درایور استپر موتور چیست و چه کاربردی دارد ؟

عملکرد استپ موتور بشدت به مدار درایور بستگی دارد. گشتاور های بالا درصورتی ممکن هستند که قطب های استاتور با سرعت بیشتری خاموش و روشن شوند. این خاموش و روشن شدن ها در حقیقت فرمان هایی هستند که کنترلر ارسال می کند و درایور استپ موتور، آنها را تبدیل به جریان های الکتریکی می کند. با ما همراه باشید تا بیشتر با درایورها آشنا شویم...

در این مطلب با موارد زیر در مورد درایور استپر موتور آشنا می شویم.

• درایور استپر موتور چیست ؟
• نحوه عملکرد درایور استپ موتور
• نصب و راه اندازی درایور
• مشخصات مهم درایور
• انواع درایور ها
• آشنایی با برخی درایور های پر کاربرد
• نمای بیرونی
• بهترین درایور
• جمع بندی

درایور استپر موتور چیست ؟

درایور استپ موتور مداری است که سیگنال های خاموش و روشن شدن سیم پیچ ها را به استپ موتور ارسال می کند. درایور ها عموما دارای قابلیت کنترل جریان خروجی، کنترل نحوه حرکت و ترمینال های خروجی و ورودی برای ارتباط با استپ موتور و کنترلر و همچنین منبع تغذیه هستند. اکثر درایور ها دارای قابلیت میکرو استپینگ هستند که با تنظیم پالس های ارسالی به استپ موتور این امکان را بوجود می آورند که حرکتی دقیقتر و نرم تر را داشت باشیم. در ادامه به نحوه کار و جزئیات درایور استپ موتور می پردازیم.

نحوه عملکرد درایور استپ موتور

عملکرد درایور استپ موتور به این شکل است که جریان الکتریکی را در فازهای مختلف زمانی به استپر موتور ارسال می کند. این جریان های الکتریکی در حقیقت دستوراتی هستند که توسط کنترلر به درایور ارسال می شوند.

4 شکل مختلف استپ درایو وجود دارد :

1. درایو موجی ( یک فاز روشن )

2. درایو 2 فاز روشن

3. درایو 1 و 2 فاز روشن

4. درایو میکرو استپ

    

   درایو موجی : به این شکل است که در آنِ واحد فقط یک فاز روشن است. وقتی که درایور، قطب A که به رنگ سبز مشخص شده را فعال می کند ( قطب S مغناطیسی )، قطب N مربوط به روتور را جذب می کند. مرحله بعدی وقتی است که قطب B روشن و قطب A خاموش می شود. در این هنگام روتور 90 درجه می چرخد و این روند با روشن شدن هر قطب ادامه پیدا می کند. روش موجی از قدیمی ترین روش های درایو استپ موتور است. مهندسین به دلیل درگیر شدن فقط یک فاز از موتور در آن واحد و بصرفه نبودن این روند و گشتاور پایینی که تولید می کند به ندرت از این روش درایو استفاده می کنند.

   

درایو 2 فاز یا فول استپ : همانطور که از نامش مشخص است، در آن واحد 2 فاز از موتور را روشن می کند. اگر هر 2 قطب A و B بعنوان قطب S روشن شوند، آنگاه قطب N مربوط به روتور بطور مساوی به هر 2 آنها جذب شده و در نهایت وسط آنها قرار می گیرد. وقتی که این روند ادامه داشته باشد روتور بین 2 قطب قرار می گیرد. درایو 2 فاز، دقت بیشتری نسبت به درایو موجی ندارد اما گشتاور بیشتری تولید خواهد کرد.

درایو 1 فاز و 2 فاز روشن : این درایو تقریبا ترکیبی از 2 درایو بالا می باشد، به این معنی که همزمان می تواند 1 یا 2 فاز را روشن کند. این روش به اسم هاف استپینگ ( half-stepping ) یا نیم پله شناخته می شود. درایو قطب A را روشن می کند، سپس قطب A و B روشن می شوند، سپس قطب B بتنهایی روشن می شود و همین روند ادامه خواهد داشت. درایو 1 و 2 فاز روشن دقت بیشتری ارائه می دهد. وقتی که 2 فاز روشن است موتور گشتاور بیشتری تولید می کند.

*اخطار : نوسان گشتاوری که ممکن است بوجود آید یک موضوع بسیار مهم است، زیرا ممکن است باعث لرزش و خمش استپ موتور و روتور آن شود.

