادية القطب Unipolar

فيها يكون واحد من الأقطاب ذات قطب سالب وهو مشترك لكل الأقطاب، ويؤدي الآخر دور القطب الموجب. يمكن تنفيذ المتحكم أحادي القطب باستخدام دائرة ترانزستور بسيطة. من عيوب المتحكمات أحادية القطب هو ضعف عزم دوران لأنه في كل مرة يتم تنشيط نصف الملفات فقط.

أبسط نوع من المتحكمات يمكن تكوينه من بعض الترانزستورات. ال drivers عبارة عن مفاتيح يتم تشغيلها وإيقافها بالتتابع لتنشيط مرحلة تلو الاخرى. المتحكمات أحادية القطب غير مكلفة نسبيًا، ولكنها تعمل فقط مع المحركات أحادية القطب.

متحكمات ثنائية القطب Bipolar

تستخدم في المتحكمات ثنائية القطب دائرة H-bridge لعكس تدفق التيار بعكس القطبية بالتناوب عبر الملفات المختلفة.

تحريك المحرك ثنائي القطب يتطلب دائرة H-bridge حتى تقوم بعكس التيار خلال الأطوار المختلفة. يمكن أن تكون دائرة H-bridge صعبة التكوين من الصفر. ولكن هناك الكثير من رقائق H-bridge المتاحة لتبسيط المهمة. ULN2003 هي واحدة من رقائق الأكثر استخداما.

توصيل stepper motor بالاردوينو

توصيلstepper motor بالاردوينو

على عكس محرك DC العادي، يحتوي هذا المحرك على خمسة أسلاك من بالوان مختلفة ولماذا هو كذلك؟ لفهم هذا يجب أن نعرف أولاً محركات steppers لا تدور ولكنها تتنقل، وبالتالي فهي تعرف أيضًا باسم محركات الخطوة. بمعنى انها تتحرك خطوة واحدة فقط في المرة.

اسلاك stepper motor

تحتوي هذه المحركات على سلسلة من الملفات، ولكي تعمل يجب تنشيط هذه الملفات بطريقة معينة لجعل المحرك يدور. وعندما يتم تنشيط كل ملف يتحرك المحرك خطوة وبمساعدة الdriver الذي يعمل على تنظيم الإشارات يتحرك المحرك خطوات مستمرة.

توصيل الاردوينو

الأدوات

  • 28-BYJ48 Stepper motor – شراء من سوق | future
  • ULN2003 Driver module
  • Arduino – شراء من سوق | future

توصيل الاسلاك

  • يفضل الحصول على مصدر الجهد من بطارية خارجية بدلا من الاردوينو
  • صل اسلاك الإشارة بين الـ driver والاردوينو على التوالي

الكود

لجعل المحرك يقوم بعمل لفة كاملة 360 درجة، سنعين عدد الخطوات ل32 خطوة.

adafruit

المؤلف - TheRecap

مجلة علوم عربية، أسسها طلاب كلية الطب بجامعة بنها وجامعات أخرى. تهدف إلى نشر الثقافة العلمية، والإحاطة بكل ما هو جديد في مجالات العلوم الطبية والطبيعية المختلفة والتكنولوجيا.