MakerPot.com


90


30


0

دليل المحركات الكامل للروبوتات الخطوة العاشرة : محرك الخطوة

2017-05-14

محرك الخطوة هو جهاز الكتروميكانيكي يقوم بتحويل النبضة الكهربائية إلى حركات ميكانكية متقطعة. يدور محور الدوران، أو ذراع محرك الخطوة بخطوات متقطعة متزايدة عندما يستقبل نبضات الأوامر الكهربائية حسب التسلسل المحدد للخطوات. ودوران هذه المحركات له علاقات متعددة مباشرة مع هذه النبضات المدخلة. فتسلسل هذه النبضات المطبقة ترتبط مباشرة باتجاه دوران محور المحرك. بينما ترتبط سرعة دوران محور المحرك مباشرة بتردد النبضات المدخلة، و مدة الدوران ترتبط مباشرة بعدد النبضات المدخلة المطبقَة.

لهذا تعتبر المحركات الخطوية محركات رائعة بالنسبة للذين يريدون التحكم بالوضعية. ويمكنك ايجاد تطبيقات هذه المحركات في الطابعات المكتبية، طابعات الخرائط والمخططات، الطابعات ثلاثية الأبعاد، ماكينات الطحن CNC milling machines، وأي شيء آخر يتطلب أن يتحكم بالوضعية بدقة كبيرة. والمحركات الخطوية هي فرع خاص من المحركات غير المسننة. وهي مصممة بهدف تحمّل عزم دوران عالي. وعزم الدوران العالي يعطي للمستخدم القدرة على رفع " الخطوة" إلى الوضعية التالية. وهذه القدرة في نظام تموضع بسيط لا تتطلب جهاز تشفير. وهذا ما يجعل من السهل جدا أن تصمم وتصنع متحكمات المحركات الخطوية.

و أحد الميزات الهامّة للمحرك الخطوي هي قابليته لأن يتم التحكم به بدقة في أنظمة الحلقات المفتوحة. ونظام الحلقة المفتوح يعني أننا لا نحتاج إلى أي معلومات من التغذية العكسية عن الموقع. وهذا النوع من التحكم يجنبنا الحاجة إلى الكواشف غالية الثمن وأجهزة التغذية العكسية مثل أجهزة التشفير الضوئية. فمعرفة وضعيتك (موقعك) تتم ببساطة عبر تتبعك المستمر لنبضات الدخل الخطوية.

في أي مجال تكون هذه المحركات الخطوية مفيدة؟

يمكن أن تكون المحركات الخطوية خيارا جيدا في أي مشروع أو تصميم تحتاج فيه للتحكم بالحركة. فيمكن أن تستغل ميزاته في التطبيقات التي تحتاج فيها إلى التحكم بزاوية الدوران، السرعة، الموقع (الوضعية) والتزامن.

  • التموضع: ولأن المحركات الخطوية تتحرك في خطوات محددة مكررة، فإن هذه المحركات تكون ممتازة في التطبيقات التي تحتاج إلى تموضع دقيق مثل الطابعات ثلاثية الأبعاد، CNC آلات الطحن، ومنصات الكاميرا وطابعات الخرائط والمخططات X،Y. وبعض قارئات الأقراص تستعمل أيضا المحركات الخطوية من أجل تموضع رأس القراءة/الكتابة.
  • التحكم بالسرعة: والتحكم الدقيق بالحركات المتزايدة يسمح أيضا بتحكم ممتاز بسرعة الدوران من أجل عمليات الأتمتة والروبوتات.
  • عزم دوران ضعيف: محركات DC العادية ليس لديها عزم دوران كبير في السرعات الضعيفة. بينما المحرك الخطوي يكون عزم دورانه الأقصى في السرعات الضعيفة، لهذا فهو خيار جيد للتطبيقات التي تتطلب سرعات ضعيفة ودقة كبيرة.

مبدأ العمل:

مبدأ عمل المحركات الخطوية هو نفسه ذلك الذي لدى المحركات غير المسننة، فقط حجم الخطوة يكون أصغر كثيراً. فالجزء المتحرك الوحيد فيها هو الأداة الدوارة، والتي تحتوي على المغانط. أما الجزء المعقد من المبدأ فهو تنظيم تسلسل تغذية الملفات. فاستقطابية كل لفة يتحكم بها اتجاه التيار الكهربائي. وتعرض الصورة المتحركة هنا نمطا بسيطا يمكن للمتحكمين أن يتّبعوه. فالتيار المتناوب يغير الاستقطابية معطيا كل ملف تأثير "دفع-جذب" والفرق المهم هو كيفية اختلاف بنية المغناطيس للمحرك الخطوي. فمن الصعب على صف من المغانط أن تعمل بشكل سليم في مكان صغير. وهو أيضا غالي الثمن جدا. ولحل هذه المشكلة، تستعمل معظم المحركات الخطوية طريقة الرقاقة المدمجة لتوجيه أقطاب المغانط إلى "الأسنان".

