قيادة المحركات الخطوية ( الجزء الأول )

بــــــــــــسم الله الرحمن الرحيـــــــــــــم

قيـــادة المحركـات الخطـويــة

Stepper Motors

_________________________________________
هذا المقال مكون من جزئين :

• المحرك الخطوي ( ما هو و مبدأ عمله و تركيبه الداخلي و توصيلاته الداخلية ) .

• تـوصيـل المـحـرك الـخـطـوي مـع الاردويـنـو .

_________________________________________

• مــا هو ?

المحرك الخطوي هو محرك يقوم بتحويل النبضات الكهربائية الى حركة ميكانيكية دقيقة , بحيث يدور الجزء الدوار في المحرك بـخـطــوات متقطعة ,
تعتمد على النبضات الكهربائية المطبقة على المحرك !

الميزة الرئيسية للمحركات الخطوية , أنك تستطيع أن تتحكم بها لدرجات معينة ، تعلم أن الدورة الواحدة تساوي 360 درجة ،
فهناك محركات تتحكم بها كل 7.5 درجه و 3.5 وهناك محركات درجه واحده حسب
طريقة تصنيع المحرك…..وهذا ما يسمى بالخطوة .

المحركات الخطوية هي محركات توافقية (synchronous) و 
بدون فراشات (brushless)
و يختلف عن محركات الـbrushless , بأنه لا يعطي دوران متواصل عند
تطبيق فرق جهد عليه , و لــكن يدور بخطـوات متقطعة.

 لذلك يجب تطبيق تسلسل معين من النبضات الكهربائية الداخلة على المحرك
ليدور بشكل صحيح , كذلك فان اتجـاه الدوران يعتمد على تسلسل تلك النبضات .
و سـرعة الدوران تعتمد على مقدار تردد النبضات !

و ما يميز هذه المحركات ايضــاً انها توفر دقة حركة عالية  بدون اي تغذية راجعة ( النظام Open loop )  ممـا يقلل من التكلفة مقارنة بمحركات السيرفو  ,
مع العلم انه يمكن العمل على المحركات الخطوية  بدون أو بوجود التغذية الراجعة .

| سيئة عدم وجود تغذية راجعة , هو انزلاق محور الدوران (slip) |




• كيـف يعمـــل ؟

تعمل المحركات الخطوية على مبدأ الكهرومغناطيسية (electromagnetism) ,
فهو يحتوي على جزء دوار ( مغناطيسي او من الحديد اللين ) ,
محاط بملفات كهرومغناطيسية ثابتة , و كلاهما لديه اقطاب 
( قد تحتوي على اسنان او بدون حسب نوع المحرك ,كما سنذكرها لاحقاً )  .

و عند تفعيل احد هذة الملفات (بتمرير تيار عبرها ) , يتحرك الجزء الدوار لـيُـحاذي الاقطاب المفعلة .
 لذلك يجب تطبيق نبظات بترتيب و تسلسل معين على هذه الملفات لنحصل على حركة منتظمـة !

توضيح لمبدأ عمل المحركات الخطوية

• التركيب الداخلـي :

من حيث التركيب الداخلي ينقسم المحرك الخطوي الى ثلاث انواع :

• محرك ذو مغناطيس دائم (Permanent Magnet Stepper) .
• محرك ذو ممانعة متغيرة (Variable Reluctance Stepper) .
• محرك مختلط (hybrid stepper) .

▬▬▬▬▬▬   أولاً : المحركات ذات المغناطيس الدائم    ▬▬▬▬▬▬

لا تحتوي الملفات او الجزء الدوار في المحرك على اي اسنان , بل يتكون الجزء الدار من اقطاب مغناطيسية متعاكسة ( شمالـي و جنوبـي ) تمتد بشكل موازي لمحور الدوران !

و عندما تُـفعّـل احدى الملفات الثابتة في المحرك , تُـكَون اقطاب كهرومغناطيسية , فيدور الجزء المغنطيسي  لياحذي المجال المغناطيسي المتكون من الاقطـاب , و من ثم يُــفعَّل
 الملف التالي ( بتسلسل معين ) فيقوم الجزء الدوار بمحاذات نفسه مع الملف الجديد .
و بالتالي تـفعيل الملفات الثابتة بتسلسل ثابت يعطينا دوران بزاوية ثابتة !


