فاعل، موضوع:
- مقدمه
- استپر موتور آهنربای دائم (نوع PM)
- موتور پله ای رلوکتانس متغیر (VR)
- موتور پله ای هیبریدی
معرفی:
موتور پله ای همانطور که از نامش پیداست در چند مرحله قابل تنظیم است. تعداد مراحل ممکن است متفاوت باشد. بسته به کاربرد، موتور پله ای می تواند از 4 تا 200 پله در هر چرخش را تنظیم کند که می تواند به یک چرخش کنترل شده 0,8 درجه چرخش روتور باشد.
چرخش زاویه ای یک استپر موتور را می توان بسیار دقیق تعیین کرد. استپر موتور در اصل یکی است موتور الکتریکی سنکرون DC بدون برس های کربنی زیرا قطعات و روش های کنترل بسیار شبیه به هم هستند، اما با این وجود با ویژگی های زیر از این موتور DC متمایز می شود:
- یک موتور پله ای گشتاور نسبتا زیادی در سرعت های پایین دارد و بنابراین می تواند خیلی سریع از حالت سکون شروع به کار کند.
- حرکت یک استپر موتور آهسته و بسیار دقیق است. موتور DC برای کارکرد سریع برای مدت طولانی استفاده می شود.
- سرعت چرخش و موقعیت استپر موتور توسط یک سیگنال کنترل از واحد کنترل کنترل می شود. این بدان معنی است که هیچ سنسور موقعیت یا شکل دیگری از بازخورد مورد نیاز نیست.
- موتور پله ای در مقایسه با موتور DC بدون جاروبک، صدای بیشتری تولید می کند و باعث ایجاد ارتعاشات بیشتری می شود.
موتور پله ای در بسیاری از مکان های خودرو استفاده می شود تا قطعات یک حرکت الکتریکی کنترل شده انجام دهند. در زیر سه کاربرد وجود دارد که موتور پله‌ای را می‌توان یافت که عبارتند از: برای کنترل دور آرام، عقربه‌ها در پانل ابزار و دریچه‌های بخاری برای کنترل تهویه.
موتور پله ای برای کنترل دور آرام:
دریچه گاز موتور بنزینی در حالت استراحت بسته است. یک دهانه کوچک برای اجازه دادن به موتور در دور آرام لازم است. مسیر عبور نیز باید قابل تنظیم باشد، زیرا دما و بار (مثلاً هنگامی که مصرف کنندگانی مانند پمپ تهویه مطبوع روشن هستند) بر مقدار هوای مکش شده مورد نیاز تأثیر می گذارد.
در موتورهای مدرن، موقعیت دریچه گاز دقیقاً کنترل می شود. ما همچنین سیستم هایی را پیدا می کنیم که در آنها دریچه گاز کاملاً بسته است و هوا از طریق یک کنترل بای پس به اطراف دریچه گاز هدایت می شود. گردش هوا می تواند از طریق یک موتور DC با کنترل PWM یا توسط یک موتور پله ای انجام شود. صفحه مربوط به را ببینید دریچه گاز.
سه تصویر زیر مربوط به یک موتور پله ای است که به عنوان یک کنترل کننده سرعت در حالت آرام عمل می کند. باز شدن بای پس توسط شفت با انتهای مخروطی کنترل می شود. چرخاندن آرمیچر در استپر موتور منجر به چرخش چرخ دنده حلزونی می شود.
- چرخش در خلاف جهت عقربه های ساعت: چرخ دنده حلزونی به سمت داخل می چرخد (دهانه بزرگ در بای پس).
- چرخش در جهت عقربه های ساعت: چرخ دنده حلزونی به سمت بیرون می چرخد (دهانه کوچک در بای پس).
تابلوی ابزار:
صفحه ابزار اغلب مجهز به موتورهای پله ای متعدد برای سطح سنج مخزن، سرعت سنج، سرعت سنج، دمای موتور و در مثال زیر نیز متر مصرف زیر سرعت سنج است. صفحه ابزار یک BMW در زیر نشان داده شده است.
در پشت (داخل) پانل ابزار، پنج موتور پله‌ای با محفظه مشکی را پیدا می‌کنیم. در سمت راست، استپر موتور مورد بحث را بدون محفظه می بینیم. در اینجا می توانید دو سیم پیچ و چهار اتصال (دو تا سمت چپ، دو تا سمت راست) را به وضوح مشاهده کنید که توسط آنها می توانیم استپر موتور دوقطبی را تشخیص دهیم. موتور پله ای می تواند سوزن های اشاره گر را در مراحل کوچک تنظیم کند. فرمان تنظیم از ECU در دسته ابزار می آید.