هناك نوعين من محركات الخطوة: محركات خطوة وحيدة القطبية، ومحركات خطوية ثنائية القطبية. ومن ناحية أساسية، فهذين النوعين من المحركات يعملان بنفس الطريقة: فالعناصر الالكترومغناطيسية تعمل بشكل متسلسل دافعةً محور المحرك المركزي للدوران.

أما الفرق بين النوعين فهو اختلافهم في مستويات الفولط. فالمحرك الخطوي وحيد القطب يعمل فقط على القطبية الموجبة، لهذا فإن الفولطية العالية أو المنخفضة التي تطبق على الملفات الالكترو مغناطيسية ستكون بين الـ 5V و 0V. بينما المحرك الخطوي ثنائي القطب يملك نوعي استقطاب، الموجب والسالب، لهذا فالفولطية المطبقة هنا ستكون بين 2.5V و-2.5V. وبوضع هذه الفروق الكهربائية في الحسبان، فإن الفرق الفيزيائي بين هذين النوعين من المحركات هو أن تركيب المحرك أحادي القطب يتطلب سلكا زائدا في وسط كل ملف للسماح بالتيار بالعبور سواء من خلال طرف نهاية الملف أو من خلال الطرف الآخر لها. وينتج هذين الاتجاهين المتعاكسين النوعين الاستقطاب المختلفين للمجال المغناطيسي، محاكياً بفعالية امكانيات الفولطية السلبية والايجابية للمحرك الخطوي ثنائي الأقطاب. وعلى الرغم من أن كلا النوعين لديه نطاق فولطية 5V، إلا أن المحرك الخطوي ثنائي القطبية لديه في الحقيقة عزم دوران أعلى لأن التيار الكهربائي يمر من خلال كامل الملف، منتجا مجالا مغناطيسيا أقوى لحث محور المحرك على الدوران حسب الزاوية المناسبة. في الجانب الآخر، فإن المحرك الخطوي أحادي القطب يمكنه فقط استعمال نصف طول الملف بسبب وجود السلك الزائد في وسط الوشيعة، لهذا سينتج عزم دوران أقل كي يوجّه مغناطيسيا المحور نحو المكان المطلوب.

ويحتوي المحرك الخطوي ثنائي القطب ثنائي الوجوه على مجموعتين من الملفات، بينما المحرك أحادي القطب رباعي الوجوه لديه أربعة. ويملك المحرك ثنائي القطب ثنائي الوجوه أربع أسلاك، اثنين في كل وجه. وبعض المحركات تأتي مع أسلاك مرنة تسمح لك بتشغيل المحرك حسب ما تريد كثنائي القطب أو أحادي القطب.

قيادة المحرك الخطوي:

التحكم بالمحرك الخطوي أكثر صعوبة من التحكم بمحرك DC مسنن عادي. فالمحركات الخطوية تتطلب متحكما خطويا كي يغذي الأطوار بتتابع زمني لجعل المحرك يدور.

وهناك عدّة طرق مختلفة للتحكم بالمحركات الخطوية، بخطوة كاملة، نصف خطوة، وخطوات مجهرية. وكل هذه أنواع التحكم لديها كمية مختلفة من عزم الدوران و حجم الخطوة التي يمكن للمحرك الخطوي أن يستخدمها.

اضف وصف الصورة هنا

ففي حالة التحكم بأسلوب الخطوة الكاملة فإن كلا عنصري الالكترومغناطيسية " تعمل" ON ولتدوير المحور المركزي، ينطفيء أحد العناصر الالكترو مغناطيسية والعنصر التالي يعمل، منتجا حركة المحور بنسبة 1/4 من السن ( على الأقل بالنسبة للمحركات الخطوية الهجينة).. وفي هذا الأسلوب حيث تكون فيه كلا العناصر الالكترومغناطيسية تعمل يأخذ معظم عزم الدوران بالنسبة لأساليب التحكم الأخرى ما عدا أسلوب الخطوة الأكبر حجما. وفي أسلوب التحكم نصف الخطوة تتناوب العناصر الالكترومغناطيسية التشغيل وعدمه ويكون فقط أحدهما يعمل في المرة الواحدة. ولتدوير المحور المركزي، يغذى العنصر الالكترومغناطيسي الأول، ثم يغذى العنصر الثاني ينما يكون الأول ما زال مشحونا من أجل الخطوة الثانية. وفي الخطوة الثالثة يطفئ العنصر الالكترومغناطيسي الأول وفي الخطوة الرابعة يشتغل العنصر المغناطيسي الثالث، كل هذا بينما يكون العنصر الالكترومغناطيسي الثاني لا يزال مغذىَ بالطاقة. وهذا النمط، المعروض في الصورة أعلاه، يستخدم مرتين العديد من الخطوات، كخطوة الكاملة في التحكم، أو اسلوب نصف الخطوة، لكنه يملك أيضا عزم دوران أقل بما أن هناك دوما عنصران الكترومغناطيسيان يقودان المحور المركزي . أما أسلوب التحكم بالخطوات المجهرية، فالطبع يملك أقل حجم ممكن للخطوة من بين كل أساليب التحكم السابقة. و احدى الطرق الشائعة للقيام بأسلوب التحكم بالخطوات المجهرية هو القيام بـ ( الخطوات المجهرية sine cosine). وهذا يعني أن التيار الذي يمر عبر كل ملف نتعامل معه كأنه منحنيات ( موجات) جيب/ تجيب الزاوية sine/cosine wave. وهذا ' التداخل" بين الموجات بين ملفين ينتج عددا كبيرا من الخطوات الصغيرة جدا substeps. والعدد الحقيقي للخطوات الصغيرة جدا يعتمد على عدد التعديلات المتقطعة في التيار الذي تغذي به الملف، لكن أسلوب الخطوات المجهرية يبقى يقدم لك أصغر حجم ممكن ومحتمل للخطوات. وهذا ما يجعله يقدم لك أدق تحكم بالحركة من بين كل أساليب التحكم الأخرى. وعزم الدوران في هذا الأسلوب يعتمد على كمية التيار المارة عبر الوشائع في مدة زمينة معينة، لكن قيمته ستبقى أقل من تلك الموجودة في أسلوب التحكم بالخطوة الكاملة.