و هذه الصورة توضح تسلسل تفعيل الملفات الثابتة للحصول على دوران كامل .

و يمكن زيادة دقة هذا النوع من المحركات , بزيادة عدد الاقطاب او زيادة عدد المراحل (phase) !

▬▬▬▬▬▬   ثانياً : المحركات ذات الممانعة المتغيرة    ▬▬▬▬▬▬

هذا النوع من المحركات يحتوي على جزء دوار من الحديد (soft iron) غير ممغنط  و
 لديه اسنان , عندما تُـفـعل احدى الملفات الثابتة يتحرك الجزء الدوار بحيث يحصل على 
 أقــل فراغ بين السن  و الملف المُـفعّل . 

و يتم تصميم الاسنان بحيث تكون محاذية لزوج واحد من الاقطاب فقط ! و غير محاذية
 لباقي الاقطاب ! لذلك عند تفعيل الملف التالي , يتحرك الجزء الدوار لمحاذات ذلك الملف .

و تعتمد دقة المحرك على عدد الاسنان  في الجزء الدوار , اي انه يمكن زيادة الدقة بزيادة عدد الاسان , او بزيادة المراحل (phase).

▬▬▬▬▬▬   ثالثاً : المحركات الهجينة (المختلطة)   ▬▬▬▬▬▬

هذا النوع من المحركات هو خليط من النوعين السابقين , فهو يحتوي على محور دوران ممغنط مع اسنان , مما يعطي توجيه افضل للمجال المغناطيسي في الفراغ !

و الجزء الدوار (الممغنط) يتكون من جزئين (cups) احداهمـا للقطب الشمالي و الآخـر للقطب الجنوبي .

و تعتمد حركة هذا النوع على تسلسل النبظات ايضـاً ..

• الملفات الداخلية  :

معظم المحركات الخطوية تتكون من طورين ( two phase ) , و تكون إمـا احادي القطبية (unipolar ),  أو ثنائي القطبية ( bipolar ) .

في المحركات احادية القطبية ,يكون هناك مـلـفــان لكل طـــور ( two winding per phase) ,

و طريقة توصيل الملفات ببعض تحدد عدد الاسلاك الخارجة من المحرك (leads) ,
 فقد تكون 5 أو 6 أو 8 اسلاك - كما في الصورة التالية -  و في حالة الـ8 اسلاك يسهل لنا وصلهم على التوالي او على التوازي , بينما في حالة الـ 5 و 6 اسلاك  هم موصولين على التوالي !

المحرك احادي القطبية يسهل علينا عملية التشغيل , فلا حاجة لعكس التيار في دائرة القيادة  و بالتالي تكون ابسط ! 

و يسمـى المحرك احادي القطبية بـ (bifilar motors) ايضـاً .

امـا في المحركات ثنائية القطية ( تسمى ايضاً  unifilar motors ).

يكون ملف واحد لكل طور (single winding per pole).

و لذلك نحتاج لعكس التيار اثناء التشغيل , و بالتالي تكون دائرة القيادة اكثر تعقيداً !!

• اوضاع التشغيل (Stepping Modes)  :

هناك ثلاث اوضاع (Stepping Modes) لتشغيل المحركات الخطوية , كلها تعتمد على تسلسل تفعيل الملفات الثابتة في المحرك .

• اولاً  Wave Drive :

في هذا النوع يتم تفعيل طور واحد فقط في كل مره !

• ثانياً  Full Drive :

في هذا النوع يتم تفعيل طورين في كل مره !

• ثالثـاً  Half Drive :

في هذا النوع  يتم تفعيل طور واحد ثم طورين , بشكل تبادلي !

و هذا الامر يزيد من دقة المحرك .

◄الجزء الثاني | قيادة المحرك الخطوي باستخدام الاردوينو | 

___________________________
المصادر :
- Engineers Garage 
- adafruit learning system 
- GE tech 
___________________________