نمودار زیر ورودی و خروجی درایور استپر موتور را نشان می دهد. این آی سی در دسته ابزار است که اطلاعات دریافتی را به خروجی موتور پله ای تبدیل می کند:
- سطح سوخت در مخزن (شناور مخزن)؛
- سرعت خودرو (مولد پالس در گیربکس یا سنسورهای ABS)؛
- سرعت موتور (سنسور موقعیت میل لنگ)؛
- دما (سنسور دمای مایع خنک کننده).
در بلوک دیاگرام، فلش های قرمز و سبز، اتصالات (A تا D) روی سیم پیچ ها در استپر موتور را نشان می دهد.
دریچه های هدایت کننده هوا در خانه اجاق گاز:
ما اغلب موتورهای پله‌ای را در دریچه‌های دریچه هوا که به صورت الکترونیکی کار می‌کنند، پیدا می‌کنیم خانه اجاق گاز. تصاویر زیر عکسی از شیر دمای هوا (سمت چپ) و تصویری از موقعیت نصب (راست) را نشان می دهد. موتور پله ای سوپاپ را با استفاده از مکانیزم به کار می اندازد، جایی که عدد 4 در تصویر نقطه محوری را نشان می دهد. اگر موتور پله ای به درستی کار نمی کند یا پس از تعویض، موقعیت شروع و پایان باید در ECU مشخص شود. با تجهیزات تشخیصی می توانیم توقف سوپاپ را یاد بگیریم، به طوری که ECU از باز یا بسته بودن کامل سوپاپ مطلع شود، بنابراین می تواند تعیین کند که چه مدت باید استپر موتور را به حرکت درآورد تا تا حدی دریچه باز شود.
موتور پله ای آهنربای دائم (نوع PM):
این نوع استپر موتور دارای روتور با آهنربای دائمی می باشد. مزیت این استپر موتور ساخت ساده و در نتیجه قیمت کم آن است. در زیر اطلاعاتی در مورد عملکرد این استپر موتور آورده شده است.
روتور استپر موتور می تواند با چندین مرحله میانی یک چرخش کامل انجام دهد. در مثال در چهار تصویر زیر، چهار مرحله میانی در هر چرخش نشان داده شده است. بنابراین روتور را می توان هر 90 درجه متوقف کرد. استپر موتور سمت چپ در موقعیت 1 قرار دارد و قطب شمال روتور در بالا و قطب جنوب در پایین قرار دارد. برای حرکت روتور 90 درجه در جهت عقربه های ساعت، جریان وارد شده به سیم پیچ با پایانه های C و D قطع شده و سیم پیچ دیگر روشن می شود. این را می توان در موتور پله دوم مشاهده کرد. کفش قطب چپ قرمز می شود (قطب شمال) و سمت راست سیاه می شود (قطب جنوب). این روتور را در موقعیت 2 قرار می دهد.
این کار با تنظیمات 3 و 4 نیز به این صورت عمل می کند. سیم پیچ بین C و D برای موقعیت 3 انرژی می گیرد، اما جریان در جهت مخالف موقعیت 1 جریان می یابد. کفشک قطب بالایی اکنون قطب شمال و پایینی قطب جنوب است. روتور اکنون در موقعیت 3 قرار خواهد گرفت. برای موقعیت 4، سیم پیچ پایینی دوباره روشن می شود و روتور به موقعیت 4 می چرخد.
استپر موتور چهار سرعته را می توان هر 90 درجه متوقف کرد. اگر این برای برنامه ای که موتور پله ای برای آن استفاده می شود کافی نیست، می توان آن را در هشت مرحله نیز تنظیم کرد. این کار با موتور پله ای یکسان امکان پذیر است، اما در طی این مراحل میانی هر دو سیم پیچ به طور همزمان انرژی می گیرند.
تصویر زیر این مراحل میانی را نشان می دهد. اینها مراحل 5 تا 8 هستند. همانطور که می بینید، تنظیم 5 بین مراحل 1 و 2 است. همین امر در مورد مرحله 6 (بین مراحل 2 و 3) و غیره صدق می کند. در طی این مراحل میانی، جریانی از هر دو سیم پیچ عبور می کند.