وأبسط نوع من المتحكمات يمكن بناؤه ببضعة ترانزستورات. وببساطة يتم التبديل بينهم تشغيلا/ايقاف تشغيل بتتابع معين لتغذية الأطوار بالطاقة والتحكم بالمحرك الخطوي. وتبدو المتحكمات بالمحركات أحادية القطب أرخص نسبيا في بنائها، لكنها تعمل فقط مع المحركات أحادية القطب لا غير. وهناك درس تعليمي ممتاز في كيفية بناء أحدها عبر الأردوينو.

يتطلب التحكم بمحرك ثنائي القطب جسري H كاملين full H-bridges بغرض عكس طور التيار. وأداة جسر H صعبة في بنائها وتصميمها من الصفر. غير أن هناك العديد من رقاقات جسر H المتوفرة لتسهيل هذه المهمة. وأحد أشهر هذه الرقائق هو L293D . وهذه الشرائح يمكن أن تجدها في قلب معظم هياكل محركات الجيل الأول.

ومن خلال هذا الكود البرمجي يمكنك التحكم بالمحرك الخطوي عبر لوحة الأردوينو.

// Global variables int timeDelay = 3000; void setup(){ // declaring the four pins to be outputs pinMode(34, OUTPUT); pinMode(32, OUTPUT); pinMode(30, OUTPUT); pinMode(28, OUTPUT); // setting the inital state of the electromagnets digitalWrite(34, HIGH); digitalWrite(32, LOW); digitalWrite(30, LOW); digitalWrite(28, HIGH); delay(10); // a small time delay to allow the motor to move } // end of setup void loop(){ for(int i=0; i<202; i++){ // looping through this chunk of code for ~ a full rotation digitalWrite(30, LOW); digitalWrite(34, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(28, LOW); digitalWrite(32, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(34, LOW); digitalWrite(30, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(32, LOW); digitalWrite(28, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); } // end of looping // preparing the electromagnets to go the other direction digitalWrite(32, HIGH); digitalWrite(28, LOW); delayMicroseconds(timeDelay*500); for(int j=0; j<204; j++){ // looping through this chunk of code for a full rotation in the other direction digitalWrite(30, LOW); digitalWrite(34, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(28, HIGH); digitalWrite(32, LOW); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(34, LOW); digitalWrite(30, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay); digitalWrite(32, HIGH); digitalWrite(28, LOW); delayMicroseconds(timeDelay); } // end of looping // preparing the electromagnets to go the other direction digitalWrite(32, LOW); digitalWrite(28, HIGH); delayMicroseconds(timeDelay*500); } //end of loop

الاستعمالات:

  • الطابعات ثلاثية الأبعاد.
  • ماكينات الطحن CNC.
  • كاميرات الروبوتات المتحركة.
  • الطابعات.
  • محركات التعشيق المخصصة.

المزايا:

  • قدرتها على التموضع المتكرر الدقيق.
  • دقيقة التحكم بالسرعة.
  • عزم دوران منخفض-السرعة ممتاز.
  • تحكم ممتاز في عزم الدوران ( والمحافظة عليه ثابتا) لضمان التموضع الدقيق.

العيوب:

  • كفاءة ضعيفة.
  • ربما تحتاج إلى مشفّر أو محدد تبديل limit switch لإنشاء موقع مرجعي.
  • معرّض لتجاوز بعض الخطوات في حالة افراط تحميله.

وتجد هنا تفاصيل أكثر عن المحركات الخطوية :

http://www.instructables.com/id/How-to-use-a-Stepper-Motor/

يمكنك زيارة موقع MakerPot للاتطلاع على انواع ال Motors والاردوينو

http://makerpot.com/robotics/motors.html

http://makerpot.com/arduino/boards.html

0


Test User