درایو میکرو استپینگ : در این روش درایور، پالس ها را بین سیم پیچ های مختلف موتور بشکلی تقسیم می کند که استپ موتور توانایی حرکت بین استپ ها بشکل دقیق پیدا می کند. برای مثال به یکی از سیم پیچ ها 1/16 و به سیم پیچ بعدی 15/16 از جریان را اختصاص می دهد، در مرحله بعدی 2/16 و 14/16 اختصاص داده می شود و همین روند ادامه خواهد داشت و این موضوع باعث تقسیم شدن یک استپ به 16 استپ دیگر می شود. درایوی که میکرو استپینگ میکند درحقیقت جریان الکتریکی را در محور یک موج سینوسی افزایش و کاهش می دهد. در این روش هیچ قطبی به شکل کاملا خاموش یا روشن وجود ندارد.

به دندانه های کوچک ایجاد شده در موج سینوسی دقت کنید. میکرو استپینگ نسبت به روش های دیگر درایو دقت بالاتری ارائه می دهد. در این روش بجای اینکه کل انرژی به یک بخش موتور داده شود، انرژی در آن پخش می شود و ممکن است در اثر استفاده ی نادرست و غیر تخصصی باعث ایجاد پرش و صدا در استپ موتور شود. عموما بر روی بدنه درایورها راهنمایی برای استفاده مناسب از میکرو استپینگ وجود دارد.

مزایای استفاده از روش میکرو استپینگ : استفاده صحیح از این روش موجب بالا رفتن دقت استپ موتور و جلوگیری از لرزش آن شود.

معایب استفاده از روش میکرو استپینگ : درصورتی که استفاده از میکرو استپینگ کنترل شده نباشد ممکن است باعث کاهش گشتاور و رد شدن استپ ها شود. در اثر استفاده نادرست ممکن است در طولانی مدت به خرابی استپر موتور بیانجامد.

نصب و راه اندازی درایور

از آنجا که استپر موتورها برای دستیابی به حرکت های دقیق و با شرایط کاملا کنترل شده طراحی و ساخته شده اند، به همین منظور و برای ارسال مجموعه ای از دستورها و فرمان های حرکتی نیاز به سیستم کنترلی دارند. این مجموعه کنترلی شامل دو بخش اصلی کنترلر (پردازشگر،CPU) و درایور است. کنترلر های صنعتی انواع و اقسام متفاوتی دارند که از میان آنها می توان به PLC ها، بردهای Mach3 ، آردوئینو، رزبری پای و ... اشاره کرد. این کنترلر ها بر اساس پارامترها و ساختارهای ذاتی خود، سیگنال های حرکتی اعم از سرعت، زاویه، شتاب، جهت و ... را بر اساس کدهای مرجع به درایور موتور منتقل نموده و درایور استپ موتور نیز با تقویت این سیگنال ها و ارسال فرمان های حرکتی بر مبنای ولتاژ و جریان، استپ موتور را با شرایط حرکتی خواسته شده به حرکت در می آورند. برنامه ریزی حرکتی استپر موتور ها از طریق نرم افزارهای مربوط به کنترلرها اتفاق می افتد و درایور توانایی خاصی در این زمینه ندارد و تنها تقویت کننده سیگنال و ارسال ولتاژ و جریان مورد نیاز برای هر نوع حرکتی به سمت موتور بر عهده این قطعه است. همانطور که کنترلر ها انواع مختلفی دارند، درایور استپر موتور نیز دارای انواع مختلفی مانند رو بردی، درایورهای صنعتی و دارای قابلیت میکرو استپینگ ( micro stepping ) است. مصرف کنندگان این قطعات با توجه به طراحی ها و نیازهای خود، مدل های مختلفی از موتور، درایور و کنترلر را انتخاب کرده و سیستم خود را راه اندازی می نمایند. همانطور که می دانید استپر موتورها دارای یک زاویه گام ذاتی هستند. به عنوان مثال 1.8 درجه در صورتیکه دقت حرکتی بیشتر از این مقدار نیاز باشد، می بایست از قابلیت micro stepping درایور که به صورت دیپ سوئیچ هایی روی درایور است (نحوه ی تنظیمات داخل دیتاشیت های هر درایور وجود دارد) استفاده نمود و با استفاده از کنترلر، فرمان های حرکتی را به آن منتقل کرد. برخی از درایور های استپر موتور توانایی تقسیم هر گام موتور به 1024 قسمت را دارند. اما کنترل این موضوع نیز کار ساده ای نبوده و ممکن است دقت حرکتی را با خطای زیاد روبرو کند و یا اینکه به موتور آسیب وارد نماید. به همین منظور می بایست هر سه بخش این سیستم یعنی موتور، درایور و کنترلر توانایی و آمادگی این رفتار را داشته باشند.