هنگامی که روتور باید به مرحله 5 چرخانده شود، یک جریان در سیم پیچ پایینی از A به B و سیم پیچ بالایی از C به D جریان می یابد. بنابراین اکنون دو قطب شمال (کفش های قطب قرمز) و دو قطب جنوب (کفش های قطب سیاه) وجود دارد. روتور در موقعیت 5 خواهد بود.
برای چرخش روتور 45 درجه بیشتر (به موقعیت 2)، نمودار موتور پله ای با چهار موقعیت دوباره اعمال می شود. سیم پیچ پایینی دوباره انرژی می گیرد تا جریانی از A به B جریان یابد.
اگر موتور پله‌ای 45 درجه بیشتر بچرخد (به موقعیت 6)، تصویر بالا دوباره اعمال می‌شود و هر دو سیم پیچ برق دارند.
استپر موتور همیشه توسط یک دستگاه کنترل کنترل می شود. ترانزیستورهای موجود در آی سی درایور دستگاه کنترل، منبع تغذیه و تخلیه جریان به و از کفشک های قطب را فراهم می کنند. واحد کنترل شامل هشت ترانزیستور است. با کنترل صحیح این هشت ترانزیستور، استپر موتور در چهار یا هشت مرحله یک انقلاب کامل ایجاد می کند. چرخش می تواند در دو جهت باشد. چپ و راست. دستگاه کنترل از رسانایی ترانزیستورهای صحیح اطمینان می دهد.
در تصویر یک استپر موتور را می بینیم که توسط یک دستگاه کنترل کنترل می شود. ترانزیستورهای 1 و 4 روشن هستند. برای روشن شدن کنترل، ترانزیستورها و سیم ها به رنگ قرمز و قهوه ای هستند. ترانزیستور 1 (قرمز) ترمینال A را به مثبت و ترانزیستور 4 (قهوه ای) ترمینال B را به زمین متصل می کند.
از آنجا که ترانزیستورهای 2 و 3 روشن نیستند، جریانی از آنها عبور نمی کند. اگر اینطور بود، یک اتصال کوتاه رخ می داد.
در تصویر استپر موتور کمی بیشتر می چرخد. برای این منظور ترانزیستورهای 6 و 7 نیز باید رسانا شوند.
برای اینکه استپر موتور کمی بیشتر بچرخد، هدایت ترانزیستورهای 1 و 4 متوقف می شود. فقط ترانزیستورهای 6 و 7 هنوز هدایت می کنند و باعث می شود استپر موتور موقعیت 3 را به خود بگیرد.
برای مرحله بعدی، ترانزیستورهای 2 و 3 باید روشن شوند.
موتور پله ای رلوکتانس متغیر (VR):
مانند موتور پله ای آهنربای دائم، استپر موتور با رلوکتانس متغیر دارای قطب های استاتور با سیم پیچ است. این موتور با موتور پله ای که قبلاً مورد بحث قرار گرفت، با روتور دندانه دار ساخته شده از فلز فرومغناطیسی مانند نیکل یا آهن متفاوت است. این بدان معنی است که روتور مغناطیسی نیست. این نوع استپر موتور امروزه به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد.
سیم پیچ استاتور در یک طرف (A) برعکس سیم پیچ در طرف دیگر (A') پیچیده می شود. البته همین امر در مورد B و B و غیره نیز صدق می کند. دندانه های روتور توسط شار مغناطیسی ایجاد شده توسط انرژی دادن به سیم پیچ های استاتور جذب می شوند.
مزایای موتور پله ای VR در مقایسه با نسخه دارای آهنرباهای دائمی عبارتند از:
- به دلیل عدم وجود آهنرباهای دائمی، تولید موتور پله ای VR کمتر برای محیط زیست مضر است.
- نیازی به معکوس کردن قطبیت سیم پیچ های استاتور نیست. این اجازه می دهد تا برای کنترل ساده تر.
معایب عبارتند از:
- گشتاور کم؛
- دقت پایین؛
- تولید نویز بالاتر بنابراین تعداد برنامه ها، از جمله خودرو، محدود است.
- به دلیل عدم وجود آهنرباهای دائمی، هنگام ایستادن هیچ گشتاور نگهدارنده ای وجود ندارد.