*هر درایور دارای تعدادی پورت ورودی و خروجی است، یکی از این ورودی ها برای اتصال کنترلر و دیگری برای اتصال استپر موتور است. عموما تعدادی دیپ سوییچ بر روی درایورها تعبیه شده که توسط آنها می توان اعمالی همچون تنظیم مقدار جریان یا مدل میکرو استپینگ را مشخص کرد. نحوه تنظیم جریان و میکرواستپینگ عموما در جدولی که روی بدنه درایور وجود دارد آمده است*

مشخصات مهم درایور استپر موتور

• برند

• جریان خروجی

• تعداد فاز

• ولتاژ ورودی

• قیمت

1. برند : شرکت های زیادی هستند که درایور استپ موتور تولید میکنند. مشهورترین برند تولید کننده درایورها لیدشاین است. برندهای دیگری همچون CW، HQM و پریموپال نیز درایور های با کیفیتی تولید می کنند. از نظر قیمتی طبیعتا درایور های تولید شده توسط برند لیدشاین قیمت بیشتری دارند.
2. جریان خروجی : مهم ترین خصوصیت درایور استپ موتور، مقدار جریان خروجی است. جریان خروجی درایور استپ موتور از 1 آمپر برای درایور های کوچک تا 9 آمپر برای درایور های بزرگتر و صنعتی است. مقدار جریان می تواند تاثیر مستقیمی بر گشتاور خروجی موتور داشته باشد.
3. تعداد فاز : درایور های استپر موتور دارای مدل های 3،2 و 5 فاز هستند. البته لازم به ذکر است که اکثر درایورهای استپ موتور از مدل 2 فاز هستند. با توجه به تعداد فاز استپر موتوری که استفاده می کنید، درایور مناسب را انتخاب کنید.
4. ولتاژ مورد نیاز : ولتاژی که درایور برای فعالیت نیاز دارد کاملا به نوع درایور بستگی دارد، بسته به نوع استفاده و کاربرد درایور، ولتاژ های بین 8 ولت تا 80 ولت برای انتخاب درایور استپ موتور وجود دارد. اکثر درایورها توانایی این را دارند که در یک بازه معین فعالیت کنند. بازه ی ولتاژ مورد نیاز روی بدنه یا دیتاشیت درایور نوشته شده است.
5. قیمت درایور استپ موتور : درایور های استپر موتور بسته به کاربرد، قدرت،برند و نوعی که دارند دارای قیمت های متفاوتی هستند. در حال حاضر درایورهایی با قیمت 160 هزار تومان تا 10 میلیون تومان وجود دارند که مطمئنا نوع کاربرد آنها بسیار متفاوت است. عموما درایورهایی که انکودر دار هستند یا توانایی کنترل مجزای چند موتور را دارند قیمت به مراتب بالاتری دارند.

انواع درایور استپ موتور

• درایور های ساده

• درایور های انکودر دار

• درایور های چند محوره

درایور ساده : برای مواردی که نیازی به کنترل چند موتور بشکل همزمان توسط درایور وجود ندارد، یا نیازی به گرفتن فیدبک از نحوه حرکت استپر موتور نداریم می توانیم از این نوع درایور استفاده کنیم. در حقیقت اکثر درایور ها در این دسته قرار می گیرند.

درایور انکودر دار : در مواردی که نیاز به گرفتن فیدبک از موتور داریم و طبیعتا از استپ موتور انکودر دار استفاده می کنیم، نیاز به استفاده از درایور انکودر دار پیدا می کنیم. استپ موتور های انکودر دار فقط توسط این نوع از درایور قابل کنترل هستند. این نوع درایور می تواند با گرفتن فیدبک از موقعیت استپر موتور به ما برای کنترل استپ موتور گزینه های بیشتری بدهد.

درایور چند محوره : این نوع درایور می تواند چندین موتور را بشکل همزمان درایو کند. لازم بذکر است که اکثر درایور ها می توانند این کار را انجام دهند. اما کنترل هر موتور بشکل مجزا با سیم بندی های مجزا را فقط با درایور چند محوره می توان انجام داد.

آشنایی با برخی از درایورهای پر کاربرد

TB6600

درایور استپر موتور مدل TB6600 درایوری نسبتا حرفه ای است که دارای ورودی ولتاژ 9 تا 42 ولت است. این درایور خروجی جریانی معادل حداکثر 5 آمپر نیز دارد. در قسمت بالای این درایور 6 عدد دیپ سوییچ تعبیه شده که توانایی فعال کردن حالت های مختلف مانند حالت میکرو استپ را به ما می دهد. توسط این دیپ سوییچ ها میتوان 8 حالت مختلف جریان و 7 حالت مختلف میکرو سوییچ را فعال کرد. ترمینال سیگنال این درایور به شکلی طراحی شده که از تداخل امواج فرکانس بالا جلوگیری کند. بر روی این درایور محافظی برای محافظت از گرمای بیش از حد، جریان کشی بالا و اتصال کوتاه وجود دارد. یک هیت سینک که ابعادی نزدیک به بدنه اصلی دارد روی این درایور تعبیه شده که از اتلاف گرمایی و همینطور آسیب رسیدن به درایور جلوگیری می کند.