موتور پله ای هیبریدی:
استپر موتور هیبریدی دارای یک روتور دندانه دار با آهنرباهای دائمی و یک استاتور دندانه دار با هشت سیم پیچ با فاصله هوایی کوچک بین روتور و استاتور است. روتور از دو دنده تشکیل شده است که 3,6 درجه از یکدیگر فاصله دارند. یک آهنربای بزرگ در داخل روتور وجود دارد. دو چرخ دنده فولادی روی آهنربا فشار داده می شود. چرخ دنده ها نیز به دلیل وجود آهنربا مغناطیسی می شوند. یک چرخ دنده به عنوان قطب شمال و دیگری به عنوان قطب جنوب مغناطیسی می شود. هر دندان روی روتور تبدیل به یک قطب مغناطیسی می شود. بنابراین ما در مورد "روتور قطب شمال" و "روتور قطب جنوب" صحبت می کنیم. با توجه به جابجایی دنده ها، قطب شمال و جنوب در حین چرخش متناوب می شوند. هر چرخ دنده 50 دندانه دارد.
لحظه ای که درایور استپر موتور جریان را از طریق یک سیم پیچ استاتور هدایت می کند، سیم پیچ مغناطیسی می شود. قطب های شمالی سیم پیچ ها، قطب های جنوبی روتور را جذب کرده و باعث چرخش روتور می شود.
سه تصویر زیر کنترل دو فاز (قرمز و نارنجی) استپر موتور هیبریدی را نشان می دهد.
الف. روتور استپر موتور به موقعیت فعلی خود چرخیده است (شکل را ببینید) زیرا سیم پیچ های نشان داده شده مغناطیسی شده اند.
- چرخ دنده سبز قطب جنوب است که در استاتور به قطب های شمال جذب می شود.
- دندانه های بین روتور و استاتور در مکان هایی که روتور کشیده شده است با یکدیگر هم تراز هستند. برای وضوح، این نقاط در هر سه موقعیت با یک علامت سیاه نشان داده می شوند.
- دنده قرمز پشت دنده سبز است. از آنجایی که چرخ دنده ها نسبت به یکدیگر می چرخند، دندانه های قرمز رنگ قابل مشاهده هستند. قطب های شمال روی روتور به قطب های جنوب روی استاتور جذب می شوند.
ب. مرحله کنترل تغییر کرده است. میدان مغناطیسی بین سیم پیچ های نارنجی و روتور ناپدید شده است. اکنون سیم پیچ های فاز "قرمز" کنترل می شوند و باعث می شود که میدان مغناطیسی بین سیم پیچ های قرمز و روتور ایجاد شود.
- در نتیجه تغییر میدان مغناطیسی از نارنجی به سیم پیچ های قرمز، روتور 1,8 درجه در جهت عقربه های ساعت می چرخد.
- برای چرخاندن روتور در خلاف جهت عقربه های ساعت به جای جهت عقربه های ساعت، قطبیت (جهت جریان) باید از طریق اتصالات قرمز معکوس شود. از این گذشته، جهت جریان از طریق سیم پیچ، جهت میدان مغناطیسی و بنابراین "موقعیت" قطب شمال و جنوب را تعیین می کند.
ج- کنترل دوباره تغییر فاز داده و روتور دوباره در جهت عقربه های ساعت 1,8 درجه چرخیده است.
- همان سیم‌پیچ‌هایی که در وضعیت A وجود دارد، فعال هستند، اما قطبیت سیم‌های نارنجی برعکس شده است.
- همانطور که در وضعیت B نشان داده شده است، می توان روتور را دوباره در خلاف جهت عقربه های ساعت با کنترل سیم پیچ ها چرخاند.
- برای اینکه روتور در جهت عقربه های ساعت بچرخد، سیم پیچ های قرمز نیز انرژی می گیرند، اما قطبیت در مقایسه با وضعیت B معکوس است.
در مثال های بالا مشاهده می شود که روتور قطب شمال به یک سیم پیچ قطب جنوب و در همان زمان روتور قطب جنوب به یک سیم پیچ قطب شمال جذب می شود. این تضمین می کند که استپر موتور هیبریدی حرکات بسیار دقیقی انجام می دهد و همچنین گشتاور بالایی دارد.
استپر موتور هیبریدی را می توان به جفت قطب های بیشتر و دندانه های بیشتری روی روتور مجهز کرد که امکان گام های تا 0,728 درجه و 500 پله در هر دور را فراهم می کند.