TMC2208

برای کسانی که بدنبال عملکرد بدون صدا از استپ موتور هستند این درایور انتخاب مناسبی است. این درایور دارای دامنه ولتاژ ورودی بین 4.75 تا 36 ولت است. این درایور توانایی خروج جریانی معدل 2 آمپر را نیز دارد. این درایور توانایی این را دارد که هر استپ را به 256 قسمت تقسیم کند. ویژگی که ذکر شد همان قدرت میکرو استپینگ بالا است. انتخاب درایور TMC2208 برای استفاده در پرینتر 3 بعدی و دستگاه های لیزر و حکاکی بسیار بجا و مناسب است.

DRV8825

این درایور برای راه اندازی استپ موتور دو قطبی بصورت میکرو استپ استفاده می شود. در این درایور امکان تنظیم میزان جریان خروجی فراهم است. درایور DRV8825 دارای محافظی در مقابل جریان کشی زیاد و افزایش دما است. این درایور دارای 6 حالت مختلف ( استپ کامل، نیم استپ، 4/1 استپ، 8/1 استپ، 16/1 استپ و 32/1 استپ ) است. این درایور با تمامی بوردهای آردوینو سازگار است. درایور DRV8825 دارای حداکثر ولتاژ ورودی معادل 45 ولت است. این درایور بهمراه هیت سینک ارائه می شود.

A4988

 یکی از درایور های پر طرفدار درایور استپ موتور مدل A4988 است. این درایور جهت کنترل استپ موتور نما 17 استفاده می شود. این درایور توانایی کنترل استپ موتور با 5 حالت مختلف ( استپ کامل، نیم استپ، 4/1 استپ، 8/1 استپ و 16/1 استپ ) را دارد. این درایور حداکثر جریان خروجی 2 آمپر را ارائه می دهد. ولتاژ ورودی قابل قبول برای این درایور در حدود 3.3 تا 5.5 ولت است. درایور A4988 دارای محافظت در برابر حرارت و کاهش ولتاژ است.

DM542

DM542  یک درایور استپر موتور دیجیتال با طراحی ساده و راه اندازی ساده است. به وسیله تکنولوژی پیشرفته کنترل استپ لیدشاین، این درایور استپر موتور قابلیت راه اندازی استپر موتورهای 2 فاز و 4 فاز به صورت روان با گشتاور بهینه و نویز و دمای کم را داراست. ولتاژ کاری این درایور 18 الی 50 ولت دی سی و جریان خروجی آن می تواند تا 4.2 آمپر افزایش یابد. تنظیمات مربوط به میکرو استپ و جریان خروجی از طریق دیپ سوئیچ انجام می شود. بنابراین DM542 انتخاب ایده آلی برای کاربردهای پله ای ساده و کنترل مستقیم استپرموتورهای NEMA 17 تا NEMA 34 می باشد.

نمای بیرونی

با نگاهی به درایور استپ موتور متوجه می شوید که این دستگاه از اجزای مختلفی ساخته شده. هیت سینک، روکش پلاستیکی یا فلزی، ترمینال های خروجی و ورودی بعضی از این اجزا هستند. در تصویر که پایین آمده می توانید یک درایور استپر موتور مدل TB6600 را مشاهده کنید که قسمت های مختلف نمای بیرونی آن و نام آنها مشخص شده است.

انتخاب بهترین درایور

با توجه به گستردگی مدل های درایور، شما می توانید با توجه به مشخصات مورد نظرتان یک درایور را انتخاب کنید. در حقیقت شما باید پس از بررسی تمامی جوانب پروژه، بهترین درایور را برای آن پروژه انتخاب کنید. مشخصاتی مثل جریان خروجی، ولتاژ ورودی، قیمت، تعداد فازها و برند مورد نظرتان، بهترین درایور استپ موتور را برای پروژه شما مشخص می کنند.

جمع بندی

در پروژه هایی که نیاز به درایو کردن موتور دارید یا از استپ موتور استفاده می کنید، درایور کمک بسیاری به شما خواهد کرد. انتخاب درایور مناسب به عوامل مختلفی بستگی دارد. جریان خروجی، ولتاژ مورد نیاز، تعداد موتور هایی که باید درایو شوند، نحوه میکرو استپینگ و برند درایور از مهم ترین عواملی هستند که هنگام انتخاب باید به آنها توجه داشت. قیمت یک درایور بطور مستقیم به تمامی این موارد بستگی خواهد داشت. پس با توجه به مواردی که بررسی شد برای انتخاب و خرید درایور مناسب اقدام کنید.